Abstract :
[en] The steel industry is constantly looking for innovations and solutions to improve production processes as well as product properties. However, current technologies result from decades of development and thus have already reached maturity. Therefore, bright innovations have to arise from technological breakthroughs. The objective of those novelties is to induce drastic changes in terms of process or product.
Magnetic heat treatment might be a solution to reach both objectives. Indeed, recent researches have shown that magnetic fields can significantly modify the transformation kinetics in steels. This can turn into very positive impacts on the metallurgical processes. However, researches on this topic are in the early stage and a lot of fields have not been studied yet.
This work has been carried out in this challenging context. The main objective is to study the effect of magnetic fields on cementite spheroidization and ferrite recrystallization. So far, these two transformations involve long thermal treatments at high temperatures. Thus, a reduction of the processing time or an improvement of the mechanical properties of the steels by using magnetic field processing would be a significant improvement for this kind of thermal treatment.
The transformations that are studied imply large microstructure modifications: lamellae breaks into spheroids while ferrite recrystallizes. As a consequence, the developments of dedicated microstructure characterization techniques are concomitant objectives. As it will be shown latter, we decided to develop and optimize image analysis tools.
Practically, the completion of this work has required the pursuit of four objectives:
Objective 1: develop an image analysis tool dedicated to pearlite spheroidization study,
Objective 2: study the effect of magnetic field on cementite spheroidization,
Objective 3: develop an image analysis tool dedicated to ferrite recrystallization study,
Objective 4: study the effect of magnetic field on ferrite recrystallization.
This work is divided in four parts described below.
A general introduction constitutes the first part. It contains two chapters.
Chapter I focuses on a literature review of the effect of magnetic fields on steels. The first section of this chapter deals with the basics of metallurgy and magnetism required to understand this work. Then, the reader will find a literature review about the effects of homogeneous magnetic fields on steel transformations.
As it has been said before, the specificity of this work lies in the fact that the transformations studied were analysed and characterized using image analysis. The Chapter II is dedicated to this technique. The basics of image analysis are summarized in the first section of this chapter. Then, specific sections are dedicated to each step of image analysis: pre-treatment, image segmentation and characterizations. The limits of this technique, as well as its applications are described in the two last sections of this chapter.
The second part of this work is divided in three chapters and deals with cementite spheroidization under magnetic field.
Chapter III provides a detailed introduction to cementite spheroidization. The first section of this chapter introduces the pearlite as well as its microstructure. Using these concepts, the mechanisms and the kinetic of cementite spheroidization and cementite ripening will be introduced. Finally, the last section of this chapter will focus literature results which indicate that a potential effect of magnetic field on cementite spheroidization might be expected.
After this detailed introduction, the tools used to study the cementite spheroidization under magnetic field will be described in Chapter IV. The first section deals with the characterization techniques used to study pearlite spheroidization. Then, the furnace and the heat treatments that have been performed will be described.
With these tools, we will describe, in Chapter V, the results that have been achieved about cementite spheroidization under magnetic field. First, we will deeply analyse the effect of temperature and heat treatment duration on cementite spheroidization. This will be the opportunity to study in details the mechanism of cementite spheroidization and spheroids ripening. Microstructure evolutions induced by these two transformations will also be analysed. The effects of magnetic field on cementite spheroidization are described in the last section of this chapter.
The analysis of the effect of magnetic field on ferrite recrystallization constitutes the third part of this work. It is divided in three chapters.
Chapter VI provides a detailed introduction to ferrite recrystallization. The first section of this chapter deals with the crystalline structure defects induced by the steel forming. The detailed description of the mechanisms and the kinetics of defects elimination by the recovery, primary recrystallization and secondary recrystallization constitute the three next sections of this chapter. The last section of this chapter summarizes the results of different relevant studies on the effects of magnetic fields on these three processes.
The chapter VI is followed by a detailed description of the characterization techniques as well as the heat treatment performed to study ferrite recrystallization (Chapter VII).
Chapter VIII describes the results that have been obtained about ferrite recrystallization under magnetic field. We will study the effect of temperature and heat treatment duration on ferrite recrystallization. The involved transformations will be studied in detail. Finally, the effect of magnetic field on ferrite recrystallization will be discussed in the last section of this chapter.
The general conclusions as well as the prospects of this work will be addressed in the fourth part of this work, respectively in Chapters IX and X.
[fr] Les sidérurgistes, et le monde industriel en général, sont en perpétuelle recherche d'innovations et de moyens permettant d'améliorer leurs procédés et leurs produits. Actuellement, les procédés de production et de préparation des aciers se basent sur des technologies mûres, résultat de nombreuses années de recherche. Les innovations à apporter à ces procédés doivent donc résulter de sauts technologiques susceptibles d'induire des modifications considérables en termes de technique de production ou encore des propriétés des produits.
Les traitements thermiques sous champ magnétique constituent une option pour atteindre ces deux objectifs. En effet, des études récentes ont démontré que les champs magnétiques permettent de modifier considérablement les cinétiques de transformations des aciers. Des retombées positives peuvent donc être attendues. Néanmoins, les recherches portant sur ce sujet en sont encore à leurs débuts, de nombreux phénomènes restent inexpliqués et de nombreuses voies n'ont pas encore été explorées.
C'est dans ce contexte que ce travail se situe. L'objectif principal de celui-ci est d'étudier l'effet des champs magnétiques sur des transformations très utilisées dans l'industrie. Les deux transformations étudiées, à savoir la sphéroïdisation de la cémentite et la recristallisation de la ferrite, nécessitent des traitements thermiques plus ou moins longs et à haute température. Une réduction du temps de transformation ou encore une amélioration des propriétés des aciers traités sous champ magnétique, constituerait une évolution importante pour ce type de traitement thermique.
Les transformations étudiées présentent la particularité d'induire des modifications importantes de microstructure : rupture des lamelles en globules et recristallisation de la ferrite. C'est pourquoi le développement de techniques de caractérisation adaptées à l'analyse de ces microstructures constitue un objectif concomitant de cette recherche. Comme nous le verrons dans la suite, notre choix s'est porté sur le développement et l'optimisation de techniques d'analyse d'images.
Plus concrètement, l'aboutissement de ce travail a nécessité la poursuite de quatre objectifs :
Objectif 1 : développer une technique d'analyse d'images adaptée à l'étude de la sphéroïdisation de la perlite,
Objectif 2 : étudier l'effet d'un champ magnétique sur la sphéroïdisation de la cémentite,
Objectif 3 : développer une technique d'analyse d'images adaptée à l'étude de la recristallisation de la ferrite,
Objectif 4 : étudier l'effet d'un champ magnétique sur la recristallisation de la ferrite.
Ce travail est scindé en quatre parties décrites ci-dessous.
L'introduction générale constitue la première partie. Celle-ci est composée de deux chapitres.
Le Chapitre I a pour thème une étude bibliographique de l'effet des champs magnétiques sur les aciers. La première section de ce chapitre traite des notions de base en métallurgie et en magnétisme nécessaires à la compréhension de ce travail. Fort de ce bagage, le lecteur trouvera ensuite une revue bibliographique des effets des champs magnétiques homogènes sur les transformations des aciers.
Comme nous l'avons dit plus haut, la spécificité de ce travail réside dans le fait que les deux transformations étudiées ont été analysées et caractérisées par analyse d'images. Le Chapitre II est consacré à cette technique d'analyse. Les notions élémentaires concernant l'analyse d'images sont rappelées dans la première section de ce chapitre. Ensuite, une section spécifique est dédiée à chacune des étapes principales de l'analyse d'images : le prétraitement, la segmentation des images et les différentes caractérisations qui peuvent être réalisées sur les régions. Les limites de cette technique ainsi que ses domaines d'applications sont alors brièvement introduits dans les deux dernières sections de ce chapitre.
La seconde partie de ce travail est scindée en trois chapitres et traite de la sphéroïdisation de la cémentite sous champ magnétique.
Le Chapitre III propose une introduction détaillée de la sphéroïdisation de la cémentite. La première section de ce chapitre sera l'occasion d'introduire en détail la perlite ainsi que sa microstructure. A l'aide de ces notions, les mécanismes et la cinétique de la sphéroïdisation de la cémentite et du mûrissement des globules, seront présentés. Enfin, la dernière section portera sur les résultats identifiés dans la littérature indiquant une influence potentielle d'un champ magnétique sur la sphéroïdisation de la cémentite.
Après cette introduction détaillée, les moyens utilisés pour étudier la sphéroïdisation de la cémentite sous champ magnétique seront décrites dans le Chapitre IV. La première section traitera des techniques de caractérisation utilisées pour étudier la sphéroïdisation de la perlite. Ensuite, les recuits réalisés ainsi que le four utilisé pour réaliser ceux-ci seront détaillés.
A l'aide des moyens présentés au Chapitre IV, nous présenterons dans le Chapitre V les résultats obtenus concernant la sphéroïdisation de la cémentite sous champ magnétique. Dans un premier temps, nous détaillerons l'effet de la température et de la durée du recuit sur la sphéroïdisation de la cémentite. Nous aurons ainsi l'occasion d'étudier en détail le mécanisme de sphéroïdisation de la cémentite et du mûrissement des globules. Les évolutions de microstructure induites par ces deux transformations seront également décrites. La dernière section de ce chapitre sera l'occasion de présenter les résultats obtenus concernant l'effet d'un champ magnétique sur la sphéroïdisation de la cémentite.
L'analyse de l'effet d'un champ magnétique sur la recristallisation de la ferrite constitue la troisième partie de ce travail. Elle est composé de trois chapitres.
Le Chapitre VI constitue une introduction détaillée de la recristallisation de la ferrite. La première section de ce chapitre traite des défauts de structures cristallines induits par la mise en forme de l'acier. La description détaillée des mécanismes et de la cinétique d'élimination de ces défauts par les processus de restauration, de recristallisation primaire et secondaire constituent les trois sections suivantes de ce chapitre. La dernière section de ce chapitre regroupe les résultats bibliographiques pertinents de différentes études traitant des effets des champs magnétiques sur ces trois processus.
Ce chapitre sera suivi par une description détaillée des techniques de caractérisation utilisées dans le cadre de ce travail ainsi que des recuits réalisés pour étudier la recristallisation de la ferrite (Chapitre VII).
Les résultats obtenus concernant l'étude de la recristallisation de la ferrite sous champ magnétique seront alors présentés dans le Chapitre VIII. Ainsi, nous étudierons l'effet de la température et de la durée du recuit sur la recristallisation de la ferrite. Ces deux sections seront l'occasion d'étudier en détail les transformations impliquées. Enfin, l'effet de l'induction magnétique sur la recristallisation de la ferrite sera abordé dans la dernière section de ce chapitre.
Les conclusions générales et perspectives liées au travail réalisé seront évoquées dans la quatrième partie de ce travail, respectivement dans les Chapitres IX et X.
