Thèse soutenue

Ti-24Nb-4Zr-8Sn harmonique : Optimisation de la microstructure, étude du comportement mécanique et des mécanismes de déformation
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Auteur / Autrice : Benoît Fer
Direction : Guy DirrasFrédéric PrimaDavid Tingaud
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Sciences des matériaux
Date : Soutenance le 29/06/2022
Etablissement(s) : Paris 13
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
Jury : Président / Présidente : Monique Gasperini
Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Prima, David Tingaud, Monique Gasperini, Marion Risbet-Voitot, Clément Keller, Salima Bouvier, Eric Hug, Lola Lilensten
Rapporteurs / Rapporteuses : Marion Risbet-Voitot, Clément Keller

Mots clés

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Résumé

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Le Ti-24Nb-4Zr-8Sn est un alliage de titane de la famille des beta-métastables. De par son faible module d'Young et l'absence de toxicité des éléments chimiques qui le composent, il trouve des applications dans le domaine biomédical. Sur le plan mécanique, il présente en fonction de son état métallurgique des effets de plasticité induite par transformation martensitique et maclage mécanique. Cependant, les limites d'élasticité et en fatigue du matériau doivent être améliorées, sans toutefois perdre en ductilité.   Parmi les différentes pistes explorées pour améliorer le compromis entre résistance mécanique et ductilité des alliages métalliques, les structures à tailles de grains hétérogènes sont prometteuses. La structure harmonique est un cas particulier de structure hétérogène, composée d'un réseau inter-connecté, à trois dimensions, de zones à gros grains, appelées le cœur, et de zones à petits grains, appelées la coquille. Le procédé d'élaboration fait intervenir plusieurs étapes de métallurgie des poudres : l'obtention de poudres pré-alliées de morphologie sphérique par atomisation à l'argon, le broyage mécanique (BM) à bas niveau énergétique, et le frittage par courant pulsé (SPS) des poudres broyées. Nous proposons donc l'élaboration et la caractérisation microstructurale et mécanique du Ti-24Nb-4Zr-8Sn harmonique. Ainsi structuré, l'alliage possède des propriétés mécaniques en cisaillement plus élevées que celles du matériau conventionnel. Les mécanismes de plasticité sont notamment contrôlées par des contraintes internes au matériau, induites par un réseau de dislocations géométriquement nécessaires qui s'empilent aux interfaces coeur-coquille. Il est créé pour accommoder les incompatibilités de déformation inhérentes à la structure harmonique. Cependant, une fragilité en traction est induite par une contamination par l'oxygène des poudres et la précipitation de phase alpha aux joints de grains de la coquille. Un broyage mécanique sous vide primaire a permis une diminution importante de la fraction de précipités dans la structure harmonique, et par la même occasion de la fragilité du matériau.