Transformations de phase et Microstructures

Responsable : Frédéric Danoix (CR) & Williams Lefebvre (MCF)

Membres de l’équipe : F. Danoix (CR), R. Danoix(MCF), A. Guillet (MCF), W. Lefebvre (MCF), B. Lefez (MCF), C. Pareige (PR), X. Sauvage (DR), A. Barbier (MCF), F. Petit (MCF), S. Moldovan (IR)

 

L’étude des transformations de phase dans les alliages métalliques et des microstructures résultantes est une activité historique du groupe de physique des matériaux. Elle a d’abord principalement porté sur l’étude de la précipitation et des ségrégations en particulier grâce à la sonde atomique tomographique. Tirant profit du développement du parc instrumental (en particulier la microscopie électronique, MEB-FIB-EBSD et MET), elle s’est depuis fortement développée, pour traiter à la fois des problématiques fondamentales et appliquées en collaboration avec de nombreux partenaires industriels. Les efforts portent aujourd’hui principalement sur la compréhension des interactions solutés/défauts cristallins, les liens process/structure et structure/propriétés, la conception de nouveaux alliages et le vieillissement. 

 

  1. Transformations de phase dans les aciers : 

    L’objectif est de mieux comprendre les mécanismes de base impliqués lors des transformations de phase à très fine échelle dans les alliages métalliques, afin de les appliquer aux nuances industrielles. Dans les aciers, les principaux phénomènes étudiés concernent d’une part la redistribution du carbone entre les différentes phases, comme lors du traitement de ‘quenchingand partitionning’ ou au sein de la martensite (décomposition spinodale et précipitation de carbures de transition), et d’autre part les phénomènes interfaciaux, qu’il s’agisse des conditions thermodynamiques aux joints de grains (interfaces de transformation ferrite-austénite ou des phénomènes de ségrégation d’équilibre et hors équilibre) en collaboration avec l'équipe thématique de modélisation. Un autre thème important est l’étude des transformations de phase au sein de la lacune de miscibilité basse température des alliages Fe-Cr et aciers inoxydables, afin de mieux comprendre les phénomènes de fragilisation de cette famille d’alliages. Ce thème est à l'interface entre notre équipe thématique et l'équipe "matériaux du nucléaire" pour laquelle la problématique de la fragilisation des aciers austéno-ferritiques et ferritique-martensitiques est fortement liée à la précipitation du Cr. Nos activités autour de la nitruration (aciers et bases nickel), et plus particulièrement sur la nanostructure développée en sub-surface, seront également poursuivies. Sur la thématique « vieillissement », les efforts vont se poursuivre sur les aciers réfractaires développés dans le cadre du laboratoire commun avec la société Manoir Industries. Il va s’agir en particulier d’établir et de valider des modèles permettant de prédire les évolutions microstructurales en service sur des temps très longs (plusieurs années) et le comportement en fluage correspondant.

     

  2. La fabrication additive métallique :

     La fabrication additive métallique ouvre aujourd’hui de vastes perspectives dans le domaine de la conception d’un état microstructural en réponse à un ensemble de propriétés visées. Ce procédé, émergeant industriellement, est à la confluence de différentes thématiques : solidification rapide, métallurgie des poudres, vieillissements, comportement mécanique. En se focalisant sur le lien entre procédé d’élaboration et le couple genèse-vieillissement des microstructures, nos études portent par exemple sur des alliages d’aluminium spécialement développés pour la fabrication additive métallique avec un intérêt particulier sur la formation de microstructures hors équilibre (solutions solides sursaturés, phases amorphes) générées par un refroidissement extrêmement rapide (103-106 K/s). En fonction des paramètres de fabrication, les gradients microstructuraux (e.g. gradients d’écrouissage, de précipitation) peuvent être étudiés à toutes les échelles avec le parc instrumental du GPM. La connaissance ainsi développée peut être mise à profit pour concevoir des matériaux à gradients de propriétés. 

     

  3. Matériaux pour applications haute température :

     Les activités sur les matériaux pour applications à « haute température » sont principalement celles portées par le laboratoire commun IPERS. Celui-ci a été fondé entre le GPM et la société Manoir Pîtres (filiale du groupe Manoir Industries), numéro trois mondial dans la réalisation de tubes en aciers réfractaires par fonderie en centrifugation pour des applications dans l’industrie pétrochimique avec des contraintes environnementales sévères (oxydation, carburation, nitruration et cokage) à des températures allant jusque 1100°C.

     

    Trois axes de travail sont développés pour répondre aux problématiques scientifiques majeures du comportement en service de ces aciers réfractaires : La résistance au fluage, le vieillissement face à l’environnement, le suivi des matériaux en service. Dans tous les cas, l’approche passe par une compréhension fine des phénomènes de vieillissement appuyée notamment par des études microstructurales jusqu’à l’échelle atomique et complétée par de la modélisation. Sur la base de ces connaissances, Il s’agit ensuite de proposer, tester puis développer (au-delà de l’échelle du laboratoire) des solutions innovantes pour des aciers à haute valeur ajoutée.