Littérature scientifique sur le sujet « Ségrégation du carbone »

Lors de la fabrication d'une pièce industrielle, le traitement thermique est une opération qui nécessite de maîtriser à la fois les microstructures obtenues et les contraintes et déformations résiduelles. La simulation numérique est un outil précieux pour une meilleure optimisation de ces traitements. Dans ce contexte, l'objectif de notre étude a été de contribuer au développement d'un outil de calcul permettant de prévoir les microstructures, les déformations et les contraintes au cours du traitement thermique de pièces en acier pouvant contenir des hétérogénéités de composition chimique en particulier de teneur en carbone. Nous avons d'abord développé le modèle de calcul des cinétiques de transformation de phases des aciers existant au laboratoire pour prendre en compte l'effet de l'enrichissement en carbone de l'austnite lors de sa décomposition partielle en ferrite sur les transformations ultérieures. Des calculs thermiques, métallurgiques et mécaniques couplés ont ensuite permis une analyse détaillée de l'effet de gradients de teneur en carbone à l'échelle macroscopique sur la genèse des microstructures et des contraintes internes au cours du refroidissement. Nous avons en particulier quantifié les effets possibles de macro et mésoségrégations de solidification dans des cylindres très massifs de taille proche de celle d'un lingot. Une validation expérimentale des résultats de simulation numérique a été mise en place pour des éprouvettes cylindriques supposées homogènes en composition chimique (acier 40CrMnMo8) puis pour une éprouvette chimiquement hétérogène spécialement conçue et fabriquée pour notre étude. Au préalable, les caractérisations expérimentales de l'acier ont permis de construire le jeu de données complet nécessaire aux simulations. Les résultats expérimentaux et calculés ont permis de bien mettre en évidence le rôle de l'hétérogénéité chimique. Enfin, une bonne corrélation calcul- expérience a été obtenue pour la déformation au cours du refroidissement d'une éprouvette 3D en forme de croissant
Heat treatment is a process that needs the control of both final microstructures and residual stresses and deformations. Numerical simulation is a useful tool for a better optimization of this process. The aim of our work was to contribute to the development of a numerical tool for the prediction of microstructures, stresses and strains during cooling of pieces that may contain chemical heterogeneities, particularly carbon content heterogeneities. Firstly, an existing model for the prediction of transformation kinetics in steels has been further developped in order to take into account the effects of the carbon content enrichment of austenite due to a partial ferritic transformation on the subsequent transformations. Coupled thermal, metallurgical, mechanical calculations have then been performed to study the effects of carbon content gradients on the microstructural evolutions and on the residual stresses development during cooling. Particularly, the possible effects of solidification macro and mesosegregations have been quantified in massive cylinders with sizes close to the size of an ingot. Secondly, experimental validations have been performed for homogeneous cylindrical specimen (40CrMnMo8 steel) and for a chemically heterogeneous specimen specifically designed for our study. The complete set of input data necessary for the simulations has been established from experimental characterizations of the steel. The role of chemical heterogeneity has been analysed through the experimental and calculated results. Finally, a good correlation has been obtained between measurements and calculation of the deformation during cooling of a 3D "croissant" shaped specimen

Le vieillissement statique est un concept important dans la métallurgie qui se réfère à un durcissement de la matière ayant subi une déformation plastique et est ensuite vieilli pendant une certaine période de temps. La théorie proposée dans les années 1940 par Cottrell et Bilby explique ce phénomène comme étant causé par l'épinglage des dislocations par les impuretés (par exemple, les atomes de carbone en solution solide) qui migrent au voisinage du défaut de ligne. Au cours de ce travail de thèse, le mécanisme atomistique responsable du phénomène du vieillissement statique dans le fer alpha a été étudié par des simulations numériques. Etant donné que la diffusion à l'état solide se déroule lentement, l'utilisation de la dynamique moléculaire à basse température (lorsque l'effet du champ de contraintes sur la dislocation de diffusion du carbone est plus prononcé) a été évitée, et nous avons utilisé préférentiellement le couplage de la statique moléculaire avec le Monte-Carlo cinétique atomistique. Trois points principaux ont été abordés dans cette thèse: (i) l'effet du champ de contraintes d'une dislocation coin ou vis sur un atome de carbone qui diffuse à proximité, (ii) la diffusion de l'atome de carbone dans le cour de la dislocation («pipe diffusion»), et (iii) la distribution d'équilibre des atomes de carbone dans une atmosphère de Cottrell. Le principal effet du champ de contrainte de la dislocation à l'extérieur du coeur est de biaiser la diffusion de l'impurité, de sorte que certains sauts (transitions) deviennent plus probables que d'autres. Cet effet va conduire aux premiers stades de la formation de l'atmosphère de Cottrell, lorsque l'interaction mutuelle entre atomes de carbone est négligeable. Au cœur de la dislocation, comme prévu, nos résultats indiquent que le carbone diffuse plus vite que dans le volume. La concentration de carbone dans le voisinage d'une dislocation coin ou vis a été modélisée par une approche de physique statistique en utilisant les énergies de liaison calculées par la statique moléculaire. Cette approche est en bon accord avec les données expérimentales
Static strain aging is an important concept in metalurgy that refers to the hardening of a material that has undergone plastic deformation and then is aged for a certain period of time. A theory proposed in the late 1940s by Cottrell and Bilby explains this phenomenon as being caused by the pinning of dislocations by impurities (e.g., carbon atoms in solid solution) that migrate to the vicinity of the line defect. In the course of this PhD work, the atomistic mechanism behind the static strain aging phenomenon in bcc iron has been studied by means of computer simulations. Given the fact that diffusion in the solid state proceeds slowly, thus preventing the use of molecular dynamics at low temperatures (when the effect of the dislocation stress field on carbon diffusion is more pronounced), we have preferentially employed a method coupling molecular statics with atomistic kinetic Monte Carlo. Three major points have been addressed by this thesis: (i) the effect of the stress field of an edge or screw dislocation on a carbon atom diffusing nearby; (ii) the diffusion of a carbon atom in the tight channel found in the dislocation core (pipe diffusion); and (iii) the equilibrium carbon distribution in a Cottrell atmosphere. The main effect of the dislocation stress field outside the dislocation core consists of biasing carbon diffusion, such that some transitions become more likely than others. This effect is expected to drive the early stages of Cottrell atmosphere formation, when the mutual interaction between carbon atoms is negligible. Right in the dislocation core, as expected, carbon was seen to diffuse faster than in the bulk. Carbon concentration in the neighborhood of an edge or a screw dislocation was modeled by an approach based in statistical physics using the binding energies calculated by molecular statics, revealing a good agreement with experimental data obtained by atom probe techniques

Ce travail concerne le développement des microstructures et des microségrégations lors de la solidification des aciers inoxydables. On s'est intéressé à l'influence de la vitesse de solidification et de la teneur en carbone de l'alliage. Les alliages étudiés sont des alliages Fe-Ni-Cr, avec et sans carbone, dont la teneur en éléments mineurs tels que le mn et si a été maintenue à un niveau constant assez bas. La technique de solidification dirigée avec trempe a été retenue pour réaliser des échantillons dans des conditions de solidification parfaitement contrôlables. Sur ces échantillons ont été effectuées des analyses métallographiques et chimiques. Les phases précipitées et la redistribution des solutés dans les phases solide et liquide en cours de solidification ont été analysées quantitativement à la microsonde électronique de CASTAING. L'analyse d'image a été employée pour évaluer la cinétique de solidification. L'étude des équilibres de phases entre solidus et liquidus par analyse thermique différentielle a permis de préciser les températures de liquidus et les domaines de composition chimique pour lesquels le solide stable au liquidus est la ferrite ou l'austénite. Certains alliages, correspondant a une précipitation primaire de ferrite, et dont la composition est proche de la ligne eutectique, présentent une solidification en austénite primaire en solidification dirigée lorsque la vitesse de solidification est importante. Cette modification de la nature du premier solide dépose à partir du liquide (changement de en ) a été étudiée en termes de compétition de croissance entre les phases et suivant les conditions de solidification

Cette thèse applique l'approche des Quasiparticles (QA) pour étudier les mécanismes à l'échelle atomique qui conduisent à la transformation de phase CFC à CC dans le fer. Dans un premier temps, cette étude se concentre sur le fer pur, fournissant des résulats détaillés sur la nature et le rôle des dislocations à l'interface CFC-CC. Il a été montré que l'interface CFC-CC est semi-cohérente, avec des marches, et contient deux réseaux de dislocations de transformations. L'approche des Quasiparticles a permis de révéler l'influence de la relation d'orientation sur les caractéristiques de l'interface. Bien que les relations d'orientation étudiées ont montré diférentes structures d'interface, il a été démontré que toutes suivent le même chemin de transformation atomique, dû au glissement des dislocations de transformation à l'interface. Il a été conclu que la transformation complète de CFC à CC implique le mécanisme de transformation de Kurdjumov-Sachs (KS) en deux variantes le long des lignes de dislocations, avec le mécanisme de transformation de Kurdjumov-Sachs-Nishiyama (KSN) qui émerge comme la moyenne de l'action des deux mécanismes KS. Cette description détaillée a servi de base pour l'étude des systèmes Fe-C, où la ségrégation du carbone à l'interface a été observée. De plus, il a été montré que les profils de concentration de carbone sont cohérents avec des conditions d'équilibre local à l'interface
This thesis applies the Quasiparticle Approach (QA) to investigate the atomic scale mechanisms driving the phase transformation from FCC to BCC structures in iron. Initially, the study focuses on pure iron, providing detailed results into the nature and role of dislocations, at the FCC-BCC interface. It was shown that the FCC-BCC interface is semi-coherent and stepped, with two sets of transformations dislocations at the interface. The QA framework reveals how each orientation relationship (OR) influences the interface characteristics. Although the ORs displayed different interface structures, all were ultimately found to follow the same atomic transformation path, driven by the glide of transformation dislocations at the interface. It was concluded that the complete FCC to BCC phase transformation involves the action of the Kurdjumov-Sachs (KS) transformation mechanism in two variants along the two sets of dislocations, with the Kurdjumov-Sachs-Nishiyama (KSN) mechanism emerging as the average of the two KS mechanisms. This detailed description served as a basis for the study of Fe-C systems, where carbon segregation at the interface was observed. Moreover, it was shown that the carbon concentration profiles were consistent with local equilibrium conditions at the interface

Les câbles métalliques utilisés pour le renforcement des pneumatiques sont obtenus par assemblage de fils fins produits par tréfilage d’un fil d’acier perlitique à teneur en carbone proche de la composition eutectoïde. La mise en forme par tréfilage a pour but, d’une part de donner au fil son diamètre final et, d’autre part de l’écrouir et lui conférer une très haute résistance mécanique (3500 MPa environ pour des fils de diamètre de 200 µm environ). L’objectif actuel est de porter cette résistance à un niveau proche de 5000 MPa afin d’abaisser la quantité d’acier de renfort et de diminuer ainsi le poids et le coût des pneumatiques. Toutefois l’obtention de fils à ultra-haute résistance (5000 MPa) se voit confronter à deux obstacles majeurs. En effet, le renforcement de l’acier au cours de l’étape de tréfilage engendre des évolutions microstructurales et mécaniques très importantes qui provoquent l’apparition d’une fragilisation des fils. Ce phénomène est considéré comme le seuil de tréfilabilité au-delà duquel le fil ne peut plus être renforcé par écrouissage. Au-delà de cette fragilisation prématurée du fil, un phénomène de vieillissement post-tréfilage provoque lui aussi une évolution de la microstructure et une perte de la ductilité au cours du temps à température ambiante ou encore suite à des traitements thermiques basse température (< 200°C). Cette instabilité des fils dans le temps peut être fortement pénalisante pour leur mise en assemblage en vue d’obtenir les renforts métalliques puisqu’elle est responsable de nombreuses ruptures des fils. L’objectif de ce travail de thèse a consisté alors à contribuer à la définition des évolutions microstructurales, à l’origine des variations des propriétés mécaniques qui apparaissent au cours de l’écrouissage et du vieillissement post-tréfilage. Pour cela, une approche expérimentale originale reposant sur l’utilisation combinée de plusieurs techniques de caractérisation globales et indirectes (pouvoir thermoélectrique, résistivité électrique, spectroscopie mécanique, calorimétrie…), couplée à des analyses en sonde atomique tomographique et à des essais de traction, a été mise en place dans l’idée de fournir un faisceau d’éléments permettant de proposer un scénario pour interpréter les différentes évolutions microstructurales en question. Il a ainsi pu être mis en évidence que l’étape de tréfilage provoquait la dissolution de la cémentite induisant la sursaturation de la ferrite en carbone. Cette microstructure fortement hors équilibre suite à la déformation, revient alors à un état thermodynamiquement plus stable au cours du vieillissement post-tréfilage à travers trois mécanismes différents : la ségrégation des atomes de carbone sur les défauts microstructuraux et la précipitation de carbures intermédiaires métastables suivie de leur transformation en cémentite
Steelcords are produced by assembling cold-drawn pearlitic steel wires with a composition close to the eutectoid one. The cold-drawing step has two goals: it provides the final shape of the wire and its very high mechanical resistance (about 3500 MPa for wires with a diameter of 200 µm). Nowadays, the industrial target aims at achieving a mechanical resistance of about 5000 MPa in order to lower the quantity of steelcord introduced into tires so decreasing their weight and their cost. However, there are two major obstacles to obtaining these ultra-high strength wires. Indeed, the steel reinforcement during cold-drawing induces significant microstructural and mechanical evolutions, which embrittle the wires. This phenomenon is considered as the limit of drawability beyond which wires cannot be plastically deformed anymore. In addition to that, post-drawing ageing can also induce a microstructural evolution and a loss of ductility due to storage at room temperature or during heat treatments at low temperatures (< 200°C). This instability of the wires microstructure can be very damaging for the assembly step leading to wire breakage. The aim of this work was to contribute to the assessment of the microstructural evolution responsible for the variations of mechanical properties that appear during drawing and post-drawing ageing. To achieve this goal, an original experimental approach combining global and indirect characterization techniques (thermoelectric power, electrical resistivity, mechanical spectroscopy, calorimetry…) with Atom Probe Tomography analyses has been set up in order to provide a range of evidences that converge towards a unique scenario to interpret the different microstructural evolution. It was thus shown that cold-drawing leads to cementite dissolution inducing over saturation of ferrite in carbon atoms. This non-equilibrium microstructure tends to return to a more stable state during post-drawing ageing through three different ageing mechanisms: the segregation of carbon atoms on microstructural defects, the precipitation of secondary carbides and their transformation in cementite