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Contraintes locales et microstructures

Lors des transformations de phases à l’état solide, des contraintes sont générées à l'échelle des phases dues aux déformations de transformation. Dans de nombreux cas, le matériau tend à minimiser les contraintes en adaptant la morphologie des précipités, leur arrangement spatial. Ce thème de recherche avait conduit à différents travaux au cours des années 1990-2000. De nouveaux travaux ont été menés sur ce thème avec d’une part l’utilisation de la DRX in situ qui permet dans certains cas de caractériser les évolutions de contraintes moyennes dans les phases et d’autre part par des calculs micro mécaniques EF, ou encore par des méthodes de FFT et des approches de champ de phases couplées à la mécanique.

Dans le cas des superalliages base nickel (collaboration avec le LEM3), nous avons étudié la relaxation des contraintes de cohérences de la microstructure ?- ? ’ entre un élément de volume 3D et une lame mince. Les résultats obtenus par calculs par éléments finis sur des microstructures modèles et réelles (MET) ont montré que les bords libres engendrent de forts gradients au sein des couloirs de matrice contrairement au cas d’une structure 3D et ont permis l’interprétation des mesures de gradients de déformation effectuées par MET (CBED) (thèse de G. Brunetti au LEM3).

Dans le cas des CMM, des calculs micromécaniques (2D déformation plane généralisée) sont effectués pour analyser l’évolution des champs de contrainte dans le composite au cours du refroidissement (contraintes générées par les différences de coefficient de dilatation thermique et par les déformations de transformation de phases). Ces analyses sont confrontées à des mesures à température ambiante comme aux évolutions des paramètres moyens dans les phases obtenues par DRX in situ. La caractérisation des champs locaux associés aux évolutions de température et aux transformations de phases et leur modélisation micromécanique vont être développées plus avant.


<font size="1"><i>Figure 1: dispositif expériemntal pour les transformations rapides</font></i>
<font size="1"><i>Figure 2: diffractogrammes successifs montrant la formation de phase metastable lors du chauffage (5°C/s)</font></i>
<font size="1"><i>Figure 3: caractérisation d'une cinétique rapide de transformation de phase martensitique / bainitique</font></i>
<font size="1"><i>Figure 4: évolutions des paramètres de mailles de l'austénite et de la fraction de phase de martensite of lors du refroidissement. L'écart par r apport au comportement linéaire est caractéristique de développement des contraintes dans la phase parente.</font></i>

Étude des transformations de phase par diffraction synchrotron.

 

Depuis 2004, le groupe «Microstructures et Contraintes" utilise la diffraction des rayons X à haute énergie pour étudier les  évolutions de microstructure se produisant lors de transformations de phases solide / solide. La DRX à Haute énergie permet une 'analyse du volume, avec un temps d'exposition faible (0,2 s) et  conduit à des caractérisations précises de la nature des phases, leur fraction et leurs paramètres de maille moyens.

L'analyse simultanée de ces données donnent des connaissances fondamentales pour la caractérisation des mécanismes de transformation et des contraintes générées lors des transformations. Différents dispositifs expérimentaux ont été utilisés, permettant des vitesses de chauffage comprises entre 0,2°C/s à 10°C/s, pour l'étude de transformation au refroidissement ou dans des conditions isothermes. Des expériences ont été réalisées sur les lignes de lumières ID15B et ID11 de l'ESRF en utilisant un rayonnement de haute énergie pour un volume  d'analyse et d'acquisition très rapide en diffraction (Fig. 1).

L'acquisition continue de 2D Debye-Scherrer conduit à une succession de données de diffraction qui peuvent être quantifiés (Fig. 2)

La méthodologie a été développée et améliorée pour l'étude des transformations dans les aciers (transformation de ferrite en austénite au chauffage, la précipitation ou la dissolution de carbures et nitrures, les transformations martensitique et bainitique (fig. 3)), la précipitation dans  les alliages d'aluminium et de titane (dissolution et la transformation au refroidissement ou au vieillissement), et les transformations dans des composites à matrice métallique. Selon les conditions de transformations, nous avons été en mesure de souligner le caractère diffusif de la transformation (bainite, alliages de titane) ou les contraintes générées au cours de la transformation martensitique lors de refroidissement (Fig. 4) ou la relaxation des contraintes pendant le vieillissement martensitique.

<font size="1"><i>Évolution des déformations et des fraction de phases au cours de refroidissement à 0.5°C/s d'un composite à matrice métallique renforcé par des particules de TiC. Les données proviennent d'expériences in situ de diffraction à haute énergie</font></i>
<font size="1"><i>Dispositifs de traitements thermiques in situ pour les lignes de lumière à haute énergie</font></i>