Endommagement et rupture des aciers : science, microstructure, technologie

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1 8 octobre 2015 Endommagement et rupture des aciers : science, microstructure, technologie A.-F. Gourgues-Lorenzon, Centre des Matériaux, MINES ParisTech A. Dalloz, ArcelorMittal Maizières et Centre des Matériaux, MINES ParisTech D. Rèche, ArcelorMittal Maizières et Centre des Matériaux, MINES ParisTech F. Krajcarz, ArcelorMittal Maizières et Centre des Matériaux, MINES ParisTech F. Tankoua, ArcelorMittal Gand et Centre des Matériaux, MINES ParisTech

2 Introduction De nombreuses applications nécessitent une résistance mécanique élevée ET une bonne aptitude à dissiper de l énergie par déformation (mise en forme, résistance aux chocs...) L optimisation des deux types de propriétés passe par la compréhension des mécanismes physiques sous-jacents Un terrain idéal pour la recherche appliquée, en partenariat avec l industrie (élaborateurs et utilisateurs) Ténacité de la zone fondue d un point soudé Quelques exemples : soudabilité et formabilité des aciers à haute résistance pour l automobile, résilience des aciers pour gazoducs Pliage Résistance à la rupture fragile 2/28

3 Démarche Une problématique industrielle concrète, à enjeu fort c Analyse de l existant, extraction d une problématique scientifique Conception d expériences analytiques pour tester les hypothèses de mécanismes physiques et déterminer des critères fiables, aussi simples que possible Les critères quantitatifs permettent de «vivre avec» Essai de ténacité sur point soudé La compréhension des mécanismes permet d améliorer les matériaux ou les conditions de mise en œuvre pour «vivre sans» Modélisation d un essai Charpy 3/28

4 Quelques exemples... Découper sans pré-endommager? Le cas des aciers dual-phase pour l automobile A. Dalloz, A. Pineau, A.F. Gourgues, T. Sturel Le pliage : comment résister aux déformations extrêmes... D. Rèche, J. Besson, A.F. Gourgues, T. Sturel Souder sans fragiliser : les aventures d une zone fondue et leurs conséquences sur la ténacité F. Krajcarz, A. Pineau, A.F. Gourgues, E. Lucas Rupture fragile «déviée» des aciers pour gazoducs : du nouveau sur la «contrainte critique de clivage» F. Tankoua, J. Crépin, A.F. Gourgues, P. Thibaux 4/28

5 Endommagement par découpe : problématique L opération de découpe peut, pour certains aciers à haute résistance, induire une fissuration à partir des bords découpés lors des opérations de mise en forme En traction, perte de ductilité jusqu à 50% du fait des bords découpés Aciers d étude ; dual-phase (ferrite + ~20% de martensite à ~0,4% C) Traction sur bandes Microstructure (MEB) Contrainte (MPa) Allongement (%) Vue de côté : multi-fissuration du bord découpé après traction Vue en coupe : fissures peu profondes (< 150 µm) 5/28

6 Endommagement par découpe : analyse Caractérisation expérimentale : conception d un essai de découpe instrumenté et qu on puisse interrompre Endommagement progressif des interfaces entre ferrite et martensite, au cours de la déformation : écrouissage, cavitation serre-flan support Montage Courbe chargedéplacement Mécanismes : cisaillement puis rupture Ecrouissage 0.3 mm Rotation de la matière, fissuration, endommagement sur 200 µm Zoom : cavitation 6/28

7 Endommagement par découpe : mécanique La zone endommagée se comporte-t-elle comme une préfissure? Essais sur éprouvettes avec préfissures courtes : longueur critique ~200 µm! L analyse par la mécanique des milieux poreux (rupture ductile) concorde avec les résultats : ductilité et aptitude à la découpe ne font pas forcément bon ménage... essai simulation essai simulation Maillage par éléments finis Trajet de la fissure essai simulation simulation HV 10 Géométrie de la zone écrouie Contrainte tôle = 0.45 mm Rôle de «préfissure» de la zone écrouie et endommagée par la découpe 7/28

8 Endommagement par découpe : métallurgie Limiter l étendue de la zone endommagée : localiser la découpe Limiter le contraste mécanique entre ferrite et martensite : traitement thermique + caractérisations fines : MET, nano-dureté, nano-sims, mesures de C dans la martensite... martensite Non TT TT ferrite Aptitude à l expansion de trou découpé Fracture elongation (%) bords usinés bords coupés Amélioration du comportement à la découpe Traitement 1 Traitement 2 Résistance à la traction (MPa) brut Traction sur bandes coupé puis TT TT puis coupé 8/28

9 Endommagement par découpe : conclusions Une meilleure compréhension du procédé de découpe : trajet de la fissure, endommagement de la matière, mode de sollicitation comprenant de la traction Une meilleure compréhension des mécanismes d endommagement et de rupture des DP sous fort cisaillement : contraste mécanique entre ferrite et martensite, comportement de la ferrite près des interfaces avec la martensite Une proposition de solution par traitement thermique, industrialisable sur ligne de production 9/28

10 Aptitude au pliage : problématique Relier l aptitude au pliage (différente selon les tests) à la microstructure Pliage en V : flexion sévère --> effet de la microstructure en peau (extrados) Pliage sous traction : confinement, rupture instable --> interrompre l essai! Pliage en V Pliage sous traction : montage instrumenté Acier d étude : TRIP faiblement allié (ferrite, bainite, austénite résiduelle, martensite dans les bandes ségrégées) Microstructure en bandes (optique) travers court long 40µm 10/28

11 Aptitude au pliage : analyse du pliage en V Effet de la position des zones ségrégées / extrados : pliage de tôles rectifiées 2 -> 0,75 mm instrumentation, modélisation (éléments finis + mécanique des milieux poreux anisotropes) Poinçon et éprouvette pliée Courbe chargedéplacement Amorçage d une micro-fissure b 40 µm 600µm 600µm 600µm 600µm Ségrégation en intrados : pas de fissure Ségrégation à miépaisseur : micro-fissure Ségrégation à 1/4 épaisseur : fissure Ségrégation en extrados : macro-fissure 11/28

12 Aptitude au pliage : rupture par pliage en V Quelle ductilité de la zone proche des bandes de ségrégation? Lien entre épaisseur des bandes, déformation (locale, modèle simple) et endommagement : traction, pliage Modèle mécanique : le juste niveau de complexité (2D, sans contact, mais tenir compte du chargement cyclique avec le déplacement de la fibre neutre) Pliage : cavitation sous l extrados bande plus dure Traction uniaxiale / 2 d + y ε = ln 1+ R t 0 band thickness (µm) Limit curve for ε = 0.11 a = ε b not damaged damaged limit local max. principal strain t b I 12/28

13 Aptitude au pliage : analyse du pliage sous traction Mécanismes d endommagement (essais interrompus presse industrielle) - Germination de cavités près des particules de secondes phases dures - Coalescence précoce le long d une bande de localisation de la déformation - Striction finale entre cette fissure et la surface (extrados) Amorçage de fissure interne Cavitation Montage instrumenté, essais interrompus 10µm 13/28

14 Aptitude au pliage : analyse du pliage sous traction Le juste niveau de complexité : modèle 3D, gestion des contacts, écrouissage isotrope Interaction entre amorçage de fissure sur ségrégation centrale et localisation de la déformation par striction 60 serreflan Maillage 3D par éléments finis tôle tôle poinçon Load (kn) experiment simulation without damage simulation with damage Courbe chargedéplacement du poinçon Punch displacement (mm) 1100 MPa Observation expérimentale Localisation de la déformation 0 0 Endommagement 0 Striction Contrainte équivalente Fraction volumique de porosité 14/28

15 Aptitude au pliage : conclusions Caractérisation expérimentale du pliage : essais instrumentés, interrompus critère de cavitation en fonction de la microstructure locale Mêmes mécanismes dans les deux cas : germination de cavités sur les particules dures paramètre de contrôle : structure en bandes Analyse mécanique «au juste niveau de complexité» : occurrence et mécanisme de rupture 15/28

16 Ténacité du point soudé : problématique > 3000 points soudés sur une caisse en blanc automobile Intégrer leur résistance à la rupture en amont pour la conception d alliages (essais, critères simples) Rupture interfaciale ou déboutonnage? BIW Besoin d une mesure de ténacité de la zone fondue = f (composition chimique, conditions de soudage) Pointe d entaille 500 µm Modes de rupture (vus de dessus) Coupe d un point soudé Zone fondue Tôle 1 Tôle 2 Morceau de tôle 1 Interfaciale 1 mm Partiellement interfaciale Par déboutonnage 16/28

17 Ténacité du point soudé : analyse Développement d un essai de traction sur double U Mécanique linéaire de la rupture : K I = f( a) (modèles analytiques) --> ténacité K Ic(2%) à l amorçage (2% de perte de surface portante) Trois aciers d étude, zone fondue martensite/bainite (F) ou martensite (D, T) Conditions de soudage fixées (bas de domaine) : zone soudée par diffusion = préfissure c métal de base zone fondue concentration des contraintes d ouverture Schéma de l essai F D T C [wt%] Mn [wt%] Si [wt%] YS [MPa] TS [MPa] Matériaux d étude Acier T: martensite (500 HV 0.5 ) Microstructure de la zone fondue Suivi de la fissure 17/28 Légende de la photo

18 Ténacité du point soudé : métallurgie Mise en évidence d une transition ductile-fragile en K Ic(2%) et en mode de rupture Charge (kn) fragile mixte ductile 2 Maximal Load Load at crack initiation T ( C) Série1 Identification des mécanismes de rupture fragile et ductile K Ic(2%) (MPa m) K Ic fragile mixte ductile T ( C) Zone soudée par diffusion (préfissure)) spectre d analyse X 20 µm 0 C: rupture fragile par clivage, grandes facettes de clivage (gros grains γ) 5 µm +120 C: rupture ductile < phosphures fins (micro-ségrégation de solidification) 18/28

19 Ténacité du point soudé : mécanique Rupture par clivage : (pilotage par la taille de la zone plastique (cas atypique) Comportement élastoplastique : :modèle identifié sur essais sur éprouvettes traitées thermiquement (Gleeble) Critère de Rice-Tracey (croissance critique) sur une distance critique (fractographie) Porosité initiale : à partir de la distribution de sulfures / phosphures interdendritiques Une tension hydrostatique élevée : étirage // tôle (géométrie de l essai) Bonne prédiction de la ténacité pour l acier D. Acier F : manque de données à haute T σ (MPa) Acier D, refroidissement hélium -142 C -120 C -80 C -40 C 0 C 24 C 85 C J c (kj.m -2 ) Steel D: experiment (R/R Steel 0 ) c ~ F: 2 experiment Prédiction de la rupture ductile Acier F Acier D D F Steel D: model Steel F: model Régions ductiles : T ( C) F D ε p Comportement élastoplastique : simulations Gleeble Prédiction de la rupture ductile 19/28

20 Ténacité du point soudé : conclusions Détermination de la ténacité de la zone fondue indépendamment du métal de base essai utilisable dès le début du développement (nécessite la composition chimique mais pas la microstructure du métal de base) Mise en évidence d une transition ductile-fragile en ténacité de la zone fondue Forte triaxialité des contraintes en pointe de préfissure (étirage dans le plan de la tôle) croissance rapide des cavités ténacité limitée dans le domaine ductile très petite zone plastique pas d approche simple possible en clivage Rupture ductile : germination des cavités sur fins sulfures / phosphures hérités de la solidification fort effet de la chimie de l acier et des conditions de ségrégation quel post-traitement pendant le cycle de soudage pour limiter les ségrégations? Rupture par clivage : grandes facettes du fait de gros grains de solidification améliorer les conditions de solidification éviter de solidifier en austénite (pas évident sur les hautes teneurs en C) 20/28

21 Rupture fragile anisotrope : problématique L acier doit arrêter les fissures fragiles (clivage) aux températures de service Différentes échelles : éclatement échelle 1 > choc Battelle > choc Charpy, ténacité Apparition, pour les grades les plus résistants, obtenus par laminage «thermomécanique», de ruptures fragiles hors plan : délaminage, rupture fragile en biseau «plan θ». Si > 15% de la surface de rupture : acier non conforme Zone observée TD talon entaille 40 travers court (ND) laminage (RD) Zones fragiles ND RD Ces ruptures sont difficiles à anticiper à l aide du choc Charpy Démarche : - Quantifier l anisotropie en rupture fragile (contrainte critique de clivage) - Etablir le lien avec la microstructure - Etablir le lien avec la rupture hors plan 21/28

22 Rupture fragile anisotrope : analyse Pas de rupture en biseau sur Battelle testées // RD : effet de microstructure Détermination des contraintes critiques de clivage sur éprouvettes entaillées spécifiques - Essais dans l azote liquide (plastification négligeable) Comportement élastoplastique anisotrope déterminé expérimentalement Microstructure (MEB) 18 mm ND RD BTD : 2000 ± 50 MPa ND : 2200 ± 50 MPa RD : 2400 ± 50 MPa TD 2500 ± 50 MPa Ces valeurs de contrainte sont trop élevées pour prédire numériquement la rupture fragile en biseau (facteur > 2) Contrainte critique de clivage (-196 C) 22/28

23 Rupture fragile anisotrope : métallurgie Microtexture perpendiculaires aux 4 directions de sollicitation Concept de facette de clivage potentielle : zone «bien orientée» (20 de {001}), «sans forte désorientation interne» (joints < 10 ) Cartographie EBSD (grande dimension, pas fin) Direction de sollicitation étudiée Le concept de facette potentielle de clivage Les facettes potentielles correspondent aux plus gros grains, de composante cube tourné L anisotropie de microtexture est corrélée à celle de contrainte critique de clivage à froid 2200 MPa 2400 MPa 2000 MPa > 2500 MPa Facettes potentielles... et sensibilité réelle au clivage 23/28

24 Rupture fragile anisotrope : microstructure? Modifier la texture pour modifier la sensibilité au délaminage Normalisation + trempe + revenu : matériau ~isotrope : supprime le délaminage Prédéformation à froid : déformation des facettes potentielles (texture stable), écrouissage : augmentent la sensibilité au délaminage Rupture «en étoile» après trempe-revenu La déformation d une éprouvette AE initialement isotrope produit un clivage secondaire «en étoile» Contrainte critique de clivage à -196 C (MPa) BTD à réception ND à réception RD à réception Représentation de type Griffith de la sensibilité au clivage ND prédéformé 1 / (taille de facette) 1/2 (µm -0,5 ) 24/28

25 Rupture fragile anisotrope : conclusions La corrélation Charpy-Battelle tient en grande partie à la rupture fragile en biseau, plus facile sur Battelle (ligament long) Anisotropie de sensibilité au clivage (à froid) corrélée à la microtexture (facettes potentielles de clivage) fort lien entre rupture fragile hors plan et microtexture issue du laminage à chaud La rupture fragile hors plan dépend également du niveau de déformation plastique, qui modifie la microtexture donc l anisotropie de la sensibilité au clivage La «contrainte critique de clivage» n est pas unique : si on élève la température, on élève le niveau de déformation plastique avant clivage (sur éprouvette entaillée, Charpy...) la variation de géométrie des facettes (texture stable) rend compte de ~50% de l effet observé dans l acier étudié 25/28

26 Conclusions La microstructure, point clé pour relier comportement en service (problématique technologique) et mécanismes physiques sous-jacents (problématiques scientifiques) variété, richesse de microstructures des aciers transposition des démarches (ex. approche locale de la rupture) Faire de la science : alliages industriels ou matériaux «modèles»? les deux!!! Analyse «au juste niveau de complexité» essais expérimentaux spécifiques mais simples, en fonction des phénomènes à étudier et de leur impact sur la conception de nouveaux aciers modélisation : fiable... mais faisable! (du point de vue de l expérimentateur...) 26/28

27 Références A. Dalloz, Étude de l'endommagement par la découpe des aciers dual phase pour application automobile, thèse de doctorat, MINES ParisTech, A. Dalloz et coll., Eng. Fract. Mech. 76 (2009), D. Rèche, Relations entre microstructure et aptitude au pliage des aciers à très haute résistance pour application automobile, thèse de doctorat, MINES ParisTech, D. Rèche et coll., Mater. Sci. Eng. A528 (2011), D. Rèche et coll., Int. J. Mech. Sci. 57 (2012), F. Tankoua, Transition ductile-fragile des aciers pour gazoducs : étude quantitative des ruptures fragiles hors plan et corrélation à l anisotropie de microtexture, thèse de doctorat, MINES ParisTech, F. Tankoua et coll., Mechanics and Industry, 15 (2014), F. Tankoua et coll., Proc. ECF20, Procedia Mater. Eng. 3 (2014), F. Krajcarz, Relations quantitatives entre la composition chimique, les transformations métallurgiques et la ténacité de zones fondues de points soudés faits d aciers à très haute résistance, thèse de doctorat, MINES ParisTech, F. Krajcarz et coll., Int. J. Fract. 181 (2013), F. Krajcarz et coll., Proc. ICF 13, 27/28

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