L’analyse cristallographique de la transformation de phase hydrure et ses effets sur les propriétés mécaniques dans un titane commercialement pur

Crystallographic analysis of hydride phase transformation and its effect on mechanical property of commercial pure titanium

• Auteur / Autrice : Qian Wang
• Direction : Christophe Schuman, Jean-Sébastien Lecomte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 26/02/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Jian Wang
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Schuman, Jean-Sébastien Lecomte, Salima Bouvier, Éric Fleury, Egle Conforto
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jian Wang, Salima Bouvier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrures

Propriétés mécaniques

Titane

Transitions de phases

Mots clés libres

Titane

Hydrure

Sélection de variant

Accommodation

Propriétés mécanique

Titanium

Hydride

Variant selection

Accommodation

Mechanical property

Résumé

La nucléation et la formation d'hydrures jouent un rôle important sur la durée de vie des alliages de Ti. Dans ce travail, la transformation d’hydrure en fonction de l’orientation cristalline dans le titane commercial pur est étudiée expérimentalement et théoriquement. Les deux relations d'orientation dominantes (OR) de la transformation des hydrures obtenus par une méthode de chargement électrolytique de l'hydrogène sont {0001} // {001} <12̅10> // <110> avec le plan d’interface (OR1) et {0001} // {11̅1} <12̅10> // <110> avec le plan d’interface de {101̅3} // {11̅0} (OR2). Les orientations des grains avec des plans d'interface {101̅0} ou {101̅3} parallèles à la surface de diffusion sont les plus favorables à la formation des hydrures ayant les OR1 et OR2, respectivement. Les variants d'hydrure avec un plan d'interface parallèle à la surface de diffusion sont choisis préférentiellement en raison de leur plus grande capacité d'adaptation à la déformation. L'axe c ou l'axe a parallèle à la direction de diffusion sont des orientations défavorables, en raison des interactions complexes entre les différents variants des hydrures. Les microstructures de la couche d'hydrure ont été caractérisées afin d'étudier les mécanismes d’accommodation lors de la transformation des hydrures. Des mécanismes d’accommodation plastique sont nécessaires à l'intérieur de la couche d'hydrure. Des macles d'extension {101̅2} et de contraction {112̅2} sont induits à l’interface des platelets d’hydrure OR2. Le variant de macle sélectionnée a la plus grande capacité d'accommodation de la distorsion locale lors de la nucléation des hydrures. Les macles {101̅2} sont transformées en macles {101̅1} afin de poursuivre la croissance des platelets d'hydrure. La microstructure des hydrures dans la section transversale de la couche d'hydrure a été observée. Les interactions des différentes variants d'hydrure relaxent la déformation anisotrope à l'intérieur de la couche. La paire d'hydrures intergranulaires est un autre comportement d'accommodation pendant l'hydrogénation. Ce mécanisme se forme sur des joints à faible désorientation (< 30o) et à forte désorientation (75o< θc < 85o). Les propriétés mécaniques de la surface du titane modifiée par le chargement en hydrogène a été étudiée par nanoindentation et en traction. Après l'hydrogénation, la dureté augmente tandis que le module élastique diminue en raison de la formation d'hydrures. La dureté dépendant de l'orientation de l'hydrure δ- formé après 168 h de charge est moins sensible que celle de α-Ti. La valeur HIT moyenne de l'hydrure δ est de 3.8 ± 0.3 GPa, ce qui est supérieur à la matrice de titane (2.8 ± 0.3 GPa). L’hydrure est plus dur que la matrice. En traction, la couche d'hydrure est peu déformable. Des interactions entre les dislocations et les macles se produisent pour les platelets OR2. On observe que du glissement prismatique traverse les hydrures et que les hydrures limitent la croissance et l’élargissement des macles de tension {101̅2}.

Nucleation and formation of hydride precipitates are important factors on limiting the lifetime of Ti alloys. In this work, the hydride phase transformation in commercial pure titanium is thoroughly investigated by experimental and theoretically crystallographic method. The two dominant orientation relationships (ORs) of hydride transformation by the method of electrolytic hydrogen charging are {0001} //{001} <12̅10>//<110> with interface plane of {101̅0}//{11̅0} (OR1) and {0001}//{11̅1} <12̅10>//<110> with interface plane of {101̅3}//{11̅0} (OR2). The grain orientations of {101̅0} or {101̅3} interface planes parallel to the diffusion surface are most favorable for OR1 and OR2 hydride transition, respectively. The hydride variants with interface plane parallel to the diffusion surface is preferentially selected because of the highest capacity for strain accommodation. The c-axis or a-axis parallel to the diffusion direction are unfavorable orientations, due to the complicated interactions between different hydride variants. The multi-dimensional microstructures of hydride layer were characterized to investigate the accommodation mechanisms for hydride transformation. Plastic accommodation behaviors are necessary inside hydride layer. Both {101̅2} extension and {112̅2} contraction twins are induced at the interface of OR2 hydride platelets. The selected twin variant has the highest accommodation capacity for local distortion of hydride nucleation. The {101̅2} twins are transformed into {101̅1} twins in order to the further growth of hydride platelet. Hydride microstructure on the cross section of hydride layer were observed for the first time, the interactions of different hydride variants relax the anisotropic misfit strain inside hydride layer. The intergranular hydride pair is another accommodation behavior during hydrogenation, which prefer to be formed at the grain boundary with both low angle (< 30o) and high angle (75o< θc < 85o) boundaries. The mechanical property of titanium surface changed by hydrogen charging was investigated by nanoindentation tests and tensile deformation tests. After hydrogenation, the nanohardness increases while elastic modulus decreases due to the formation of hydride precipitation. The orientation dependent hardness of δ-hydride formed after 168 h charging is less sensitive than that of α-Ti. The average HIT value of δ-hydride is 3.8 ± 0.3 GPa, which is higher than titanium matrix (2.8 ± 0.3 GPa) showing the hard nature of hydride phase. During tensile deformation, hydride layer shows a poor deformability, but the interactions between dislocations and twins occur for OR2 hydride platelets: the transmissions of prismatic slips into hydride precipitations and the hindering of hydrides on the growth and thickening of {101̅2} tension twins.