Phase transformations, microstructure heterogeneities and resulting mechanical properties in as-quenched and tempered martensitic steels - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Phase transformations, microstructure heterogeneities and resulting mechanical properties in as-quenched and tempered martensitic steels

Transformations de phase, hétérogénéités de microstructure et propriétés mécaniques résultantes dans les aciers martensitiques bruts de trempe et de revenu

Juan Macchi
  • Function : Author
  • PersonId : 1367873
  • IdHAL : juan-macchi

Abstract

Martensitic steels have been known and used for millennia now, but the origins of their strength and work hardening have remained a source of controversy. Since few years, the understanding of their mechanical behavior is changing paradigm. Many researchers have put into evidence the interest not to describe lath martensite as an homogeneous microstructure but more as a multiphase aggregate, a composite, resulting from the sequential nature of the phase transformation at low temperature. According to such new schemes, the martensite behavior is controlled by the microstructural heterogeneities, ie. the spatial distribution of lath sizes, of dislocations, of carbon segregations and of carbides and not only by their mean values. To these observable microstructural elements are added large distributions of hydrostatic and deviatoric internal stresses resulting from the displacive phase transformation process. This work contributes to this new movement by providing a quantitative description of these distributions in as-quenched and further tempered martensitic steels and their impact on their mechanical behaviors thanks to a complete micromechanical approach. We have first developed a methodology to determine the dislocation densities in martensite and in austenite along the transformation by in situ HEXRD experiments. Based on a metallurgical reasoning, the spatial dislocation density distribution as well as its associated hardening were estimated for the first time. In situ HEXRD tempering experiments were also performed to characterize the recovery from the as-quenched state. An original modeling approach accounting for the spatial distribution of dislocations was set up to predict their density decrease during a heat treatment. In the same way, the microtextures of the studied microstructures were investigated by SEM-EBSD in order to assess the size distribution of the different features of martensite, as laths, blocks, packets and prior austenite grains. A statistical approach combining this latter contribution to the hardening with the one associated with dislocations explains successfully the observed distribution of the local yield strength in the as-quenched microstructures.In situ HEXRD tempering experiments and additional APT and TEM observations were used to characterize also the respective precipitation state of transition carbides and cementite as well as the carbon segregations along heat treatments. All this experimental work has served to develop and calibrate a phase transformation model to calculate carbon segregation on dislocations, transition carbides and cementite precipitation states. Such model was for instance able to predict the suppression of transition carbide precipitation in very low carbon steels. The investigation of tempering is necessary to understand the strengthening due the sole carbon in martensite. Finally, our original micromechanical model describing the martensite behavior as an extended elastic/plastic transition accounts for the previous combined hardening due to size effects and dislocations, the distribution of internal stresses due to the transformation and the tempering state (relaxation, recovery, segregation and precipitation state). The model successfully explains the strength and work-hardening of the studied steels (as quenched and tempered).
Les aciers martensitiques sont connus et utilisés depuis des millénaires, mais l'origine de leur résistance et de leur écrouissage est restée une source de controverse. Depuis quelques années, la compréhension de leur comportement mécanique est en train de changer de paradigme. De nombreux chercheurs ont mis en évidence l'intérêt de ne pas décrire la martensite en lattes comme une microstructure homogène mais plutôt comme un agrégat multi phasé, un composite, résultant de la nature séquentielle de la transformation de phase à basse température. Selon ces nouveaux schémas, le comportement de la martensite est contrôlé par les hétérogénéités microstructurales, c'est-à-dire la distribution spatiale des tailles des lattes, des dislocations, des ségrégations de carbone et des carbures, et pas seulement par leurs valeurs moyennes. A ces éléments microstructuraux observables s'ajoutent de grandes distributions de contraintes internes hydrostatiques et déviatoriques résultant du processus de transformation de phase displacive. Ce travail contribue à ce nouveau mouvement en fournissant une description quantitative de ces distributions dans les aciers martensitiques trempés et revenus et leur impact sur leurs comportements mécaniques grâce à une approche micromécanique complète. Nous avons d'abord développé une méthodologie pour déterminer les densités de dislocation dans la martensite et dans l'austénite le long de la transformation par des expériences in situ de DRXHE. Sur la base d'un raisonnement métallurgique, la distribution spatiale de la densité de dislocation ainsi que le durcissement associé ont été estimés pour la première fois. Des expériences de revenu en DRXHE in situ ont également été réalisées pour caractériser la restauration de l'état trempé. Une approche originale de modélisation tenant compte de la distribution spatiale des dislocations a été mise en place pour prédire la diminution de leur densité lors d'un traitement thermique. De même, les microtextures des microstructures étudiées ont été étudiées par MEB-EBSD afin d'évaluer la distribution en taille des différentes caractéristiques de la martensite, comme les lattes, les blocs, les paquets et les grains d'austénite antérieurs. Une approche statistique combinant cette dernière contribution au durcissement avec celle associée aux dislocations explique avec succès la distribution observée de la limite d'élasticité locale dans les microstructures telles que trempées.Des expériences de revenu DRXHE in situ et des observations complémentaires APT et MET ont été utilisées pour caractériser également l'état de précipitation respectif des carbures de transition et de la cémentite ainsi que les ségrégations de carbone au cours des traitements thermiques. Tout ce travail expérimental a servi à développer et calibrer un modèle de transformation de phase pour calculer la ségrégation du carbone sur les dislocations, les carbures de transition et les états de précipitation de la cémentite. Ce modèle a par exemple permis de prédire la suppression de la précipitation des carbures de transition dans les aciers à très faible teneur en carbone. L'étude du revenu est nécessaire pour comprendre le renforcement dû au seul carbone dans la martensite. Enfin, notre modèle micromécanique original décrivant le comportement de la martensite comme une transition élastique/plastique étendue tient compte du durcissement combiné précédent dû aux effets de taille et aux dislocations, de la distribution des contraintes internes dues à la transformation et de l'état de revenu (relaxation, restauration, ségrégation et état de précipitation). Le modèle explique avec succès la résistance et l'écrouissage des aciers étudiés (trempés et revenus).
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Dates and versions

tel-04008736 , version 1 (28-02-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04008736 , version 1

Cite

Juan Macchi. Phase transformations, microstructure heterogeneities and resulting mechanical properties in as-quenched and tempered martensitic steels. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université de Lorraine, 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0248⟩. ⟨tel-04008736⟩
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