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Work-hardening by reorientation induced plasticity in titanium alloys: from a fundamental understanding in Ti-6Al-4V towards new alloy design rules

par Dumas, Odeline
Président du jury Massart, Thierry,Jacques
Promoteur Godet, Stéphane ;Prima, Frédéric
Publication Non publié, 2023-03-03

Thèse de doctorat

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Résumé :

Les alliages de titane destinés aux applications aéronautiques souffrent de faibles capacités d'écrouissage. L’augmentation de l'écrouissage via le déclenchement de mécanismes de déformation alternatifs dans les alliages β-métastables, tels que la précipitation induite sous contrainte (TRIP) et/ou le maclage mécanique (TWIP), s'accompagnent souvent d'une diminution drastique de la limite d'élasticité et imposent des quantités élevées d'éléments d'alliage coûteux. Le présent travail a montré qu’il est également possible d’obtenir un écrouissage important dans les alliages alpha+beta peu alliés (typiquement plus de 500 MPa), ainsi que de l’obtenir simultanément à une limite élastique élevée (plus de 800 MPa). Cela, via le développement de microstructures dites « dual-phase » alpha+alpha’, lorsque la martensite se déforme par réorientation (RIP). Pour y parvenir, le concept de "dual-phase" a été étendu à des traitements de "quenching and partitioning" (Q&P). Ainsi, la fraction volumique respective de chaque phase, la taille, la chimie et la stabilité mécanique de la martensite ont été modulées de façon à décomposer leur contribution respective à l’écrouissage singulier de l’alliage. Des critères visant à l’obtention du meilleur compromis possible entre écrouissage, limite d'élasticité et ductilité ont pu en être déduit. En particulier, la réorientation de la martensite s’est avérée jouer un rôle majeur dans l’amélioration de l’écrouissage. Les conditions nécessaires au déclenchement de ce nouveau mécanisme de déformation ont été examinées de près. La martensite doit notamment présenter une quantité critique d'éléments bêtagènes de sorte qu'un seuil chimique déclenchant l'instabilité mécanique de la martensite soit atteint. L'augmentation de la proportion de martensite dans la microstructure dual-phase a permis d’augmenter la limite élastique tout en conservant un bon écrouissage. Cependant, une certaine proportion de phase α doit être conservée afin de limiter la croissance des plaques de martensite, sans laquelle des phénomènes de localisation des déformations y sont promus, conduisant fatalement à une rupture précoce. Les grandes plaques peuvent également être renforcées par le traitement de « partitioning » contrôlant la décomposition de la martensite. Initialement développé sur le Ti-6Al-4V puis transposé à d’autres alliages alpha+beta, ce travail a permis de définir un premier ensemble de critères afin de proposer et de tester avec succès une stratégie de design d'alliage pour développer des alliages de titane peu alliés présentant un fort écrouissage par réorientation.