Les aciers Dual-Phase constituent plus de 50% du poids des automobiles récentes. Ils associent une très bonne formabilité à une haute limite à rupture. Cet excellent compromis mécanique résulte de leur microstructure biphasée, constituée d’une phase martensitique dure englobée dans une matrice ferritique ductile. Ces aciers contiennent principalement du carbone et du manganèse. Les ségrégations chimiques formées lors de la coulée créent, à l’issue des traitements thermo-mécaniques ultérieurs, des structures en bandes ferrito-martensitiques néfastes aux propriétés d’endommagement. Les principaux objectifs de cette thèse étaient de comprendre les mécanismes de formation des bandes, et de relier leurs caractéristiques (intensité, topologie…) aux paramètres du procédé. Des cycles thermiques inspirés du procédé industriel ont été réalisés sur des échantillons d’une nuance représentative (Fe-0.15%C-1.5%Mn). Plusieurs techniques expérimentales (dilatométrie, microscopies, sonde électronique, EBSD…) ont été mises en oeuvre pour comprendre les mécanismes de développement des microstructures. Des outils de visualisation et de quantification de la topologie bidimensionnelle et tridimensionnelle des microstructures ont été développés, permettant d'évaluer l’influence des paramètres du traitement thermique sur la microstructure finale. Pour différentes topologies, les champs de contraintes locaux responsables de l’endommagement ont été estimés à l’aide de simulations par éléments finis. Les informations recueillies permettront d’alimenter des modélisations numériques visant à reproduire la genèse des microstructures et à prévoir leur comportement mécanique en grande déformation / Modern cars are composed in weight of more than 50% of Dual-Phase steels. They combine a very good formability and high level of strength. This excellent mechanical accommodation is due to their two-phase microstructure, composed of hard martensite phase in a ductile ferrite matrix. These steels contain principally carbon and manganese. Chemical segregations developed during the casting create, after subsequent thermo-mechanical treatment, banded structures of ferrite and martensite unfavorable for damaging properties. Main objectives of this thesis were to understand mechanism of bands formation, and link their characteristic (intensity, topology…) to the process parameters. Some heat treatment routes derived of the industrial process were realized on sample of representative grade (Fe-0.15%C-1.5%Mn). Several experimental techniques (dilatometry, microscopy, electronic probe, EBSD…) were operating to understand mechanism of microstructures development. Some tool of visualization and quantification of the two-dimensional and three-dimensional were developed, enable to evaluate the influence of heat treatment parameters on the final microstructure. For different topologies, the local stress fields liable of damaging were estimated with the support of finite elements simulations. The collected information will allow loading numerical modeling with the purpose to reproduce microstructures genesis and to predict their mechanical behavior in high strain

Les exigences d'allègement des pièces structurales automobiles ont conduit au développement de nouvelles nuances d'aciers aux propriétés mécaniques de plus en plus élevées. Parmi ces nuances dites Très Haute Résistance (THR), les aciers dual phase, avec leur microstructure composite ferritemartensite, offrent un très bon équilibre entre résistance mécanique et formabilité. Cependant, des observations récentes ont montré que l'étape de découpe avait tendance à altérer ces bonnes propriétés. L'objectif de la présente étude est d'améliorer notre connaissance des mécanismes mis en jeu au cours de la découpe afin de pouvoir les prendre en compte pour le développement des futures nuances.<br /><br />Un premier travail d'observation et de caractérisation (MEB, microdureté, essais mécaniques...), a été effectué de manière à mettre en évidence les effets de la découpe à la cisaille sur la microstructure et les propriétés mécaniques des tôles. Ces résultats révèlent l'existence d'une zone affectée par la découpe qui s'étend sur environ 200 μm. Cette zone se caractérise par un écrouissage et une déformation microstructurale importants. Cette déformation conduit localement à la décohésion des phases ferritique et martensitique.<br /><br />La formation de cette zone en cours de découpe a été étudiée à travers deux approches distinctes : d'une part, le développement d'un montage de cisaille instrumentée permettant d'observer l'évolution de la microstructure, et, d'autre part, la simulation numérique du procédé qui donne accès aux grandeurs mécaniques locales dans la tôle. Il apparait que l'endommagement et la rupture de l'acier sont pilotés par la décohésion des interfaces ferrite-martensite, elle-même fortement dépendante de<br />l'état de triaxialité des contraintes.<br /><br />L'étude du comportement des bords découpés, au cours de sollicitations postérieures à la découpe, a permis de confirmer l'amorçage rapide des fissures dans la zone affectée par la découpe et l'impact direct de la taille de cette dernière sur la perte de ductilité des pièces découpées.<br /><br />Enfin, de nombreux traitements thermiques, appliqués à une nuance sélectionnée, ont permis de désigner deux voies distinctes d'amélioration du comportement des nuances dual phase face à la découpe: d'une part la transformation d'une troisième phase lors du recuit, d'autre part le rééquilibrage des propriétés au sein de la microstructure par l'application d'un traitement de revenu.

Les aciers Dual-Phase (DP) sont des aciers à très haute résistance mécanique (AHSS) fortement utilisés pour des applications automobiles en raison de leur très bon compromis résistance mécanique/ductilité ainsi que par leur habilité à répondre aux multiples exigences industrielles (bas prix, assemblage, revêtement etc.). A l'heure actuelle, le développement d'aciers DP apparait durable pour la caisse-en-blanc des structures automobiles. La microstructure ferrite-martensite, caractéristique des aciers DP, est obtenue par un traitement thermique complexe composé de différentes étapes au cours desquelles différents mécanismes métallurgiques entrent en jeux. Les principales difficultés de production sont liées au fait (i)que les évolutions microstructurales sont influencées par les différents paramètres de traitement thermique (vitesse de chauffe, température ...), (ii) que les différentes étapes de traitement sont interconnectées et que (iii) les évolutions microstructurales peuvent se chevaucher et, part conséquent, interagir entre elles. Ces travaux de thèse ont pour objectif d'améliorer la compréhension des évolutions métallurgiques entrant en jeux lors des traitements thermiques des aciers DP, et notamment d'améliorer la compréhension de l'influence des paramètres de traitement. Les différentes évolutions métallurgiques ont été, dans un premier temps, caractérisées en couplant un ensemble de techniques expérimentales (dilatométrie, dureté, TPE ...) et grâce à un protocole assurant de décorréler les mécanismes se superposant et interconnectés. A titre d'exemple, les deux principaux mécanismes entrant en jeux lors de l'étape de recuit intercritique ont été, dans un premier temps, étudiés séparément ((1) la recristallisation a été étudié en dessous de la température de formation d'austénite et (2) la formation d'austénite a été étudié sur un acier pré-recristallisé) avant de se concentrer sur le cas des aciers laminés à froid où la recristallisation et formation d'austénite se superposent. Le projet avait également pour objectif de développer des outils de prédictions permettant de décrire les évolutions microstructurales basés sur des approches empiriques (loi de JMAK) ainsi que vers des modèles à base plus physique (mixed-mode modèle et modèle diffusif). Une attention particulière a été dédié à discuter de la fiabilité, l'adaptabilité, des forces et limitations des différentes approches développées. / Dual-Phase steels (DP) are one of the most used Advanced High Strength Steels (AHSS) for automotive applications because they present good strength/ductility compromise and they adapt to number of industrial constraints (low price, shaping, welding, coating etc.). Nowadays, the development of DP steels seems to be promising and sustainable for the body-in-white structure. The typical ferrite-martensite microstructure, characteristic of DP steels, are obtained by a thermal treatment composed of different stages during which metallurgical evolutions occur. Major difficulties of their processing are due to the fact that (i) microstructural evolution kinetics are influenced by cycle parameters (heating rate, annealing temperature etc.), (ii) different stages are interconnected and (iii) some microstructural evolutions may overlap and, therefore, interact. This PhD-work aimed at getting a better understanding of microstructural evolutions during the thermal cycle of DP steel and, namely, the influence of cycle parameters. Different microstructural evolutions occurring during the thermal cycle were first characterized coupling different experimental techniques (dilatometry, hardness, TPE etc.) and with a particular protocol in order to decorrelate overlapping and interconnected phenomena. As example, two major evolutions occurring during the intercritical annealing were first studied individually ((1) recrystallization was investigated below austenite formation temperature and (2) austenite formation was investigated on prior recrystallized steels) before investigated cold-rolled steel case where recrystallization and austenite formation overlap. The study was then attached to develop some predictive tools to describe microstructural evolutions based on phenomenological approaches (JMAK law) towards more physical based models (mixed-mode, diffusive models). A particular care was attached to discuss on model reliability, versatility, strengths and limitations.

Les principaux modèles de comportement en fatigue des assemblages soudés par point ne prennent en compte que des paramètres géométriques. Or, les contraintes résiduelles, la microstructure de la Zone Affectée Thermiquement et la forme du fond d'entaille sont, a priori, autant de facteurs d'influence supplémentaires. L'objectif de ce travail est la compréhension des facteurs prédominants de la tenue en fatigue des assemblages soudés par point en acier THR, afin de proposer des conditions de soudage permettant un comportement amélioré. Pour analyser finement les résultats d'essais, des méthodologies et des outils d'observation sont développés : suivi de fissure, fractographie MEB, analyse métallographique. En soudage, l'observation des structures primaires permet de comprendre la formation du point de soudure. Dans certains cas, la solidification débute alors que le courant est encore délivré à l'assemblage. De nombreux essais de fatigue sont réalisés sur des assemblages de traction-cisaillement en acier Dual Phase pour étudier l'influence des conditions de soudage. Par l'utilisation combinée des différents outils, l'effet des conditions de soudage et les principaux facteurs d'influence sur la durée de vie de l'assemblage sont dégagés. L'étape de propagation de fissure est peu sensible aux conditions de soudage, une modélisation fiabiliste de cette étape est proposée. L'amorçage de fissure se révèle être l'étape cruciale. Un cycle de soudage adapté permet d'obtenir un comportement en fatigue amélioré grâce à une modification favorable du champ de contraintes résiduelles en fond d'entaille , tout en gardant des séquences de soudage sur composant acceptables. Ces résultats ouvrent de réelles perspectives d'application industrielle.

Ce travail vise à améliorer notre compréhension du comportement en fatigue à grand et très grand nombre de cycles d’un acier ferrito-martensitique dual phase, notamment les effets de la température et de la vitesse de déformation résultant de chargements cycliques à haute fréquence. L'effet de la fréquence sur la réponse en fatigue de l'acier DP600 a été étudié en effectuant des essais de fatigue sur une machine ultrasonique travaillant à 20 kHz et sur une machine conventionnelle travaillant à des fréquences inférieures à 100 Hz. Des études de fractographie et des observations microscopiques à la surface des échantillons ont été effectuées pour étudier les mécanismes de déformation et de rupture. De plus, la thermographie infrarouge in situ a été utilisée pour étudier la réponse thermique et les mécanismes dissipatifs du matériau lors des essais de fatigue. Les courbes S-N ont été déterminées à partir de chargements de fatigue ultrasoniques à 20 kHz et d’essais conventionnels à 30 Hz. La durée de vie pour une amplitude de contrainte donnée est plus élevée dans le cas de la fatigue ultrasonique bien que la limite de fatigue soit identique dans les deux cas. L’augmentation inévitable de la température en fatigue ultrasonique à fortes amplitudes de contraintes, ainsi que le comportement dépendant de la vitesse de déformation de la ferrite, en tant que structure CC, ont été trouvés comme les paramètres clés expliquant le comportement observé en fatigue, et la réponse thermique sous les fréquences faibles et ultrasoniques. Les écarts observés entre l’essai de fatigue conventionnel et celui ultrasonique ont été évalués à travers les mécanismes de mobilité des dislocations vis dans la phase ferritique de structure cubique centrée (CC). La durée de vie plus élevée et l’amorçage de la fissure principale sur une inclusion observés en fatigue ultrasonique ont été attribués au vieillissement dynamique résultant du fort auto-échauffement du matériau aux fortes amplitudes de contraintes. L'existence d'une transition du régime thermiquement activé au régime athermique avec l’augmentation de l'amplitude de contrainte a été mise en évidence. Au-dessous de la limite de fatigue, la déformation a lieu dans un régime thermiquement activé alors qu'elle est dans un régime athermique au-dessus de la limite de fatigue. En fatigue conventionnelle, la déformation est athermique pour toutes les amplitudes de contrainte. Une carte de transition a été produite en utilisant les résultats expérimentaux pour l'acier DP600 ainsi que les données disponibles dans la littérature pour d'autres aciers à base de ferrite, montrant ainsi la corrélation entre le mouvement des dislocations vis thermiquement activé et l'absence de rupture en fatigue à très grand nombre de cycle. / This work is an attempt towards a better understanding of the high cycle and very high cycle fatigue behaviors of a ferritic-martensitic dual-phase steel, with a regard to temperature and strain rate effects, resulting from accelerated fatigue loading frequencies. The influence of frequency on fatigue response of DP600 steel was investigated by conducting ultrasonic and conventional low frequency fatigue tests. Fractography studies and microscopic observations on the surface of specimens were carried out to study the deformation and fracture mechanisms under low and ultrasonic frequencies. Moreover, in situ infrared thermography was carried out to investigate the thermal response and dissipative mechanisms of the material under fatigue tests. The S-N curves were determined from ultrasonic 20-kHz fatigue loadings and conventional tests at 30 Hz. Fatigue life for a given stress amplitude was found to be higher in the case of ultrasonic fatigue whereas the fatigue limit was the same for both cases. Moreover, crack initiation was always inclusion-induced under ultrasonic loading while under conventional tests it occurred at slip bands or defects on the surface. The inevitable temperature increase under ultrasonic fatigue at high stress amplitudes along with the rate dependent deformation behavior of ferrite, as a body centered cubic (BCC) structure, were found as the key parameters explaining the observed fatigue behavior and thermal response under low and ultrasonic frequencies. The discrepancies observed between conventional and ultrasonic fatigue tests were assessed through the mechanisms of screw dislocation mobility in the ferrite phase as a BCC structure. The higher fatigue life and inclusion-induced crack initiations in the case of ultrasonic loading were attributed to the dynamic strain aging, which resulted from the high temperature increases at high stress amplitudes. The existence of a transition in deformation regime from thermally-activated to athermal regime under ultrasonic fatigue loading by increasing the stress amplitude was confirmed. Below the fatigue limit, deformation occurred in thermally-activated regime while it was in athermal regime above the fatigue limit. Under conventional loading deformation occurred in athermal regime for all stress amplitudes. From the analysis of the experimental data gathered in this work, guidelines were given regarding the comparison and interpretation of S-N curves obtained from conventional and ultrasonic fatigue testing. A transition map was produced using the experimental results for DP600 steel as well as data available in the literature for other ferrite based steels, showing the correlation between thermally-activated screw dislocation movement and the absence of failure in very high cycle fatigue.