Cinétiques et évolutions microstructurales pendant le revenu d’un acier faiblement allié martensitique et nano-bainitique : étude in situ expérimentale et modélisation

Nano-bainitic steels represent a new class of alloys, whose microstructure consists of nanostructured bainitic ferrite formed at low temperature with a high amount of retained austenite leading to a high ductility and high tensile strength of the steel. Formation of nano-bainite has been studied thoroughly in literature as well as tempering of nano-bainitic steels. More recently it has been shown that adding carbide forming elements such as V and Mo increases the resistance to softening and hence the mechanical properties of nano-bainite at moderate temperature. Investigating the secondary carbide precipitation inside a nano-bainitic microstructure is thus necessary to optimize the thermal treatments for this promising new class of steels. Three initial microstructures of the same steel composition are investigated: martensite, martensite + retained austenite and nano-bainite. Studying the more conventional case of martensite has served as a basis to better understand the microstructure evolutions inside the nano-bainitic steel. The microstructural evolutions during the tempering were followed by complementary experimental techniques including dilatometry, in situ high energy synchrotron X-ray diffraction (HEXRD), conventional and high resolution TEM. The sequence of carbides precipitation and dissolution (transition-iron-carbides, cementite, and alloyed carbides) both during heating and holding is shown similar for the three initial microstructures. The kinetics are similar as well as cementite chemical composition and size distributions of cementite and alloyed carbides. It has been shown too that the three microstructures present a high retained austenite stability. Moreover, the analyses of the lattice parameters evolutions all along the tempering treatment associated with carbon mass balances have allowed to better understand the carbon distributions between carbides and matrix phases. The nucleation and growth model from a previous work was upgraded to take into account secondary precipitation and different new features (e.g. para-equilibrium interface condition for first stage of cementite growth, etc.). This model predicts the kinetics of precipitation, the particle densities and size distributions as well as matrix and carbides mean composition for different tempering conditions. Apart from the comparison with the experimental results that is discussed, it allowed to interpret the similar tempering behaviour for the three initial microstructures.Les aciers nano-bainitiques représentent une nouvelle classe d’alliages, avec une microstructure bainitique nano-structurée obtenue à basse température avec une fraction importante d’austénite résiduelle conduisant à une limite d’élasticité et à une ductilité élevées. Récemment, il a été observé que l’addition d’éléments carburigènes comme le V et le Mo dans ces microstructures augmente la résistance à l’adoucissement ainsi que les propriétés mécaniques à moyennes températures. Ainsi l’étude de la précipitation des carbures secondaires dans les microstructures nano-bainitiques est nécessaire pour optimiser la microstructure et les traitements thermiques de revenu pour cette nouvelle classe d’aciers. Trois microstructures initiales ont été étudiées : martensite, martensite + austénite résiduelle et nano-bainite. L’étude de microstructures martensitiques plus conventionnelles a servi de base pour une meilleure compréhension des évolutions microstructurales dans la microstructure nano-bainitique. La précipitation pendant le revenu a été étudiée avec des techniques expérimentales : la dilatométrie, la diffraction des rayons X de haute énergie sur synchrotron et la microscopie électronique en transmission haute résolution. Il a été montré que les séquences de précipitation et de dissolution des carbures sont similaires pour les trois microstructures initiales. Les cinétiques sont similaires ainsi que la composition chimique de la cémentite et les distributions de taille de la cémentite et des carbures alliés. Nous avons aussi mis en évidence une importante stabilité de l’austénite résiduelle des trois microstructures. L’analyse des évolutions des paramètres de maille associé à des bilans de teneur en carbone ont permis de mieux comprendre sa distribution entre les carbures et les phases des matrices. Un modèle décrivant la germination et la croissance des précipités a été développé prenant en compte la précipitation des carbures secondaires, une cinétique de restauration basée sur les résultats expérimentaux et de nouvelles hypothèses comme le para-équilibre. Ce modèle prédit les cinétiques de précipitation mais aussi la densité de particules, les distributions de taille et la composition moyenne de la matrice et des carbures pour différentes conditions de revenu. Hormis la comparaison avec les résultats expérimentaux qui est discutée, le modèle a permis d’interpréter le comportement similaire des microstructures initiales au cours du revenu