Pour répondre à la demande croissante d’allègement des véhicules automobiles, les aciéristes développent une nouvelle gamme d’aciers à Très Haute Résistance (THR), dite de troisième génération. Cette thèse, inscrite dans le projet ANR MATETPRO « MeMnAl Steels », s’intéresse plus particulièrement à deux nouvelles familles d’aciers THR Fe-C-Mn-Al, produites par ArcelorMittal et potentielles candidates pour la caisse en blanc des futurs véhicules. Elle vise à mieux cerner les paramètres microstructuraux permettant de contrôler et optimiser le comportement à rupture de ces aciers.Pour représenter les deux familles d’aciers, deux matériaux modèles ont été élaborés par laminage puis recuit intercritique, conduisant à une microstructure duplex : austénite retenue (γr, pouvant se transformer en martensite par effet TRIP) et ferrite. La microstructure du premier acier, dite UFG, est ultrafine (grains de taille inférieure au micromètre) tandis que celle du second est bimodale, mêlant gros grains de ferrite δ et régions à grains fins de ferrite α et d’austénite retenue γr.Les propriétés mécaniques de la microstructure UFG dépendent fortement de la température de recuit, en raison des variations de stabilité de l’austénite retenue. A l’inverse, la microstructure bimodale est très robuste vis-à-vis de la température de recuit mais très sensible à la température d’essai. L’endommagement en traction et en résilience est très peu développé pour ces deux familles. Il est localisé aux interfaces ferrite-martensite (formée pendant l’essai). Le lien entre les modes de rupture et la microstructure bimodale, étudié à l’aide d’essais Charpy, a montré l’existence de deux transitions distinctes de mode de rupture : une transition entre rupture ductile à grandes cupules et clivage pour les gros grains de ferrite δ et une transition entre rupture interfaciale et rupture ductile à fines cupules pour les zones à grains fins {α + γr}. La rupture de la microstructure UFG est ductile à température ambiante et interfaciale à plus basse température. Cette microstructure UFG peut être vue comme un matériau modèle représentant les régions à grains fins {α + γr} de la microstructure bimodale.Pour les deux familles d’aciers, le comportement élastoplastique comme le comportement à rupture semblent dominés par la stabilité de l’austénite retenue. / To fulfil the increasing demand on lightweighting automotive vehicles, steelmakers are developing a third generation of Advanced High Strength Steels (AHSS). This work, part of the ANR project MATETPRO “MeMnAl Steels”, addressed two new families of third generation AHSS produced by ArcelorMittal which may be used for the body in white of upcoming cars. It aimed at improving our current understanding of the microstructural features allowing controlling and optimizing the fracture behavior of this steel family.Two model materials were manufactured by hot and cold rolling followed by intercritical annealing. The resulting, so-called duplex microstructure is a mixture of ferrite and retained austenite (γr, which can transform into martensite by TRIP effect). The microstructure of the first steel was made of ultra-fine grains (UFG) of ferrite and retained austenite (grain size below one micrometer), while the second steel possessed a bimodal microstructure made of coarse δ-ferrite grains and fine-grained regions of α-ferrite and retained austenite γr.The mechanical properties of the UFG microstructure were strongly sensitive to the annealing temperature, due to variations in the stability of retained austenite. On the contrary, the bimodal microstructure was very robust regarding the annealing temperature but very sensitive to the test temperature. For these two families, damage development is scarce and mainly located at ferrite-martensite interfaces. Charpy impact tests on steels with the bimodal microstructure showed that each microstructural region presents its own fracture mechanisms and a specific ductile-to-brittle transition. A transition from brittle cleavage to large-dimpled, ductile fracture was observed for coarse δ-ferrite grains, while fined-grained regions presented a transition from interfacial fracture to fine-dimpled, ductile fracture. Fracture of the UFG microstructure was ductile at room temperature and interfacial at lower temperatures. This UFG microstructure can be interpreted as a model material embodying the behavior of the fine-grained {α + γr} regions in the bimodal microstructure.For both two steels, the constitutive and fracture behavior seem to be dominated by the stability of retained austenite.

Le travail abordé dans le cadre de cette thèse constitue une contribution à la compréhension de l'effet TRIP (TRansformation Induced Plasticity) dans les aciers et à la modélisation du comportement élastoplastique de ces aciers. Le présent travail est consacré à l'analyse du comportement de trois aciers à effets TRIP (Inox 304L, Inox 304L-Cu et TRIP 800) et à l'identification des paramètres pilotant leur comportement pour des chargements monotones et séquentiels. Le but est de regarder l'influence relative du trajet de chargement et de la transformation martensitique. Deux modèles de comportement élastoplastique ont été analysés et implémentés dans le code de calcul éléments finis-ABAQUS. Le premier est le modèle de Lemaitre et Chaboche, prenant en compte l'écrouissage cinématique sans l'effet TRIP. Le deuxième est un modèle dit semi-physique, élatoplastique par phase, (développé par Cherkaoui). Il tient compte du multiphasage et de l'évolution de la fraction de martensite. Différents essais mécaniques ont été réalisés (essais monotones, essais séquentiels, essais hétérogènes et essais d'emboutissage) afin de constituer une base de données expérimentales en vue de l'identification du comportement élastoplastique. Une méthode d'identification inverse a été développée afin d'identifier les paramètres des deux modèles élastoplastiques. Dans les aciers multiphasés, en raison de la faible fraction d'austénite résiduelle, la transformation martensitique ne peut pas influencer énormément le comportement mécanique macroscopique lors d'un chargement thermomécanique. En conséquence, l'application d'un modèle classique (modèle de Lemaître et Chaboche dans cette étude) permet de prédire simplement le comportement mécanique des aciers à effet TRIP (304L-Cu et TRIP 800). En revanche, dans les aciers entièrement austénitiques (304L) où l'effet TRIP change considérablement la courbe de comportement mécanique, le modèle de Lemaître et Chaboche n'est pas approprié pour prédire leur comportement mécanique. Il est alors nécessaire d'utiliser un modèle qui prend en compte l'effet TRIP (modèle semi-physique dans ce travail).

Lors d’un recuit inter-critique d’un acier dit « Medium Manganèse », dont la teneur en Mn est située entre 4 et 12 %, avec une microstructure initiale complètement martensitique, la formation de l’austénite obéit à un mécanisme spécifique qui porte le nom d'ART - « Austenite Reverted Transformation » (transformation inverse de l’austénite). L’objectif de ce travail de thèse était d’étudier et de modéliser les évolutions microstructurales en lien avec les propriétés mécaniques lors d’un recuit ART. Il a été déterminé que la microstructure finale se compose de phases de nature (ferrite, austénite résiduelle et martensite de trempe) et morphologie (en forme d’aiguille et polygonale) différentes. Une attention particulière a été accordée aux cinétiques de dissolution des carbures et de formation de l’austénite. Une vision complète de ces processus a été construite. En outre, le mécanisme de stabilisation de l’austénite résiduelle à la température ambiante a été étudié et discuté. Enfin, des essais de traction ont été réalisés afin d’évaluer le comportement mécanique de l’acier après différents recuits ART et établir le lien avec la microstructure. Une analyse plus détaillée du comportement de chaque constituant de la microstructure a été effectuée. A l'issue de cette thèse, un modèle complet est disponible pour calculer les courbes de contrainte vraie - déformation vraie d’un acier Medium Mn / During the intercritical annealing of fully martensitic Medium Mn steel, containing from 4 to 12 wt.% Mn, the formation of austenite happens through the so-called “Austenite Reverted Transformation” (ART) mechanism. In this PhD work, the evolution of both microstructure and tensile properties was studied as a function of holding time in the intercritical domain. The microstructure evolution was studied using a double experimental and modeling approach. The final microstructure contained phases of different natures (ferrite (annealed martensite), retained austenite and fresh martensite) and of different morphologies (lath-like and polygonal). A particular attention was paid to the kinetics of austenite formation in connection with cementite dissolution and to the morphology of the phases. A mechanism was proposed to describe the formation of such microstructure. The critical factors controlling thermal austenite stability, including both chemical and size effects, were determined and discussed, based on the analysis of the retained austenite time-evolution. At last, tensile properties of the steel were measured as a function of holding time and the relation between microstructure and mechanical behavior was analyzed. Advanced analysis of the individual behavior of the three major constituents was performed. As a final output of this work, a complete model for predicting the true-stress versus true-strain curves of medium Mn steels was proposed