Stabilisation de la microstructure dans les alliages à haute entropie

Microstructure stabilization in High-Entropy Alloys

• Auteur / Autrice : Surya Nilamegam Kumaran
• Direction : László S. Toth, Luis Barrales-Mora
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 25/08/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Doquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : László S. Toth, Luis Barrales-Mora, Werner Skrotzki, Christian Haase, Roxane Arruffat-Massion, Satish Vasu Kailas, Yudong Zhang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Doquet, Werner Skrotzki

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cisaillement (mécanique)

Texture (cristallographie)

Microstructure (physique)

Plasticité

Propriétés thermomécaniques

Alliages à haute entropie

Mots clés libres

Alliages à haute entropie

Microstructure et texture cristallographique

Stabilité thermique

Comportement mécanique

Hyperdéformation

Plasticité des polycristaux

High Entropy Alloys

Microstructure and Crystallographic Texture

Thermal Stability

Mechanical Behavior

Severe Plastic Deformation

Polycrystal Plasticity

Résumé

L'évolution de la microstructure, de la texture, des propriétés mécaniques et des études thermiques d'un alliage non équiatomique Al₆Co ₂₃.₅Fe₂₃.₅Mn₂₃.₅Ni₂₃.₅ (at.%) soumis à une déformation plastique sévère a été étudié expérimentalement et par simulations. Des analyses utilisant la diffraction par rétrodiffusion d'électrons et des images de diffraction Kikuchi en transmission ont révélé l'évolution des microstructures. La structure initiale à gros grains a été déformée jusqu'à une taille de grain moyenne de 50 nm après une déformation de cisaillement de 11 en utilisant le processus de cisaillement compressif à haute pression, à température ambiante. L'analyse par microscopie électronique à transmission a montré la présence de nano-twins. La forte déformation a conduit à une augmentation significative de la résistance, jusqu'à environ 1,0 GPa. L'analyse de la macro-texture par diffraction des rayons X a révélé une texture de cisaillement avec une dominance de la composante de type B/B {112}⟨110⟩ dont l'intensité varie en fonction de la déformation. Une approche de simulation de plasticité polycristalline de type Taylor en deux étapes a reproduit la texture avec une valeur de corrélation de 91%. Dans la première partie de la modélisation, la fragmentation des grains a été simulée, tandis que dans la deuxième partie, le cisaillement des joints de grains et le jumelage de la déformation ont été pris en compte avec le fonctionnement du glissement partiel de type {111}⟨112⟩. L'effet du jumelage a également été examiné dans la modélisation de la texture et les simulations ont estimé que sa fraction était inférieure à 2%. Les traitements de recuit isotherme allant de 550 °C à 1150 °C ont établi une dureté ultra élevée et une microstructure stable à basse température (≤700 °C) en raison de la transformation de phase du cubique à faces centrées au cubique à corps centré. La stabilité thermique à haute température (> 700 °C) a été obtenue en produisant un composite céramique HEA nano-structuré. Une taille de grain moyenne remarquable de 4 μm a été atteinte à 1150 °C en raison de la résistance à la croissance du grain produite par l'effet de pincement des particules de céramique in-situ. L'évolution de la texture en raison du recuit a été influencée par la texture de déformation. Les jumeaux de recuit sont responsables de la randomisation des textures à haute température.

The evolution of microstructure, texture, mechanical properties, and thermal studiesof an induction melted non-equiatomic Al₆Co ₂₃.₅Fe₂₃.₅Mn₂₃.₅Ni₂₃.₅ (at.%) high-entropy alloy (HEA) subjected to severe plastic deformation was investigated experimentally and by simulations. Analyses using electron backscatter diffraction and transmission Kikuchi diffraction images revealed the evolution of the microstructures. The coarse-grained initial structure was deformed down to an average grain size of 50 nm after a shear strain of 11 by employing the high-pressure compressive shearing process, at room temperature. Transmission electron microscopy analysis showed the presence of nano-twins. The high deformation led to a significant increase in the strength, up to ≈ 1.0 GPa. X-ray diffraction macro-texture analysis revealed a shear texture with the dominance of the B/B {112}⟨110⟩-type component whose intensity varied with strain. A two-step Taylor-type polycrystal plasticity simulation approach reproduced the texture by a correlation value of 91%. In the first part of the modeling, grain fragmentation was simulated, while in the second part, grain boundary shearing and deformation twinning were considered together with the operation of {111}⟨112⟩-type partial slip. The effect of twinning was also examined in the texture modeling and the simulations estimated that its fraction was less than 2%. Isothermal annealing treatments ranging from 550 °C to 1150 °C established an ultrahigh hardness and stable microstructure at low temperatures (≤700 °C) due to phase transformation from face-centered cubic to body-centered cubic. High temperature (> 700 °C) thermal stability was achieved by producing a nano-structured HEA-ceramic composite. A remarkable average grain size of 4 μm was achieved at 1150 °C due to the grain growth resistance produced by the pinning effect of in-situ ceramic particles. The texture evolution due to annealing was influenced by the deformation texture. Annealing twins were responsible for the randomization of textures at high temperatures.