EP2480693B1 - Acier inoxydable à variations locales de résistance mécanique - Google Patents

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EP2480693B1
EP2480693B1 EP09740179.8A EP09740179A EP2480693B1 EP 2480693 B1 EP2480693 B1 EP 2480693B1 EP 09740179 A EP09740179 A EP 09740179A EP 2480693 B1 EP2480693 B1 EP 2480693B1
Authority
EP
European Patent Office
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sheet
mechanical resistance
steel sheet
martensitic
local
Prior art date
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Application number
EP09740179.8A
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German (de)
English (en)
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EP2480693A1 (fr
Inventor
Pierre-Olivier Santacreu
Aurélien PIC
Fabrice Pinard
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Aperam SA
Original Assignee
Aperam SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Aperam SA filed Critical Aperam SA
Priority to SI200931904T priority Critical patent/SI2480693T1/sl
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/021—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips involving a particular fabrication or treatment of ingot or slab
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium

Definitions

  • the present invention relates to the forming of stainless steel sheets and more particularly those having high mechanical strengths.
  • Stainless steel sheets are widely used in the automotive, construction and general industrial sectors because of their excellent resistance to corrosion.
  • these sheets are generally shaped to be used, for example, in the form of profiles, square tubes, bumper beams, stretchers, door frames. These shaping are most often performed by folding, profiling and stamping.
  • DE102006059885 discloses a carbon steel component for a motor vehicle, having a surface with a structural variation in some areas, laser-treated to form a three-dimensional resistance-improving structure.
  • FR2864108 discloses a stainless steel sheet having high mechanical strength and good elongation, and whose properties are homogeneous.
  • the patent US5,735,163 thus describes a blank shaping process in which a local portion of the blank is cured before shaping. This hardening is generated by a high density energy supply. The resulting rise in temperature results in the transformation of the local microstructure into martensite or bainite, which locally increases the mechanical strength.
  • the formation of hardened lines parallel to the direction of the deformation makes it possible to avoid the breaking of indefinable shades.
  • the structural transformation related to the formation of martensite or bainite on the outer side of the blank to be bent generates a local compressive stress. During folding, this constraint partially cancels the extension stress generated by folding, thus limiting the springback.
  • this process solves only one of the problems mentioned above.
  • this process can not be applied to steels having a high mechanical strength, already sufficiently difficult to implement.
  • this process assumes the use of steels capable of undergoing a martensitic or bainitic phase transformation during annealing followed by quenching, which in fact limits its use to carbon-manganese steels.
  • the present invention aims to facilitate the forming of stainless steel sheets having a high mechanical strength. It has been designed and realized to overcome the defects presented previously and to obtain other advantages.
  • the invention firstly relates to a stainless steel sheet containing a minimum of 10.5% by weight of Cr and a maximum of 1.2% by weight of C, the microstructure of which is martensitic or austenitic. martensitic and comprises at least 2% by volume of martensite.
  • This sheet is essentially characterized in that it comprises at least one local portion of lower mechanical strength, having a martensite rate at least 10% lower than that of the remainder of said sheet; said local portion being at least partially of a thickness equal to that of said sheet.
  • a third object of the invention consists of a steel part obtainable by deformation of a steel sheet according to the invention or of a sheet obtained by the method according to the invention, said deformation taking place in at least one of said local portions of lower mechanical strength.
  • the terms 2H, C700 to C1300 (called hardened state), 1E, 1D, 2B, 2D, 2R, 2E (so-called annealed condition) refer in particular to the standards which define the production ranges and the technical delivery conditions of the steels concerned. (NF EN 10088-1 and -2 for stainless steels). C1500 will designate a range of manufacture of a 2H hardened nut ensuring a mechanical strength higher than 1500MPa.
  • the stainless steel sheets considered by the present invention are characterized by their mechanical strength. This is controlled on the one hand by the addition elements, but also by the heat treatments and the mechanical treatments that the sheet can undergo.
  • This composition features an austenitic stainless steel that solidifies to primary ferrite and contains a non-zero amount of work hardening martensite after deformation. Although predominantly austenite, conventional austenitic grades contain traces of residual ferrite from the solidification as well as traces of martensite resulting from rolling operations.
  • Heat treatment and mechanical treatment allow, in turn, to modify this mechanical strength in a certain proportion.
  • a homogeneous work hardening (production range 2H: C700 to C1500) on the entire sheet results in a partial transformation of the austenite to martensite and possibly a hardening of the austenite by densification. of the dislocation network.
  • This hardening achieves mechanical strengths well above 780 MPa, maximum value achievable on a stainless steel annealed type 1D, 1E, 2B, 2D, 2E, 2R.
  • the steel thus worked is of austeno-martensitic structure that is to say formed at ordinary temperature of a mixture of austenite and martensite, the volume fraction of martensite being at least 2%.
  • a localized heat treatment to the zones to be deformed causes a partial reversion of the martensite to austenite and possibly a softening of the austenite by reducing the number of dislocations.
  • This heat treatment makes it possible to lower the mechanical resistance of the sheet locally. A portion of lower mechanical strength is thus obtained.
  • This mechanical resistance can be lowered up to 500 MPa, the minimum achievable on annealed austenitic stainless steel.
  • This heat treatment can be performed without this list being exhaustive, by laser, by induction, by electron beam or by welding with the wheel.
  • the thermal cycle includes in particular a temperature rise above the transformation start temperature of martensite to austenite, called reversion temperature of martensite.
  • This temperature is a function of the grade of steel considered but within the scope of the invention, and to cover all the austenitic grades, the reversion temperature is higher than 550 ° C.
  • the durations of the heat treatment, heating, maintenance and cooling are a function of the grade of the sheet, its thickness and the method used: they must be determined beforehand and must allow a minimum decrease of 10% of the volume fraction of martensite and possibly the dislocation density. This minimal decrease makes it possible to overcome the local variations inherent in the cold-working process. A partial melting of the steel on the surface of the sheet and on a thickness not exceeding 0,5e is admissible.
  • the heat treated area is quenched by self-cooling, the heat being transmitted to the surrounding areas. This phenomenon eliminates the control of quenching parameters for obtaining a sheet according to the invention.
  • a stainless steel sheet according to the invention can be shaped according to the usual techniques well known to those skilled in the art, among which may be mentioned as examples folding, profiling, stamping. During this shaping, the portion of lower mechanical strength, which encompasses the deformed zone undergoes hardening. A partial transformation of the austenite into martensite and possibly a hardening of the austenite by densification of the dislocation network make it possible to recover at least partially the initial microstructure of this portion of the sheet.
  • a steel piece, shaped at the level of at least one of the lower strength portions of a steel sheet according to the invention is characterized by the presence, in the vicinity of the neutral fiber, of a zone having a martensite rate lower than that of the sheet.
  • the detection of this zone can be made by measurement of residual stresses or by measurement of the martensite fraction.
  • neutral fiber is meant the set of points which, in case of application of a global deformation, do not undergo local deformation.
  • the local portions of lesser mechanical strength may not be shaped and serve as preferential zones of deformation during dynamic loading, typically at deformation rate of between 1 and 1000s -1 as the crash.
  • the measurement of the martensite ratio is performed by a local measurement of the magnetic induction - using a ferritescope. This measurement gives an average percentage by volume of martensite on the thickness of the sheet.
  • This indirect measurement assumes the use of a corrective factor depending on the grade of steel considered. In the case of 1.4318 (301LN) or 1.4310 (301) stainless steel, the corrective factor is 1.7.
  • a direct measurement by sigmametry (saturation magnetic induction) is also possible, although more restrictive to implement.
  • a sheet 1 of stainless steel according to the invention is treated locally so as to obtain four linear portions 3 of lower mechanical strength.
  • the sheet 1 described above is folded at the level of the portions 3 of least mechanical strength so as to obtain the profiled steel piece 2.
  • a sheet 11 of stainless steel according to the invention is treated locally so as to obtain linear portions 13 of lesser mechanical strength.
  • the sheet 11 described above is folded at four portions 13 of least mechanical strength so as to obtain the profiled steel piece 12.
  • the portions 13 of least strength unformatted have a provision guiding the deformation of the workpiece profiled steel 12 during a crash-type dynamic solicitation.
  • a sheet 21 of stainless steel according to the invention is treated locally so as to obtain a portion 23 of lower mechanical strength.
  • the sheet 21 described above is stamped at the portion 23 of least mechanical strength so as to obtain the piece of steel 22.
  • a stainless steel sheet 31 according to the invention treated locally so as to obtain portions 33 of lesser mechanical strength is profiled by means of a profiling line 34 so as to obtain a piece of profiled steel 32.
  • a steel coil 46 is unwound and undergoes a local heat treatment by means of a laser 45 so as to obtain a sheet 41 of stainless steel according to the invention having four linear portions 43 of lesser mechanical strength.
  • a stainless steel sheet 51 according to the invention undergoes a local heat treatment by means of a laser 55 so as to obtain four linear portions 53 of lesser mechanical strength.
  • a hardened stainless steel 1.4318 (301LN) is used such that its mechanical strength Rm (conventional stress maximum tensile strength) of at least 1000 MPa (state C1000 of the manufacturing range 2H according to EN 10088/2).
  • Rm conventional stress maximum tensile strength
  • the thickness of the sheet is 0.8 mm and the metal contains about 45% by volume of martensite and 55% by volume of austenite.
  • a localized heat treatment is carried out using a CO 2 type laser of 4kW.
  • the power in this case is 20%
  • the displacement of the source is 0.85m / min (1m / min also tested)
  • the focal point is located 25mm above the upper surface of the sheet.
  • the laser treatment makes it possible to obtain, along the treatment line, an annealed structure in which the percentage of martensite passes to a content of less than 10% and even 1.5% in the center, close to the annealed state of this metal, that is to say before hardening (state 2B).
  • the structure of the treated line comprises an austenitic melted zone limited in width L_zf at 2-4 times the thickness of the sheet and depth P_zf less than 50% of the thickness of the sheet as well as a heat affected zone of a width L_zat between 3 and 6 times the thickness of the sheet.
  • This area underwent an almost total reversion of martensite.
  • the set of two identified areas constitutes the portion of least mechanical strength.

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Description

    Domaine de l'invention
  • La présente invention est relative à la mise en forme de tôles d'aciers inoxydables et plus particulièrement de celles présentant des résistances mécaniques élevées.
    • Contexte de l'invention
  • Les tôles d'aciers inoxydables sont largement utilisées dans les secteurs de l'automobile, de la construction et de l'industrie en général, en raison de leur excellente résistance à la corrosion. Dans le cadre de ces applications, ces tôles sont le plus généralement mises en forme de façon à être utilisées, par exemple, sous forme de profilés, de tubes carrés, de poutres de pare-choc, de brancards, de cadres de portes. Ces mises en forme sont le plus souvent réalisées par pliage, profilage et emboutissage.
  • L'utilisation, dans le cadre de ces applications, de nuances d'acier inoxydables présentant une résistance mécanique élevée, supérieure à 780MPa, est rendue très difficile par un allongement à la rupture qui diminue rapidement avec l'augmentation de la résistance à la rupture. Ce phénomène est source de nombreux inconvénients :
    • les rayons minimum de pliage sont en général supérieurs à deux fois l'épaisseur de la tôle (et jusqu'à six fois) avec au mieux un angle de pliage ne dépassant pas 120°, ne permettant pas la fabrication de tubes à faibles rayons de courbure
    • Le retour élastique est très marqué et rend difficile un éventuel soudage des profilés
    • L'allongement résiduel limité dans les zones déformées est source de ruptures fragiles lors d'une sollicitation dynamique, typiquement à vitesse de déformation comprise entre 1 et 1000s-1 comme en crash.
  • DE102006059885 divulgue un composant en acier au carbone pour un véhicule à moteur, ayant une surface comportant une variation de structure dans certains secteurs, traitée par laser du façon à former une structure tridimensionnelle améliorant la résistance.
  • FR2864108 divulgue une tôle en acier inoxydable présentant une grande résistance mécanique et un bon allongement, et dont les propriétés sont homogènes.
  • Une solution consiste à traiter localement la zone à mettre en forme de façon à en faciliter la déformation. Le brevet US 5,735,163 décrit ainsi un procédé de mise en forme de flans dans lequel une portion locale du flan est durcie avant mise en forme. Ce durcissement est généré par un apport énergétique de forte densité. L'élévation de température qui en résulte entraine la transformation de la microstructure locale en martensite ou en bainite, ce qui augmente localement la résistance mécanique. Dans le cas d'un emboutissage, la formation de lignes durcies parallèlement à la direction de la déformation permet d'éviter la rupture de nuances peu emboutissables. Dans le cas d'un pliage, la transformation structurale liée à la formation de martensite ou de bainite sur le coté extérieur du flan à plier génère une contrainte compressive locale. Lors du pliage, cette contrainte annule partiellement la contrainte en extension générée par le pliage, limitant ainsi le retour élastique.
  • De par la réduction du retour élastique, ce procédé ne résout qu'un seul des problèmes évoqués ci-dessus. De plus, de par le durcissement local qu'il génère, ce procédé ne peut s'appliquer aux aciers présentant une résistance mécanique élevée, déjà suffisamment difficiles à mettre en oeuvre. Enfin, ce procédé suppose l'utilisation d'aciers aptes à subir une transformation de phase martensitique ou bainitique lors d'un recuit suivi d'une trempe, ce qui, de fait, limite son utilisation à des aciers au carbone-manganèse.
    • Résumé de l'invention
  • La présente invention a pour but de faciliter la mise en forme de tôles d'aciers inoxydables présentant une résistance mécanique élevée. Elle a été conçue et réalisée pour surmonter les défauts présentés précédemment et pour obtenir d'autres avantages.
  • A cet effet, l'invention a pour premier objet un tôle d'acier inoxydable contenant un minimum de 10,5% en poids de Cr et un maximum de 1,2% en poids de C, dont la microstructure est martensitique ou austéno-martensitique et comprend au minimum 2% en volume de martensite. Cette tôle est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une portion locale de moindre résistance mécanique, présentant un taux de martensite inférieur d'au moins 10% à celui du reste de ladite tôle ; ladite portion locale étant au moins partiellement d'épaisseur égale à celle de ladite tôle.
  • La tôle d'acier selon l'invention, d'épaisseur e, peut également comprendre les caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison :
    • La portion locale de moindre résistance mécanique présente une largeur comprise entre e et 25e en surface de ladite tôle.
    • La résistance mécanique à la rupture de la tôle d'acier est supérieure ou égale à 850MPa en dehors de ladite portion locale.
    • La portion locale de moindre résistance mécanique est obtenue :
      • ∘ soit par traitement thermique local d'une tôle d'acier inoxydable martensitique ou austéno-martensitique de résistance mécanique homogène.
      • ∘ Soit par écrouissage différentiel d'une tôle d'acier inoxydable austénitique ou austéno-martensitique de résistance mécanique homogène.
    • La portion locale de moindre résistance mécanique présente un taux de martensite au moins deux fois inférieur à celui du reste de la tôle et préférentiellement au moins quatre fois inférieur à celui du reste de la tôle.
  • On comprendra donc que la solution au problème technique posé consiste à traiter localement des zones de la tôle de façon à en abaisser la résistance mécanique et d'ainsi en faciliter la déformation.
  • Un second objet de l'invention est constitué par un procédé de fabrication d'une tôle d'acier selon l'invention, comprenant essentiellement les étapes selon lesquelles :
    • On approvisionne une tôle d'acier austénitique, martensitique ou austéno-martensitique, ledit acier étant un acier inoxydable contenant un minimum de 10,5% en poids de Cr et un maximum de 1,2% en poids de C
    • On écrouit éventuellement tout ou partie de ladite tôle
    • On traite au moins une portion locale de ladite tôle de façon à obtenir une portion locale de moindre résistance mécanique, présentant un taux de martensite inférieur d'au moins 10% à celui du reste de ladite tôle ; ladite portion locale étant au moins partiellement d'épaisseur égale à celle de ladite tôle d'acier.
  • Le procédé selon l'invention peut également comprendre la caractéristique optionnelle suivante :
    • la portion locale de moindre résistance mécanique est obtenue :
      • ∘ soit par traitement thermique local d'une tôle d'acier martensitique ou austéno-martensitique de résistance mécanique homogène, le traitement thermique résultant d'une élévation thermique par laser, par induction, par faisceau d'électrons ou par soudage à la molette.
      • ∘ Soit par écrouissage différentiel d'une tôle d'acier austénitique ou austéno-martensitique de résistance mécanique homogène.
  • Un troisième objet de l'invention est constitué par une pièce d'acier pouvant être obtenue par déformation d'une tôle d'acier selon l'invention ou d'une tôle obtenue par le procédé selon l'invention, ladite déformation ayant lieu dans l'une au moins desdites portions locales de moindre résistance mécanique.
  • La pièce selon l'invention peut également comprendre les caractéristiques optionnelles suivantes :
    • Elle peut être obtenue par le pliage, le profilage ou l'emboutissage de l'une au moins desdites portions locales de moindre résistance mécanique.
    • Elle peut être obtenue par découpe d'une tôle d'acier selon l'invention ou d'une tôle obtenue par le procédé selon l'invention.
    • Elle peut être utilisée pour la fabrication de structures métalliques résistant à des sollicitations dynamiques.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre.
  • Les termes 2H, C700 à C1300 (dits état écroui), 1E, 1D, 2B, 2D, 2R, 2E (dits état recuit), se rapportent notamment aux normes qui définissent les gammes de fabrication et les conditions techniques de livraison des aciers concernés (NF EN 10088-1 et -2 pour les aciers inoxydables). C1500 désignera une gamme de fabrication d'un écroui 2H garantissant une résistance mécanique supérieure à 1500MPa.
  • Les tôles d'aciers inoxydables considérées par la présente invention sont caractérisées par leur résistance mécanique. Celle-ci est contrôlée d'une part par les éléments d'addition, mais également par les traitements thermiques et les traitements mécaniques que la tôle peut subir.
  • Les éléments d'addition définissent la nuance de base de la tôle considérée et donc sa résistance mécanique intrinsèque. Dans le cadre de la présente invention, on entend par acier inoxydable à structure austénitique une tôle comprenant en pourcentage pondéral :
    • 10,5 ≤ Cr ≤20
    • 0,005 ≤ C ≤ 1,2
    • 0,005 ≤ N ≤2
    • 0,6 ≤ Ni ≤ 15
    • 0,1 ≤ Mn ≤ 15
    • 0,1 ≤ Mo ≤ 5
    • 0,1 ≤ Cu ≤ 3
    • 0,05 ≤ Si ≤ 3
    • 0,0001 ≤ Ti ≤ 1
    • 0,0001 ≤ Nb ≤ 1
  • Le reste de la composition étant constitué de fer et d'impuretés inévitables dues à l'élaboration.
  • Etant entendu en outre que les teneurs respectent les relations suivantes :
    • 1,48<Créq/Niéq <2,2 avec: Cr éq = % Cr + 1,37 %Mo + 1,5 %Si + 2 %Nb + 3 %Ti
      Figure imgb0001
       Ni éq = % Ni + 0 , 31%Mn + 22%C + 14 , 2%N + %Cu
      Figure imgb0002
    • α'(30/20) >0, α' étant défini par la relation suivante:
      a'(30/20) = 374,05 - 3,73 %Cr - 23,03 %Ni - 503,11 %C - 161,70 %N - 21,55 %Mn
  • Cette composition caractérise un acier inoxydable austénitique qui solidifie en ferrite primaire et qui contient une quantité non nulle de martensite d'écrouissage après déformation. Bien que majoritairement constituées d'austénite, les nuances austénitiques conventionnelles contiennent des traces de ferrite résiduelle provenant de la solidification ainsi que des traces de martensite résultant des opérations de laminage.
  • Le traitement thermique et le traitement mécanique, seuls ou combinés, permettent, quant à eux, de modifier cette résistance mécanique dans une certaine proportion.
  • La présente invention considère notamment deux variantes possibles :
    • un traitement mécanique homogène sur l'intégralité de la tôle suivi d'un traitement thermique local
    • un traitement mécanique inhomogène sur l'intégralité de la tôle
  • Dans les deux cas, la modification des caractéristiques mécaniques est rendue possible par la capacité de la tôle considérée à subir d'une part des transformations de phase et d'autre part des variations de densité de dislocations.
  • Dans le cas de la première variante envisagée, un écrouissage homogène (gamme de fabrication 2H : C700 à C1500) sur l'intégralité de la tôle entraine une transformation partielle de l'austénite en martensite et éventuellement un durcissement de l'austénite par la densification du réseau de dislocations. Cet écrouissage permet d'atteindre des résistances mécaniques bien supérieures à 780MPa, valeur maximale atteignable sur un acier inoxydable recuit de type 1D, 1E, 2B, 2D, 2E, 2R. L'acier ainsi écroui est de structure austéno-martensitique c'est-à-dire constitué à température ordinaire d'un mélange d'austénite et de martensite, la fraction volumique de martensite étant au minimum de 2%. Dans une deuxième étape, un traitement thermique localisé aux zones à déformer entraine une réversion partielle de la martensite en austénite et éventuellement un adoucissement de l'austénite par la diminution du nombre de dislocations. Ce traitement thermique permet d'abaisser localement la résistance mécanique de la tôle. Une portion de moindre résistance mécanique est ainsi obtenue. Cette résistance mécanique peut être abaissée jusqu'à 500MPa, valeur minimale atteignable sur un acier inoxydable austénitique recuit. Ce traitement thermique peut être réalisé, sans que cette liste soit exhaustive, par laser, par induction, par faisceau d'électrons ou par soudage à la molette. Quelle que soit la technique utilisée, le cycle thermique comprend notamment une élévation de température au-dessus de la température de début de transformation de la martensite en austénite, appelée température de réversion de la martensite. Cette température est fonction de la nuance d'acier considérée mais dans le cadre de l'invention, et pour couvrir l'ensemble des nuances austénitiques, la température de réversion est prise supérieure à 550°C. Les durées du traitement thermique, chauffage, maintien et refroidissement sont fonction de la nuance de la tôle, de son épaisseur et du procédé utilisé: elles doivent être déterminées préalablement et doivent permettre une diminution minimale de 10% de la fraction volumique de martensite et éventuellement de la densité de dislocation. Cette diminution minimale permet de s'affranchir des variations locales inhérentes au procédé d'écrouissage. Une fusion partielle de l'acier à la surface de la tôle et sur une épaisseur n'excédant pas 0,5e est admissible. La zone traitée thermiquement est trempée par auto-refroidissement, la chaleur se transmettant aux zones avoisinantes. Ce phénomène supprime le contrôle des paramètres de trempe pour l'obtention d'une tôle selon l'invention.
  • Dans le cas de la deuxième variante envisagée (traitement mécanique inhomogène), un écrouissage est réalisé à l'aide de cylindres de laminage structurés. L'écrouissage des aciers inoxydables est habituellement réalisé à l'aide de rouleaux lisses. Dans le cas présent, ces cylindres sont gravés ou cannelés de telle sorte que des portions de la tôle écrouie soient épargnées par cet écrouissage et ainsi conservent leur structure austénitique moins écrouie. On désigne cet écrouissage spécifique sous le nom d'écrouissage différentiel. Des portions de moindre résistance mécanique sont ainsi obtenues.
  • Quelque soit la variante utilisée, les conditions opératoires sont contrôlées de façon à respecter les conditions suivantes :
    • la portion de moindre résistance mécanique est au moins partiellement d'épaisseur égale à l'épaisseur e de la tôle,
    • la portion de moindre résistance mécanique inclut la zone qui pourrait être déformée lors d'une étape ultérieure de mise en forme. A cet effet, on cherchera à inclure les zones mises en forme pour lesquelles les rayons de pliage sont compris entre 2 et 6 fois l'épaisseur de la tôle (cas de la mise en forme des aciers inoxydables présentant les plus hautes résistances mécaniques, sans recours à la présente invention). Pour cette raison, la portion de moindre résistance mécanique est de préférence d'une largeur comprise entre e et 25e,
    • Cette portion peut présenter des formes variées, être linéaire, curviligne, avoir un contour fermé ou encore peut présenter des intersections avec d'autres portions de moindre résistance mécanique.
    • Cette portion présente un taux de martensite inférieur d'au moins 10% à celui du reste de la tôle.
  • La présence sur la tôle d'acier inoxydable de portions de moindre résistance mécanique, obtenues par l'une ou l'autre des variantes décrites ci-dessus, permet :
    • un pliage sévère de cette tôle jusqu'à des angles de 180° et jusqu'à des rayons minimum de pliage valant 0,5 fois l'épaisseur de la tôle
    • une mise en forme facilitée puisque prédéterminée, évitant un glissement de la tôle ou une mauvaise localisation de la zone déformée
    • une forte diminution du retour élastique lors du profilage, ce retour étant équivalent à celui que l'on aurait avec un acier inoxydable recuit de type 2B, 2D, 2R, 2E, 1E, 1D
    • Une réduction de l'effort de pliage, cet effort étant équivalent à celui que l'on aurait avec un acier inoxydable recuit de type 2B, 2D, 2R, 2E, 1E, 1D, soit une réduction de 25 à 50% en fonction de la nuance d'acier inoxydable considérée.
  • Dans le cas d'une tôle d'acier inoxydable selon l'invention ayant subi un traitement thermique local, on notera également l'avantage présenté par la légère coloration de la tôle générée par ce traitement thermique : elle permet de localiser sans difficulté la zone à déformer. Dans le cas d'une tôle d'acier inoxydable selon l'invention ayant subi un écrouissage différentiel, la localisation de la zone à déformer est rendue possible par un aspect moins brillant et une rugosité différente de la portion locale.
  • Une tôle d'acier inoxydable selon - l'invention peut être mise en forme selon les techniques habituelles bien connues de l'homme du métier, parmi lesquelles on pourra citer à titre d'exemples le pliage, le profilage, l'emboutissage. Lors de cette mise en forme, la portion de moindre résistance mécanique, qui englobe la zone déformée, subit un écrouissage. Une transformation partielle de l'austénite en martensite et éventuellement un durcissement de l'austénite par la densification du réseau de dislocations permettent de retrouver au moins partiellement la microstructure initiale de cette portion de la tôle. Dans les cas de modes de déformation pour lesquels il existe une fibre neutre, une pièce d'acier, mise en forme au niveau de l'une au moins des portions de moindre résistance mécanique d'une tôle d'acier selon l'invention, se caractérise par la présence, au voisinage de la fibre neutre, d'une zone présentant un taux de martensite inférieur à celui de la tôle. La détection de cette zone peut être faite par mesure de contraintes résiduelles ou par mesure de la fraction de martensite. On entend par fibre neutre l'ensemble des points qui, en cas d'application d'une déformation globale, ne subissent pas de déformation locale.
  • Une pièce d'acier, mise en forme au niveau de l'une au moins des portions de moindre résistance mécanique d'une tôle d'acier selon l'invention, permet :
    • Une amélioration de la tenue mécanique statique ou dynamique, l'allongement résiduel plus important dans les zones mises en forme évitant des ruptures fragiles en comportement dynamique (crash).
    • Un soudage entre deux bords de la tôle facilité par la minimisation du retour élastique
  • Par ailleurs, les portions locales de moindre résistance mécanique peuvent ne pas être mises en forme et servir de zones préférentielles de déformation lors d'une sollicitation dynamique, typiquement à vitesse de déformation comprise entre 1 et 1000s-1 comme le crash.
  • Afin d'illustrer l'invention, des essais ont été réalisés et vont être décrits à titre d'exemples non limitatifs, notamment en référence aux figures 1 à 7 qui représentent :
    • Figure 1A : Exemple de microstructure d'une tôle selon l'invention avant traitement thermique localisé. Coupe métallographique avec attaque électrolytique.
    • Figure 1B : Grossissement de la Figure 1A avec en sombre la martensite et en clair l'austénite.
    • Figure 1C : Exemple de microstructure d'une tôle selon l'invention après traitement thermique localisé. Coupe métallographique avec attaque électrolytique.
    • Figure 1D : Grossissement de la Figure 1C. Détail de la zone non traitée.
    • Figure 1E : Grossissement de la Figure 1C. Détail de la portion locale de moindre résistance mécanique.
    • Figure 2 : Variation, en moyenne dans l'épaisseur de la tôle, du taux de martensite au voisinage de la portion de moindre résistance mécanique (A) et structure de cette portion (B).
    • Figure 3A : Tôle selon l'invention présentant des zones de moindre résistance mécanique.
    • Figure 3B : pièce après pliage de la tôle présentée en figure 3A.
    • Figure 4A : Tôle selon l'invention présentant des zones de moindre résistance mécanique.
    • Figure 4B : pièce après pliage de la tôle présentée en Figure 4A.
    • Figure 5A : Tôle selon l'invention présentant des zones de moindre résistance mécanique.
    • Figure 5B : pièce après emboutissage de la tôle présentée en Figure 5A.
    • Figure 6 : exemple de profilage d'une tôle selon l'invention au moyen d'une ligne de profilage et pièce obtenue.
    • Figure 7A : premier mode de réalisation d'une tôle selon l'invention
    • Figure 7B : autre mode de réalisation d'une tôle selon l'invention
  • La mesure du taux de martensite est effectuée par une mesure locale de l'induction magnétique - à l'aide d'un ferritescope. Cette mesure donne un pourcentage moyen en volume de martensite sur l'épaisseur de la tôle. Cette mesure indirecte suppose l'utilisation d'un facteur correctif fonction de la nuance d'acier considérée. Dans le cas d'un acier inoxydable 1.4318 (301LN) ou 1.4310(301), le facteur correctif est de 1,7. Une mesure directe par sigmamétrie (induction magnétique à saturation) est également envisageable, bien que plus contraignante à mettre en oeuvre.
    • Exemples
  • En référence à la figure 3A, une tôle 1 d'acier inoxydable selon l'invention est traitée localement de façon à obtenir quatre portions linéaires 3 de moindre résistance mécanique. En référence à la figure 3B, la tôle 1 décrite précédemment est pliée au niveau des portions 3 de moindre résistance mécanique de façon à obtenir la pièce d'acier profilé 2.
  • En référence à la figure 4A, une tôle 11 d'acier inoxydable selon l'invention est traitée localement de façon à obtenir des portions linéaires 13 de moindre résistance mécanique. En référence à la figure 4B, la tôle 11 décrite précédemment est pliée au niveau de quatre portions 13 de moindre résistance mécanique de façon à obtenir la pièce d'acier profilé 12. Les portions 13 de moindre résistance mécanique non mises en forme présentent une disposition guidant la déformation de la pièce d'acier profilé 12 lors d'une sollicitation dynamique de type crash.
  • En référence à la figure 5A, une tôle 21 d'acier inoxydable selon l'invention est traitée localement de façon à obtenir une portion 23 de moindre résistance mécanique. En référence à la figure 5B, la tôle 21 décrite précédemment est emboutie au niveau de la portion 23 de moindre résistance mécanique de façon à obtenir la pièce d'acier 22.
  • En référence à la figure 6, une tôle 31 d'acier inoxydable selon l'invention traitée localement de façon à obtenir des portions 33 de moindre résistance mécanique est profilée au moyen d'une ligne de profilage 34 de façon à obtenir une pièce d'acier profilé 32.
  • En référence à la figure 7A, une bobine d'acier 46 est déroulée et subit un traitement thermique local au moyen d'un laser 45 de façon à obtenir une tôle 41 d'acier inoxydable selon l'invention présentant quatre portions linéaires 43 de moindre résistance mécanique.
  • En référence à la figure 7B, une tôle 51 d'acier inoxydable selon l'invention subit un traitement thermique local au moyen d'un laser 55 de façon à obtenir quatre portions linéaires 53 de moindre résistance mécanique.
  • Selon un mode préféré de réalisation, on utilise un acier inoxydable 1.4318 (301LN) écroui tel que sa résistance mécanique Rm (contrainte conventionnelle maximale en traction) soit au minimum de 1000MPa (état C1000 de la gamme de fabrication 2H selon la norme EN 10088/2). Dans cet exemple, l'épaisseur de la tôle est de 0,8mm et le métal contient environ 45% en volume de martensite et 55% en volume d'austénite .
  • Un traitement thermique localisé, selon une ligne, est réalisé à l'aide d'un laser de type CO2 de 4kW. La puissance dans le cas présent est de 20%, le déplacement de la source est de 0,85m/min (1m/min également testé) et le point focal est situé à 25 mm au-dessus de la surface supérieure de la tôle. En référence à la figure 2, le traitement laser permet d'obtenir le long de la ligne de traitement une structure recuite où le pourcentage de martensite passe à une teneur inférieure à 10% et même 1,5% au centre, proche de l'état recuit de ce métal, c'est-à-dire avant écrouissage (état 2B). La structure de la ligne traitée comprend une zone fondue austénitique limitée en largeur L_zf à 2-4 fois l'épaisseur de la tôle et de profondeur P_zf inférieure à 50% de l'épaisseur de la tôle ainsi qu'une zone affectée thermiquement d'une largeur L_zat comprise entre 3 et 6 fois l'épaisseur de la tôle. Cette zone a subi une réversion presque totale de la martensite. L'ensemble des deux zones identifiées constitue la portion de moindre résistance mécanique.
  • Des essais de pliage sont réalisés sur les tôles C1000 ainsi traitées selon l'invention et sur des tôles non traitées. On observe que le pliage de la tôle C1000 traitée selon l'invention est possible jusqu'à des angles de 180° sans difficulté, comme pour la tôle recuite 2B. Le pliage est en revanche difficile à 90° avec la tôle C1000 non traitée avec présence de petites fissures, et impossible à 180° avec rupture parfois complète de l'éprouvette (Tab.1). Tableau1 : Essais de pliage sur une nuance 1.4318 état 2B, écrouie C1000 et écrouie C1000 avec traitement thermique laser
    Rm (MPa) Angle de pliage
    Echantillon 90° 180°
    2B 780 ○ ○
    C1000 1000
    Figure imgb0003
    		 ●
    C1000 selon l'invention ○ ○
    ○ pliage correct,
    Figure imgb0003
    présence de fissures, ● rupture de l'échantillon

Claims (12)

  1. Tôle d'acier inoxydable contenant un minimum de 10,5% en poids de Cr et un maximum de 1,2% en poids de C, dont la microstructure est martensitique ou austéno-martensitique et comprend au minimum 2% en volume de martensite, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une portion locale de moindre résistance mécanique, présentant un taux de martensite inférieur d'au moins 10% à celui du reste de ladite tôle, ladite portion locale étant au moins partiellement d'épaisseur égale à celle de ladite tôle.
  2. Tôle d'acier, selon la revendication 1, d'épaisseur e dont ladite portion locale présente une largeur comprise entre e et 25e en surface de ladite tôle.
  3. Tôle d'acier, selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dont la résistance mécanique à la rupture est supérieure ou égale à 850MPa en dehors de ladite portion locale.
  4. Tôle d'acier, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dont ladite portion locale de moindre résistance mécanique est obtenue :
    - soit par traitement thermique local d'une tôle d'acier inoxydable martensitique ou austéno-martensitique de résistance mécanique homogène
    - Soit par écrouissage différentiel d'une tôle d'acier inoxydable austénitique ou austéno-martensitique de résistance mécanique homogène.
  5. Tôle d'acier, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dont ladite portion locale de moindre résistance mécanique présente un taux de martensite au moins deux fois inférieur à celui du reste de la tôle.
  6. Tôle d'acier, selon la revendication 4, dont ladite portion locale de moindre résistance mécanique présente un taux de martensite au moins quatre fois inférieur à celui du reste de la tôle.
  7. Procédé de fabrication d'une tôle d'acier, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant les étapes selon lesquelles :
    - On approvisionne une tôle d'acier austénitique, martensitique ou austéno-martensitique, ledit acier étant un acier inoxydable contenant un minimum de 10,5% en poids de Cr et un maximum de 1,2% en poids de C
    - On écrouit éventuellement tout ou partie de ladite tôle de telle sorte que la microstructure comprenne au minimum 2% en volume de martensite
    - On traite ladite tôle de façon à obtenir au moins une portion locale de moindre résistance mécanique, présentant un taux de martensite inférieur d'au moins 10% à celui du reste de ladite tôle ; ladite portion locale étant au moins partiellement d'épaisseur égale à celle de ladite tôle d'acier.
  8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel ladite portion locale de moindre résistance mécanique est obtenue :
    - soit par traitement thermique local d'une tôle d'acier martensitique ou austéno-martensitique, de résistance mécanique homogène, le traitement thermique résultant d'une élévation thermique par laser, par induction, par faisceau d'électrons ou par soudage à la molette
    - Soit par écrouissage différentiel d'une tôle d'acier austénitique ou austéno-martensitique de résistance mécanique homogène.
  9. Pièce d'acier pouvant être obtenue par déformation d'une tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou d'une tôle obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, ladite déformation ayant lieu dans l'une au moins desdites portions locales de moindre résistance mécanique.
  10. Pièce d'acier selon la revendication 9 obtenue par le pliage, le profilage ou l'emboutissage de l'une au moins desdites portions locales de moindre résistance mécanique.
  11. Pièce d'acier pouvant être obtenue par découpe d'une tôle d'acier selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ou d'une tôle obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 8.
  12. Utilisation d'une pièce selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 pour la fabrication de structures métalliques résistant à des sollicitations dynamiques.
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