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.

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.

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<Cr_éq/Ni_éq <2,2 avec: $${\mathrm{Cr}}_{\mathrm{éq}}=\%\mathrm{Cr}+\mathrm{1,37}\mathrm{\%Mo}+\mathrm{1,5}\mathrm{\%Si}+2\mathrm{\%Nb}+3\mathrm{\%Ti}$$ $${\mathrm{Ni}}_{\mathrm{éq}}=\%\mathrm{Ni}+\mathrm{0},\mathrm{31\%Mn}+\mathrm{22\%C}+\mathrm{14},\mathrm{2\%N}+\mathrm{\%Cu}$$
• 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.

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). Rm (MPa) Angle de pliage Echantillon 90° 180° 2B 780 ○ ○ C1000 1000 ● C1000 selon l'invention ○ ○ ○ pliage correct, présence de fissures, ● rupture de l'échantillon