Mécanismes de déformation de l’austénite

L’acier AISI 304 allie une ductilité et une résistance mécanique importante. En effet, en

fonction de la température et du trajet de chargement, l’élongation à la rupture peut varier de

20 à 80% et la résistance à la traction de 450 à 1100 MPa. Ces propriétés remarquables sont

liées à la complexité des mécanismes de déformations actifs. La plasticité classique par

glissement de dislocations entre en compétition avec d’autres mécanismes comme :

- Le maclage mécanique.

- La formation de la martensite ε.

- La formation de la martensite α’.

Le paramètre pertinent pour analyser l’activité et la transition entre ces différents mécanismes

est l’énergie de fautes d’empilement (EFE) de l’alliage.

1.5.1. Energie de fautes d’empilement et influence sur la

dissociation des dislocations

Définitions :

Une faute d’empilement est un défaut planaire correspondant à une imperfection dans la

superposition des plans du réseau cristallin. Si l’on prend l’exemple des structures compactes,

il existe deux façons d’empiler des plans compacts ABCABC… et, ABAB… formant

respectivement une structure CFC (cas de l’austénite ) ou Hexagonal Compact (HC) (cas de la

martensite epsilon). Toute modification de cet empilement se traduit par la formation d'une

faute d’empilement.

déterminée indirectement. On considère qu’elle varie linéairement avec l’enthalpie de

transformation de l’austénite (CFC) en martensite ε (Hc), accessible à partir de données

thermochimiques et magnétiques des alliages considérés. La figure 1.14 donne la variation de

l’énergie de faute d’empilement de l’austénite en fonction de la teneur en chrome, en nickel

[Lac90]. Il apparaît clairement que l’EFE augmente avec la température et avec la teneur en

nickel. De façon générale, l’EFE augmente avec la stabilité de l’austénite et donc avec

l’augmentation des éléments γ-gènes et de la température.

Figure 1.14 – Variation de l’énergie de faute d’empilement en fonction des teneurs en

Chrome et Nickel de l’acier.

Influence sur les mécanismes de déformation :

Pour un matériau à faible EFE, la formation de fautes d’empilement est favorisée lors de la

déformation plastique. Cela se traduit par la formation de dislocations partielles de vecteur de

Burgers plus petit à partir de dislocations parfaites. Ce processus crée des fautes

d’empilement mais minimise aussi l’énergie de ligne des dislocations (proportionnelle au

vecteur de Burgers). Si l’on prend l’exemple d’une dislocation parfaite de vecteur de Burgers

]

011

[

2

1

de plan de glissement ( )111 , elle va pouvoir se dissocier dans son plan en deux

dislocations partielles glissiles, de tête et de queue, selon la réaction suivante (figure 1.15) :

) 1 1 1 ( ) 1 1 1 ( ) 1 1 1 (

[112]

6

]

121

[

6

]

011

[

2

a

a

a

+

= 1.11

Avec le vecteur de Burgers des dislocations partielles, le passage de la dislocation de tête ne

reconstitue pas le cristal parfait mais laisse une faute d’empilement. Le passage de la

dislocation de queue guérit ce défaut de telle sorte que la dissociation crée un ruban de défauts

entre deux partielles.

PLAN

{111}

D

E

F

a/2<110>

Figure 1.15 : Dissociation d’une dislocation parfaite.

Cette dissociation a une conséquence directe sur le glissement dévié et la consolidation du

matériau. En effet, classiquement, la déformation plastique est assurée par la création et le

glissement des dislocations. Au cours de ce mouvement, les dislocations rencontrent des

obstacles (autres dislocations, joints de grains, précipités) bloquant les dislocations et

provoquant la formation d’empilement de dislocations. Les dislocations parfaites peuvent

contourner les obstacles en choisissant un autre plan de glissement contenant leur vecteur de

Burgers. Par contre, les dislocations dissociées doivent rester confinées dans le plan de

dissociation. Pour activer du glissement dévié, il faudrait d’abord reconstituer une dislocation

parfaite. Ce mécanisme n’est pas concevable lorsque les fautes d’empilement se superposent

et créent une structure très stable. Par conséquent, on observe une forte consolidation lorsque

l’EFE diminue (figure 1.16).

Plus généralement, la stabilité de la dissociation des dislocations parfaites en partielles est à

l’origine de l’existence de différents modes de déformations de l’austénite, qui impliquent la

création de fautes d’empilement, comme le maclage ou la formation de martensite ε.

Figure 1.16 – Evolution des courbes de traction en fonction de l’EFE du matériau.

1.5.2. Le maclage mécanique

Le maclage mécanique est souvent activé en compétition avec le glissement de dislocations

dissociées. En effet la formation du maclage résulte du glissement de dislocations partielles de

Shockley identiques de vecteur de Burgers du type b

1

=^a 112 sur chaque plan compact

Figure 1.17 – Formation d’une macle mécanique.

Les macles mécaniques apparaissent au cours de la déformation sous forme de fines lamelles

de structure CFC (on parle de micromacles). Elles sont dites cohérentes car les joints de

macles assurent la continuité parfaite entre la structure cristallographique de l’austénite et la

macle sans dislocation résiduelle à l’interface. Elles ne doivent pas être confondues avec les

macles thermiques qui se forment lors d’un recuit pour diminuer les contraintes internes. Leur

morphologie est significativement différente puisqu’elles sont très épaisses et sont

considérées comme des grains à part entière. Elles n’induisent aucun cisaillement et ne sont

pas systématiquement cohérentes (elles forment des joints de type Σ3).

La formation d’une macle mécanique répond à un critère d’activation comme pour le

glissement cristallographique. Une énergie critique est définie et doit être atteinte par

l’énergie motrice F

m

exprimée par la relation 1.12, pour que la germination ait lieu.

M m

F =σ:ε 1.12

Avec σ la contrainte dans le grain, et ε

M

la déformation engendrée par la macle.

Une macle produit un glissement positif dans une direction du type <11-2> et d’amplitude γ

o

=

111 1

d

b

=

2

2

avec d

₁₁₁

la distance interréticulaire entre deux plans {111}

_γ

. Le tenseur de

déformation associé au glissement (111)[11-2] est donné par l’expression 1.13 ;

( ) avecm [ ]112 et n ( )111

2

2

.

2

1

=

=

+

=

_{i j j i} M

n

m

n

m

ε 1.13

Compte tenu de la symétrie cubique, il n’existe que 12 systèmes de glissement positif

(111)[11-2], le nombre de macles possible est donc limité à 12 en terme de déformation

(tableau 1.5). Du point de vue cristallographique, les macles dans ce cas ne présentent que 4

orientations différentes par rapport au substrat.

Macle Plan Direction 111 11-2 111 1-21 1 111 -211 -111 -11-2 -111 -1-21 2 -111 211 11-1 112 11-1 1-2-1 3 11-1 -21-1 1-11 1-1-2 1-11 121 4 1-11 -2-11

Tableau 1.5- Macles formées à partir des systèmes de

glissement {111}<11-2>.

La déformation importante induite par la formation de macles mécaniques augmente de façon

notable la ductilité du matériau. Ce phénomène est d’ailleurs à l’origine des remarquables

propriétés des aciers TWIP (TWinning Induced Plasticity)[All04]. La présence de macles

interagit également sur la plasticité cristalline puisqu’elle limite le libre parcours moyen des

dislocations du matériau. Ceci a pour effet direct d’augmenter significativement l’écrouissage

du matériau.

1.5.3. La transformation de phase γγγγ→→→εεεε→

Tout comme le maclage, la transformation de phase γ→ε est favorisée par le glissement de

dislocations dissociées. La formation de la martensite ε résulte du glissement de dislocations

partielles de Shockley identiques de vecteur de Burgers du type <112>

6

a

sur tous les

seconds plans consécutifs {111}

_γ

de l’austénite.

L’empilement périodique des plans {111}

_γ

ABCABCABC devient après le passage d’une

dislocation de Shockley sur tous les deux plans {111}

γ

soulignés ABCABABAB.

La succession de plans {111}

γ

ABABAB… permet d’obtenir la structure hexagonale

compacte de la martensite ε (figure 1.18).

La formation de la martensite ε produit un glissement d’amplitude γ

o

=

4

2

.

2

₁₁₁ 1

=

d

b

dans la

direction du type <11-2> avec d

111

la distance interréticulaire entre deux plans {111}

_γ

. Le

tenseur de déformation associé s’écrit alors pour le glissement (111)[11-2] ;

( ) avecm 112 et n { }111

4

2

.

2

1

=

>

=<

+

=

_{i j j i} tr

n

m

n

m

ε

ε 1.14

La transformation de phase γ→ε a les caractéristiques d’une transformation martensitique. Le

plan d’habitat est de type {111}

_γ

. Les relations d’orientations strictes entre la phase γ et la

phase ε sont :

{ } {111

_γ

// 0001}

_ε

< 110 >

_γ

// < 2110>

_ε

1.15

A partir de cette relation d’orientation et compte tenu des symétries du cube et de la maille

hexagonale, on peut montrer que les trois directions de glissement de type <11-2> sur un

même plan (111) mènent à la même variante de martensite ε. L’orientation de la variante ε est

donc exclusivement définie par le plan de glissement (111) sur lequel la faute d’empilement

se produit. Le tableau 1.6 liste les 4 variantes de martensite ε formées à partir des quatre plans

{111}

_γ

.

Variantes ε Plans Directions

111 11-2 111 1-21 1 111 -211 -111 -11-2 -111 -1-21 2 -111 211 1-11 1-1-2 1-11 121 3 1-11 -2-11 11-1 112 11-1 1-2-1 4 11-1 -21-1

Tableau 1.6 – Variantes de martensite εεεε formées à partir de

système de glissement {111}<11-2>.

1.5.4. La transformation de phase γγγγ→→→α→ααα’

En plus de la transformation martensitique γ→ε, les aciers austénitiques instables subissent

une transformation plus classique γ→α’, lors d’une déformation comprise entre les

températures Ms et Md. Les caractéristiques générales de la transformation γ→α’ ont été

décrites en partie I. Nous allons ici nous intéresser au cas particulier des aciers austénitiques

instables à faible EFE.

De nombreux auteurs [Kel65] [Lec72] ont montré que la martensite α’ est en relation

d’orientation de type KS avec l’austénite. Lorsque la transformation est induite par la

déformation, les mécanismes de la transformation sont influencés par les défauts déjà présents

dont la nature dépend de l’EFE de l’acier et donc de la température de sollicitation. Dans le

cas de l’acier AISI 304, nous avons souvent une coexistence de la phase α’ avec du maclage

ou de la martensite ε. Cette dernière est vue, soit comme une phase d’accommodation, soit

comme une phase intermédiaire. La phase martensitique α’ résulte alors soit d’un processus

γ→α’ ou γ→ε→α’. Le deuxième processus prédomine lorsque certains paramètres de maille

des phases ε et α’ sont proches. Si l’on prend l’exemple de l’acier 304 déformé à basse

température, la distance entre les plans denses de la phase ε subit une contraction et n’est plus

égale à celui des plans {111}

_γ

mais très proche de celui des plans denses {110}

_α’

, on peut

ainsi trouver dans ces aciers une transformation γ→ε→α’ [Lac90]. Le plan d’habitat a été

mesuré et calculé par Kelly [Kel65] comme étant un plan de type {211}

_γ

dans ces aciers. La

martensite α’ apparaît sous forme de lattes situées aux intersections des bandes de

cisaillement formées de fautes d’empilement, de macles ou de martensite ε. Si l’on prend

l’exemple de deux variantes de martensite ε développées sur les plans {111}

_γ

et {11-1}

_γ

(figure 1.19), la martensite germe à l’intersection des deux variantes en respectant la relation

de KS telle que le plan (101)

_α’

soit parallèle au plan (111)

_γ

et la direction [11-1]

_α’

soit

parallèle à la direction [1-10]

_γ

[Kel65].

Figure 1.19 – Formation d’une variante de martensite à l’intersection de deux bandes de

glissement.

1.5.5. Interaction entre les différents systèmes

En résumé, la grande variété des mécanismes est essentiellement régie par l’énergie de fautes

d’empilement, étroitement liée à la stabilité de la phase epsilon. La hiérarchie d’apparition des

mécanismes de déformation suivants :

La formation de martensite α’ est observée quelle que soit la valeur de l’EFE, cependant sa

morphologie et son mode de formation sont fortement dépendants de celle-ci.

1.6. Comportement mécanique et microstructures de l’acier

Dans le document Étude du comportement mécanique et des modifications de textures et de microstructures induites par la transformation de phase y-[alpha]' sous contrainte d'un acier AISI 304 : aspects expérimentaux et modélisations (Page 32-39)