Etude d'un alliage de titane β "transformable par déformation" : lien entre propriétés mécaniques, microstructures de déformation et mécanismes de rupture

par Chloé Varenne

Thèse de doctorat en Sciences et génie des matériaux

Le président du jury était Eric Hug.

Le jury était composé de Frédéric Prima, Jacques Besson, Anne-Françoise Gourgues-Lorenzon, Anna Fraczkiewicz.

Les rapporteurs étaient Stéphane Godet, Patrick Villechaise.


  • Résumé

    Afin de pallier la ductilité et le taux d’écrouissage limités des alliages de titane, une nouvelle famille a été développée : les alliages de titane β transformables par déformation. Leurs mécanismes de déformation mettent en jeu la plasticité induite par transformation de phase (effet TRIP) et par maclage (effet TWIP), et sont largement étudiés depuis une dizaine d’années. Au contraire, la compréhension des mécanismes de rupture de ces alliages est faiblement documentée alors qu’elle reste essentielle afin de gagner en maturité dans leur développement. Ce projet avait pour but d’étudier en détail le comportement mécanique sous sollicitations variées d’un alliage β TWIP : Ti-8,5Cr-1,5Sn, à gros grains, afin de décorréler les échelles d’observation. Dans un premier temps, une méthodologie d’étude systématique de cette famille d’alliages a été mise au point. Nous avons statué sur les conditions de traitement thermique (épaisseur de trempe) et de réalisation des essais (géométrie d’éprouvette, type de chargement) et sélectionné les essais les plus pertinents pour une étude complète du comportement mécanique d’un alliage TRIP/TWIP. Cette méthodologie a ensuite été validée sur un alliage Ti-8,5Cr-1,5Sn tout d’abord à température ambiante, puis à température négative. Le comportement mécanique a été évalué dans une large gamme de conditions : traction uniaxiale, traction sur éprouvette entaillée, résilience, ténacité. Les contributions respectives de l’amorçage et de la propagation de fissure ont notamment été déterminées. Une corrélation, multi-échelles (optique, MEB, MET), a permis de mettre en évidence une rupture par localisation de la déformation, sans endommagement, fortement corrélée aux mécanismes de déformation plastique et indépendante des variations de vitesse de sollicitation et de triaxialité des contraintes. A température négative, l’absence de transition ductile-fragile a été mise en évidence sur les mécanismes de rupture, tout comme la conservation de la phénoménologie observée à l’ambiante (pas d’effet TRIP déclenché). La rupture, alors à basse énergie, met toujours en jeu un mécanisme ductile à cupules. La rupture reste régie par la localisation de la déformation, qui se déclenche d’autant plus tôt que la température d’essai est basse. Cette étude nouvelle et complète a permis d’approfondir la compréhension de la rupture d'un alliage TRIP/TWIP et fournit une base de données solide pour de futures études d’alliages de la même famille

  • Titre traduit

    Study of a "strain-transformable" β titanium alloy : link between mechanical properties, deformation microstructures and fracture mechanisms


  • Résumé

    In order to tackle the lack of ductility and work-hardening of titanium alloys, a new family is being developed, namely, strain-transformable β titanium alloys. The deformation mechanisms involve transformation induced plasticity (TRIP effect) and twinning induced plasticity (TWIP effect). They have been widely studied over the last ten years. On the otherhand, the understanding of fracture mechanisms of TRIP/TWIP titanium alloys still remains poorly documented although this is a key to improve the development of these alloys. Therefore, this project is an in-depth study of the mechanical behavior of a Ti-8.5Cr-1.5Sn β TWIP alloy, under various loading conditions. The coarse microstructure of the alloy was used to investigate deformation and fracture on a grain-by-grain basis. First, a methodology for the systematic study of this family of alloys has been developed. We selected the most relevant tests for a complete study of the mechanical behavior of a TRIP/TWIP alloy by investigating heat treatment conditions (quenching thickness) and mechanical testing conditions (specimen geometry, loading mode). Then,this methodology was validated on the Ti-8.5Cr-1.5Sn alloy first at room temperature, then at subzero temperatures, in order to get closer to the Ms point. The mechanical behavior was evaluated under a wide range of conditions giving access to tensile strength, impact toughness, and fracture toughness. The respective contributions of crack initiation and crack propagation were determined. A multi-scale correlation (optical, SEM, TEM) highlighted fracture by localized plastic flow, without damage development, strongly correlated with the plastic deformation mechanisms and independent of variations in strain rate and stress triaxiality. At subzero temperatures, the absence of ductile-to-brittle transition was demonstrated on the failure mechanisms, as was thepreservation of the phenomenology observed at room temperature (no triggered TRIP effect). Low energy fracture encountered at lower temperatures still involved a ductile dimple mechanism. It remained governed by localized plastic flow, which is triggered all the earlier the lower the test temperature. This new and comprehensive study has improved the understanding of fracture mechanisms of a TRIP/TWIP alloy and provides a solid database for further studies of this family of alloys.


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