Crystallographic characterization of deformation twinning in commercially pure Titanium

par Shiying Wang

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Claude Esling, Christophe Schuman et de Xiang Zhao.

Le président du jury était Leo Kestens.

Le jury était composé de Guilin Wu.

Les rapporteurs étaient Ping Yang, Paul Van Houtte.

  • Titre traduit

    Caractérisation cristallographique des macles de déformation dans le titane de pureté commerciale


  • Résumé

    Le titane et ses alliages sont devenus des matériaux incontournables dans l'aéronautique, le domaine biomédical et l'industrie chimique et ce depuis le début des années 1950 en raison de haut rapport résistance/poids, une excellente biocompatibilité et une bonne résistance à la corrosion. La structure hexagonale du titane conduit à une anisotropie intrinsèque, due à la configuration atomique particulière et à une anisotropie extrinsèque, due à une texture marquée produite lors de leur élaboration. Le but de cette étude est d'améliorer la compréhension des mécanismes de déformation (glissement et maclage) dans le titane conduisant à cette anisotropie extrinsèque. Une technique d’essais interrompus in situ en MEB / EBSD a été utilisée lors la déformation plastique d’un alliage de titane T40 commercialement pur afin de suivre l'évolution de l'orientation cristalline et de la morphologie des grains au cours de la déformation sous différents types de chargement (traction, laminage, cisaillement). Cette technique permet de suivre l’apparition du maclage, la croissance et la forme des macles, l’interaction des variants de macles avec les grains voisins. Le Facteur de Schmid, l’orientation cristallographique, l'énergie de déformation plastique, et la déformation localisée liée à l’accommodation ont été calculés pour analyser l'activation du maclage, la croissance des macles, et la sélection de variant de macle. Des variants de macles avec un faible facteur Schmid, facteur qui exprime la force appliquée externe sur le plan de maclage et le long de la direction de maclage, ont été observés. Cela indique le facteur Schmid n'est pas très approprié pour prédire le maclage. Une règle de sélection de variant de maclage a été proposée sur la base de la consommation maximale d'énergie plastique. L'énergie plastique (on suppose le matériau comme étant rigide parfaitement plastique) consommée est calculée de la façon suivante : la déformation que produit chaque variant est exprimée du repère cristal au repère macroscopique ; la contrainte suit une loi de type Hall Petch, le diamètre des grains est alors défini comme la longueur maximale que peut prendre chaque variant dans le grain. Le variant qui consomme le plus d’énergie est activé le premier. Ces calculs sont en bon accord avec l'observation expérimentale : Les variants de macles sélectionnés étaient ceux conduisant à une consommation maximale de l'énergie plastique. Le libre parcours que peut prendre chaque variant est un critère pertinent puisque cela permet d’expliquer les différences observées dans un grain équiaxe ou un grain allongé en terme de nombre de variants présents et croissance des macles. Les essais interrompus in – situ montrent des chaines de macles ou paires de macles (propagation dans 2 ou plusieurs grains voisins). Une macle est activée en premier dans un grain, avec sa croissance, elle impose un champ de contrainte et un champ de déformation dans les grains voisins ce qui peut activer une macle dans les grains voisins. Les paires de macles ont un paramètre de Luster - Morris relativement élevé, ce qui traduit une bonne compatibilité entre les macles et une propagation facile de macle dans les grains voisins. Par une simple transformation du tenseur gradient de déplacement du variant utilisé dans le grain considéré on obtient la déformation imposée dans le grain voisin. Le variant de macle dans ce grain voisin pouvant accommoder le plus facilement la déformation imposée sera activé. Ceci montre que la déformation locale peut influencer l’activation et la sélection de variant de macle


  • Résumé

    Titanium and its alloys have become backbone materials for aerospace, biomedical field and chemical industries since the early 1950s because of the high strength-weight ratio, excellent biocompatibility, and good corrosion resistance. The hexagonal structure of titanium leads to an intrinsic anisotropy of the particular atomic configuration and extrinsic anisotropy of the texture to a product marked in their elaboration. The purpose of this study is to improve understanding of the deformation mechanisms (slip and twinning) in the titanium leading to the extrinsic anisotropy. Technical testing interrupted in situ SEM / EBSD was used in the plastic deformation of a commercially pure titanium alloy T40 to follow the crystal orientation and morphology of the grains during deformation under different types of loading (tension, rolling). This technique allows following the occurrence of twinning, growth and shape of the twins, the interaction of the twin variants with neighboring grains. Schmid factor, crystallographic orientation, plastic deformation energy, and localized strain accommodation were calculated to analyze the twin activation, the twin growth, and twin variant selection. Twinning variant with relatively low global Schmid factor, which resolves the externally applied force onto the twinning plane and along the twinning direction, were observed. That indicates the global Schmid factor is not very appropriate to predict twinning. A twinning variant selection rule was proposed based on the maximum plastic energy consumption. The plastic energy ( the material is assumed to be perfectly rigid plastic) consumed is calculated as follows: the deformation produced by each variant is expressed from crystal frame to macro frame; stress follows a Hall Petch type rule, the grain diameter is then defined as the maximum length that can take each variant in the grain. The variant which can consume the maximum of the externally imposed energy is expected to twin first. The calculation results show good agreement with the experimental observation: The selected twin variants were the one leading to maximum plastic energy consumption. The variant free path length relevant criterion so indicates the reason why the equiaxed grains and elongated grains have the difference in twin variant number and twinning variant growth. The interrupted in-situ investigation shows that the twin chains or twin pairs observed in this work are a sequential twinning behavior. A twin activated first, with its growth, it imposes a strain field and a stress field into its neighboring grains and possibly stimulate a twin in the neighboring grain. The twin pairs show a good alignment with a relatively high Luster-Morris parameter, which is a measure of the compatibility of twinning systems through a grain boundary. By the displacement gradient tensor transformation, the imposed strain into the neighboring grain was obtained. The twinning variant which can better accommodate the imposed strain can be activated. It indicates that the local strain can influence the twinning activation and variant selection

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