Experimental study and calculation of phase transformation kinetics, residual stresses and deformations during bainitic transformation
Étude expérimentale et prévisions par le calcul des cinétiques de transformation de phases, des contraintes résiduelles et des déformations lors de la transformation bainitique
Résumé
A fully bainitic microstructure is required for some mechanical steel parts. The simulation of the dedicated heat treatment process is necessary to optimise the parts in terms of final microstructures (i.e. mechanical properties), residual stresses and distortions. The first part of the work deals with the experimental study of the bainitic transformation kinetics, the thermomechanical behaviour of the formed microstructures and the effect of an applied stress on the bainitic transformation (transformation plasticity and kinetic effect) for a middle alloyed steel. Different models for the prediction of phase transformation kinetics and thermomechanical behaviour (macroscopic and microscopic cnes) have been used at the scale of specimen without gradients. The .experimental validations at that scale have allowed to move to the scale of massive specimen (with high gradients) for whlch the dlfferent coupllngs between thermal, metallurglcal and mechanlcal phenomena have been taken into account in finite element simulations. The influence of phase transformations on the development of internai stresses and deformations during cooling have been analysed in details. Moreover, quenching experiments with in-situ temperature measurements have allowed to validate the numerical simulations. It has been pointed out that it is necessary to take into account the effect of internai stresses on bainitic transformation kinetics to predict final microstructure and hardness distributions.
Une microstructure totalement bainitique est recherchée pour certaines pièces mécaniques en acier. L'optimisation du procédé de traitement thermique en terme de microstructures finales (c'est à dire de propriétés mécaniques), de déformations et de contraintes résiduelles des pièces traitées passe par la modélisation fine des évolutions couplées de température, de microstructures et du comportement thermomécanique de ces pièces. Notre travail a consisté d'abord à étudier expérimentalement les cinétiques de transformation bainitique, le comportement thermomécanique des microstructures formées et l'influence d'une contrainte sur la transformation bainitique (plasticité de transformation et effet de la contrainte sur la cinétique) pour un acier moyennement allié (35MnV7). Nous avons ensuite mis en oeuvre différents modèles de prévision des cinétiques de transformation de phases et de comportement thermomécanique à l'échelle d'épouvettes sans gradients (modèles macroscopiques et microscopiques). Les validations expérimentales effectuées à cette échelle ont permis de passer à l'échelle d'éprouvettes massives (gradients élevés) avec la prise en compte de l'ensemble des couplages dans des simulations numériques par éléments finis. L'incidence des transformations de phases sur la genèse des contraintes internes et des déformations au cours du refroidissement a été analysée en détail. La réalisation de traitements thermiques de trempe de cylindres instrumentés a permis de valider les simulations et surtout de montrer que la prise en compte de l'interaction contraintes internes - cinétique de transformation bainitique est nécessaire pour la prévision des distributions de microstructures et duretés finales.