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Evolutions microstructurales d'un acier inoxydable austénitique (316 Nb) au cours de sollicitations thermomécaniques représentatives de différents procédés de forgeage / Alexandre Hermant ; sous la direction de Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon

Auteur principal : Hermant, Alexandre, 1989-....Auteur secondaire : : Gourgues-Lorenzon, Anne-Françoise, Directeur de thèse;Bréchet, Yves, 1961-....;Montheillet, Frank;Bacroix, Brigitte, 19..-....;Baudin, Thierry;Lecadet, Jacques;Schaff, Hubert;Farre, JoséAuteur secondaire collectivité : Université de Recherche Paris Sciences et Lettres - PSL Research University, Organisme de soutenance;École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur, Paris;École nationale supérieure des mines, Paris;ENSMP MAT, Centre des matériaux, Evry, EssonnePublication :2016Dewey: 620.11Classification : 620Résumé : Les travaux de thèse ont permis de consolider et de compléter les connaissances sur les mécanismes de déformation et les évolutions microstructurales à chaud d’un acier inoxydable austénitique 316Nb. Comprendre la variation du comportement microstructural observée sur différentes pièces obtenues par forge libre permettra de pérenniser les connaissances et d’optimiser les gammes de forgeage. Du fait d’une variabilité de l’état de recristallisation, mise en évidence sur des pièces d’essai, et de son impact sur les propriétés mécaniques, des traitements thermomécaniques simplifiés sont réalisés en laboratoire afin de comprendre la genèse de ces différents états métallurgiques. L’influence de la température, du taux et de la vitesse de déformation ainsi que de la vitesse de refroidissement après l’essai (distinction entre les mécanismes dynamiques et post-dynamiques) est tout d’abord étudiée. De multiples passes de déformation, dans des conditions isothermes et anisothermes, sont ensuite appliquées afin de suivre les évolutions post-dynamiques de la microstructure entre les passes. Le rôle du traitement thermique post-déformation sur la microstructure (recristallisation statique) est étudié. Enfin, l’effet de la microstructure initiale, en termes de taille de grains et de composition chimique, notamment la teneur en niobium en solution solide, a été considéré.La recristallisation dynamique ne domine pas l’évolution de la microstructure, de par notamment une restauration dynamique avancée et une taille de grains élevée. Néanmoins, aux hautes températures et pour de faibles taux de déformation, une migration dynamique des joints de grains conduit à la formation progressive de nouveaux grains recristallisés. La recristallisation post-dynamique est très dépendante des conditions de déformation. A composition chimique donnée, la taille de grains (dans la gamme 60 – 250 µm) affecte peu la cinétique de recristallisation dynamique et post-dynamique. L’augmentation de la teneur en niobium de la solution solide entraîne, via sans doute un effet de traînage de soluté et une éventuelle modification de l’énergie de défaut d’empilement à haute température, un retard considérable de l’apparition de la recristallisation. Au cours du traitement thermique post-déformation, l’état de recristallisation final est essentiellement dépendant de la composition chimique (teneur en niobium de la solution solide et présence de ferrite δ résiduelle). Les précipités de niobium générés dans les conditions de déformation usuelles n’ont pas d’influence directe sur la cinétique de recristallisation.; Mechanical properties and microstructure of 316Nb austenitic stainless steel may show some variability in hot forging products. This work aimed at improving knowledge about hot deformation mechanisms and microstructural evolution of this steel. Obtaining a homogeneous microstructure requires deep understanding of the hot deformation behaviour and mechanisms. In thick-walled components, both work hardening, dynamic recovery and recrystallization govern hot workability. Static and post-dynamic phenomena can induce further metallurgical evolution during interpass time and cooling. The influence of deformation temperature, strain, strain rate, cooling rate on recrystallization mechanisms has been studied by using hot torsion tests. Multiple-pass tests with isothermal and non-isothermal interpass allowed understanding post-dynamic mechanisms. Static phenomena were investigated using various annealing conditions. The effects of initial microstructural features such as grain size and chemical composition, specifically niobium solute content, on the hot deformation behaviour were eventually considered.The extent of dynamic recovery, coarse initial grain size, solute drag, and pinning of grain boundaries by fine Nb(C,N) particles strongly hinder dynamic recrystallization which does not dominate the metallurgical evolution over the range studied, in contrast to results reported on 316 steel. However, bulging of grain boundaries as a prelude to dynamic recrystallization was observed at low strains and high temperature. Grain boundary serrations progressively lead to the formation of subgrain boundaries, then of new high angle boundaries. A particular dynamic recrystallization mechanism explains progressive elimination of annealing twins. Interaction with dislocations depends on locally activated slip systems and whether they are common to both twin and parent grain. At moderate strain levels, post-dynamic recrystallization occurs by rapid growth of nuclei that depends on deformation temperature, and applied strain and strain rate. For a given chemical composition, neither dynamic nor post-dynamic recrystallization is affected by the initial grain size over the range studied. Increasing the free niobium content promotes solute drag and niobium carbide precipitation, which significantly delay recrystallization. The microstructure after annealing essentially depends on the availability of solute atoms such as niobium and on residual δ-ferrite. Nb(C,N) precipitates formed during hot deformation do not significantly influence recrystallization kinetics..Thèse : .Sujet - Nom d'actualité : Acier inoxydable austénitique -- Propriétés thermomécaniques -- Thèses et écrits académiques ;Forgeage -- Thèses et écrits académiques ;Recristallisation (métallurgie) -- Thèses et écrits académiques ;Écrouissage -- Thèses et écrits académiques ;Niobium -- Thèses et écrits académiques
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http://theses.fr/2016PSLEM081 Exclu du prêt Thèse confidentielle et sous embargo jusqu'au 01/07/2076

Titre provenant de l'écran-titre

Thèse confidentielle jusqu'au 01 juillet 2076. Thèse soumise à l'embargo de l'auteur jusqu'au 01 juillet 2076

Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)

Partenaire(s) de recherche : École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse), ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne) (Laboratoire)

Autre(s) contribution(s) : Yves Bréchet (Président du jury) ; Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Thierry Baudin, Jacques Lecadet, Hubert Schaff, José Farre (Membre(s) du jury) ; Frank Montheillet, Brigitte Bacroix (Rapporteur(s))

Thèse de doctorat Sciences et génie des matériaux Paris Sciences et Lettres 2016

Les travaux de thèse ont permis de consolider et de compléter les connaissances sur les mécanismes de déformation et les évolutions microstructurales à chaud d’un acier inoxydable austénitique 316Nb. Comprendre la variation du comportement microstructural observée sur différentes pièces obtenues par forge libre permettra de pérenniser les connaissances et d’optimiser les gammes de forgeage. Du fait d’une variabilité de l’état de recristallisation, mise en évidence sur des pièces d’essai, et de son impact sur les propriétés mécaniques, des traitements thermomécaniques simplifiés sont réalisés en laboratoire afin de comprendre la genèse de ces différents états métallurgiques. L’influence de la température, du taux et de la vitesse de déformation ainsi que de la vitesse de refroidissement après l’essai (distinction entre les mécanismes dynamiques et post-dynamiques) est tout d’abord étudiée. De multiples passes de déformation, dans des conditions isothermes et anisothermes, sont ensuite appliquées afin de suivre les évolutions post-dynamiques de la microstructure entre les passes. Le rôle du traitement thermique post-déformation sur la microstructure (recristallisation statique) est étudié. Enfin, l’effet de la microstructure initiale, en termes de taille de grains et de composition chimique, notamment la teneur en niobium en solution solide, a été considéré.La recristallisation dynamique ne domine pas l’évolution de la microstructure, de par notamment une restauration dynamique avancée et une taille de grains élevée. Néanmoins, aux hautes températures et pour de faibles taux de déformation, une migration dynamique des joints de grains conduit à la formation progressive de nouveaux grains recristallisés. La recristallisation post-dynamique est très dépendante des conditions de déformation. A composition chimique donnée, la taille de grains (dans la gamme 60 – 250 µm) affecte peu la cinétique de recristallisation dynamique et post-dynamique. L’augmentation de la teneur en niobium de la solution solide entraîne, via sans doute un effet de traînage de soluté et une éventuelle modification de l’énergie de défaut d’empilement à haute température, un retard considérable de l’apparition de la recristallisation. Au cours du traitement thermique post-déformation, l’état de recristallisation final est essentiellement dépendant de la composition chimique (teneur en niobium de la solution solide et présence de ferrite δ résiduelle). Les précipités de niobium générés dans les conditions de déformation usuelles n’ont pas d’influence directe sur la cinétique de recristallisation.

Mechanical properties and microstructure of 316Nb austenitic stainless steel may show some variability in hot forging products. This work aimed at improving knowledge about hot deformation mechanisms and microstructural evolution of this steel. Obtaining a homogeneous microstructure requires deep understanding of the hot deformation behaviour and mechanisms. In thick-walled components, both work hardening, dynamic recovery and recrystallization govern hot workability. Static and post-dynamic phenomena can induce further metallurgical evolution during interpass time and cooling. The influence of deformation temperature, strain, strain rate, cooling rate on recrystallization mechanisms has been studied by using hot torsion tests. Multiple-pass tests with isothermal and non-isothermal interpass allowed understanding post-dynamic mechanisms. Static phenomena were investigated using various annealing conditions. The effects of initial microstructural features such as grain size and chemical composition, specifically niobium solute content, on the hot deformation behaviour were eventually considered.The extent of dynamic recovery, coarse initial grain size, solute drag, and pinning of grain boundaries by fine Nb(C,N) particles strongly hinder dynamic recrystallization which does not dominate the metallurgical evolution over the range studied, in contrast to results reported on 316 steel. However, bulging of grain boundaries as a prelude to dynamic recrystallization was observed at low strains and high temperature. Grain boundary serrations progressively lead to the formation of subgrain boundaries, then of new high angle boundaries. A particular dynamic recrystallization mechanism explains progressive elimination of annealing twins. Interaction with dislocations depends on locally activated slip systems and whether they are common to both twin and parent grain. At moderate strain levels, post-dynamic recrystallization occurs by rapid growth of nuclei that depends on deformation temperature, and applied strain and strain rate. For a given chemical composition, neither dynamic nor post-dynamic recrystallization is affected by the initial grain size over the range studied. Increasing the free niobium content promotes solute drag and niobium carbide precipitation, which significantly delay recrystallization. The microstructure after annealing essentially depends on the availability of solute atoms such as niobium and on residual δ-ferrite. Nb(C,N) precipitates formed during hot deformation do not significantly influence recrystallization kinetics.

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