Investigating the effect of microstructural gradient generated during patenting wires on their final mechanical properties

Investigation de l’effet du gradient microstructural généré pendant le patentage sur les propriétés mécaniques finales des fils d’acier perlitiques Les aciers perlitiques pourraient apparaître comme une microstructure simple, de composition eutectoïde contenant deux phases (cémentite et ferrite) arrangées en lamelles. Cependant, ils présentent une microstructure hiérarchisée, composée de nodules de même cristallographie semblables à des grains. Ces nodules comprennent des colonies formées de lamelles parallèles de ferrite et de cémentite à l'échelle nanométrique. Dès lors, les aciers perlitiques offrent une résistance et une ductilité élevées à un coût raisonnable, en accord avec les applications telles que câbles de pont, ressorts… Bien que les aciers perlitiques soient connus et largement étudiés depuis plus de 150 ans, il pourrait paraître provoquant de proposer de nos jours des voies d’amélioration de leurs propriétés mécaniques.Cependant, certaines options n'ont pas encore été envisagées comme le gradient microstructural ou le contrôle des morphologies de la perlite. Le concept de gradient microstructural a été largement exploré pour des microstructures simples d’aciers (ferritique ou austénitique),mais sa transposition vers les aciers perlitiques est plus compliquée. Ce travail de thèse vise à étudier la faisabilité de produire un gradient microstructural dans des aciers perlitiques et de contrôler la morphologie de la perlite. Il repose sur la compréhension des mécanismes métallurgiques impliqués et l'impact sur les propriétés mécaniques, en particulier la fatigue, compte tenu de l'application finale de ce matériau. Le contrôle de la microstructure et du gradient est basé sur la transformation de l'austénite en perlite et, par conséquent, tous les paramètres pouvant influencer cette transformation doivent être étudiés. Cela comprend des paramètres de traitement thermique (vitesse de chauffage, vitesse de refroidissement, mode de refroidissement, température de transformation) et des matériaux (espacement interlamellaire entre ferrite et cémentite initial, état de déformation de la perlite). L'espacement interlamellaire, connu pour contrôler les propriétés mécaniques des aciers perlitiques, varie avec la température de transformation, donnant lieu à une perlite grossière et fine lors qu'elle est transformée à températures élevée ou basse, respectivement. Nous montrons qu’il est possible de créer un gradient microstructural d'espacement interlamellaire mais ce gradient est limité par le diamètre du fil. A partir d’essais utilisant un dilatomètre, ces gradients ont été obtenus avec succès dans des fils de diamètre 6 et 12 mm. Ces fils à gradient microstructural ont ensuite été tréfilés et les propriétés mécaniques avant et après tréfilage ont été comparées afin de s'assurer que les gradients formés lors du traitement thermique sur des fils de diamètre 6 mm sont toujours présents sur les fils de diamètre final 2,25 mm. La morphologie de la perlite a également été modifiée par la maîtrise des traitements thermiques utilisant un refroidissement continu et isotherme. Des perlites divorcées, connectées et bien alignées de même distance interlamellaire ont été produites. Il s'avère que la morphologie de la perlite dans des échantillons monolithiques a un impact plus important sur la plasticité cyclique que la présence d'un gradient. Les résultats obtenus dans ce doctorat ont donné lieu à discuter de la transformation perlitique lors d’un refroidissement continu et isotherme, des mécanismes contrôlant la morphologie de la perlite (surtout divorcée ou lamellaire), des phénomènes métallurgiques se produisant lors du chauffage (recristallisation,restauration et sphéroïdisation), ainsi que des mécanismes de plasticité de la perlite. Enfin, la possibilité de réaliser des gradients microstructuraux avec les moyens de refroidissement utilisés sur des lignes de tréfilage et de traitements thermiques a aussi été étudiée.L’obtention de gradients par des technologies de refroidissement alternatives autre que le plomb est un réel succès compte tenu des contraintes environnementales