Les mécanismes statiques

II)MATERIAU DE REFERENCE... 31

A. Caractéristiques d’un demi-produit à l’état brut de forgeage ... 31 B. Caractérisation microstructurale... 33 C. Choix de la microstructure initiale pour les essais mécaniques de compression. ... 38

III)ETUDE POUR UNE TEMPERATURE DE FORGEAGE DE 1100°C... 43

A. Réalisation d’essais de forgeage isotherme ... 43 B. Analyse microstructurale des échantillons obtenus par forgeage... 52 C. Comparaison de l’évolution microstructurale des prélèvements centre et périphérie ... 63 D. Identification des mécanismes d’évolution microstructurale ... 67

E. Etude du comportement superplastique pour les faibles vitesses de déformation (ε = 10 sɺ ^{-4 -1})... 75

IV)ETUDE POUR UNE TEMPERATURE DE FORGEAGE DE 1050°C ... 82

A. Essais mécaniques... 82 B. Analyse microstructurale et comparaison centre-périphérie... 84

V)ETUDE POUR UNE TEMPERATURE DE FORGEAGE DE 1125°C... 92

A. Essais mécaniques... 92 B. Analyse microstructurale et comparaison centre-périphérie... 93

Ce chapitre concerne l’analyse du comportement mécanique en forgeage et de l’évolution microstructurale de l’Udimet 720 pour différentes conditions de transformation. En effet, lors de la mise en forme à chaud des métaux, la microstructure évolue sous l’influence de phénomènes tels que la restauration et/ou la recristallisation.

La première partie est donc une introduction bibliographique des différents mécanismes à l’origine de l’évolution microstructurale à chaud. Par la suite, le matériau de départ de l’étude est présenté et sa microstructure caractérisée à différentes échelles. Cette partie met en évidence que pour le produit initial, l’hétérogénéité de perméabilité aux UltraSons (US) lors des Contrôles Non Destructifs (CND), peut être attribuée à une variation microstructurale. Enfin, les trois dernières parties sont dédiées aux analyses mécaniques et microstructurales d’essais de forgeage réalisés respectivement à 1100, 1050 et 1125°C. Pour la température de 1100°C, une étude des mécanismes élémentaires de recristallisation dynamique est présentée. Dans un dernier temps, l’influence des conditions thermomécaniques sur la perméabilité aux ultrasons est exposée.

I ) Mise en forme à chaud et mécanismes associés

On parle de mise en forme à chaud, lorsque la température est supérieure à la moitié de la température de fusion du matériau (températures exprimées en kelvins). Dans ce cas, l’agitation thermique est élevée et les mécanismes thermiquement activés sont prépondérants. De ce fait, les phénomènes de restauration et de recristallisation dynamique jouent un rôle important sur l’évolution microstructurale et les propriétés mécaniques finales du matériau.

Les procédés de mise en forme à chaud (forgeage, matriçage, laminage…) sont très employés industriellement, du fait de la ductilité importante des matériaux, permettant de grandes déformations pour des efforts moindres qu’à température ambiante. Les mécanismes associés à la modification de la microstructure sont alors nombreux et complexes.

Il est possible de distinguer trois stades différents lors des transformations à chaud : - Le chauffage jusqu’à la température de mise en forme, suivi du palier isotherme

permettant d’obtenir une température homogène dans le produit. Lors de l’élévation de température de produits préalablement écrouis, l’énergie stockée sous forme de dislocations, peut mener à l’apparition de phénomènes de restauration ou de recristallisation « statique ».

- Les opérations de corroyage. Durant ces étapes, l’élévation de température est accompagnée de déformation plastique. Le métal subit simultanément un écrouissage dû à la déformation et un adoucissement lié aux processus de restauration et de recristallisation qualifiés de « dynamiques ».

Mise en forme à chaud et mécanismes associés

haute température : la restauration statique, la recristallisation statique conventionnelle et la recristallisation métadynamique (ou post dynamique)

A. Les mécanismes statiques

Pour un matériau métallique, la prépondérance d’un mécanisme de restauration ou de recristallisation statique est fonction de l’énergie de défaut d’empilement [PHI02].

- Dans le cas de matériaux avec une faible ou une moyenne énergie de défaut d’empilement, la recristallisation statique conditionne l’évolution microstructurale. Cela est lié au fait que les dislocations sont dissociées et que leur réarrangement et leur montée sont difficiles.

- Dans le cas de matériaux avec une forte énergie de défaut d’empilement, c’est la restauration (le réarrangement des dislocations par glissement et montée facile) qui régit l’évolution microstructurale.

1. La restauration statique

Au cours de la restauration, les grains initiaux demeurent la base de la microstructure, mais il se produit une diminution de la densité de dislocations, accompagnée de réarrangements de celles-ci en configuration de plus basse énergie.

Dans le cas des polycristaux, l’accommodation de la déformation macroscopique se fait par glissement des dislocations suivant des plans de glissement préférentiels. Le nombre de ces plans étant limité (4 au maximum pour un CFC), la probabilité pour que deux dislocations de signes opposés se déplacent sur le même plan de glissement est importante, ce qui implique leur annihilation. Un second mécanisme portant le nom de polygonisation, consiste en une fragmentation des grains initiaux en sous-grains légèrement désorientés les uns par rapport aux autres. La Figure 2.1 illustre les différentes étapes conduisant à la polygonisation : Tout d’abord les dislocations se rassemblent en écheveaux, subdivisant le grain initial en cellules (a), puis ces dernières se perfectionnent via un affinement de leurs parois (b), jusqu’à la création de sous-joints continus, délimitant les sous-grains (c). L’état polygonisé est un état relativement stable car les dislocations se trouvent regroupées en configuration de plus faible énergie.

Figure 2.1: (a) Rassemblement des dislocations en écheveaux dans le cuivre, (b) stade préparatoire à la polygonisation, correspondant à un affinement des parois des cellules et (c)

état polygonisé, avec sous-joints continus constitués de réseaux de dislocations [HER63].

2. La recristallisation statique

La recristallisation statique souvent qualifiée de primaire, se traduit par le développement de nouveaux grains, possédant une densité de dislocations très faible, au détriment de grains écrouis. L’énergie motrice de cette transformation est l’énergie stockée au cours de la

déformation, présente sous forme de dislocations. Ces nouveaux grains croissent à partir de ce

qui est communément appelé des germes et la croissance se poursuit jusqu’à ce que ces grains entrent en contact les uns avec les autres. La recristallisation au sens strict du terme est alors terminée. Elle peut être suivie par une étape de croissance normale des grains, où la force motrice est alors l’énergie interfaciale des nouveaux grains.

(a)Germination

Il est convenu d’appeler germe, un petit grain possédant une densité de dislocations très faible, voire nulle, capable de grossir par migration des joints d’assez fortes désorientations qui le limitent. Les ordres de grandeur caractéristiques d’un germe sont [PHI02] :

- Une taille comprise entre 20 et 200 nm - Une désorientation critique de 10 à 15°.

La formation d’un germe de taille critique peut provenir de plusieurs mécanismes :

Coalescence et/ou croissance de cellules (sous-grains)

La restauration est un processus thermiquement activé qui met en jeu l’annihilation des dislocations, la formation de sous-grains, leur coalescence (Figure 2.2) ainsi que leur croissance.

Mise en forme à chaud et mécanismes associés

Figure 2.2 : Exemple de coalescence de sous-grains dans le cuivre (W1, W2… désignent les murs de dislocations, A, B … désignent les cellules de dislocations)[JAK04]

Migration induite

Des fluctuations locales de configuration des sous-joints (taille, morphologie et/ou désorientation) ou un fort gradient de déformation locale sont des éléments favorables à la migration des joints de grains. Cette migration est connue sous deux noms :

- Gonflement ou « bulging » dans le cas de fluctuations locales.

- Migration induite par la déformation (Strain Induced Boundary Migration) dans le cas d’un gradient de déformation locale (Figure 2.3).

Figure 2.3 : Formation d’un germe d’orientation cube dans l’Invar par SIBM [CHH07]

(b)Croissance

Les cristallites, qui ont acquis une désorientation critique, peuvent croître sous l’effet de l’énergie libérée par l’annihilation des dislocations de la matrice voisine. Ce sont seulement les interfaces cristallite/matrice possédant la désorientation critique, qui acquièrent une mobilité suffisante. De ce fait, la croissance s’effectue dans la direction du grain voisin, car la variation

DN

DL

d’énergie stockée (densité de dislocations) et la désorientation entre la cristallite et la matrice environnante est maximale (Figure 2.4).

Figure 2.4 : Croissance de grains dans l’Invar [CHH07]

3. La recristallisation métadynamique (ou post-dynamique)

La caractéristique majeure de la recristallisation métadynamique est qu’elle ne peut se produire que si la déformation à chaud effectuée précédemment, a donné lieu à une recristallisation dynamique discontinue. Contrairement à la recristallisation statique, la recristallisation métadynamique ne comporte pas d’étape de germination. En effet la croissance s’effectue à partir des germes crées avant l’arrêt de la déformation. [MON96].

De plus, le mécanisme de recristallisation métadynamique est beaucoup plus rapide que la recristallisation statique.