Les aciers IFS et DWI

Les métaux à très grande déformation

L’exemple du « crash » automobile permet d’illustrer le

comportement des alliages métallique à très grande

vitesse de déformation

De telles performances sont possibles grâce :

• à la conception

• et la mise en œuvre de matériaux métalliques capables

de se déformer en absorbant une grande quantité

d’énergie sans se rompre

Les aciers IFS et DWIAciers sans interstitiels (interstial free steel)

Des possibilités de ductibilité et d’emboutissabilité exceptionnelles

Aciers IF à ultra bas teneur en carbone

Domaine d’application aciers hyperemboutissables

IFS interstial free steel

Applications principales : pièces de peau de véhicules

automobiles

Exigences

• De formabilité de plus en plus sévères

• D’allégement

• Dessins de pièces de plus en plus complexes

-

Ce qui impose un contrôle de la précipitation et du développement des

textures ( la distribution des orientations des grains ayant la même

structure cristallographique)

Domaine d’application aciers hyperemboutissables

DWI : Drawing and Wall Ironing

Mise en forme des canettes

Exigences

• Importance réduction d’épaisseur

• Grande vitesse de production

-

Ce qui impose un contrôle du comportement thermomécanique

Les aciers IFS et DWIAciers sans interstitiels (interstial free steel)

Qu’est ce qu’un interstitiel ?

Les atomes interstitiels, déterminés par la composition

chimique de l’acier, fixent les propriétés du matériau.

• Certains jouent un role pour le durcissement (Ti,Cr, ..)

Quelques rappels :

Arrangements atomiques

A : lacune / B : insertion (interstice) / C :substitution

Effet durcissant des éléments interstitiels dans la solution solide

Fer-Carbone

Les aciers IFS et DWIAciers sans interstitiels (interstial free steel)

Principe métallurgique

Le carbone et l’azote sont totalement piégés ( sous la forme

de précipités) grâce à des additions contrôlées d’un ou

plusieurs éléments carburigénes et / ou nitrurigénes tels que

le titane et le niobium

Les aciers IFS et DWIAciers sans interstitiels (interstial free steel)

Il est nécessaire de bien maîtriser des interstitiels d’azotes

libres et les carbones en sursaturation qui participent au

durcissement et conditionnent fortement les propriétés

d’emboutissage

En effet, ces atomes sont compatibles (taille du rayon) avec

le réseau cristallin

Le carbone se situe aux interstices entre les atomes de fer

Verrouillage des possibilités de glissement des plans atomiques

Structure CFC (austénite)

Sites interstitielles

octahedral ou tetrahédral

Structure CC (ferrite)

Sites interstitielles

octahedral ou tetrahédral

Nécessité de maîtriser parfaitement les interstitiels d’azote et de carbone

en sursaturation qui participent au durcissement

Taille atomique des éléments non métalliques

présents dans le fer

C et N sont des éléments de faible taille atomique par rapport au Fer.

Composition chimique type d’un acier IF-Ti pour emboutissage profond

(teneur en 10-3 % , millième de %)

C Mn P S N Si Al Ti

3 150 7 7 3 7 20 60

Faible teneur en carbone et en azote

Mn et Si servent à augmenter la résistance mécanique du

matériau

Composition chimique type d’un acier IF-Ti pour emboutissage profond

(teneur en 10-3 % , millième de %)

C Mn P S N Si Al Ti

3 150 7 7 3 7 20 60

Faible teneur en carbone et en azote

Volonté de réduire au maximum les éléments intersticiels

dans la maille de fer

Présence de Ti et Al

Composition chimique type d’un acier IF-Ti pour emboutissage profond

(teneur en 10-3 % , millième de %)

C Mn P S N Si Al Ti

3 150 7 7 3 7 20 60

L’abaissement des teneurs en carbone et azote de l’acier se traduit par :

une diminution de la fraction volumique des précipités

ce qui est favorable sur le plan des caractéristiques mécaniques, tout

en permettant de limiter les additions de titane et ou nobium.

Composition chimique type d’un acier IF-Ti pour emboutissage profond

(teneur en 10-3 % , millième de %)

C Mn P S N Si Al Ti

3 150 7 7 3 7 20 60

Pour obtenir une qualité superemboutissable, en recuit

continu, on vise des teneurs en carbone très basses ( 25 à 30

ppm), obtenues par dégazage sous vide

Les différentes nuances d’acier sans interstitiel

Quatre familles principales

• les IFS au titane

• au niobium

• microalliés Ti et Nb

• IFHR ( IFS à haute résistance)

Les différentes nuances d’acier sans interstitiel

Quatre familles principales

• les IFS au titane Ti en excés par rapport à la stoechiomètrie en C

pour améliorer l’emboutissabilité (Re, A%, coefficient d’anisotropie)

• au niobium Nb/C = 1

• microalliés Ti et Nb la teneur en Ti est ajustée à N ( formation de

nitrure de titane)

• IFHR ( IFS à haute résistance) ajouts d’éléments durcissants (Si,

Mn) avec une augmentation des résistances mécaniques

400MPa : ce qui perturbe l’anisotropie et l’écrouissage

Comment améliorer l’aptitude à

l’emboutissage

En réduisant le nombre d’éléments

interstitiels notamment C et N

Comment ?

Comment améliorer l’aptitude à

l’emboutissage

En réduisant le nombre d’éléments

interstitiels notamment C et N

Comment ?

Comment améliorer l’aptitude à

l’emboutissage

En réduisant le nombre d’éléments interstitiels

notamment C et N

Comment ?

Par l’addition de nobium et de titane

Formation de précipités TiC et TiN

Ont un effet sur la texture de recristallisation

1. Une limite élastique Re la plus basse possible

2. L’allongement A% le plus élevé possible, traduisant en partie

la capacité du métal à se déformer

3. Un coefficient d’écrouissage n ( = K. n ), loi de type

puissance, le plus élevé possible afin d’offrir une

consolidation importante sur pièce mais également afin de

mieux répartir les déformations au cours de l’emboutissage

4. Un coefficient d’anisotropie le plus élevé possible traduisant

la résistance du matériau à la déformation dans l’épaisseur

Les caractéristiques métallurgiques souhaitées

Les caractéristiques métallurgiques

Le coefficient d’écrouissage

= K. n

Comportement en traction : une loi de

puissance

n coefficient d’écrouissage

Pour des opérations d’emboutissage, on recherche un n élevé

( > 0,22 pour un IFS par rapport à un acier calmé Al recuit n = 0,18 à 0,21)

Coefficient d’écrouissage de différents aciers

Les caractéristiques métallurgiques

Le coefficient d’anisotropie mécanique

r = largeur / épaisseur

largeur : déformation rationnelle dans la largeur

épaisseur : déformation rationnelle dans l’épaisseur

d’une éprouvette de traction plane

On vise r maximal

L’accroissement de r provient de l’orientation préférentielle

des grains telle que la contrainte d’écoulement la plus

élevée du monocristal soit perpendiculaire au plan de la tôle

Les caractéristiques métallurgiques

Le coefficient d’anisotropie mécanique

r = largeur / épaisseur

maximal

Pour les nuances ferritiques

cela revient à favoriser la formation des grains dont la

direction <111> est perpendiculaire au plan de la tole

Coefficient d’anisotropie de certains aciers

Caractéristiques mécaniques des tôles de qualité

hyperemboutissable

Re

MPa

Rm

MPa

A

%

r moyen n moyen

120-160 270-330 > 42 > 1,9 > 0,22

Quels sont les facteurs qui jouent un rôle important ?

Caractéristiques mécaniques des tôles de qualité

hyperemboutissable

Re

MPa

Rm

MPa

A

%

r moyen n moyen

120-160 270-330 > 42 > 1,9 > 0,22

Les facteurs qui jouent un rôle important sont :

1. L’absence d’éléments interstitiels

2. La quantité d’éléments carburigènes en excès ( en solution

solide), en particulier le titane

3. La morphologie de la précipitation ( quantité, taille)

4. La taille des grains sur la tôle à chaud

Influence de la teneur en carbone sur les

caractéristiques mécaniques

Un excès limité de titane et /ou nobium par rapport aux

teneurs en carbone, azote et soufre est favorable en terme

de caractéristiques mécaniques

Séquence de précipitation

Exemple de caractéristiques d’aciers IFS commerciaux

L’élaboration

Les aciers IFS sont fabriqués selon le même

principe que les aciers courants avec une étape

supplémentaire

A l’état liquide : étape de dégazage

L’élaboration

A l’état liquide : étape de dégazage

Objectif limiter la quantité de carbone

- réaction de décarburation

C + ½ O2 CO

- réaction de dénitruration

N N2 (g)

Procédés industriels de décarburation et de dénitruration

• Vide en cuveLa poche à acier est placée à l’intérieur d’une enceinte étanche

Vide en cuve

Procédés industriels de décarburation et de dénitruration

RH/OB ( Ruhrstahl – Heraeus oxigen blowing)

Vide dynamique ( circulation de métal avec un débit de 100 à 150 t/mn)

Le RHOB

Garnissage d ’un réacteur de

métallurgie sous vide

Réfractaire de

magnésie

chrome

Plan de RHOB et détail

de construction

Vue de détail des plongeurs au contact avec le métal

Plongeur après

traitement

Garnissage d ’un réacteur de métallurgie

sous vide

Réfractaire de magnésie

chrome usagé

Evolution du taux de carbone et d’azote par traitement sous vide

Déformation à chaud ( laminage à chaud)

Les températures de réchauffage du métal, de fin de laminage et de

bobinage influencent :

• La morphologie de la précipitation

• La taille des grains sur tôle

• et donc jouent sur les caractéristiques mécaniques du produit

Un bobinage chaud est favorable à des valeurs très

élevées d’ un coefficient d’anisotropie r

Laminage à chaud : 3 paramètres importants

• la vitesse de refroidissement

• la température de fin de laminage

• la température de bobinage

Laminage à chaud : 3 paramètres importants

• la vitesse de refroidissement : 20°C/s

Peu d’influence sur la microstructure ( trempabilité

réduite)

Cette vitesse est calculée afin d’avoir la bonne température

au bobinage

la température de fin de laminage

doit être supérieure à la température de transformation de

l’austénite en ferrite(austénite à grains fins équiaxes par

recristallisation à chaque passe de laminage)

la température de bobinage

Répartition et taille optimale de carbures

Si la taille est trop élevée, on a un grossissement de grains

Déformation à froid ( relaminage à froid)

• Un taux de laminage élevé améliorer r

(coefficient d’anisotropie)

Déformation à froid ( relaminage à froid)

• Un taux de laminage élevé améliorer r

• L’augmentation de la température de recuit ( 850°C voire

plus) et ou du temps de maintient permet d’améliorer les

caractéristiques mécaniques par croissance des grains et

renforcement de la texture de recristallisation

Morphologie des grains à 740 et 800°C

Déformation à froid ( relaminage à froid)

• Un taux de laminage élevé améliorer r

• L’augmentation de la température de recuit ( 850°C voire plus) et

ou du temps de maintient permet d’améliorer les caractéristiques

mécaniques par croissance des grains et renforcement de la

texture de recristallisation

• Les aciers IFS ne possédent pas de carbone ni d’azote libre

- il n’est pas necessaire de pratiquer un surveillissement

en recuit continu ( pas de capacité de vieillissement)

- pas de pallier de limite élastique, ne pas faire

d’écrouissage au skin pass après le recuit

Influence de la température et de la durée du maintien au recuit

Conclusion

• une métallurgie relativement simple

• des aciers remarquables pour tous les traitements

d’emboutissage

• une demande importante du secteur de l’automobile