Transformation induite par plasticité (effet TRIP)

L’effet TRIP (Transformation Induced Plasticity), où la transformation induite par la plasticité est la transformation d’une phase métastable à une autre phase plus stable induite par déformation à une température au-dessous de la température d'équilibre thermodynamique [53- 55]. Cette nouvelle phase est accompagnée d'un changement de volume. Pour les aciers TRIP, Abareshi [56] a suggéré que l’effet TRIP est le facteur clé de l’optimisation de la ductilité de l’alliage. L’amélioration des propriétés mécaniques monotones par effet TRIP a fait l’objet de plusieurs études. Ces études ont démontré que la limite d'élasticité et la ténacité de ces types

d’alliages sont les plus élevées [57]. En effet, ce phénomène permet d'augmenter fortement la ténacité ainsi que la ductilité en retardant la striction.

De même pour des essais Charpy , Iwabuchi et al. [58] dans leur étude des aciers inoxydables martensitiques dont la teneur en Ni est comprise entre 1% et 6%, expliquent que la bonne résilience est associée à la température de revenu et à la quantité d’austénite de réversion formée, en d’autres mots, à l’effet TRIP puisqu’il y a une relation directe entre la présence d’austénite de réversion et l’effet TRIP comme on a expliqué précédemment.

Certaines études [59, 60] ont démontré que la sollicitation sous contrainte cyclique d’un acier inoxydable austénitique métastable implique un processus de déformation plastique, ce qui aboutit à une transformation en phase martensitique. Ils ont suggéré que la transformation de phase est principalement localisée au fond de fissure et qu’elle influence la vitesse de propagation car les contraintes de compression résultant de la transformation de l’austénite en martensite sont induites principalement lorsque le changement de volume est localisé, ce qui retarde la vitesse de croissance des fissures à la suite de la réduction de l'intensité de contrainte à la pointe de la fissure (Figure 1-10 ) [59]. D’autres études [43, 61] suggèrent que la concentration de contrainte diminue à cause de l’augmentation du rayon au fond de la fissure par émoussement induit de la transformation de l'austénite en martensite.

Figure 1-10 : Transformation de l'austénite résiduelle en martensite le long d'une fissure de fatigue propagation [62].

De même, la répartition des lattes d’austénite et leur quantité ont un effet sur la propagation de la fissure. Krupp et al. [62] ont démontré qu’une quantité plus élevée d’austénite de réversion

améliore la vie en fatigue des aciers inoxydables austénitiques AISI 301 dans le régime LCF (low-cycle fatigue) par contre elle est non bénéfique pour la vie en fatigue dans le cas du régime HCF (High-cycle fatigue). Ceci est expliqué par la formation de très fines particules de martensite dans la zone plastifiée adjacente à la fissure, ce qui bloque efficacement le mouvement de dislocation et rend la vitesse de propagation de fissure plus petite. D’autre part, Parker et al. [63] ont démontré que des particules fines dispersées d’austénite retardent la propagation des fissures par fatigue. En outre, la transformation de l'austénite en martensite lors de la déformation introduit une contrainte de compression qui est également considérée pour améliorer la résistance à la fatigue. De même, Godin [40] a trouvé que la taille de l’austénite serait le facteur le plus influent sur sa stabilité mécanique, indépendamment de sa stabilité thermique (composition chimique). Il a aussi suggéré qu’une matrice dure aurait contribué à limiter et à ralentir la transformation d’une austénite fine sous une contrainte cyclique.

Pour le même type d’acier, Khan et al. [64] ont montré que la transformation d’une austénite plus instable permet de diminuer la vitesse de propagation par rapport à celle d’un acier AISI 302 dont l’austénite est plus stable. La composition chimique de la phase métastable a un effet sur sa stabilité mécanique. Krupp et al. [62] ont démontré que la diminution de la concentration de carbone par décarburation à haute température favorise la transformation d’austénite en martensite et conduit à un renforcement cyclique prononcé pendant la déformation contrôlée pour des aciers inoxydables austénitiques AISI 301 (Figure 1-11). De même pour des aciers TRIP, Abareshi et al. [56, 65] ont suggéré que la teneur en carbone augmente la stabilité de l'austénite résiduelle. Cette stabilité élevée permet la transformation induite par déformation d'austénite sans changement brusque de durcissement conduisant ainsi à un allongement amélioré de l’alliage.

Figure 1-11 : Courbes de déformation cyclique pour trois différentes concentrations de carbone d’un acier inoxydable austénitique AISI301 [62].

Cette transformation TRIP, d’après Chanani et Antolovich [57], n’est pas toujours réalisable sauf si on dépasse une valeur seuil d’amplitude de déformation plastique. Selon Scheil [66], la transformation martensitique peut commencer à une contrainte inférieure à la limite d'élasticité de l'austénite, en particulier en présence de ferrite. Timokhina et al. [67] ont observé ce phénomène dans les aciers TRIP, où les grains épais d’austénite résiduelle située entre les grains de ferrite ont été facilement transformés lors de la déformation axiale. Dans le cas des aciers CA6NM, c'est l'austénite de réversion, une phase métastable à la température de l’essai, qui se transformera en martensite quand une contrainte de déformation est appliquée.

Pour des essais de fatigue propagation de ces aciers, jusqu’à cette date aucune étude n’a pu démontrer l’influence de l’effet TRIP sur la vitesse de propagation. Mais une étude menée par Thibault et al. [44] a montré que la zone plastique en fond de fissure d’un acier CA6NM ne contenait plus d’austénite de réversion après environ 100 cycles et que l’austénite de réversion en fond de la fissure s’était totalement transformée en martensite lorsque le ΔK est supérieur au

ΔKth. Par conséquent, ils ont constaté que la plasticité de transformation par effet TRIP dans les aciers CA6NM, explique leur ténacité élevée [44]. Récemment, Godin a trouvé que 2.2% d’austénite de réversion contenue dans un acier 13%Cr-4%Ni se transforme après 3 cycles et qu’environ 2% persiste dans la matrice après 20 cycles suivant le traitement thermique et la composition chimique considérés.

En comparant la vitesse de propagation de fissure dans un acier martensitique et austénitique, Bathias et Pelloux [68] ont indiqué que la vitesse est plus réduite dans des aciers instables austénitiques que dans les aciers maraging pour des ΔK ≤ 32 MPa.m1/2. À des valeurs plus élevées de contrainte moyenne, l'effet bénéfique de la transformation martensitique sur la vitesse de croissance des fissures de fatigue est essentiellement compensé par un effet accélérateur produit par l'augmentation du taux d’écrouissage de l'alliage en raison des grandes quantités de martensite fraîche formée [64] . En effet, l’expansion volumique et la déformation produite par la transformation de phase permettraient de ralentir la propagation. Par contre, la présence de martensite fraîche en fond de fissure l’accélérerait. L’existence simultanée de ces deux phénomènes rend la prévision de la vitesse de propagation difficile.