Étude des mécanismes de plasticité lors de la mise en forme de l'alliage de titane Ti-6Al-4V : influence de la microstructure initiale et des conditions de sollicitations thermomécaniques

Study of plasticity mechanisms during forming process of the Ti-6Al-4V titanium alloy : influence of the initial microstructure and the thermomechanical stress conditions

• Auteur / Autrice : Laurie Despax
• Direction : Denis Delagnes, Vanessa Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 16/07/2021
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Sabine Denis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Delagnes, Vanessa Vidal, Patrick Villechaise, Philippe Castany, Nathalie Gey, Vincent Velay, Moukrane Dehmas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Villechaise, Philippe Castany

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Microstructure (physique)

Texture (cristallographie)

Superplasticité

Titane -- Alliages

Mots clés libres

Alliage de titane

Superplasticité

Texture cristallographique

Microstructure

Transformation de phase

Titanium alloy

Superplasticity

Crystallographic texture

Microstructure

Phase transformation

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est de mieux comprendre l'influence de la température, de la vitesse de déformation et de la microstructure initiale sur les mécanismes de déformation mis en jeu, lors de la mise en forme à chaud de tôles d'un alliage de titane Ti-6Al-4V. Pour y parvenir, deux états microstructuraux, présentant des tailles de grains alpha différentes (2 µm-FG et 0,4 µm-UFG), ont été sollicités en traction à différentes températures (T=650°C, 750°C et 920°C) et vitesses de déformation (10-2 s-1, 2x10-3 s-1 et 10-4 s-1). Les évolutions microstructurales (fraction de phase, taille et morphologie des phases, sous-structure granulaire, orientation cristallographique des phases) ont été étudiées, à l’issue de différents taux de déformation, par des outils complémentaires de caractérisation (MEB et analyse d’image, EBSD, diffraction des rayons X et synchrotron). De plus, des essais originaux de traction en température, combinés à de la diffraction synchrotron haute énergie (PETRA III-Hambourg), ont permis de suivre in-situ l’évolution de plusieurs grandeurs cristallographiques. Des mécanismes de déformation sont ainsi proposés et discutés en fonction de la température, de la vitesse de déformation et de la microstructure initiale. Pour la microstructure FG déformée en traction à 750°C à une vitesse de déformation de 10-2 s-1, le mouvement intragranulaire de dislocations dans la phase alpha est favorisé. Une diminution de la vitesse de déformation permet une contribution additionnelle du glissement aux joints de grains probablement accommodé par le mouvement de dislocations dans la phase beta. Avec l’augmentation de la température, d’importantes modifications de fraction et de répartition spatiale des phases liées à la transformation de phases alpha-beta induisent l’activation de mécanismes majoritairement diffusifs en particulier pour une faible vitesse de déformation. Par ailleurs, l’utilisation d’une microstructure initialement ultra-fine et hétérogène présente un atout majeur pour la mise en forme SPF, en raison des modifications microstructurales induites en début d’essai (globularisation) qui conduisent à un nombre important d'interfaces bénéfiques pour la contribution de mécanismes intergranulaires (GBS). Ainsi, la microstructure UFG favorise un comportement de type superplastique à plus basse température et pour des vitesses de déformation plus importantes. L’ensemble des investigations a ainsi permis d'apporter des éléments nouveaux pour la compréhension des mécanismes de déformation contrôlant le comportement à chaud et superplastique.

The aim of this thesis is to better understand the influence of temperature, strain rate and initial microstructure on the mechanisms involved during hot forming of Ti-6Al-4V titanium alloy sheets. To achieve this, two initial microstructures with different alpha grain sizes (2 µm-FG and 0,4 µm-UFG) were tested in tension at different temperatures (T=650°C, 750°C et 920°C) and strain rates (10-2 s-1, 2x10-3 s-1 and 10-4 s-1). The microstructural evolutions (fraction, size, morphology and preferential orientation of phases, subgrains) were studied for different deformation levels by complementary microstructure characterisation techniques (SEM and image analysis, EBSD, X-ray and synchrotron diffraction). In addition, original high-temperature tensile tests combined with high-energy synchrotron diffraction (PETRA III-Hamburg) made it possible to monitor the in-situ evolution of crystallographic parameters. Deformation mechanisms are thus proposed and discussed as a function of the temperature, the strain rate and the initial microstructure. For the FG microstructure a condition of 750°C 10-2 s-1 favours the intragranular dislocations motion in alpha. A decrease of the strain rate allows an additional contribution from GBS which seems to be accommodated by the dislocations motion in beta. With increasing the temperature, significant changes of the phase fraction and distribution related to the alpha-beta phase transformation induce the activation of rather diffusive mechanisms, especially at low strain rate. Moreover, the use of an initial ultrafine grained microstructure is a major advantage for SPF forming, due to microstructural modifications induced at the beginning of the deformation (globularization) which lead to a large number of beneficial interfaces for the contribution of intergranular mechanisms (GBS). Thus, the UFG microstructure favours a superplastic behaviour at lower temperatures and higher stain rates. All these investigations have thus provided new understanding elements of the hot and superplastic behaviours.