Caractérisation mécanique multirésolution d'alliages de Ti proche du β à l'aide de protocoles de contrainte-déformation d'indentation sphérique et d'inférence bayésienne

par Youssef Idrissi

Projet de thèse en Mécanique des Matériaux

Sous la direction de Jean-Sébastien Lecomte et de Thiebaud Richeton.

Thèses en préparation à l'Université de Lorraine en cotutelle avec Georgia Institute of Technology, dit « Georgia Tech » - Atlanta , dans le cadre de École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine) , en partenariat avec LEM3 - Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (laboratoire) depuis le 21-01-2021 .


  • Résumé

    Les alliages de titane comme le Ti-21S ou le Ti-1023 sont en concurrence avec les alliages du quasi-α ou du βtitanium pour les applications de forgeage de cellules comme les trains d'atterrissage, les moteurs à turbine et les systèmes de rotor. Grâce à des procédés de transformation, dont β et β/β forge avant vieillissement, d'excellentes propriétés mécaniques sont obtenues à température ambiante. Leurs microstructures sont multi-échelles et les relations entre la microstructure et le comportement mécanique sont donc complexes. En particulier, c'est un véritable défi de déterminer les propriétés mécaniques intrinsèques d'une phase spécifique dans un alliage polycristallin multiphase car il est impossible de produire un monocristal de même composition chimique. Cependant, ces dernières années, les méthodes basées sur les techniques d'indentation instrumentée se sont révélées très prometteuses pour extraire les propriétés intrinsèques des matériaux. L'objectif central de la thèse de doctorat est de développer et de démontrer de nouveaux protocoles pour établir, avec des niveaux d'incertitude quantifiés, certaines des formes et propriétés modèles élastiques-plastiques les plus importantes au niveau des cristaux pour une gamme d'alliages de Ti proche de β à différentes échelles de longueur de matériau/structure. En outre, le candidat au doctorat établira la dépendance fonctionnelle de ces propriétés sur les mesures quantitatives pertinentes de la microstructure à chaque échelle (par exemple, la composition chimique, l'épaisseur et l'espacement des lattes, la taille des colonies et la taille des grains antérieurs de β). Les formes et les paramètres du modèle élastique-plastique au niveau du cristal visés dans cette étude comprennent (i) la réponse élastique de divers constituants à micro-échelle trouvés dans les alliages de titane, et (ii) les résistances effectives des modes de glissement actifs dans ces structures de matériaux complexes [1]. Comme démonstration des nouveaux protocoles développés dans le cadre de ce doctorat, il est proposé de mesurer les changements dans les résistances de glissement efficaces après l'application d'une charge cyclique dans des échantillons sélectionnés afin de produire de nouvelles connaissances sur les mécanismes d'adoucissement et de durcissement cycliques au niveau des monocristaux sur des systèmes de glissement individuels. Les tâches proposées seront accomplies en utilisant une combinaison de (i) mesures multirésolution des réponses mécaniques locales en utilisant des protocoles de contrainte-déformation par nanoindentation sphérique récemment développés [2] (avec une taille de zone indentée variant systématiquement dans la gamme de 50 nm à 500 μ m), (ii) caractérisation multirésolution de la structure du matériau aux échelles de longueur appropriées en utilisant la microscopie électronique et la diffraction rétrodiffusée, (iii) des simulations multirésolution des expériences d'indentation en utilisant des modèles d'éléments finis de plasticité cristalline, et (iv) l'extraction des propriétés fondamentales souhaitées énumérées ci-dessus en faisant correspondre les mesures et les simulations correspondantes en utilisant une approche d'apprentissage statistique appropriée avec quantification de l'incertitude [3,4]. Cette étude de doctorat est essentielle à l'avancement des nouvelles règles de conception des matériaux et des méthodes de développement pour les alliages proches de β-Ti dans le cadre des efforts visant à répondre aux exigences des applications aérospatiales critiques. Références : [1] S. Lhadi, S. Berbenni, N. Gey, T. Richeton, L. Germain, Micromechanical modeling of the effect of elastic and plastic anisotropies on the mechanical behavior of β-Ti alloys, International Journal of Plasticity, 109 (2018) 88-107 [2] P. Pathak, s. Kalidindi, Spherical nanoindentation stress-strain curves, Materials Science and Engineering R 91 (2015) 1-36 [3] P. Fernandez-Zelaia, V.R. Joseph, S. Kalidindi, S. Melkote, Estimating mechanical properties from spherical indentation using Bayesian approaches, Materials and Design 147 (2018) 92–105 [4] A. Castillo, S. Kalidindi, A Bayesian framework for the estimation of the single crystal elastic parameters from spherical indentation stress-strain measurements, Frontiers in Materials 6 (2018) 136 (1-13)

  • Titre traduit

    Multiresolution mechanical characterization of near-β Ti alloys using spherical indentation stress-strain protocols and Bayesian inference


  • Résumé

    Near-β titanium alloys like Ti-21S or Ti-1023 are competing with quasi-α or α/βtitanium alloys for airframe forging applications like landing gears, turbine engines, and rotor systems. Thanks to transformation processes including β and α/β forging before aging, excellent mechanical properties are achieved at room temperature. Their microstructures are multiscale and therefore the relationships between the microstructure and the mechanical behavior are complex. In particular, it is a real challenge to determine the intrinsic mechanical properties of a specific phase in a multiphase polycrystalline alloy as it is impossible to produce a single crystal of the same chemical composition. In recent years however, methods based on instrumented indentation techniques have been demonstrated to be very promising to extract intrinsic material properties. The central objective of the PhD thesis is to develop and demonstrate novel protocols for establishing, with quantified levels of uncertainty, some of the most important crystal level elastic-plastic model forms and properties for a range of near-β Ti alloys at different material length/structure scales. Additionally, the PhD candidate will establish the functional dependence of these properties on the relevant quantitative measures of microstructure at each scale (e.g., chemical composition, lath thickness and spacing, colony size, and prior β grain size). The crystal level elastic-plastic model forms and parameters targeted in this study include (i) the elastic response of various microscale constituents found in titanium alloys, and (ii) the effective resistances of the active slip modes in these complex material structures [1]. As a demonstration of the new protocols developed in this PhD, it is proposed to measure the changes in the effective slip resistances after the application of cyclic loading in selected samples to produce new insights to single crystal level cyclic softening/hardening mechanisms on individual slip systems. The proposed tasks will be accomplished using a combination of (i) multiresolution measurements of local mechanical responses using recently developed spherical nanoindentation stress-strain protocols [2] (with indented zone size varied systematically in the range of 50 nm to 500 μ m), (ii) multiresolution characterization of the material structure at the relevant length scales using electron microscopy and back-scattered diffraction, (iii) multiresolution simulations of the indentation experiments using crystal plasticity finite element models, and (iv) extraction of the desired fundamental properties listed above by matching the measurements and corresponding simulations using a suitable statistical learning approach with uncertainty quantification [3,4]. This PhD study is critical to the advancement of new materials design rules and development methods for near β-Ti alloys in the efforts to meet the demands of critical aerospace applications. References: [1] S. Lhadi, S. Berbenni, N. Gey, T. Richeton, L. Germain, Micromechanical modeling of the effect of elastic and plastic anisotropies on the mechanical behavior of β-Ti alloys, International Journal of Plasticity, 109 (2018) 88-107 [2] P. Pathak, s. Kalidindi, Spherical nanoindentation stress-strain curves, Materials Science and Engineering R 91 (2015) 1-36 [3] P. Fernandez-Zelaia, V.R. Joseph, S. Kalidindi, S. Melkote, Estimating mechanical properties from spherical indentation using Bayesian approaches, Materials and Design 147 (2018) 92–105 [4] A. Castillo, S. Kalidindi, A Bayesian framework for the estimation of the single crystal elastic parameters from spherical indentation stress-strain measurements, Frontiers in Materials 6 (2018) 136 (1-13)