Cinétiques de précipitation du carbure de niobium dans la ferrite

1. Cinétiques de précipitation du carbure de niobium dans la ferrite M. Nastar F. Soisson G. Martin S. Lanteri P. Maugis P. Barges O. Bouaziz SRMP / CEA SACLAY IRSID / USINOR Dominique GenDt • Mardi 10 juillet 2001 - Saclay

2. Cinétiques de précipitation du carbure de niobium dans la ferrite Alliage modèle Fe-Nb-C • - 0,05 % Nb et C • - pouvoir durcissant • piégeage du carbone • 600° C < T < 800° C Méthodes de modélisation • germination-croissance- • coalescence : MultiPréci • - étape de germination : • méthode de Monte Carlo 2 Dominique Gendt • Mardi 10 juillet 2001 - Saclay

3. Échelle d’étude 150 mm 1,5 mm 15 nm 10 mm 150 nm 1,5 nm 3

4. A l’échelle du grain : MultiPréci / MET 150 mm 1,5 mm 15 nm 10 mm 150 nm 1,5 nm 4

5. Échelle atomique : Monte Carlo / TAP 150 mm 1,5 mm 15 nm 10 mm 150 nm 1,5 nm 5

6. Hypothèses : Précipités sphériques, Précipités stœchiométriques. Pas de recouvrement des champs de concentration Équations : Théorie classique de la germination Équation de croissance limitée par la diffusion Résolution numérique : Traitement par classes d’âge des particules Modèle MultiPréci 6

7. Équation de germination Équation de croissance Traitement numérique original Classes d’âge de particules on connaît la distribution complète Germination – croissance - coalescence dans MultiPréci 7

8. n(r) distribution de taille des précipités à l’instant t r Méthode par classes d’âge Rt* N R*(t*) t t* t* t 8

9. N R croissance germination Traitement numérique t t + Dt 9

10. Utilisation d’alliages modèles ternaires C N S Nb Mn Al P O X10-3 pds% 9 1 1 105 1 1 3 2 X10-4 at-14,2 0,2 0,26,3 0,1 0,2 0,5 0,7 Traitement thermique de remise en solution des carbures et de recuit isotherme Comparaison avec un alliage modèle 10

11. Évolution de la fraction précipitée comparaison MultiPréci / PTE Ajustement des paramètres pour reproduire f(t) : énergie d’interface et produit de solubilité 11

12. Comparaison MultiPréci - MET Bon accord en terme de rayon moyen et de fraction précipitée coalescence croissance germination 12

13. Nuance expérimentale. Traitement isotherme à 800° C. Évolution des distributions Intérêt pour la comparaison avec l’expérience Et avec la théorie classique LSW 13

14. Distribution de taille - MET Traitement isotherme à 800° C pendant 1 000 mn. 14

15. Étude de la distribution de taille durant la coalescence : inspiré du travail de Brown sur les solutions stationnaires : avec et distribution initiale gaussienne Évolution des distributions 15

16. Évolution des distributions Distribution initiale log-normale 16

17. Convergence vers LSW Convergence quelle que soit la distribution en fin de germination mais en combien de temps ? 17

18. Conclusion sur le modèle MultiPréci - Prise en compte des stades de germination, croissance et coalescence. Cinétique de précipitation complète - Paramètres ajustés pour la gamme de concentration et de température outil prédictif - Modèle facile d’emploi et rapide - Permet la prise en compte de la forme de la distribution .......... - Germination mieux décrite - Précipitation de plusieurs phases 18

19. Échelle atomique : Monte Carlo Étude du chemin cinétique Transformation de phases Alliage ternaire Deux mécanismes de diffusion : lacunaire et interstitiel (rapide) fer carbone niobium 19

20. NbC 4,47 Å 2,87 Å 4,47 Å 2,87 Å 4,06 Å ferrite Relations de Bäker-Nutting [001]P // [001]M [100]P // [110]M Construction du réseau 20

21. Construction du réseau fer carbone réseau cubique simple niobium 21

22. Modèle de diffusion - Ajustement des énergies de paires sur les propriétés thermodynamiques - diagrammes de phase - énergies de cohésion - Ajustement des énergies de col sur les propriétés cinétiques - coefficients de diffusion donne le temps physique pour le système considéré 22

23. r wi 0 w7 w1 w2 w3 w30 ... Algorithme Monte Carlo Algorithme à temps de résidence - Évaluation de toutes les fréquences - Choix d’une transition - Incrément du temps physique de Dt = 1 / Swi Optimisation de l’algorithme : Classement des fréquences de saut Regroupement par paquets Limitations : Nécessité de réduire DC Se placer à des concentrations élevées 23

24. Ajustement des diagrammes de phase Fer - Niobium 24

25. Bonnes limites de solubilité bonnes forces motrices Diagramme ternaire Fe-Nb-C FeNb remplace Fe2Nb FeC remplace la cémentite Fe3C domaine biphasé Fe + NbC 25

26. t = 0 1.6 s germes de NbC 15 nm Nb C 10 s 2.5 s Recuit isothermeà 950 K cNb = cC = 0.5 at % Faibles sursaturations 26

27. 10 s 80 s NbC 11 nm Germe de FeC Nb C 4 mn 1h30 Recuit isothermeà 900 K cNb = cC = 0.8 at % Fortes sursaturations 27

28. Exemples de simulations Monte Carlo 950 K 0,8 % atomique 14 nm x 14 nm x 14 nm « faible sursaturation » 900 K 1 % atomique 17 nm x 17 nm x 17 nm « forte sursaturation » 28

29. FeC NbC Chemin cinétique Deux comportements caractéristiques : Précipitation de NbC Germination de carbures de fer métastables NbC 0 5.10-3 10-2 1,5.10-2 concentration atomique en niobium et carbone 29

30. meilleure description de la cinétique et influence de la microstructure Piégeage des lacunes Introduction de plusieurs lacunes dans les simulations Monte Carlo 30

31. Piégeage des lacunes Augmentation rapide du nombre de lacunes par suite de leur piégeage à l’intérieur des précipités de carbure de fer 31

32. C taille de la boîte : 14 x 14 x 55 nm3 Nb Acier recuit 10 minutes à 600°C Ségrégation à un joint de grain Sonde atomique tomographique Collaboration GPM / Université de Rouen D. Blavette – F. Danoix E. Bemont 32

33. Profil de concentration Concentration en carbone et niobium inférieure à 5 % atomique 33

34. Conclusion sur le modèle Monte Carlo - Modèle atomistique adapté à la germination cohérente - Développement de l’algorithme à temps de résidence pour la prise en compte de deux mécanismes de diffusion - Mise en évidente de la germination d’une phase métastable par la diffusion rapide d’interstitiels - Prise en compte de la variation du nombre de lacunes meilleure description de la cinétique influence de la microstructure précipitation anisotherme 34

35. Conclusion - Développement d’un outil de modélisation de l’ensemble de la cinétique de précipitation utilisable industriellement - Ajustement du modèle pour une gamme de composition - Développement d’une méthode atomistique pour la compréhension de l’étape de germination - Extension de la méthode à un alliage ternaire possédant deux mécanismes de diffusion - Germination d’une phase qui n’est pas une sur-structure de la ferrite - Mise en évidence de chemins cinétiques originaux 35

36. Perspectives - Extension du modèle MultiPréci à la germination hétérogène - Couplage avec les autres outils de modélisation du procédé - Description de la cinétique de précipitation dans le cas d’un traitement anisotherme - Utilisation d’une loi de germination issue du modèle atomistique - Perte de cohérence des précipités dans le modèle Monte Carlo - Meilleure description des phases en présence Modélisation Monte Carlo sur un réseau relaxé Développement d’un potentiel adéquat Prise en compte des contraintes élastiques Compétition avec la germination hétérogène 36

37. Sonde atomique tomographique taille de la boîte : 9 x 9 x 19 nm3 Acier recuit 3 minutes à 700°C Ségrégation à un joint de grain 37

38. Ajustement des diagrammes de phase Fer - Carbone 38

39. Évolution 39

40. Évolution 40

41. Évolution de la fraction précipitée comparaison PTE / mesures de dureté Durcissement par solution solide ET par précipitation (modèle d’Ashby-Orowan) 41

42. Lames minces in situ (LPTCM, Grenoble, Muriel Veron) Répliques de carbone précipités en plaquettes Microscopie Électronique à Transmission 42

43. et sur les coefficients de diffusion (Fe, C et … Nb 43

44. Nb C Paramétrage sur les diagrammes de phase 44

45. Faible sursaturation Recuit isothermeà 950 K cNb = cC = 0.5 at %. t = 0 1.6 s Nb C germes de NbC 15 nm 2.5 s 10 s 45

46. Forte sursaturation Recuit isothermeà 900 K cNb = cC = 0.8 at %. 46 80 s t = 10 s précipitésde NbC germes FeC 11 nm 4 mn 1 h 30 mn

47. Nb C Recuit isothermeà 900 K cNb = cC = 0.8 at % Fortes sursaturations 10 s 80 s NbC 11 nm Germe de FeC 47 4 mn 1h30

48. Fe Fe+NbC Fe+NbC+ FeC Nb C 48

49. 1. Acier brut de trempe : étude de la solution solide Nb C taille de la boîte : 12 x 12 x 51 nm3 Sonde atomique tomographique 49

50. 2. Acier recuit 3 minutes à 600°C Nb C taille de la boîte : 14 x 14 x 38 nm3 Sonde atomique tomographique 50