Impact de la structure β sur le comportement mécanique de l’alliage de titane β-métastable Ti-10V-2Fe-3Al

Impact of β-Structure on the Mechanical Behavior of the Titanium Alloy β-Metastable Ti-10V-2Fe-3Al

• Auteur / Autrice : Tiphaine Giroud
• Direction : Patrick Villechaise, Samuel Hémery
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 13/03/2024
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Saintier, Nathalie Gey, Christian Dumont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Moukrane Dehmas, Clément Keller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés thermomécaniques

Ductilité

Titane -- Alliages

Titane -- Alliages -- Rupture

Microstructure (physique)

Essais dynamiques

Déformations (mécanique)

Anisotropie

Mots clés libres

Ti-10V-2Fe-3Al

Alliage de titane β-métastable

Grain β

Volume sollicité

Ti-10V-2Fe-3Al

Β-metastable titanium alloy

Β-grain

Stressed volume

Résumé

Les alliages de titane β-métastable sont utilisés dans le domaine aéronautique pour leur résistance spécifique élevée. En particulier, l’alliage Ti-10V-2Fe-3Al est employé pour certains composants de trains d’atterrissage. Un enjeu important pour l’utilisation de ces alliages est la compréhension de l’anisotropie et de la variabilité considérable des propriétés mécaniques en traction, notamment concernant la ductilité. Ces alliages présentent une fraction élevée de phase β à température ambiante(environ 40 %) et son implication dans l’anisotropie des propriétés mécaniques a été relativement peu étudiée. Ce travail de thèse s’est donc focalisé sur la compréhension de l’impact respectif des textures morphologiques et cristallographiques de la phase β sur les propriétés mécaniques en traction de l’alliage Ti-10V-2Fe-3Al. Des essais de traction monotone à température ambiante avec différentes directions de prélèvement ont permis de mettre en évidence le rôle non négligeable de la phase βsur l’anisotropie du comportement mécanique du Ti-10V-2Fe-3Al. Un suivi de la déformation réalisé in-situ sous microscope optique a permis de montrer que la localisation de la déformation est gouvernée par l’anisotropie élastique et l’orientation morphologique de la phase β. La répartition de la déformation est primordiale à prendre en compte car elle est corrélée à l’allongement à rupture, qui dépend également des mécanismes d’endommagement actifs. En particulier, les orientations morphologique et cristallographique du grain β sont déterminants vis-à-vis du mécanisme d’endommagement, trans- ou intergranulaire. L'influence du volume sollicité sur la variabilité des propriétés mécaniques a également été considérée, étant donné la taille millimétrique des grains β. L’augmentation du volume sollicité entraine une homogénéisation de la déformation et améliore la résistance à l’endommagement à l’échelle de l’éprouvette. Cependant, l’augmentation du volume sollicité entraine également une augmentation de la probabilité de contenir des configurations de microstructures critiques, responsables de la rupture des éprouvettes. Il existe ainsi une relation complexe entre les dimensions des éprouvettes et la ductilité.

High strength metastable β titanium alloys are increasingly employed in the aircraft industry due to their outstanding strength to-weight ratio. In particular, the Ti-10V-2Fe-3Al alloy has been successfully used in landing gears of modern aircrafts. A major challenge for their use is to understand the anisotropy and variability of tensile properties, particularly for ductility. These alloys have a high β-phase fraction at room temperature (around 40%), and its involvement in the anisotropy of mechanical properties has been relatively understudied. This thesis focused on understanding the respective impact of β-phase morphological and crystallographic textures on the tensile properties of the Ti-10V-2Fe-3Al alloy. Monotonic tensile tests at room temperature with multiple sampling directions highlighted the non-negligible role of the β-phase on the anisotropy of the mechanical behavior. In-situ DIC during tensile tests under an optical microscope has shown that strain localization is governed by elastic anisotropy and the morphological orientation of the β-phase. Strain distribution is correlated with elongation, which also depends on active damage mechanisms. In particular, the morphological and crystallographic orientations of the β-grain are decisive for the damage mechanism, whether trans- or inter-granular. The influence of stressed volume on the variability of mechanical properties was also considered due to the millimetric size of β-grains. Increasing the stressed volume leads to strain homogenization and improves damage resistance at the specimen scale. However, increasing the stressed volume also increases the probability of containing critical microstructure configurations,responsible for specimen failure. There is a complex relationship between specimen size and ductility.