Techniques de nano-indentation pour caractériser des aciers multiphasés

Using depth-sensing techniques to characterize multiphases steels

¹ Laboratoire d’ingénierie des Surfaces de Strasbourg (ENSAIS) 24, boulevard de la Victoire F-67000 Strasbourg
² Centre de Recherche des Produits à Chaud (USINOR-SOLLAC) Usine de Fos sur Mer F-13776 Fos/mer

Résumé

Les propriétés mécaniques locales de différentes phases déterminent les propriétés macroscopiques des aciers faiblement alliés. La composition et les schémas thermiques permettent de réaliser des aciers monophasés, biphasés ou multiphasés, aux propriétés différentes. La nanoindentation permet de mesurer à l’échelle du grain des propriétés mécaniques telles que la dureté H et le module élastique E. Le but de l’étude est de montrer que les techniques d’indentation instrumentée peuvent devenir un outil de contrôle qualité et une aide à la conception de nouvelles nuances d’aciers. Nous avons mis en évidence l’importance de la préparation des surfaces analysées, ainsi que la sensibilité de la technique. Outre les effets de la rugosité sur la géométrie de contact entre la pointe et la surface, nous avons montré l’influence de l’orientation cristalline, de la taille des grains, mais aussi la sensibilité de la mesure par rapport à la concentration en éléments d’addition. Sur des échantillons biphasés, les mesures de nanoindentation ont permis de séparer les propriétés mécaniques des phases ferritique (2,6 GPa < H < 3,1 GPa) et martensitique (7,2GPa < H < 10,2 GPa), fonction de la composition chimique, en particulier de la teneur en carbone. Finalement, nous avons réalisé une cartographie de dureté sur 3 aciers biphasés. Couplée à d’autres techniques d’analyse, comme la diffraction des rayons X et avec l’apport de l’outil numérique, nous montrons qu’il est possible de remonter à partir de cette surface à des propriétés macroscopiques de la nuance analysée.

Abstract

The local mechanical properties of different phases or grains in steels determine their bulk properties (mechanical strenght, yield stress) and deformation behaviors. The nanoindentation techniques allow the measurements of mechanical properties such as hardness H and elastic modulus E of individual phase. The aim of this study is to confirm the ability of nanoindentation to become a common test instruments in quality assurance and process development of new multiphase steels. We show first the influence of sample preparation to get accuratly H and E of phases. Large deviations at shallow indentation depths for a given steel are observed between mechanically polished and electropolished specimen, due to an increase of roughness. On single-phase steel with grain size in the range of 20-140 µm, indentation size effect (ISE) has been shown, especially influence of crystal orientation. Finally, to characterize two-phases steel, nanoindentation tests have been performed with sequence, composed of indent which is a series of three increasing load (1mN, 5mN, 20mN), located at the same point. This sequence avoids average effect related to the influence zone beneath the indenter tip, and typically hardness values ranged from 2.6GPa to 3.1GPa and from 7.2GPa to 10.2GPa have been deduced respectively for ferritic and martensitic phases, depending of steel chemical composition.