Contribution à la conception computationnelle d'alliages de titane ou à haute entropie : prédiction de l'occurrence de la transformation martensitique de trempe ou de déformation

Contribution to computational design methods for titanium and high entropy alloys : prediction of martensite occurrence upon quenching and deformation

• Auteur / Autrice : Madeleine Bignon
• Direction : Franck Tancret, Pedro Rivera Díaz del Castillo, Emmanuel Bertrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance le 10/12/2020
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Sabine Denis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Vermaut, Mohamed Gouné

Mots clés

Mots clés contrôlés

Martensite

Titane -- Alliages

Mots clés libres

HEA

Calphad

Effet TRIP

Résumé

On cherche à prédire l’occurrence de la transformation martensitique dans les alliages de titane en fonction de leur composition, dans la perspective de concevoir des alliages dits « TRIP » (TRansformation-Induced Plasticity). Des pistes sont évoquées pour adapter la méthode aux alliages à haute entropie. Un modèle s’appuyant sur la thermodynamique prédictive et sur l’évaluation de la contribution de l’énergie élastique permet de prévoir la température de début de transformation martensitique (Ms). On propose une explication à la rétention sous trempe de la phase de haute température beta, qui serait plus vraisemblablement due au caractère thermiquement activé de la germination de la martensite qu’à une Ms inférieure à la température ambiante. Par ailleurs, on s’appuie sur la théorie phénoménologique de la cristallographie de la martensite (PTMC) pour suggérer une explication à l’inhibition de la martensite dans des conditions qui lui sont thermo-élastiquement favorables. On constate en effet que la formation de martensite pourrait être rendue irréalisable par l’impossibilité d’accommoder la transformation via une déformation à plan invariant. On utilise finalement un algorithme génétique pour illustrer l’approche par des cas théoriques de conception visant à trouver des alliages escomptés présenter un effet TRIP tout en en maximisant le durcissement par solution solide et en minimisant l’impact environnemental ou le risque géo-stratégique associés à leur production. On montre aussi des cas de conception d’alliages à partir d’alliages recyclés, ou de conception de paires d’alliages pour une « structure bi-métal en couches » réalisable par fabrication additive.

The object of this work is to develop tools for the design of titanium alloys displaying TRIP (TRansformation-Induced Plasticity) effect, through modelling the occurrence of martensitic transformation as a function of composition. The applicability of the approach to high entropy alloys is discussed. Using computational thermodynamics, and calculating the contribution of the elastic strain energy, we propose a method to predict the martensite start temperature (Ms). We suggest that the retention of the high temperature beta phase upon quenching may be due to the thermally activated character of martensite nucleation, rather than to an Ms below room temperature. Additionally, we exploit the phenomenological theory of martensite crystallography (PTMC) to suggest an explanation to the inhibition of martensite in conditions where it is thermo-elastically favourable. Martensite formation may in turn be prevented, for some compositions, by the impossibility to crystallographically accommodate the transformation via an invariant plane strain. Eventually, we use a multi-objective genetic algorithm to illustrate the approach through the theoretical design of alloys expected to display TRIP effect with maximized solid solution hardening and minimal environmental impact or geo-political risk. Other design examples show how alloys can be designed from recycled alloys, or how pairs of alloys can be simultaneously designed, in such a way as to obtain a bi-metal structure producible by additive manufacturing.