La martensite produite par déformation

La transformation de phase martensitique étant caractérisée par un mouvement coopératif des atomes, l'énergie nécessaire à ce déplacement peut être obtenue par un effort externe d'origine mécanique lors de la déformation. La température T1 représentée dans la Figure 1.7

ne produit pas une différence d'énergie suffisante pour déclencher la transformation martensitique thermiquement. Cependant, à l'aide d'une énergie externe notée ici Wp,

l'énergie devient suffisante pour permettre la transformation de phase. Par analogie avec la température de début de transformation Ms, une température dénommée Md permet d'estimer

la température à laquelle il n'est plus possible de former de martensite, même sous sollicitation mécanique. Il est cependant plus courant d'utiliser le terme Md30 donnant la

température à laquelle 50 % de martensite sera produit sous une déformation vraie de 30 %. Quatre équations empiriques obtenues par les travaux de Angel [Angel - 1954] en équation (1.8), Gladman, Hammond et Marsh [Gladman, Hammond et Marsh - 1974] en équation (1.9), Sjöberg [Sjöberg - 1973] en équation (1.10) et Nohara, Ono et Ohashi [Nohara, Ono et Ohashi - 1976] en équation (1.11) permettent l'estimation de Md30 pour les alliages de l'étude

(Tableau 1.4).

(° ) = 413 − 462. (% + % ) − 9,2. % − 8,1. % −

(° ) = 497 − 462. (% + % ) − 9,2. % − 8,1. % − 13,7. % − 20. % − 18,5. % (1.9) (° ) = 608 − 515. % − 821. % − 7,8. % − 12. % − 34. % − 13. % − 6,5. % (1.10) (° ) = 551 − 462. (% + % ) − 9,2. % − 8,1. % − 13.7. % − 29. (% + % ) − 18.5. % − 68. % (1.11)

Tableau 1.4 Estimation des températures Md30 caractérisant l'obtention de 50%

de martensite sous 30% de déformation vraie

Références Md30 [° C]

304L 316L 310S

[Angel - 1954] 29 °C 9 °C -155 °C

[Gladman, Hammond et Marsh - 1974] 29 °C -13 °C -272 °C

[Sjöberg - 1973] 22 °C -18 °C -

[Nohara, Ono et Ohashi - 1976] 11 °C -49 °C -

L'évolution de la contrainte critique nécessaire pour activer la transformation martensitique en fonction de la température est présentée en Figure 1.8, avec Mσ_{s la température à laquelle}

une transition entre un effort élastique et plastique est nécessaire à la formation de martensite et Md la température où il n'est plus possible de former de martensite. Il est possible de distinguer deux types de transformation martensitique déclenchée par déformation:

• La transformation assistée par la contrainte (AC): intervenant entre Ms et Mσs,

l'énergie demandée est ici faible et une déformation élastique est suffisante pour déclencher la transformation de phase.

• La transformation induite par la déformation (ID): formée entre Mσ

s et Md,

l'écoulement plastique réalisé sous une contrainte supérieure à la limite d'élasticité fournit ici l'énergie nécessaire pour provoquer la transformation de phase.

Figure 1.8 Contrainte seuil de transformation martensitique en fonction de la température de déformation. T: thermiquement, AC:

assistée par la contrainte, ID: induite par déformation et ø: aucune transformation

Considérant que la force motrice permettant la transformation martensitique est essentiellement de nature chimique lorsque le matériau est porté près de sa température de transformation spontanée Ms [Olson et Cohen - 1972], l'énergie nécessaire pour induire la

transformation martensitique peut alors devenir relativement faible. Ainsi une déformation élastique s'avère suffisante pour déclencher le changement de phase. Lorsque la température est augmentée (entre Mσ

s et Md), l'énergie nécessaire pour déclencher la transformation

devient plus importante jusqu'à ce que les défauts induits par la déformation soient nécessaires pour former de la martensite. La martensite devient alors induite par la plasticité.

Figure 1.9 Exemple de la germination de martensite α a) à l'intersection de deux bandes de martensite ε [Venables - 1961] et b) à l'intérieure d'une bande unique de martensite ε [Yang, Sun et Zhang - 2015]. L'austénite γ est ici représentée en gris, la martensite ε en

bleu et la martensite α' en rouge sur le schéma inséré

Les travaux menés sur la martensite formée par déformation reportent que tous les types de défauts induits par déformation peuvent prendre part à la formation de martensite α' [Olson et Cohen - 1972 ; Fujita et Katayama - 1992], que ce soit la phase ε, des bandes de glissement ou encore des macles. En déformant un alliage 304 sous température cryogénique, Venables [Venables - 1961] a observé la formation d'un embryon de martensite α' à l'intersection de deux bandes de martensite ε (Figure 1.9.a). De plus, la phase α' peut germer et croître dans une unique bande de martensite ε [Li et al. - 2014 ; Yang, Sun et Zhang - 2015] comme le montre la Figure 1.9.b. La martensite ε peut donc être une phase de transit permettant la formation de martensite α' afin d'accommoder un taux de déformation croissant. En plus des interactions de la martensite ε, la création d'un germe de martensite α' a été observé à l'intersection de bandes de déformation, au niveau de l'interaction entre des bandes de déformation et des joints de grains [Sabooni et al. - 2015] et à l'intersection de

a)

macles de déformation [Lecroise et Pineau - 1972]. Tous ces mécanismes ont en commun de cisailler deux fois le volume contenu à l'intersection selon les directions <112> des plans {111} de l'austénite mère, donnant lieu à une structure cubique centrée caractéristique de la martensite α'. La quantité de martensite ainsi formée dépend alors du nombre de germes créés et de la coalescence des germes ainsi formés [Murr et al. - 1982].

Compte tenu de ces observations, il est alors possible de cumuler les effets de la déformation et de la température afin de faire varier les cinétiques de transformation, notamment dans les aciers ayant des températures de début de transformation Ms très basses. Olson et Cohen

[Olson et Cohen - 1975] ont proposé une formule empirique permettant d'estimer la quantité de martensite produite dans un alliage 304 pour une température et un taux de déformation donnés (Équation 1.12).

= 1 − exp (−β. (1 − exp(−α. ε)) ) (1.12)

Dans cette équation, la fraction de martensite fα' dépend du taux de déformation ε mais aussi

des paramètres α et β représentant respectivement le taux de formation des défauts de déformation (sensible à la température) et la probabilité que ces derniers forment un embryon de martensite α' par intersection. L'exposant n est une valeur obtenue par dérivation du paramètre β en fonction de la température et vaut 4,5 dans le cas de l'acier inoxydable 304. En cumulant les effets d'une baisse d'énergie nécessaire au déclenchement de la transformation de phase à la création de site de germination par déformation plastique, il est possible d'augmenter considérablement la quantité de martensite produite pour un taux de déformation donné (Figure 1.10). Les fractions de martensite α' formées en fonction du taux de déformation suivent alors des tendances sigmoïdales comme définie dans la formule précédente.

Figure 1.10 Évolution de la quantité de martensite α' (fα'_{) en fonction du}

taux (ε) et de la température de déformation [Olson et Cohen - 1975]