Distribution des contraintes dans l’acier bainitique 16MND5. Analyse expérimentale et modélisation polycristalline

Abstract

La nature biphasée de l’acier bainitique 16MND5 (ferrite/cémentite) fait de la Diffraction des Rayons X (DRX) l’outil privilégié pour déterminer les états de contrainte dans la phase ferritique (méthode des sin2 ψ). Couplés aux observations réalisées lors d’essais de traction (surface des éprouvettes et faciès de rupture), ces derniers ont permis d’établir des critères décrivant le comportement et l’endommagement du matériau à l’échelle cristallographique, aux points bas de la transition fragile-ductile ainsi qu’aux basses températures [−196 ◦C;−60 ◦C]. Au cours du chargement, l’endommagement est observé au Microscope Electronique à Balayage, tandis que les contraintes internes sont déterminées par DRX : l’état de contrainte dans la ferrite est inférieur à celui de la bainite (contrainte macroscopique), l’écart n’excédant pas 150 MPa. Un modèle polycristallin à plusieurs échelles est développé parallèlement aux mesures expérimentales : une formulation de type Mori–Tanaka est utilisée pour décrire le comportement élastoplastique d’un monocristal ferritique renforcé par des précipités de cémentite, le passage au polycristal étant réalisé par une approche autocohérente. La modélisation développée prend en compte l’influence de la température sur les états de contrainte dans chaque phase et inclut un critère de clivage (valeur critique de la contraite normale aux plans {100}), qui traduit l’endommagement du matériau : elle permet ainsi de prédire le comportement réel de l’acier 16MND5 en fonction de la température, et de prendre en compte le mode de rupture qui est fragile à partir de −120 ◦C. En outre, il est également possible de calculer les déformations des plans diffractants εϕψ, qui peuvent être comparées à celles mesurées par DRX : cela permet d’évaluer les déformations par orientation cristallographique.

The 16MND5 bainitic steel being a two-phase material (ferrite/cementite), the X-Ray Diffraction (XRD) is the most efficient tool to determine the stress states into the ferritic phase (sin2 ψ method). The latter, coupled to the observations realized during tensile tests (specimen surface and facies), have permitted to establish criteria to describe the behavior and the damaging processes of the material on a crystallographic scale, in the lower part of the ductile-to-brittle transition region and at lower temperatures [−196 ◦C;−60 ◦C]. During the loading, the damage is observed with a Scanning Electron Microscope, while the internal stresses are determined by XRD: the stress states are less important in ferrite than in bainite (macroscopic stress), the difference not exceeding 150 MPa. A multi-scale polycrystalline model is developed concurrently with the experimental measurements: a Mori–Tanaka formulation is used to describe the elastoplastic behavior of a ferritic single crystal reinforced by cementite precipitates, while the transition to the polycrystal is achieved by a self-consistent approach. The developed modeling takes into account the temperature effects on the stress states in each phase and includes a cleavage criterion (critical value of the stress normal to {100} planes), which expresses the damage of the material: thus, it enables to predict the actual experimental behavior of the 16MND5 steel in relation to temperature, and to take into account the failure process which is fragile from −120 ◦C. Besides, it is also possible to calculate the strains of the diffracting planes εϕψ, which can be compared to those measured by XRD: this enables to evaluate the heterogeneity of the strains for each crystallographic orientation.