Les aciers Dual Phase (DP) ferrito-martensitiques sont largement utilisés sous la forme de tôles minces dans la construction automobile en raison de leur excellent compromis résistance/ductilité et donc pour leur potentiel d’allègement. Ils sont élaborés par coulée continue, laminage à chaud et à froid suivis d’un recuit continu. Durant l’étape de chauffage et de maintien de ce recuit, la microstructure ferrito-perlitique déformée issue des étapes de laminage se transforme en microstructure ferrito-austénitique recristallisée. L’expérience montre que les cinétiques de recristallisation et de transformation ainsi que la distribution spatiale et morphologique des microstructures résultantes sont très sensibles aux vitesses de chauffage. Ce travail de thèse s’intéresse aux différents mécanismes expliquant cette sensibilité comme la maturation des carbures, la restauration, la recristallisation de la ferrite et la transformation austénitique et toutes leurs interactions. Ces mécanismes métallurgiques ont été caractérisés à différentes échelles et par des approches in situ sur un acier industriel puis modéliser par des approches à base physique pour guider une possible production. Après un premier chapitre dédié aux techniques expérimentales et de modélisations utilisées, le second chapitre de ce travail s’intéresse principalement à la caractérisation de la morphogénèse des microstructures ferrito-austénitique en microscopie électronique à balayage (MEB). Le troisième chapitre est une étude détaillée en Microscopie Electronique à Transmission (MET) et par modélisation thermocinétique (ThermoCalc, DICTRA) de la composition des carbures tout au long du processus, du laminage à chaud au recuit. Restauration et recristallisation sont étudiées au chapitre 4 principalement par des expériences in situ en Diffraction des Rayons X à Haute Energie (DRXHE) sur ligne de lumière synchrotron et modélisées par une approche originale à champs moyen. Enfin, le chapitre 5 propose une étude sous DICTRA pour comprendre les cinétiques de transformation austénitique en fonction des vitesses de chauffe. Cette approche est novatrice car elle prend en compte les carbures intergranulaires de la ferrite, a été conduite en conditions anisothermes et propose une analyse fine des modes de croissance de l’austénite associées au manganèse, élément clef de la composition de ces alliages. / Ferrite/Martensite Dual-Phase steels are largely used in the form of thin sheets in the automotive industry for their excellent balance between resistance and strength and thus for their lightening potential. They are elaborated by continuous casting, hot- and cold- rolling, followed by a continuous annealing. During the heating and the soaking stages of this latter process, the deformed ferrite/pearlite microstructure obtained after rolling evolves is transformed into a recrystallized ferrite-austenite microstructure. The experiments show that recrystallization and austenite transformation kinetics as well as the resulting spatial and morphological distribution of the phases are highly sensitive to the heating rate. This PhD thesis aims at understanding the different metallurgical mechanisms explaining this particular sensitivity as carbides ripening, recovery, recrystallization and austenite transformation and all their possible interactions. The mechanisms were characterized at different scales and by in situ technics on an industrial steel and model by physical based approaches in order to drive future production lines. After a first chapter dedicated to the experimental and modeling methods, the second chapter deals with the characterization of the morphogenesis of ferrite-austenite microstructures by Scanning Electron Microscopy (SEM). Chapter 3 is a study by Transmission Electron Microscopy (TEM) and by thermokinetic modeling (ThermoCalc, DICTRA) of the chemical composition of carbides along with manufacturing, from hot-rolling to annealing. Recovery and recrystallization are studied in chapter 4 by the means of in situ High Energy X-Ray Diffraction (HEXRD) experiments conducted on a synchrotron beamline and modeled by an original mean-field approach. Finally, chapter 5 proposes an analysis with DICTRA to understand austenite transformation kinetics as function of heating rates. The proposed approach is innovative as it accounts for intergranular carbides in the ferrite matrix, is conducted in non-isothermal conditions and propose a fine analysis of growth modes of austenite associated to manganese, a key alloying element of the studied steels.

Ce travail est une contribution à l'étude des conséquences mécaniques des transformations de phase à l'état solide dans les aciers, en particulier la plasticité de transformation (TRIP), en prenant en compte l'effet de la taille de grain austénitique (AGS). L'évolution de l'AGS a été étudiée sous différentes conditions d'austénitisation. Des essais de plasticité de transformation ont été conduits avec les mêmes conditions d'austénitisation afin d'observer l'évolution du TRIP avec l'AGS. Trois types de chargement mécanique sont considérés : la traction uniaxiale, la torsion uniaxiale et le cas biaxial de traction + torsion. Les résultats montrent que : i) le TRIP augmente avec l'AGS dans le cas de la traction ; ii) il est indépendant de l'AGS pour la torsion; iii) pour le cas du changement biaxial, le TRIP diminue légèrement. Ceci montre que les modèles décrivant le TRIP doivent être revus afin de prendre en compte l'AGS. / This work is a contribution to the study of mechanical consequences of solid-solid state phase transformations in steels, particularly the Transformation Induced Plasticity (TRIP), and the effect of the Austenite Grain Size (AGS). The evolution of AGS was studied taking into account different austenitization conditions. Then, TRIP tests were carried out with the same conditions to observe the evolution of TRIP with AGS. Three types of loading are considered: the uniaxial tension case, torsion case and biaxial tension and torsion case. The resuslts show that: i)the TRIP increase with AGS in the tensile case. ii) It is independant for the torsion case. iii) For the biaxial loading case, the TRIP decreases slightly. This shows that the micromechanical models describing the TRIP should be reviewed to take account of the AGS.

L'objectif de ce travail est d'optimiser la résistance au revenu d'un acier martensitique à 0,6% de carbone, faiblement allié en Cr, V, et Si/Al. Une série d'alliage modèle ternaire de haute pureté (Fe-C-X, X=Cr, V, Si, Al) a été élaborée à l'EMSE par fusion en creuset froid.. L'étude du comportement des alliages a été réalisée au moyen d'une caractérisation fine de la précipitation (Diffraction RX, MEB-FEG, MET) complétée par des mesures dilatométriques. Le comportement des alliages modèles a été comparé à celui de l'alliage industriel. Le vanadium est responsable de deux effets : (i) les carbures de vanadium bloquent la croissance des grains au cours de l'austénitisation ; (ii) le vanadium dissous permet la précipitation d'une cémentite (V,Cr,Fe)3C à l'origine d'un pic de durcissement secondaire pour un revenu vers 550°C. Le silicium a un effet particulier : il stabilise la matrice martensitique et retarde la précipitation de la cémentite vers des températures de revenu plus élevées, augmentant ainsi la résistance au revenu. Cependant, le silicium se révèle nocif pour le procédé industriel de mise en forme utilisé. Deux nouveaux alliages ont alors été élaborés pour chercher un élément de substitution à l'aluminium : un alliage ou le silicium est remplacé par l'aluminium, et un alliage ou le silicium est absent. L'aluminium reste neutre dans l'alliage mais l'étude de ces deux nuances a permis de mettre en évidence la possibilité d'utiliser une nuance ne contenant pas de silicium mais présentant une résistance au revenu comparable a celle de la nuance industrielle, du fait de la présence conjointe du chrome et du vanadium.

Ce travail est une contribution à l'étude des conséquences mécaniques des transformations de phase à l'état solide dans les aciers, en particulier la plasticité de transformation (TRIP), en prenant en compte l'effet de la taille de grain austénitique (AGS). L'évolution de l'AGS a été étudiée sous différentes conditions d'austénitisation. Des essais de plasticité de transformation ont été conduits avec les mêmes conditions d'austénitisation afin d'observer l'évolution du TRIP avec l'AGS. Trois types de chargement mécanique sont considérés : la traction uniaxiale, la torsion uniaxiale et le cas biaxial de traction + torsion. Les résultats montrent que : i) le TRIP augmente avec l'AGS dans le cas de la traction ; ii) il est indépendant de l'AGS pour la torsion; iii) pour le cas du changement biaxial, le TRIP diminue légèrement. Ceci montre que les modèles décrivant le TRIP doivent être revus afin de prendre en compte l'AGS.

L’objectif de ce travail est d’optimiser la résistance au revenu d’un acier martensitique à 0,6% de carbone, faiblement allié en Cr, V, et Si/Al. Une série d’alliage modèle ternaire de haute pureté (Fe-C-X, X=Cr, V, Si, Al) a été élaborée à l’EMSE par fusion en creuset froid.. L’étude du comportement des alliages a été réalisée au moyen d’une caractérisation fine de la précipitation (Diffraction RX, MEB-FEG, MET) complétée par des mesures dilatométriques. Le comportement des alliages modèles a été comparé à celui de l’alliage industriel. Le vanadium est responsable de deux effets : (i) les carbures de vanadium bloquent la croissance des grains au cours de l’austénitisation ; (ii) le vanadium dissous permet la précipitation d’une cémentite (V,Cr,Fe)3C à l’origine d’un pic de durcissement secondaire pour un revenu vers 550°C. Le silicium a un effet particulier : il stabilise la matrice martensitique et retarde la précipitation de la cémentite vers des températures de revenu plus élevées, augmentant ainsi la résistance au revenu. Cependant, le silicium se révèle nocif pour le procédé industriel de mise en forme utilisé. Deux nouveaux alliages ont alors été élaborés pour chercher un élément de substitution à l’aluminium : un alliage ou le silicium est remplacé par l’aluminium, et un alliage ou le silicium est absent. L’aluminium reste neutre dans l’alliage mais l’étude de ces deux nuances a permis de mettre en évidence la possibilité d’utiliser une nuance ne contenant pas de silicium mais présentant une résistance au revenu comparable a celle de la nuance industrielle, du fait de la présence conjointe du chrome et du vanadium. / The purpose of this work is to optimise the strength of a tempered martensitic medium C steel, containing low-level of Cr, V and Si/Al. A series of high purity "model" ternary alloys (Fe-C–X, X=Cr, V, Si, Al) was prepared (EMSE) by the cold crucible method. The initial structures of quenched alloys were optimised through appropriate austenitizing conditions. Analysis of alloys behaviour on tempering was performed through carbide precipitation characterisation (X-ray diffraction, SEM and TEM), completed by hardness and dilatometric measurements. The behaviour of "model" alloys was compared to that of the industrial material.Vanadium addition is responsible for two effects: (i) vanadium carbides lock the grain growth during the austenitizing; (ii) dissolved vanadium promotes the precipitation of (V,Cr)3C, that is at the origin of a secondary hardening peak near 550°C. Silicon addition has an interesting effect, as it stabilises the martensitic matrix and increases the temperature of cementite precipitation. Therefore, a high value of hardness is conserved up to high tempering temperatures.Unfortunately, because of some noxious properties, the industrial process in concern excludes the presence of Si. That’s why two new model alloys have been prepared and tested, in which the silicon addition (i) was absent, or (ii) replaced by Al.Aluminium has been shown to be "neuter" vs tempering behaviour. Moreover, the interesting effect of secondary hardening (550°C) has been observed in both Si-free steels, showing that alloying with only Cr and V can be enough to get the expected behaviour of the studied steel.

En usinage, la zone de coupe présente des conditions de température, des cinétiques thermiques, des déformations et des pressions extrêmes. Dans ce contexte, être capable de relier les variations des conditions de coupe (vitesse de coupe, avance, lubrification, usure, outil,...) à l'intégrité de la surface usinée constitue un objectif scientifique majeur. Cette thèse s'intéresse au cas du tournage finition du 15-5PH (acier inoxydable martensitique utilisé, entre autre, pour la fabrication des pièces de rotor d'hélicoptère ainsi que les pompes et les vannes de circuit primaire de centrale nucléaire) et s'inscrit dans le cadre du projet MIFSU (Modélisation de l'Intégrité et de la Fatigue des Surfaces Usinées).Dans un premier temps, le comportement du matériau a été étudié afin d'alimenter les simulations d'usinage. Des essais de dilatométrie libre ont été conduit afin de calibrer les cinétiques d'austénitisation du 15-5PH pour des vitesses de chauffe élevées (jusqu'à 11000 °C/s). Les paramètres du modèle de changement de phase de Leblond ont alors été identifiés. De plus, des essais de compression dynamique (dε/dt allant de 0.01 à 80 /s et ε > 1) ont été réalisés pour calibrer une loi de comportement élasto-plastique aux grandes déformations avec une sensibilité à la vitesse de déformation. Ces essais ont aussi permis de mettre en évidence des phénomènes de recristallisation dynamique et leurs influences sur la contrainte d'écoulement du matériau. Un modèle de recristallisation dynamique a donc également été mis en œuvre.En parallèle, un modèle numérique de prédiction de l'intégrité des surfaces tournées a été construit. Ce modèle repose sur une méthodologie dite " hybride " (développée au cours de la thèse Frédéric Valiorgue pour l'acier AISI 304L) qui consiste à supprimer la modélisation de l'outil de coupe et de la formation du copeau, et à remplacer l'impact thermomécanique de ces derniers sur la surface usinée par des chargements équivalents. Une étape de calibration de ces chargements a donc été réalisée à travers des essais de coupe orthogonale et de frottement (étude de sensibilité des efforts d'usinage, du coefficient de frottement et du coefficient de partage thermique) aux variations des paramètres de coupe.Enfin, les résultats des simulations numériques de tournage portant sur la prédiction des changements de microstructure (austénitisation et recristallisation dynamique) ainsi que des contraintes résiduelles ont été comparés aux résultats issus d'une campagne d'essais de chariotage.

En usinage, la zone de coupe présente des conditions de température, des cinétiques thermiques, des déformations et des pressions extrêmes. Dans ce contexte, être capable de relier les variations des conditions de coupe (vitesse de coupe, avance, lubrification, usure, outil,…) à l’intégrité de la surface usinée constitue un objectif scientifique majeur. Cette thèse s’intéresse au cas du tournage finition du 15-5PH (acier inoxydable martensitique utilisé, entre autre, pour la fabrication des pièces de rotor d’hélicoptère ainsi que les pompes et les vannes de circuit primaire de centrale nucléaire) et s’inscrit dans le cadre du projet MIFSU (Modélisation de l’Intégrité et de la Fatigue des Surfaces Usinées).Dans un premier temps, le comportement du matériau a été étudié afin d’alimenter les simulations d’usinage. Des essais de dilatométrie libre ont été conduit afin de calibrer les cinétiques d’austénitisation du 15-5PH pour des vitesses de chauffe élevées (jusqu’à 11000 °C/s). Les paramètres du modèle de changement de phase de Leblond ont alors été identifiés. De plus, des essais de compression dynamique (dε/dt allant de 0.01 à 80 /s et ε > 1) ont été réalisés pour calibrer une loi de comportement élasto-plastique aux grandes déformations avec une sensibilité à la vitesse de déformation. Ces essais ont aussi permis de mettre en évidence des phénomènes de recristallisation dynamique et leurs influences sur la contrainte d’écoulement du matériau. Un modèle de recristallisation dynamique a donc également été mis en œuvre.En parallèle, un modèle numérique de prédiction de l’intégrité des surfaces tournées a été construit. Ce modèle repose sur une méthodologie dite « hybride » (développée au cours de la thèse Frédéric Valiorgue pour l’acier AISI 304L) qui consiste à supprimer la modélisation de l’outil de coupe et de la formation du copeau, et à remplacer l’impact thermomécanique de ces derniers sur la surface usinée par des chargements équivalents. Une étape de calibration de ces chargements a donc été réalisée à travers des essais de coupe orthogonale et de frottement (étude de sensibilité des efforts d’usinage, du coefficient de frottement et du coefficient de partage thermique) aux variations des paramètres de coupe.Enfin, les résultats des simulations numériques de tournage portant sur la prédiction des changements de microstructure (austénitisation et recristallisation dynamique) ainsi que des contraintes résiduelles ont été comparés aux résultats issus d’une campagne d’essais de chariotage. / During machining, extreme conditions of pressure, temperature and strain appear in the cutting zone. In this thermo-mechanical context, the link between the cutting conditions (cutting speed, lubrication, feed rate, wear, tool coating…) and the machining surface integrity represents a major scientific target. This PhD study is a part of a global project called MIFSU (Modeling of the Integrity and Fatigue resistance of Machining Surfaces) and it focuses on the finish turning of the 15-5PH (a martensitic stainless steel used for parts of helicopter rotor). Firstly, material behavior has been studied in order to provide data for machining simulations. Stress-free dilatometry tests were conducted to obtain the austenitization kinetics of 15-5PH steel for high heating rates (up to 11,000 ° C/s). Then, parameters of Leblond metallurgical model have been calibrated. In addition, dynamic compression tests (dε/dt ranging from 0.01 to 80/s and ε > 1) have been performed to calibrate a strain-rate dependent elastoplasticity model (for high strains). These tests also helped to highlight the dynamic recrystallization phenomena and their influence on the flow stress of the material. Thus, recrystallization model has also been implemented.In parallel, a numerical model for the prediction of machined surface integrity has been constructed. This model is based on a methodology called "hybrid" (developed during the PhD thesis of Frédéric Valiorgue for the AISI 304L steel). The method consists in replacing tool and chip modeling by equivalent loadings (obtained experimentally). A calibration step of these loadings has been carried out using orthogonal cutting and friction tests (with sensitivity studies of machining forces, friction and heat partition coefficients to cutting parameters variations).Finally, numerical simulations predictions of microstructural changes (austenitization and dynamic recrystallization) and residual stresses have been successfully compared with the results of an experimental campaign of turning.