Thermomechanical surface treatments of austenitic stainless steels and their effects on subsequent nitriding during “Duplex” treatments

Traitements mécaniques et thermomécaniques de surfaces d'aciers austénitiques et effet induit sur la nitruration lors des traitements Duplex L’optimisation des microstructures de surface est un facteur primordial pour améliorer les propriétés et la durée de vie des matériaux. Pour le traitement des aciers inoxydables, la nitruration est un procédé adéquat permettant l’augmentation de la dureté et de la résistance à l’usure par formation d’une austénite «expansée» sursaturée en azote. Des travaux récents ont suggéré que l’activation de surface par un traitement mécanique préalable permettait d’augmenter les cinétiques de diffusion de l’azote. Avec des traitements « duplex » de ce type, il doit donc être possible (i) d’augmenter l’épaisseur des couches nitrurées pour un temps de nitruration donné et/ou (ii) de diminuer la température de nitruration et éviter ainsi la formation de nitrures nuisibles à la tenue à la corrosion. La littérature montre toutefois qu’une couche de pollution issue du prétraitement peut affecter l’efficacité de la nitruration. L’objectif de ce travail était d’aider à l’optimisation de la maitrise de différents traitements « duplex » impliquant, avant une nitruration assistée plasma, les traitements mécaniques ou thermomécaniques suivants : le grenaillage ultrasonore (SMAT pour Surface Mechanical Attrition Treatment), le laminage et le traitement par faisceau d’électrons pulsé (HCPEB pour High Current Pulsed Electron Beam). La combinaison des traitements mécaniques et thermochimiques a été essentiellement testée sur deux nuances de l’acier inoxydable austénitique 316L (avec et sans sulfures) et, dans une moindre mesure, sur l’acier AISI 660. Afin de mieux caractériser l’effet des différents paramètres du procédé d’hyperdéformation SMAT (diamètre des billes, durée du traitement, amplitude de vibration, etc.) sur l’évolution de la microstructure, une procédure de caractérisation des couches écrouies utilisant l’EBSD a été proposée. Cette technique, basée pour partie sur l’évolution des Dislocations Géométriquement Nécessaires (GNDs), permet d’évaluer quantitativement l’épaisseur des différents types de couches formées en fonction des paramètres du procédé SMAT. Les natures des pollutions de la surface et leurs origines ont aussi été analysées. Une analyse de l’efficacité des différents types de traitements duplex a ensuite était réalisée en comparant systématiquement des résultats obtenus après nitruration sur des échantillons avec et sans activation de surface. Des analyses par diffraction des rayons X, des observations en microscopies électroniques, des mesures de microdureté ainsi que la mesure des profils de concentration en azote par SDL (Spectrométrie à Décharge Luminescente) ont été mises en œuvre pour quantifier les effets des traitements combinés. Les résultats ont montré la complexité des modifications de structures et la complexité des phénomènes mis en jeu