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Étude des cinétiques de transformation de phase d'un acier inoxydable martensitique 13%Cr-4%Ni

Côté, Marjolaine (2007). Étude des cinétiques de transformation de phase d'un acier inoxydable martensitique 13%Cr-4%Ni. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce projet de recherche a pour but d'étudier les cinétiques de transformation de phase de l'acier inoxydable martensitique S41500 afin de développer un modèle mathématique de prédiction des déformations et changements volumétriques associés à un historique thermique. Ces quantités de déformations associées aux changements de phase de cet acier seront ensuite importées dans un code maison de simulation des assemblages soudés par la méthode des éléments finis. Des essais dilatométriques ont été effectués en déformation libre à l'aide de dilatomètres de précision pour connaître les propriétés dilatométriques de base de l'acier. Ultérieurement, ces résultats seront comparés à d'autres essais simulant les conditions observées dans un cordon de soudure.

Ce travail a consisté à développer une méthodologie expérimentale qui caractérise la métallurgie de l'acier, ses propriétés et les changements volumétriques en fonction de la température. Des essais de traction réalisés au refroidissement ont été faits pour démontrer que les propriétés mécaniques ne sont pas les mêmes qu'au chauffage. Ensuite les essais dilatométriques en déformation libre ont été réalisés à différents taux de chauffage et de refroidissement sur des échantillons prélevés dans la direction travers court ( T ) et longitudinale ( L ) de la plaque. Ces cycles thermiques étaient parfois répétés jusqu'à trois fois sur le même échantillon pour évaluer le comportement de l'hystérésis déformation-température. La caractérisation des fractions volumiques des phases des états initial et final des essais est effectuée par la diffraction des rayons X. Ces données ont ensuite été traitées avec le modèle mathématique développé pour faire ressortir l'évolution des fractions volumiques des espèces puis le changement volumétrique dû à la seule transformation de phase.

Les courbes dilatométriques et les résultats du traitement mathématique ont démontré que la déformation associée à la transformation martensitique s'effectue probablement dans une orientation préférentielle. La valeur moyenne de la fraction volumique de l'austénite transformée calculée après un cycle à 5°C/min dans les orientations T et L de 14.71% est très près de celle obtenue par la technique de diffraction des rayons X de 13.73% . Ce résultat a permis de valider que le calcul de la fraction volumique des espèces est adéquat. Toutefois, une révision du modèle est essentielle pour tenir compte de l'anisotropie du changement volumétrique lors des changements de phase. Il est suggéré d'utiliser la technique des figures de pôles pour vérifier l'orientation des plans cristallographiques des phases. De plus, l'obtention d'un équipement dilatométrique de précision pouvant reproduire les cycles thermiques et mécaniques observés au soudage est souhaitée pour améliorer le modèle mathématique.

Titre traduit

Phase transformation kinetics study of 13%Cr-4%Ni martensitic stainless steel

Résumé anglais

The main objective of this research project is to study the phase transformation kinetics of a S41500 martensitic stainless steel in order to develop a mathematical model that will predict the dimensional changes as a function of thermal history. The phase transformation induced plasticity of this steel will then be integrated to a home made weld simulation finite element code. Free thermal strain cycle experiments were undertaken with a high sensitivity dilatometer that provided the reference behavior and properties of this steel. The results were then compared with similar experiments representing well actual field weld conditions. Consequently, previous experiments should be achieved to acquire the experimental variables such as the internai stress value evolution during the weld cooling.

An innovative experimental approach was developed to fully characterize the metallurgical properties of the steel such as the dimensional changes undergone during thermal incursions. Tensile tests were conducted during cooling to evidence mechanical properties that were different from those previously obtained upon heating. Free thermal strain cycles at various heating and cooling rates were then performed on samples machined in the short transverse (T) and in the longitudinal (L) orientation of the rolled steel plate. Some of these tests had up to three thermal run in order to well estimate the strain-temperature hysteresis. Austenite phase volume proportion at initial and final state of the tests was determined by the X-Ray diffraction technique. The results were all treated with the mathematic model to assess the phase proportion and the dimensional change caused by the phase transformation.

The mathematic model, whose estimations are based on the dilatometric curves, led to the observation that the strain associated with the martensitic transformation could likely have a preferred orientation. The austenite volume fraction at the end of the first thermal run at 5oC/min was estimated as 14.71% (average for T and L orientations), which is quite similar to the X-Ray measurement previously established at 13.73%. Those two closely related data suggest that the model is adequate for predicting phase proportion. However it has to be revised to reflect the fact that dimensional changes due to phase transformation are anisotropic. X-Ray pole figure determination is recommended to show up the preferred orientation of the crystallographic planes of the austenite. To better describe welding conditions and to improve the mathematical tool, the use of a mechanical thermal analyzer, with the ability to run thermal and mechanical cycle at once, also is highly recommended.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique." Bibliogr. : f. [167]-170.
Mots-clés libres: 13%Cr-4%Ni, Acier, Cynetique, Deformation, Historique, Inoxydable, Martensitique, Mathematique, Modele, Phase, Prediction, S41500, Thermique, Transformation, Volumetrique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Lanteigne, Jacques
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 08 avr. 2011 17:49
Dernière modification: 11 nov. 2016 00:50
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/569

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