Analyse multi-échelles de la viscoplasticité à l’ambiante et de la rupture différée du titane et de ses alliages en relation avec leur teneur en hydrogène et oxygène – FLUTI

Les alliages de titane sont employés pour la construction aéronautique en raison de leurs hautes propriétés mécaniques spécifiques, la construction navale, pour leur résistance à la corrosion, des applications biomédicales pour leur biocompatibilité et à terme, dans les réacteurs de fusion, en raison de la décroissance rapide de leur radioactivité résiduelle. Mais ils présentent dès 20°C du fluage, des interactions synergiques fatigue/fluage et des propagations de fissures bien en dessous de la ténacité (rupture différée, attribuable en partie au fluage en pointe de fissure). Il importe donc de mieux comprendre le fluage « à froid », de le modéliser et de l’intégrer dans la prévision des durées de vie en fatigue-fluage ou rupture différée. La plasticité du titane est régie par la mobilité de ses dislocations vis subissant une forte friction de réseau, en raison de leur cœur non plan. L’oxygène, en modifiant la structure de ce cœur, diminue la mobilité des dislocations, provoquant un fort durcissement et parfois du vieillissement dynamique. L’hydrogène en solution semble, dans certains conditions, avoir un effet adoucissant et stimuler le fluage à froid et dans d’autres (restant à préciser) durcir le matériau et ralentir son fluage. Dans tous les cas, l’effet de l’hydrogène semble dépendre de la teneur en oxygène. Quand l’hydrogène concentré en pointe de fissure y stimule le fluage, il favorise la propagation, alors que dans les cas où il freine le fluage, il améliore la résistance à la rupture différée, pourvu que sa limite de solubilité ne soit pas atteinte. Il existe donc des liens étroits entre teneurs en O et H, viscoplasticité et rupture différée, que le projet se propose d’expliciter. Aux échelles nano et microscopique, on caractérisera, lors d’essais de traction sous MET, la dynamique du glissement des dislocations selon les teneurs en H et O. Des calculs ab initio permettront d’évaluer les énergies d’interaction dislocation-solutés et l’influence des impuretés sur la friction de réseau, les énergies de faute d’empilement, les courbes traction-séparation et la contrainte critique de clivage. A l’échelle méso, on étudiera, lors d’essais de traction sous MEB accompagnés de mesures des champs de déformation (corrélation d’images) et des orientations cristallines (EBSD) l’effet de O et H sur les mécanismes de déformation et d’endommagement du titane et de l’alliage Ti6242. La technique de micro-empreinte permettra de visualiser au MEB la répartition de H dans la microstructure (partage entre phases, présence le long des lignes de glissement). On explorera par nano-indentation sur l’alliage Ti6242 les effets d’un chargement en H sur les propriétés des deux phases. On identifiera un modèle de visco-plasticité cristalline tenant compte des effets des diverses teneurs en O et H qui rendra compte également des effets de texture ou de multiaxialité. A l’échelle macro, on caractérisera par des essais de traction, sauts de vitesse, relaxation et fluage l’effet des impuretés sur le comportement viscoplastique à l’ambiante. On formulera et identifiera une loi de comportement décrivant le vieillissement dynamique et dépendant des teneurs en O et H. L’influence des impuretés sur la résistance à la rupture différée sera caractérisée. L’observation au MET de lames minces prélevées en pointe de fissure par FIB permettra de rechercher d’éventuels hydrures. Les essais seront simulés par éléments finis prenant en compte la surconcentration en hydrogène en pointe de fissure (en supposant l’hydrogène diffusible en équilibre avec le champ de tension hydrostatique et en reliant la quantité d’hydrogène piégé par les dislocations au champ de déformation) ses effets sur le comportement viscoplastique local et l’endommagement. On envisagera plusieurs scénarios: accélération/ralentissement de l’endommagement ductile par adoucissement/durcissement localisé ou fragilisation par l’hydrogène en solution par perte de cohésion.