Effects of microstructural internal lengths on the mechanical behavior of ferritic steels : experimental characterizations and micromechanical modeling

Les longueurs internes microstructurales jouent un rôle important sur le comportement mécanique local et macroscopique des aciers. Ces longueurs internes correspondent notamment à la taille des grains et à une couche de densités de "dislocations géométriquement nécessaires" (GND) accumulées en raison des incompatibilités de réseau cristallin crées autour des joints de grains (ou des joints de phase), d'une épaisseur notée λ, produite pendant la déformation plastique. Dans cette étude, un acier ferritique polycristallin monophasé à faible teneur en carbone (Al-k) produit par ArcelorMittal a été étudié, en considérant des échantillons non déformés et pré-déformés à différents niveaux de déformation en traction. La densité de GND a été estimée à partir de cartes EBSD bidimensionnelles (2D) en considérant les cinq composantes du tenseur de Nye disponibles et calculées à partir des courbures du réseau. Des essais de nanoindentation instrumentée ont ensuite été réalisés avec une pointe Berkovich et une charge de 1 mN. La densité totale de dislocations a été estimée à l'aide d'un modèle mécanistique basé sur les mesures de nanodureté. Une étude combinée utilisant à la fois l'EBSD-2D et la nanoindentation instrumentée a alors été proposée afin de quantifier l'existence et l'évolution de la longueur interne λ de la zone affectée par les joints de grains. Tout d'abord, une étude locale a été réalisée sur deux paires de grains provenant d'une éprouvette pré-déformée en traction à 18% de déformation plastique. Cette étude a montré une corrélation spatiale claire entre la densité totale de dislocations déduite des mesures de nanodureté et la densité de GND obtenue par EBSD-2D. De forts gradients spatiaux de densités de GND et de densités totales de dislocations ont été observés sur une des paires de grains étudiée. Une couche d'épaisseur λL proche de 2µm a été trouvée par les deux techniques. Cependant, l'étude de l'évolution locale de λL pour un même grain avec la déformation plastique n'a pas été possible par les deux techniques. De plus, l'étude locale souffrait d'un manque de représentation statistique. Par conséquent, afin d'améliorer la description de la longueur interne λ tout au long de la déformation plastique, nous avons proposé une analyse statistique basée sur toutes les données obtenues par EBSD-2D et par nanoindentation pour s'éloigner du choix arbitraire des grains. Ensuite, une analyse statistique des données expérimentales a été réalisée. Le but était de déterminer une longueur interne statistique λS à chaque taux de déformation plastique par les deux méthodes expérimentales. Les résultats obtenus par les deux méthodes ont confirmé l'existence statistique d'un gradient de densités de dislocations aux joints de grains qui nous a permis de déterminer une longueur λS évolutive au cours de la déformation plastique. Par ailleurs, les résultats expérimentaux ont montré que les grains ferritiques dans l'acier Al-k pouvaient être divisés en deux régions mécaniquement différentes. La première région est située à proximité du joint de grains, où un gradient de densité de dislocations a été clairement observé et s'étend en moyenne sur la distance λS. La deuxième région est l'intérieur du grain où aucune variation marquée des densités de dislocations n'a été reportée en moyenne. Les mesures expérimentales ont été utilisées pour alimenter une nouvelle approche à champs moyen intégrant les longueurs internes microstructurales (ACMLI) capable de capter les effets de taille de grains. Cette nouvelle approche intègre directement l'évolution de la longueur interne λS mesurée expérimentalement. En plus de représenter fidèlement le comportement macroscopique, les prédictions des densités de dislocations à plusieurs niveaux de déformation comparée aux mesures expérimentales et une évolution réaliste des champs mécaniques locaux dans chaque phase ont été obtenus.Microstructural internal lengths play an important role on the local and macroscopic mechanical behavior of steels. These internal lengths correspond, in particular, to the grain size and to the thickness λ of the layer of "geometrically necessary dislocations" (GNDs) accumulated at grain boundaries (GBs) due to crystal lattice incompatibilities, produced during plastic deformation. In this study, a single-phase polycrystalline ferritic steel with low carbon content (Al-k) produced by ArcelorMittal was investigated through the analysis of undeformed and pre-deformed samples at different tensile deformations. The GND density was estimated from two-dimensional EBSD (2D) maps by considering the available five components of the Nye tensor computed from lattice curvatures. Instrumented nanoindentation tests were then performed with a Berkovich tip and a load of 1 mN. The total dislocation densities were estimated using a mechanistic model from the nanohardness measurements. A combined study using both 2D-EBSD and instrumented nanoindentation was then proposed to quantify the existence and the evolution of the internal length λ of the GB affected zone. First, a local study was performed on two pairs of grains from a specimen pre-deformed at 18% of plastic deformation. This study showed a clear spatial correlation between the total dislocation densities deduced from nanohardness measurements and the GND densities obtained from 2D-EBSD. Strong spatial gradients of GND and total dislocation density were observed on one of the studied grain pairs. A layer of thickness λL around 2µm was found by both techniques. However, it was not possible to do an in-situ study of the local evolution of λL with plastic deformation for a same grain using the both techniques. Moreover, the local study was limited owing to a lack of statistical representation. Therefore, in order to improve the description of the internal length evolution during the plastic deformation, a statistical analysis based on all 2D-EBSD and nanoindentation data was proposed. The goal was to determine a statistical internal length λS at each plastic strain by both experimental methods. The results obtained by these methods confirmed the statistical existence of a gradient of dislocation densities at GBs. As well, it allowed us to determine an evolving internal length λS during plastic deformation. Furthermore, the experimental results showed that the ferritic grains in Al-k steel could be divided into two mechanically different regions. The first region is located near the GBs, where a dislocation density gradient was clearly observed to spread over the characteristic distance λS. The second region is the interior of the grain where no marked variation in average dislocation density was found. The experimental measurements were used to improve a new Internal Length Mean Field (ILMF) approach capable to capture grain size effects. This new approach directly integrates the evolution law of the internal length λS. In addition to the prediction of the macroscopic behavior, a good estimate of the evolution of dislocation densities compared to the experimental measurements and a realistic evolution of the local fields in each phase were obtained