Titanium viscoplasticity at room temperature. Effects of oxygen and hydrogen contents
Viscoplasticité à l'ambiante du titane en relation avec ses teneurs en oxygène et hydrogène
Résumé
The aim of the thesis is to study at the macroscopic, mesoscopic and microscopic scales, the effects of interstitials contents (oxygen and hydrogen) on titanium viscoplasticity at room temperature.
At the macroscopic scale, the behavior was studied by tensile tests, strain rate jumps, relaxation and creep tests along to the rolling direction and the transverse direction. The materials show an anisotropic behavior due to a marked crystallographic behavior and a variation of the deformation modes when changing the loading direction. We note a hardening effect of oxygen and a discrete effect of hydrogen especially in the beginning of the plastic flow and during creep.
The activated deformation mechanisms were observed in real time during in-situ tensile tests under an optical microscope or under SEM preceded by EBSD measurements of crystal orientations and accompanied by measures of local deformation fields and strain heterogeneity by digital image correlation. The tests highlight the predominance of prismatic glide. A solicitation along the transverse direction and an increase in the oxygen content promotes the basal glide and twinning. The critical resolved shear stresses of different slip systems increases with increasing
oxygen contents.
The analysis was also based on TEM observations of dislocations arrangements and twinning. The experimental data were used to identify a mean-field crystal viscoplasticity model.
L’objectif de la thèse est l’étude aux échelles macro, méso et microscopique des effets des interstitiels (oxygène et hydrogène) en solution sur le comportement viscoplastique à la température ambiante du titane.
Les essais macroscopiques de traction, saut de vitesse, relaxation et fluage ont montré une anisotropie de comportement liée à la présence d’une texture cristallographique assez marquée et à la diversité des mécanismes de déformation plus ou moins activés selon le sens de sollicitation. On note un effet durcissant de l’oxygène et un effet plus discret de l’hydrogène qui se manifeste surtout à l’entrée de plasticité (durcissement ou adoucissement, selon le sens de sollicitation) et en fluage (accélération ou ralentissement du fluage selon le niveau de contrainte). En outre, l’oxygène semble être à l’origine de phénomènes de vieillissement statique et accentuer les effets de vieillissement dynamique.
Les données expérimentales ont permis d’identifier une loi de comportement viscoplastique anisotrope avec le code ‘Zébulon’. Toutefois, le modèle macroscopique reste incapable de bien simuler certains aspects de l’anisotropie du comportement des matériaux raison pour laquelle il a été décidé de s’orienter vers un modèle de plasticité cristalline.
Afin d’alimenter ce modèle et d’étudier les effets des interstitiels sur les seuils d’activation des divers systèmes de glissement et de maclage, des essais interrompus de traction ont étés menés sous MEB et sous microscope optique pour différentes teneurs en oxygène et différentes directions de sollicitation. Ces essais montrent que le glissement prismatique est le mode de déformation principal, mais qu’une sollicitation dans le sens travers et une baisse de la teneur en oxygène favorisent le glissement basal et le maclage. Les cissions critiques des différents systèmes de glissement augmentent avec la teneur en oxygène. Les essais sous MEB ont également permis de calculer les champs de déformations locales par corrélation d’images numériques et de caractériser l’hétérogénéité de la déformation. Les coefficients de Lankford ainsi obtenus sont plus grands dans le sens travers et dans le matériau plus riche en oxygène. Une tendance à la déformation par glissement aux joints de grain conduisant finalement à un endommagement intergranulaire a été mise en évidence. Un modèle de plasticité cristalline « en champ moyen » a été identifié pour les matériaux de base. Il rend assez bien compte de leur comportement viscoplastique anisotrope.
Des observations en microscopie électronique à transmission post-mortem de lames minces issues des éprouvettes déformées en fluage montrent que l’oxygène rend les dislocations plus rectilignes, coplanaires et parallèles avec un caractère vis dominant, ce qui suggère que l’oxygène augmente la friction de réseau et rend le glissement dévié plus difficile. La direction de sollicitation influence les modes de la déformation : on note plus de glissement pyramidal et de dislocations de type après traction dans le sens travers, ce qui est en accord avec les observations à échelle mésoscopique.