Évolution de la microstructure des aciers à haute résistance mécanique durant le traitement thermique de trempe

Ben Fredj, Emna (2019). Évolution de la microstructure des aciers à haute résistance mécanique durant le traitement thermique de trempe. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les blocs d'acier forgés de fortes dimensions sont largement utilisés pour le moulage par injection de matière plastique, utilisée dans le domaine d’automobile. Les propriétés en service de ces matériaux sont très sensibles aux conditions de processus de production. Le traitement thermique (trempe-revenu) des aciers actuellement utilisés n'était plus assez pour combler les exigences grandissantes de l'industrie du moulage. Les interactions entre la composition chimique, caractéristiques de l’acier, et les multiples paramètres finaux des pièces fabriquées rendent difficile l’obtention des propriétés désirées. Pour le présent travail, le contrôle des paramètres influant le procédé de trempe s'est imposé.

En premier lieu, l’effet de la vitesse de chauffage a été investigué. Plus précisément, la cinétique de la formation de l'austénite dans les régions de la surface et du centre d'un lingot forgé de fortes dimensions (3683 mm x 1265mm x 330mm) a été étudiée par dilatométrie à haute résolution. Les microstructures de départ des régions de surface et du centre presentment différentes proportions de bainite et d'austénite résiduelle ainsi que différentes tailles de grains d'austénite primaire. Deux vitesses de chauffage représentant les vitesses de chauffage réelles dans les régions de surface (5 °C/s) et centrale (0,5 °C/s) de blocs forgés de grande taille ont été utilisées. Les courbes dilatométriques n'ont révélé qu'une seule étape de transformation pour la formation d'austénite pour les deux vitesses de chauffage, indépendamment de la taille des grains ou de la proportion des phases. Les paramètres cinétiques de la formation de l'austénite ont été déterminés à partir des données de dilatométrie en utilisant l'équation de Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK). Les coefficients JMAK, n et k, ont été déterminés pour chaque condition de l'acier étudié. Les calculs ont indiqué que la nucléation et la croissance de l'austénite dans la région de la surface ont été accélérées plus de 10000 fois en raison de la taille moyenne des grains d'austénite inférieure d'un quart, de la stabilité de l'austénite initiale retenue et de l'accumulation de carbures grossiers à la surface.

En second lieu, la formation de l'austénite maintenue à différentes temperatures d'austénitisation et sa transformation en martensite et/ou bainite à deux vitesses de refroidissement différentes ont été étudiées. Les vitesses de refroidissement sélectionnées représentent les vitesses de refroidissement réelles des zones de surface et du centre d'un lingot forgé de grande taille pendant le cycle de refroidissement. Nous avons constaté qu'en augmentant la température d'austénitisation de 850 à 950 °C, la martensite devient dominante en surface et sa fraction augmente de 2% à 100% respectivement. D'autre part, bien que la bainite soit dominante au centre mais sa fraction diminue de 87% à 850 °C à 76% à 950 °C. Le calcul de la teneur en carbone d'équilibre de l'austénite à différentes temperatures d'austénitisation et sa relation avec les résultats expérimentaux a montré que la teneur nominale (0.35 wt%) sera obtenue par austénitisation à 950 °C. De plus, la vitesse de refroidissement en surface est supérieure à la vitesse critique requise pour l'activation de la transformation martensitique. Pour cette raison, la formation de la martensite en surface devient possible par austénitisation à 950 °C.

Finalement, l'influence du temps d'austénitisation sur les transformations de phase a été étudiée sur la base des conditions réelles de chauffage et de refroidissement des procédés. Les résultats ont d'abord montré qu'après 5 h de maintien et plus, une microstructure mixte composée de bainite et de martensite n'existe plus. La fraction volumique de la martensite augmente entre 0,5 à 12 h de temps de maintien en surface, puis diminue pendant 24 h de temps de maintien. La fraction volumique de l'austénite retenue diminue en surface et la valeur minimale est atteinte à 12 h puis recommence à augmenter. Par conséquent, un temps de maintien de 12 h conviendrait à un temps d'austénitisation à 900 °C pour une région de surface avec moins d'austénite retenue. Pour la région centrale, la fraction volumique de la bainite diminue et la fraction volumique de l'austénite augmente continuellement. Cependant, la teneur en carbone de la martensite et de la bainite devient presque similaire, soit autour de 0,4 % en poids. Donc, on a moins de distorsion due aux différentes transformations en phase solide au centre et en surface. Les valeurs de dureté restent constantes pour les deux regions après 5 h. La différence de valeurs entre la surface (614 HV) et le centre (438 HV) est due à la taille du grain et à la teneur en carbone. L'étude cinétique de la transformation bainitique pour différents temps d'austénitisation a montré que pour un temps de maintien de 12 h et plus, le site de nucléation et le taux de croissance ne changent pas significativement et peuvent donc être ignorés.

Titre traduit

Evolution of the microstructure of high strength steels during quenching heat treatment

Résumé traduit

Forged steel blocks of large dimensions are widely used for plastic injection moulding, used in the automotive industry. The in-service properties of these materials are very sensitive to the conditions of the production process.

The heat treatment (quenching-tempering) of the steels currently used is no longer sufficient as thermomechanical treatments have a decisive influence on the properties to meet the growing requirements of the casting industry. The interactions between the chemical composition, characteristics of steel, and the multiple final parameters of the manufactured parts make it difficult to obtain the desired properties. For this work, it was necessary to control the parameters influencing the hardening process.

First, the effect of the heating rate was investigated. More precisely, the kinetics of austenite formation in the surface and centre regions of a large forged ingot was studied by high-resolution dilatometry. The starting microstructures of the surface and central regions have different proportions of bainite and residual austenite as well as different sizes of primary austenite grains. Two heating rates representing the actual heating rates in the surface (5°C/s) and central (0.5 °C/s) regions of large forged blocks were used. The dilatometric curves revealed only one transformation step for austenite formation for both heating rates, regardless of grain size or phase proportion. The kinetic parameters of austenite formation were determined from dilatometry data using the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) equation. The JMAK coefficients, n and k, were determined for each condition of the steel studied. Calculations indicated that the nucleation and growth of austenite in the surface region was accelerated more than 10,000 times due to the average austenite grain size being one-quarter smaller, the stability of the retained initial austenite and the accumulation of coarse carbides on the surface.

Secondly, the formation of austenite maintained at different austenitizing temperatures and its transformation into martensite and/or bainite at two different cooling rates are studied. The selected cooling rates represent the actual cooling rates of the surface and centre areas of a large forged ingot during the cooling cycle. It can be seen that by increasing the austenitizing temperature from 850 to 950 °C, martensite becomes dominant on the surface and its fraction increases from 2% to 100% respectively. On the other hand, although bainite is dominant in the center but its fraction decreases from 87% at 850 °C to 76% at 950 °C. The calculation of the equilibrium carbon content of austenite at different austenitizing temperatures and its relationship to the experimental results shows that the nominal content (0.35 wt %) will be obtained by austenitizing at 950 °C. In addition, the surface cooling rate is higher than the critical rate required to activate the martensitic transformation. For this reason, the formation of martensite on the surface becomes possible by austenitizing at 950°C.

Finally, the influence of austenitizing time on phase transformations was studied on the basis of the actual heating and cooling conditions of the processes. The results first showed that after 5 h of holding and more, a mixed microstructure composed of bainite and martensite no longer exists. The volume fraction of martensite increases between 0.5 to 12 h of surface holding time, then decreases during 24 h of holding time. The volume fraction of the retained austenite decreases in surface area and the minimum value is reached at 12 h then starts to increase again. Therefore, a holding time of 12 h would be appropriate for an austenitizing time at 900 °C for a surface region with less austenite retained. For the central region, the volume fraction of bainite decreases and the volume fraction of austenite continuously increases. However, the carbon content of martensite and bainite becomes almost similar and around 0.4% by weight, thus less distortion due to the different solid phase transformations at the center and surface. The hardness values remain constant for both regions after 5 h. The difference in values between the surface (614 HV) and the centre (438 HV) is due to the grain size and carbon content. The kinetic study of bainitic transformation for different austenitizing times showed that for a holding time of 12 h or more, the nucleation site and growth rate do not change significantly and must be avoided.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 127-137).
Mots-clés libres:	pièces de fortes dimensions, régime thermique varié, dilatométrie, acier moyennement allié à faible teneur en carbone, microstructure initiale, formation d'austénite, taille des grains, transformation d'austénite, transformation de phase, équation d'Avrami, microdureté
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur Medraj, Mamoun
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 mai 2019 19:52
Dernière modification:	10 mai 2019 19:52
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2306

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