Caractérisation du comportement micromécanique de l’acier inoxydable martensitique UNS S41500 dans l’état métallurgique brut de trempe

Deschênes, Pierre-Antony (2026). Caractérisation du comportement micromécanique de l’acier inoxydable martensitique UNS S41500 dans l’état métallurgique brut de trempe. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette thèse présente un travail expérimental dont le principal objectif est l’étude du comportement micromécanique de l’acier inoxydable martensitique UNS S41500. 1) L’étude comporte deux objectifs principaux. L’extraction des propriétés mécaniques d’un ensemble de lattes de martensite (bloc de martensite) par essais de microtraction. 2) L’étude du comportement non-linéaire observé à basse charge lors d’une sollicitation quasi-statique en tension sur la nuance brute de trempe.

Cette étude s’inscrit dans la volonté qu’a Hydro-Québec de modéliser le comportement micromécanique des alliages employés dans la fabrication des roues d’eau, notamment le CA6NM. Cette démarche est motivée par les incertitudes entourant les mécanismes d’endommagement par fatigue auxquels ces structures sont soumises en service. Pour répondre à cette problématique, la méthode de la plasticité cristalline par éléments finis (MPCEF) a été retenue comme approche privilégiée. Toutefois, l’application de cette méthode exige une connaissance précise des propriétés mécaniques intrinsèques de l’alliage et de son comportement en déformation. Pour cette étude, le choix de matériau s’est porté sur l’acier UNS S41500, un alliage corroyé ayant la même composition chimique que le CA6NM, mais offrant une propreté inclusionnaire supérieure et l’absence de défauts de coulée.

Les connaissances sur la martensite en lattes observée dans les aciers UNS S41500 et CA6NM sont nombreuses et bien documentées. En revanche, la modélisation de ces microstructures complexes par MPCEF comporte des lacunes au niveau des propriétés micromécaniques utilisées dans les lois constitutives. En effet, la littérature ne propose pas de valeurs mesurées de la contrainte de cisaillement critique résolue (CCCR), ni de la contrainte de cisaillement résolue à la saturation (CCRS) d’un ensemble de lattes de martensite. Les données disponibles proviennent d’extrapolations d’essais contenant des joints de blocs ou calculées à l’aide de méthodes inverses par optimisation.

Depuis 70 ans, une non-linéarité observée à basse charge lors d’une sollicitation en tension dans la martensite brute de trempe fait l’objet d’un débat. Cette non-linéarité, observée dans des microstructures sans austénite reformée, a été attribuée soit à la présence de dislocations mobiles, de contraintes résiduelles à l’échelle de la microstructure (type-II) ou de l’hétérogénéité des propriétés mécaniques de la martensite. Étonnamment, un revenu sous le début de la transformation austénitique (AC1) (500°C, 2h) produit une microstructure sans austénite reformée et dont la courbe de traction est exempte de non-linéarité. Paradoxalement, la même microstructure revenue au-delà de AC1 et contenant de l’austénite reformée favorise le développement de cette non-linéarité. Ainsi, pour être en mesure de découpler le rôle de l’austénite reformée des autres sources précédemment énoncées, la nuance brute de trempe sera utilisée pour étudier le développement de la non-linéarité dans une microstructure monophasée. De futurs travaux seront proposés pour constater si le même mécanisme explique la non-linéarité en présence d’austénite reformée.

En premier lieu, l’extraction des propriétés micromécaniques de la martensite a été effectuée à partir de microéprouvettes de traction usinées à même la microstructure. Pour ce faire, une caractérisation de la microstructure par électron rétrodiffusés (EBSD) a permis de d’identifier 5 candidats respectant différents critères de dimensionnement et d’orientation cristallographique. De ces 5 candidats, 2 furent choisis dans l’orientation (110), un dans l’orientation (111) et un dans l’orientation (112) dans le but de balayer la majorité du triangle des pôles. Les deux candidats (110) furent choisis pour quantifier la répétabilité des mesures. Les résultats du calcul de la CCCR sur les systèmes de glissement activés {110}, {211} et {123} montrent une bonne répétabilité et sont cohérents avec les données extrapolées proposées dans la littérature. La CCCR a été établie à 291 MPa pour l’ensemble des plans avec un écart type de 16 MPa. La CCRS a aussi été mesurée à 364 MPa avec un écart type de 16 MPa également. En revanche, l’éprouvette orientée (111) comprenait un joint de bloc dans son épaisseur. Elle a tout de même permis de constater l’influence significative de la présence d’un joint de bloc en augmentant la CCCR et la CCRS de 29% et de 58% respectivement. Finalement, un effet de non-Schmid semble avoir été observé, mais cette hypothèse n’a pu être confirmée.

L’étude du second objectif a été effectuée à partir d’une série d’éprouvettes de dimensions différentes, allant de l’échelle macrométrique à micrométrique. L’ensemble des éprouvettes fut prélevé du même lot de matériau, après avoir subi une austénitisation à 1050°C pendant une heure. Ce traitement thermique a été choisi dans le but de produire une martensite exempte d’austénite reformée. Le développement de la plasticité a été identifié par la méthode OPRA (Onset of Plasticity Relaxation Analysis) durant des essais de traction quasi-statique. Le protocole expérimental a permis d’étudier l’influence de la réduction des contraintes résiduelles de type-II par une réduction significative du volume de l’éprouvette, ainsi que de l’anisotropie des propriétés mécaniques à l’échelle microscopique. Une éprouvette macroscopique, revenue à 500 °C pendant deux heures, a également été testée afin d’évaluer la relaxation des contraintes par une approche différente. Les résultats proposent de façon convaincante que les contraintes résiduelles de type-2 favorisent le développement de la microplasticité à basse charge dans le UNS S41500 à l’état brut de trempe. En effet, il a été démontré que les contraintes résiduelles de type-2 rationalisent la différence entre la CCCR estimée dans une éprouvette macroscopique et celle mesurée expérimentalement dans une éprouvette microscopique en configuration de glissement in-lath. Le tenseur des contraintes résiduelles utilisé dans ce travail provient d’un acier Fe-0.27C-2.3Mn-0.1Cr-1.47Si trempé. Le calcul de l’influence des autres mécanismes proposés dans la littérature ne permet pas de justifier leur contribution au développement de la non-linéarité à basse charge.

En sommes, cette thèse a permis d’enrichir les connaissances sur le comportement micromécanique de la martensite en lattes. Premièrement, de nouvelles valeurs de CCCR et de CCRS mesurées directement d’un groupe de latte sont proposées pour alimenter une loi constitutive en MPCEF. Deuxièmement, il est proposé que les contraintes résiduelles de type-II représentent le mécanisme qui favorise le développement de la non-linéarité à basse charge dans la martensite en lattes brute de trempe. Ce comportement fut observé pour la première fois il y a 70 ans.

Titre traduit

Characterization of the micromechanical behaviour of martensitic stainless steel UNS S41500

Résumé traduit

This thesis presents an experimental investigation of the micromechanical behavior of martensitic stainless steel UNS S41500. The study addresses two main objectives. 1) The determination of the mechanical properties of a martensitic lath block through micro-tensile testing. 2) The analysis of the nonlinear behavior observed at low load during quasi-static tensile loading of the as-quenched condition.

This research is driven by Hydro-Québec’s objective to model the micromechanical behavior of alloys used in the fabrication of water turbine runners, particularly CA6NM. This initiative stems from uncertainties surrounding fatigue damage mechanisms affecting these components in service. To tackle this challenge, the Crystal Plasticity Finite Element Method (CPFEM) has been identified as the preferred modeling approach. However, the successful application of CPFEM requires accurate knowledge of the intrinsic mechanical properties of the alloy and its deformation behavior. UNS S41500 was selected for this study because it is a wrought alloy with the same chemical composition as CA6NM, while offering superior inclusion cleanliness and being free from casting defects, making it an ideal candidate for this investigation.

The morphology of lath martensite in UNS S41500 and CA6NM is well documented. Nevertheless, modeling this complex microstructure using CPFEM reveals significant gaps in the micromechanical properties required for constitutive laws. Specifically, the literature does not provide experimentally measured values for the critical resolved shear stress (CRSS) or the saturation resolved shear stress of a martensitic lath block. Existing data are derived from extrapolation of tests involving block boundaries or from inverse optimization methods.

For the past 70 years, a non-linearity observed at low load during tensile testing of as-quenched martensite has been the subject of debate. This non-linearity, observed in microstructures without reformed austenite, has been attributed to various mechanisms, including the presence of mobile dislocations, residual stresses at the microstructural scale (type II), or heterogeneity in the mechanical properties of martensite. Interestingly, tempering below the onset of the austenitic transformation (AC1) (500 °C, 2 h) produces a microstructure free of reformed austenite and exhibiting a fully linear stress–strain response. Conversely, the same microstructure tempered above AC1, thus containing reformed austenite, promotes the development of this non-linearity. Therefore, to decouple the role of reformed austenite from the previously mentioned sources, the as-quenched condition will be used to investigate the origin of non-linearity in a single-phase microstructure. Future work will aim to determine whether the same mechanism accounts for non-linearity in the presence of reverted austenite

Consequently, to accurately model the elastoplastic behavior of this alloy using CPFEM, it is essential to determine the micromechanical properties of its microstructure and to identify the mechanism responsible for the observed nonlinearity.

The first objective was addressed by extracting micromechanical properties from micro-tensile specimens machined directly from the microstructure. Electron backscatter diffraction (EBSD) characterization enabled the selection of five candidates meeting dimensional and crystallographic orientation criteria. Two specimens were oriented along (110), one along (111), and one along (112) to cover most of the pole figure triangle. The two (110) specimens were used to assess measurement repeatability. Results for CRSS on activated slip systems {110}, {211}, and {123} exhibit good repeatability and align with extrapolated literature values. CRSS was established at 291 MPa across all planes with a standard deviation of 16 MPa. Saturation resolved shear stress was measured at 364 MPa with the same standard deviation. The (111)-oriented specimen, containing a block boundary, revealed a significant effect: CRSS and saturation stress increased by 29% and 58%, respectively. Finally, a possible non-Schmid effect was observed, though not confirmed.

The second objective was investigated using specimens of varying dimensions, from macro to micro-scale, all extracted from the same material batch after austenitization at 1050 °C for one hour. This heat treatment was selected to produce martensite free of reformed austenite, thereby eliminating it as a potential mechanism. Plasticity onset was identified using the Onset of Plasticity Relaxation Analysis (OPRA) method. The experimental protocol examined the influence of reducing type-II residual stresses by significantly decreasing specimen volume, as well as the anisotropy of mechanical properties at the microscale. A macroscopic specimen tempered at 500 °C for two hours was also tested to assess stress relaxation by an alternative approach. Results convincingly demonstrate that type-II residual stresses are the dominant mechanism governing microplasticity at low load in as-quenched UNS S41500. Specifically, these stresses rationalize the discrepancy between CRSS estimated in a macroscopic specimen and that measured experimentally in a microscopic specimen under in-lath slip configuration. The residual stress tensor used in this work originates from quenched Fe-0.27C-2.3Mn-0.1Cr 1.47Si steel. Calculations of other mechanisms proposed in the literature do not support their significant contribution to low-load nonlinearity.

In summary, this thesis advances knowledge of lath martensite micromechanical behavior in two key ways. First, it provides new, directly measured CRSS and saturation stress values for a lath block, enabling improved constitutive modeling in CPFEM. In second, it demonstrates that type-II residual stresses are the primary mechanism driving low-load nonlinearity in as-quenched lath martensite—a phenomenon first observed nearly 70 years ago.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 173-185).
Mots-clés libres:	martensite, micromécanique, microtraction, contraintes résiduelles, essais in situ
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur Paquet, Daniel Lanteigne, Jacques
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	04 mars 2026 19:44
Dernière modification:	04 mars 2026 19:44
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3830

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