Développement d’aciers de 3ème génération à structures duplex destinés à l’automobile – MeMnAl Steels

En fonction des teneurs en Mn et Al, des microstructures différentes peuvent être obtenues, conduisant à des comportements mécaniques très différenciés. Il est également nécessaire de situer les propriétés obtenues par rapport aux valeurs théoriques optimales. Ce projet combine donc la métallurgie mécanique et la métallurgie physique pour faciliter et guider le développement des nouvelles nuances.
La première partie du projet permettra d’obtenir des informations quantitatives sur les différentes phases possibles et sur leur composition en fonction de la composition de l’alliage et des traitements thermomécaniques. Dans une seconde étape, ces résultats permettront la prévision des propriétés mécaniques et du comportement à rupture. Le projet s’appuie tant sur des approches expérimentales que sur des simulations numériques. Les aciers de 3ème génération seront développés en s’appuyant sur la modélisation de :
1) la genèse des microstructures à partir :
- de la définition précise des diagrammes de phases,
- de l’étude de l’influence des éléments d’alliage sur la formation et la stabilité de l’austénite.
2) les relations entre la microstructure et les propriétés mécaniques :
- effet des éléments d’alliage sur les mécanismes de déformation des différentes phases,
- influence sur le comportement en déformation et en rupture.
Les deux parties du projet sont conduites en parallèle. Les travaux menés par ArcelorMittal permettent de définir quelques exemples sur lesquels les essais mécaniques peuvent débuter. En parallèle, l’étude des évolutions structurales est menée par modélisation ab initio et à partir des données thermodynamiques. Ceci permettra la prévision des équilibres entre les phases et de leur composition, éléments indispensables à la prévision des modes de déformation, d’endommagement et de rupture de ces alliages.

Résultats à juin 2015 :
- Les coulées synthétiques ont été réalisées par ArcelorMittal et ont permis de définir des compositions typiques pour les études microstructurales et mécaniques (une composition à moyen Mn, et deux compositions à moyen Al). 5 températures de recuit entre 740 et 780°C ont été fixées après laminage à froid pour obtenir la microstructure duplex visée avec différents degrés de stabilité de l’austénite. Ces cinq nuances ont été caractérisées microstructuralement et mécaniquement (plasticité et rupture).
- A partir d’une première approche par calcul ab initio, prenant en compte le magnétisme, un Hamiltonien de paires a été élaboré pour les systèmes Fe-Al-Mn à matrice cubique centrée. Ces résultats permettront de compléter les données thermodynamiques expérimentales et de les extrapoler.
- Des essais de traction in situ en microscopie électronique en transmission ont été faits sur des nuances synthétiques Fe-17at.%Al avec 19 et 126 ppm de carbone. Le comportement des dislocations a été observé à différentes températures entre 100 et 520 K. Ces premiers résultats confirment la forte sensibilité des dislocations à la température et aux éléments d’addition ; en particulier, les différences de mobilités entre les composantes vis et coin des dislocations sont nettement mises en évidence. L’effet de l’aluminium en solution solide a été trouvé très voisin de celui du Cr, étudié dans le passé ; toutefois le domaine de vieillissement dynamique pour Fe-Al est plus bas en température en accord avec une diffusion plus facile de l’aluminium.

Perspectives au 1er juillet 2015 :
Les prochains mois permettront d’avancer les études de prévision des microstructures en fonction de la composition et de conditions de transformation.
Les apports expérimentaux permettront de valider et d’enrichir les bases de données ; les calculs ab initio permettront d’élaborer un hamiltonien de paires pour le ternaire Fe-Al-Mn sur réseau cfc et d’introduire l’effet du carbone dans les modèles.
Les calculs de cinétique aborderont l’influence de la taille des particules de cémentite, ainsi que les effets de température et de vitesse de chauffage.
Enfin, les caractérisations microstructurales et mécaniques seront étendues aux nuances à moyenne teneur en Mn et Al qui viennent d’être livrées. Ces différentes caractérisations conduiront aux premières modélisations du comportement mécanique.

Néant au 31/08/2015

Les futures régulations sur les émissions de CO2 dans le transport automobile (130 g/km en 2015) conduisent à un besoin de réduction de poids de 20% à fonction équivalente, sans sacrifier aux impératifs de sécurité et de productivité. Les pénalités envisagées en cas de non respect des futures réglementations poussent les constructeurs automobiles à accepter un léger surcoût pour atteindre ces réductions de poids importantes. Ceci ouvre la voie à différentes solutions : nouveaux matériaux légers, conceptions optimisées, … Dans ce nouvel environnement, l’acier présente encore des atouts importants pour les utilisateurs : grande disponibilité, coût modéré, recyclage facile, mise en forme et mise en œuvre simples et maîtrisées, propriétés de résistance au choc contribuant à la sécurité des véhicules.
Une 1ère génération d’aciers à très haute résistance a permis de développer des propriétés mécaniques élevées à partir du contrôle de la microstructure des phases carburés métastables : dual-phase et TRIP, essentiellement. La 2nde génération, représentée par les aciers TWIP, est en développement, mais pose des difficultés d’élaboration.
Les cibles visées (UTS de 1 000 MPa, allongement uniforme de 15%, avec, si possible, une densité réduite de 5 à 10%) imposent le développement d’une nouvelle génération d’aciers. Leur métallurgie repose sur des nuances Fe-Mn-Al-C (Mn entre 5 et 8 pds %, Al inférieur à 8 pds %). Les premiers essais réalisés en laboratoire montrent qu’il est possible d’obtenir des structures biphasées très fines, ferrite-austénite. Selon la composition et les traitements thermomécaniques, les fractions volumiques des phases sont ajustées, et le comportement mécanique de l’austénite est contrôlé sur une large gamme incluant les cibles visées. L’addition d’aluminium, en plus de réduire la densité de l’alliage, favorise également le durcissement de la ferrite. Ces nuances présentent enfin l’avantage de pouvoir être produites sur les lignes de production actuelle et d’être facilement recyclables.
Le projet MeMnAl Steels, centré sur le développement de ces nouvelles nuances, propose de mener une démarche coordonnée de compréhension des mécanismes d’évolutions microstructurales et de déformation, et de modélisation de ces évolutions et des propriétés finales. Il combine les approches de métallurgie physique et de métallurgie mécanique afin d’établir une cartographie des capacités de ces aciers, d’estimer leur comportement limite, et d’aider à définir les principales étapes du procédé de fabrication. Les équipes impliquées sont complémentaires en termes de capacités expérimentales et de compétences en modélisation : métallurgie physique, thermodynamique et cinétique, métallurgie mécanique et endommagement-rupture … le tout dans le cadre d’une approche multi-échelle et multi-physique.
Le projet, d’une durée de 4 ans, s’articule autour de deux thèmes en interaction étroite : (i) la modélisation de la genèse des microstructures, et (ii) la modélisation des relations entre les microstructures obtenues et les propriétés mécaniques.
i. Le premier thème vise à développer les outils thermodynamiques et cinétiques afin de prévoir les phases présentes et leur fraction volumique. En particulier des modèles ab initio et des approches utilisant CALPHAD seront développés en ce sens.
ii. Le lien entre la partie microstructurale et la prévision des propriétés mécaniques sera basé sur des approches micro-macro et des modèles polycristallins liant le comportement macroscopique à celui de chaque grain, et prenant en compte les spécificités des interfaces entre les différentes phases.
L’objectif final est de capitaliser l’ensemble des connaissances acquises dans un modèle d’aide au développement de ces nouvelles nuances d’aciers. Il devra permettre de préciser de façon fiable et rapide les domaines de composition et les gammes de fabrication optimaux pour une cible de comportement mécanique, et ainsi accélérer les développements industriels futurs.