Thermodynamic and kinetic effects of static magnetic field on phase transformations in low-alloy steels
Résumé
This work is devoted to the quantification of the magnetic field effect on phase transformations in iron based alloys and steels. Pure iron, Fe-xNi substitutional alloys, Fe-xC-Mn steels and Fe-C-Mn-xSi steels are used to explore a wide range of transformations and microstructures. A high temperature dilatometer and a magnetic balance for magnetic susceptibility measurements are used for the in situ characterisation of diffusional phase transformation in magnetic field up to 16T. A third device has been developed for the treatment of materials in magnetic field and includes, for the first time, a quenching step using water, oil or pulsed gas. Non-equilibrium transformation temperatures measured up to 16T in a large set of materials are found to be increased by the application of a magnetic field. In a similar approach as the model used to estimate the effect of hydrostatic pressure on the phase equilibrium, the shift induced by the magnetic field is calculated. Microstructure characterisation of rapidly cooled plain carbon steels has shown large structural modifications induced by the magnetic field. From a mixture of bainite and martensite in the sample treated without any magnetic field, the austenite transforms into allotriomorphic ferrite and Widmanstätten ferrite in a matrix of bainite and martensite in the presence of magnetic field. This work brings solid evidence that magnetic field can be used as a new degree of freedom in physical metallurgy. Combined with existing techniques, it could lead to the successful processing of improved materials.
Ce travail est dédié à la quantification de l'effet du champ magnétique sur les transformations de phases dans les alliages à base de fer et en particulier dans les aciers. Le Fer pur, les alliages Fe-xNi, et les aciers au carbone faiblement alliés Fe-xC-Mn et Fe-C-Mn-xSi sont étudiés afin d'explorer une large gamme de transformations et de microstructures. Un dilatomètre haute-température et une balance magnétique pour la mesure de susceptibilité magnétique sont utilisés pour la caractérisation des transformations diffusive dans un champ magnétique allant jusqu'à 16T. Un troisième outil d'élaboration sous champ magnétique a été entièrement développé au cours de ce travail et permet pour la première fois une étape de trempe des matériaux à l'eau, à l'huile ou par gaz pulsé. Les températures de transformation hors-équilibre mesurées jusqu'à 16T dans une large gamme d'alliages sont augmentées par l'application d'un champ magnétique. Ces variations dans la température de transformation sont modélisées par un calcul thermodynamique basée sur une analogie avec l'effet d'une pression hydrostatique sur les équilibres de phases. Les microstructures d'aciers faiblement alliées obtenue par trempe sont largement modifiées par l'application du champ magnétique : d'une structure composée de martensite et de bainite sans l'application d'un champ magnétique, l'austénite se décompose en un mélange de ferrite allotriomorphe et de ferrite de Widmanstätten dans une matrice de bainite et de martensite en présence d'un champ magnétique. Ce travail apporte la preuve que le champ magnétique est devenu un paramètre prometteur en métallurgie physique. Associé aux techniques existantes, son utilisation peut conduire à l'obtention de matériaux aux propriétés innovantes.