La ferrite résiduelle δ est présente dans les microstructures de coulée des aciers inoxydables austénitiques. Elle résulte de la transformation incomplète δ→γ ayant lieu l'étape de solidification. Sa présence peut nuire à la forgeabilité à chaud des aciers inoxydables et peut conduire à la formation de criques de rives et de pailles en J lors du laminage à chaud des brames. Ce travail de thèse a pour but de comprendre les mécanismes de la transformation δ→γ à haute température dans les aciers inoxydables austénitiques via une modélisation expérimentale et numérique. La transformation a été étudié dans un alliage ternaire Fe-Cr-Ni coulé par lingot et de composition proche de celle des alliages industriels. Trois morphologies de ferrite ont été mises en évidence à l'état brut de solidification: lattes au bord du lingot, vermiculaire et lattes au centre. Leur cinétique de dissolution est étudiée à des températures allant de 1140°C à 1340°C et caractérisée en termes de fraction de ferrite et profils de composition du Cr et du Ni. La dissolution de la ferrite vermiculaire comprend trois étapes : une croissance initiale transitoire suivie par deux régimes de dissolution à haute puis à faible taux de transformation. D'un autre côté, il a été possible d'étudier la dissolution de la ferrite dans des microstructures multicouches élaborées par l'empilement de plaques de ferrite et d'austénite du système Fe-Cr-Ni et soudées à l'état solide par Compression Isostatique à Chaud puis réduits en épaisseurs par laminages successifs. L'étude et la caractérisation de la cinétique de dissolution de la ferrite est plus facile dans ces microstructures étant donnée la planéité initiale des interfaces δ/γ. L'analyse des résultats expérimentaux a été menée via le développement d'un modèle numérique, à interface mobile, de la transformation de phases δ→γ pilotée par la diffusion. La diffusion peut être traitée dans les géométries plane, cylindrique et sphérique. En guise de validation, le modèle a été utilisé pour analyser la dissolution de la ferrite dans les microstructures multicouches. Par la suite il a été appliqué au cas de la ferrite vermiculaire en usant d'une approche novatrice où la morphologie des dendrites est approximée par une combinaison de cylindres et de sphères. Malgré la simplicité des hypothèse sous-jacentes, le modèle a permis d'expliquer les mécanismes de croissance initiale et de changement de régime de dissolution. D'autre part, via une étude paramétrique, l'effet des données d'entrée a été étudié et les plus pertinentes d'entre eux en termes de prédiction quantitative ont été mises en avant, en particulier la description thermodynamique du digramme Fe-Cr-Ni, le gradient initial et la distribution des rayons des particules de ferrite. / Residual δ-ferrite is widely encountered in the as-cast microstructure of austenitic stainless steels. It stems from the incomplete high temperature solid-state δ→γ transformation occurring upon the solidification stage. Its presence has a detrimental effect the hot workability of stainless steels, leading to the formation of edge cracks and sliver defects during slabs hot rolling. This PhD work aims at bringing more understanding of the kinetics of high temperature δ→γ transformation in austenitic stainless steels via experimental and numerical modeling. The transformation was studied in a ternary Fe-Cr-Ni ingot-cast alloy with composition close to the industrial alloys. Three ferrite morphologies were identified: lathy at the edge of the ingot, vermicular and lathy at the center. Their dissolution kinetics were established at temperatures ranging from 1140°C to 1340°C and characterized in terms of ferrite fraction and Cr and Ni diffusion. The vermicular ferrite undergoes a transient growth followed by a high then a low rate dissolution regimes. On the other hand, ferrite dissolution was also studied in the multilayered microstructures. such microstructures were elaborated by alternating ferrite and austenite sheets of the Fe-Cr-Ni system, diffusion-bonded by Hot isostatic Pressing and reduced in thickness by successive rollings. Dissolution is easier to handle in such microstructures thanks to the initial planar δ/γ interfaces. Analysis of the experimental results were carried out with a numerical moving-boundary model of diffusion-controlled δ→γ transformation. Diffusion can be treated in the planar, cylindrical and spherical geometries. As a preliminary validation, the model was used to analyze kinetics of ferrite dissolution in the multilayered microstructures. It was then applied to the cast alloy using an original descriptive approach combining spheres and cylinders as equivalent morphology of dendritic ferrite. Although based on simplifying assumptions, the model was able to reproduce experimental results with satisfactory agreement. Mechanisms underlying the initial growth of vermicular ferrite and the transition in dissolution regimes were outlined. The effect of a wide range of input parameters has been considered and relevant parameters for quantitative calculations were brought to light, such as thermodynamical descriptions of the Fe-Cr-Ni system, composition gradients and distribution of ferrite's radii.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2016GREAI016 |
| Date | 24 May 2016 |
| Creators | Saied, Mahmoud |
| Contributors | Grenoble Alpes, Véron, Muriel, Tassin-Arques, Catherine |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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