Comportement macroscopique des aciers bainitiques

Dans nos travaux, deux aciers bainitiques sont étudiés dans le domaine de température [-196 °C, 22 °C]. Les différentes techniques expérimentales présentées précédemment dans le chapitre II, sont utilisées dans le but de caractériser ces aciers à différentes échelles. Ce chapitre est consacré au comportement macroscopique des aciers de l’étude. On y trouve dans un premier lieu, la présentation de chacun (acier 16MND5 et acier 2C40), puis leurs caractéristiques mécaniques obtenues suite à des essais quasi-statiques, dynamiques et in situ en DRX sont présentées. Les effets de la microstructure sur le comportement mécanique sont ainsi soulignés, notamment le rôle de la cémentite : fraction volumique, taille  et répartition des carbures. Il s’agit ici des principales différences entre les deux matériaux.  La caractérisation expérimentale de l’acier 16MND5 a fait l’objet principal de nos recherches. Cependant, du fait des difficultés d’analyse de contrainte par phase, liées principalement à la faible fraction volumique de la cémentite contenue dans cet acier, un deuxième matériau a été étudié en parallèle des études menées sur l’acier de cuve : c’est l’acier 2C40. Ce dernier présente l’avantage d’une fraction volumique de cémentite trois fois plus importante que celle de l’acier 16MND5, aidant ainsi à l’acquisition des données relatives à cette phase.

L’acier 16MND5 fourni par le groupe EDF est le même acier, que celui étudié précédemment par Pesci [(Pesci, 2004)] et Mathieu [(Mathieu, 2006)]. Son traitement thermique a été présenté dans le chapitre I. Le matériau présente une microstructure bainitique supérieure et n’a reçu aucun traitement thermique après réception. La fraction volumique de cémentite contenue dans l’acier 16MND5 a pu être déterminée en diffraction des neutrons sur la ligne G4.1 au CEA (Commissariat à l’Energie Atomique) de Saclay. La longueur d’onde λ utilisée est de 2,43 Å. Les spectres de diffraction obtenus sur un angle 2θ allant de 0 ° à 90 ° ont été traités par raffinement de type Rietveld. Un des spectres issus de l’analyse est exposé sur la figure III-1 : compte tenu de la faible fraction volumique de la cémentite présente dans l’acier 16MND5, l’intensité des pics de cémentite est beaucoup plus faible que celle des pics de ferrite. 2,1 % avec une incertitude de mesure de ± 0,2 %. Cette valeur est en accord avec les résultats de Dakhlaoui et al. [(Dakhlaoui, 2010)] et est prise en compte dans nos travaux pour la détermination des contraintes par DRX dans la cémentite. Pour permettre leurs observations, les échantillons sont polis mécaniquement avec du papier abrasif et de la pâte diamantée jusqu’à une granulométrie de 1 µm, puis subissent une attaque chimique au Nital 2 % afin de révéler leur microstructure. Pour les analyses EBSD, un polissage électrolytique supplémentaire est indispensable afin d’éliminer tous les effets d’écrouissage survenus lors du polissage mécanique.

La microstructure de l’acier 16MND5 observée dans nos échantillons reste globalement conforme à celle évoquée dans de nombreuses références : Renevey [(Renevey, 1998)], Bugat [(Bugat, 2000)] et dernièrement Nguyen [(Nguyen, 2010)]. Quelques différences sont cependant à noter au niveau de la taille des grains (figure III-2-a) : on constate que la détermination de la taille des grains ferritiques est rendue délicate par la difficulté de distinguer les joints de grains des anciens grains austénitiques, des joints formés entre les paquets bainitiques. Nos observations montrent une taille moyenne de 40 µm, proche de Le microscope électronique à balayage (MEB) permet d’accéder à une bonne résolution d’image. Avec un canon FEG (effet de champ), on arrive même à discerner clairement les différents carbures malgré leur taille submicrométrique (figures III-2-b et III-2-c). L’utilisation de l’EBSD permet de mieux mettre en évidence la complexité de la microstructure observée. Les cartographies réalisées montrent bien la présence de lattes de ferrite dont l’observation est difficile en microscopie. Leur taille varie en épaisseur et en largeur, entre 5 et 15 µm (figure III-3).

Il s’agit d’un acier modèle utilisé dans le cadre de l’ANR CAT SIZE, projet de recherche mené au sein du laboratoire LEM3 en collaboration avec Arcelor-Research et axé sur l’effet de taille de carbures sur le comportement des polycristaux [(Taupin, 2010)]. Cet acier est également adapté pour servir de matériau modèle dans la présente étude car la taille des précipités de cémentite et leur fraction volumique sont plus importantes dans cet acier que dans la l’acier 16MND5. L’acier 2C40 a été traité thermiquement par son fournisseur (ArcelorMittal) de manière à contrôler les tailles de carbures qu’il contient : il s’agit d’une austénitisation à 900 °C pendant 5 heures, suivie d’une trempe et d’un revenu à 690 °C pendant 60 heures. Le traitement conduit à une microstructure bainitique avec des précipités de cémentite dont la taille est environ 10 fois plus grande que celle des précipités présents dans l’acier 16MND5.