Projet ANR-13-BS08-0014 – SPIDERMAN : Etude de la décomposition spinodale dans les aciers martensitiques Fe-X-C
Programme : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Année de financement : 2013
Coordinateur du projet : Monsieur Frédéric DANOIX (CNRS - Groupe de Physique des Matériaux)
Partenaires : Groupe de Physique des Matériaux; Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux; Institut des Matériaux, de Microélectronique et des Nanosciences de Provence; Matériaux : Ingénierie et Science
Montant : 370850.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : SpiDeRManEtude de la décomposition spinodale dans les aciers martensitiques Fe-X-CEtude à l'échelle atomique des mécanismes de vieillissement des martensites ferreuses vierges à basse température (T<150°C)
Caractérisation et compréhension des phénomènes de vieillissement à basse température des martensites ferreusesL'acier est le matériau structural de loin le plus utilisé par l'homme et son importance dans l'économie mondiale est primordiale. Parmi ses formes diverses, la martensite est celle qui présente la plus haute résistance. Cependant, la martensite n'est pas stable à température ambiante et se décompose en une structure inhomogène, constituée de Fe et nanodomaines riches en C. Cette décomposition est accompagnée d’une évolution des propriétés mécaniques de la martensite. Jusqu'à présent, aucune étude complète de ce mécanisme de transformation de phase n’a été menée.L'objectif principal de ce projet est de combler ce manque de connaissances de base sur le vieillisseent à basse température de la martensite (T<150°C). Ce vieillissement se produit très probablement par décomposition spinodale. Nous proposons d'examiner dans des détails le(s) mécanisme(s) de transformation de phase impliqué(s), aussi bien que la phase finale produite. L'approche choisie est de modéliser les mécanismes physiques, principalement par champ de phase cristallin (PFC), et de confronter ces simulations avec des résultats obtenus par des techniques de nanoanalyse à l'échelle atomique, comme la tomographie atomique (APT) et la microscopie électronique en transmission (TEM). Les paramètres d'entrée du modèle (interaction de paire principalement, et énergies élastiques), seront obtenus par simulation ab initio. Les analyses microstructurales valideront les simulations de vieillissements isothermes.Le but ultime est d'établir un diagramme de phase à basse température (T<150°C) pour le système Fe-C, comprenant la nature de la (ou des) phase(s) finale(s) et les limites de leur(s) domaine(s) existant, en termes de température et de composition.
Modélisation (par champ de phase cristallin et calculs ab initio) et caractérisation (par tomographie atomique et microscopie électronique en transmission) à l'échelle atomiqueL'approche ambitieuse choisie est une combinaison de simulations numériques et thermodynamique et d’analyses microstructurales, les deux poussées à la limite de l'échelle atomique. Bien que ces deux aspects soient inséparables dans ce projet, chacun fait face à ses propres limitations et difficultés inhérentes.Concernant l'aspect simulation, le coeur du projet est le champ de phase cristallin récemment développé (PFC). L'avantage majeur de cette technique consiste en ce qu'elle permet de prendre en compte les contraintes élastiques à une échelle atomique. Le défi est de développer, pour la toute première fois, un code de simulation PFC opérationnel pour des alliages binaires et l'appliquer au système Fe-C.Du point de vue expérimental, le but est principalement d'étudier chimiquement et structurellement la distribution des atomes de carbone à l'échelle atomique. Ceci est une question analytique très sensible, car la détection et la quantification du carbone à l'échelle atomique ne sont toujours pas entièrement contrôlés. La tomographie atomique (APT) est extrêmement bien adapté à une telle étude et l’utilisation de la microscopie électronique en transmission (TEM) apportera des informations complémentaires, en particulier en mode diffraction. Il résultera une contribution majeure à la métrologie de carbone à l'échelle nanométrique, et permettra une comparaison unique des performance ultimes de ces techniques.En ce qui concerne la méthodologie expérimentale, des échantillons avec différentes teneurs en C, mais tout en présentant des températures Ms inférieures à l’ambiante, seront analysés. Si dans le cadre de ce projet, seulement des analyses structuralls sont planifiées, assez de matière sera produit pour réaliser des tests mécaniques, qui pourraient être conduits dans le cadre d'un projet suivant.
Résumé de la soumission : L’acier est le matériau de structure de loin le plus utilisé par l’homme, et son importance dans l’économie mondiale est primordiale. Parmi les différentes formes sous lequel on peut le trouver, celle qui présente la plus haute résistance mécanique est la martensite. Cependant, ma martensite n'est pas stable à température ambiante, et se décompose en une structure inhomogène, composée de nanodomaines respectivement riches en fer et en carbone. Cette décomposition s'accompagne d'une évolution des propriétés mécaniques de la martensite. De manière surprenante, il n'existe aucune étude complète de ce mécanisme de transformation de phase dans la littérature.L’objectif principal du présent projet est donc de combler le manque de connaissances fondamentales relatives au phénomène de vieillissement à basse température (T<150°C) de la martensite. On se propose de caractériser en détails les mécanismes de transformation de phase impliqués, ainsi que la (ou les) phase(s) finale(s) produite(s). L'approche retenue est une modélisation des mécanismes physiques par champ de phase cristallin (PFC en anglais), modélisation qui sera validée par des techniques de nanoanalyse à l'échelle atomique, telle que la tomographie atomique et la microscopie électronique en transmission. Les paramètres d'entrée de la modélisation, en particulier les énergies d'interaction de paire et l'énergie de déformation élastique, seront obtenus par simulation de type ab initio. Les analyses microstructurales serviront à terme à valider les résultats des simulations PFC des cinétiques de vieillissement isothermes.Le but ultime de cette étude est de compléter le diagramme de phase Fe-C dans la région des basses températures (<150°C), en déterminant, entre autre, les phases formées et leur domaine d'existence dans le diagramme composition - température.
Résultats : Le premier résultat marquant est la caractérisation par sonde atomique tomographique et microscopie électronique en transmission de la distribution homogène du carbone dans la martensite vierge, c’est-à-dire immédiatement après trempe. 
Ce résultat est essentiel pour le projet, dans la mesure où il confirme l’hypothèse de départ du projet, c’est-à-dire d’être capable de suivre l’évolution de la redistribution du carbone à partir d’une solution solide homogène. 
Le second résultat est que cette martensite vierge évolue bien à température ambiante, selon un processus progressif, compatible avec une décomposition de type spinodale. Les expériences à l’échelle atomique sont actuellement en cours pour obtenir une cinétique précise de ce processus.
Enfin, concernant plus spécifiquement la partie simulation numérique, le code de la partie champ de phase cristallin est maintenant quasi achevé, ce qui constitue un fait marquant du projet. Il a pu être appliqué à des cas relativement ‘simples’, en particulier la transformation martensitique. Il commence maintenant à être appliqué au système fer-carbone, les premiers résultats indiquent bien une décomposition de type spinodale du C.
Perspectives : Les prochaines étapes du projet sont, du point de vue expérimental, la caractérisation complète à l’échelle atomique des cinétiques de décomposition spinodale à différentes températures comprises entre l’ambiante et 150°C. Il est aussi prévu d’analyser des échantillons surviellis (actuellement en cours de traitement), afin de caractériser les phases finales à ces différentes températures. Enfin, des vieillissements sur d’autres compositions d’alliages sont aussi planifiées, afin de déterminer expérimentalement les limites de la lacune de miscibilté.
Pour l’aspect modélisation, les prochaines étapes sont d’appliquer le code de champ de phase cristallin au système binaire Fe-C, et en parallèle d’étendre les calculs ab initio au système ternaire Fe-X-C, avec X=Ni et/ou Mn. Enfin, sur la base des données ab initio, d’affiner le modèle thermodynamique de champ moyen afin de prédire les limites de la lacune de miscibilité, prédictions qui seront confrontées aux résultats expérimentaux.
Publications et brevets : M. Gouné F. Danoix, S. Allain, O. Bouaziz,  Unambiguous carbon partitioning from martensite to austenite, Scripta Materialia 68 (2013) 1004–1007
Allain S. Danoix F., Gouné M., Hoummada K., Mangelinck D. Static and dynamical ageing, Phil Mag Letters 93 (2013) 68-76 DOI 10.108009500839.2012.742590
M. Lavrskyi, H. Zapolsky and A.G. Khachaturyan «Atomic Fragment Theory in Self-Assembly of Complex Structures: from Disorder to Complex Crystals and Double Helix Polymers»,soumis à PRL, arxiV arXiv:1411.5587v2