Étude de l’effet « dwell » dans le Ti-6Al-4V : mécanismes de déformation et d’amorçage de fissures en relation avec l’orientation cristallographique locale de la phase αp

On the Dwell Effect in Ti-6Al-4V : Mechanism in Relation with the Local Crystallographic Orientation of the αp Phase

• Auteur / Autrice : Cyril Lavogiez
• Direction : Patrick Villechaise, Samuel Hémery
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 11/03/2020
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Véronique Favier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Pettinari-Sturmel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Prima, Bernard Viguier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Titane -- Alliages -- Fatigue

Matériaux -- Fissuration

Macles (cristallographie)

Joints de grains

Déformations (mécanique)

Viscoplasticité

Analyse EBSD

Mots clés libres

Ti-6Al-4V

Dwell-fatigue

Systèmes de glissement

Ti-6Al-4V

Dwell-fatigue

Slip

Résumé

L’introduction d’un temps de maintien à charge maximale au cours d’un chargement mécanique cyclique d’un alliage de titane (α+β), conduit à une réduction du nombre de cycles à rupture. Cet abattement de durée de vie, appelé effet «dwell», s’accompagne également d’une augmentation de la déformation plastique à rupture et d’une transition de l’amorçage des fissures fatales de la surface vers le cœur. Malgré plus de 40 ans de recherche, ce phénomène, qui est lié à la viscoplasticité des alliages de titane à température ambiante, reste mal expliqué. Dans la littérature, les efforts se sont principalement concentrés sur l’étude du mécanisme d’amorçage de fissure. Différents modèles ont été proposés mais le manque de données expérimentales statistiques sur les sites d’amorçage de fissure en dwell-fatigue, ne permet pas de converger vers un accord général. De plus, peu d’études ont porté sur l’influence du temps de maintien sur les processus de déformation, qui précèdent et sont au cœur de l’amorçage des fissures de fatigue dans les alliages de titane. Les travaux de thèse présentés se proposent ainsi d’étudier l’effet «dwell» à travers l’influence du temps de maintien sur les liens entre la plasticité et l’amorçage des fissures. Pour cela, plusieurs essais de fatigue et de dwell-fatigue ont été effectués sur un alliage Ti-6Al-4V avec une microstructure bimodale. Une étude exhaustive de l’ensemble des mécanismes de déformation de la phase αp (glissement basal, prismatique, pyramidal <a> et <c+a>, aux interfaces et maclage), résultant de champs mécaniques hétérogènes influencés par le report des contraintes entre grains voisins ou l’interaction des bandes de glissement avec un joint de grain, a d’abord été effectuée. Les techniques d’analyse EBSD et d’analyse des lignes de glissement ont été utilisées dans ce but. Les mécanismes de déformation ont été comparés à des taux de déformation plastique similaires pour différentes durées de maintien. Enfin, les configurations microstructurales d’amorçage de fissures ont été caractérisées. Un mécanisme d’amorçage de fissures nouveau a été mis en évidence en lien avec des configurations microstructurales spécifiques, en fatigue comme en dwell-fatigue et en surface comme à coeur. L’association des résultats sur les modes de déformation et l’amorçage des fissures a permis finalement de de suggérer les points où de futurs efforts pourront se concentrer.

The introduction of a hold time at maximum stress during the loading of an (α+β) titanium alloys leads to a reduction in the number of cycles to failure. This life debit, called “dwell effect” goes in hand with a higher plastic strain uptake at failure and a transition of the fatal crack initiation from surface to the volume. Despite more than 40 years of scientific research, the origins of this phenomenon, which is closely linked to the viscoplastic behavior of titanium alloy at room temperature, remains unclear. In the literature, the main efforts were focused on elucidating the mechanism of crack initiation. Several models have been proposed but the lack of experimental data with a statistical significance about the crack initiation sites under dwell-fatigue loading prevented to reach a general agreement. Moreover, few studies have investigated the influence of the hold time at maximum stress on the deformation mechanisms, although they precede crack initiation and govern the associated mechanisms under cyclic loading. The presented work is a study of the dwell effect through the analysis of the influence of the hold time at maximum stress in order to clarify the link between plasticity and crack initiation. In this aim, several fatigue and dwell fatigue tests have been performed on a Ti-6Al-4V alloy with a bimodal microstructure. An extensive study of deformation mechanism of the αp phase in relation to the heterogeneous mechanical fields influenced by load shedding between neighboring grains or interactions between slip bands and grain boundaries, has been performed. EBSD analyses and slip trace analysis were employed in this aim. The deformation mechanisms identified by these techniques (basal, prismatic, pyramidal <a> and <c+a> slip, interface sliding and twinning) were compared for different hold periods at maximum stress at similar cumulated plastic strain. Then, a microstructural configuration promoting crack initiation has been identified. It enabled to propose a new crack initiation mechanism. In addition, this mechanism is unique for crack initiation under fatigue and dwell-fatigue loadings and for surface and subsurface crack initiation. The combination of the results obtained on plasticity and crack initiation clarifies some features of the dwell effect and suggests some outlooks for future work.