Viscoplasticity and microstructures of a titanium alloy : effects of temperature and strain rate
Viscoplasticité et microstructures d'un alliage de titane : effets de la température et de la vitesse de sollicitation
Résumé
The main goal of this research work was to analyze and characterize the mechanical behavior of Ti 6242-Si in a wide range of temperatures, of strain rates and of loading paths. Actually, a more important viscoplastic flow at room temperature than at higher temperatures stands as an intrinsic characteristic of most titanium and zirconium alloys. This unusual behavior is related to interactions phenomena taking place between dislocations and interstitial atoms (O, C, N, H), generally described by expressions such as "dynamic strain ageing" (DSA) or "static strain ageing" (SSA). Dislocation microstructures observed by transmission electron microscopy on a number of samples appropriately strained and carefully chosen across the entire temperature domain, provide instructive insights regarding possible physical basis for a sound interpretation on the microscopic level of phenomena observed and measured on the macroscopic level. Mechanical test results are then interpreted in terms of the relative mobility of dislocations or dislocations groups in relation, either with their interactions with supersaturated solute atoms (edge dislocations), or with their peculiar core structure at low temperature (screw dislocations). Due to the large range of strain rates covered by relaxation tests, it was possible to estimate in which proportion various viscoplastic regimes were mixing, within the tested structure, at each temperature. Indeed, two drastically different plastic modes are combining in order to control the macroscopic viscoplastic flow : - at high temperatures (or low strain rates), the solute drag mode is dominant : edge dislocations are dragging their solute atmospheres. - at low temperatures (or high strain rates), on the other hand, the friction mode is prevailing : dislocations move rapidly, solute atoms remain quasi-immobile and simply contribute to solid solution hardening. In the region where these two plastic eigenmodes overlap - PLC domain - sudden changes in the viscoplastic behavior can appear, since the friction mode tends naturally to localize plasticity into "speed bands", while the rest of the structure or of the specimen continues to strain slowly in the solute drag mode, until it may even trigger a complete arrest of the plastic flow at low temperatures. Viscoplastic flow in this material is intrinsically heterogeneous. A detailed study of the data collected during relaxation tests reveals the presence of "strain bursts" strictly localized in time and space on a mesoscopic scale. The level of correlation between these elementary events determines the amplitude and the features of the microscopic events (speed bands, serrations, stress peaks...). The boundaries separating the various domains of viscoplastic behavior were determined for this alloy by way of mechanical testing. Various relevant macroscopic parameters were measured, such as apparent activation energies and apparent activation volumes corresponding to each of these viscoplastic modes. At high temperature (600°C - 450°C), the solute drag mode is easy and spreads out. At the center of the viscoplastic anomaly domain, around 400°C, dynamic strain aging prevails. At this temperature, the restoration processes of the material are very limited : a short and ineffective relaxation period is followed by a complete arrest of plastic flow. At intermediate temperatures, between 300°C and 200°C, strict arrest of plasticity is quasi-instantaneous. In the low-temperature regime, around 150°C and below, viscoplasticity is restored with the full activity of the friction mode and strain hardening and age hardening processes are cumulating. Finally, at room temperature or near the lower boundary of the domain, static strain ageing starts operating.
L'étude a pour but de caractériser et d'analyser le comportement mécanique du Ti 6242-Si dans un large domaine de températures, de vitesses de sollicitation et de trajets de chargement. En effet une viscoplasticité plus marquée au voisinage de l'ambiante qu'à plus haute température caractérise de nombreux alliages de titane et de zirconium. Ce comportement inhabituel est à relier à des phénomènes d'interactions entre dislocations et atomes interstitiels (O, C, N, H), généralement décrits par les termes de " vieillissement dynamique " ou " vieillissement statique ". Les microstructures de déformation observées en microscopie électronique en transmission sur certains de ces états de déformation particuliers choisis au travers de tout le domaine de températures exploré, apportent des éclairages ponctuels sur les bases physiques possibles d'une interprétation à l'échelle microscopique des phénomènes observés et mesurés à l'échelle macroscopique. Les résultats obtenus sont alors interprétés à partir de la mobilité relative des dislocations ou groupements de dislocations, de leur interaction avec des solutés en sursaturation dans ce matériau, ou de la structure de cœur particulière de ces dislocations à basse température. L'essai de relaxation, grâce à la large gamme de vitesses de déformation qu'il couvre, a permis d'évaluer dans quelles proportions les différents régimes de déformation se mélangent à chaque température. En effet, deux modes plastiques profondément différents, en se combinant, régissent la viscoplasticité macroscopique : - dans le domaine des hautes températures (ou des faibles vitesses de déformation), le mode traînage est dominant : les dislocations coins traînent des atmosphères de solutés. - dans le domaine des basses températures (ou des vitesses élevées), c'est au contraire le mode friction qui prévaut : les dislocations se déplacent rapidement, les atomes de solutés restant quasi immobiles et ne jouant qu'un rôle de durcissement de solution solide. Dans le domaine de recouvrement de ces deux modes plastiques propres - domaine d'existence du phénomène PLC - de brusques changements de comportement peuvent donc apparaître, car la plasticité en mode friction a tendance à se rassembler localement sous forme de " bandes de vitesse ", alors que le reste de la structure ou de l'éprouvette continue à se déformer beaucoup plus lentement en mode traînage, jusqu'à atteindre le " blocage " aux plus basses températures. La plasticité du matériau est intrinsèquement hétérogène. L'étude fine des données de relaxation met en évidence la présence de " bouffées de plasticité " (strain bursts) très localisées dans le temps et dans l'espace (échelle mésoscopique). Le taux de corrélation de ces événements élémentaires détermine l'amplitude et la forme des manifestations macroscopiques (bandes de vitesse, serrations, crochets de traction,...). Les essais mécaniques ont donc permis de déterminer les frontières des différents domaines de comportement de l'alliage étudié et d'y mesurer certains paramètres macroscopiques caractéristiques tels que les énergies et les volumes d'activation apparents de ces modes plastiques. Aux températures élevées (600°C - 450°C), le mode traînage est omniprésent. Le régime de vieillissement dynamique domine au pic du domaine de l'anomalie de comportement, vers 400°C. À cette température, les capacités de restauration du matériau sont très limitées : la faible amplitude de relaxation qu'il présente est suivie d'un blocage strict de la plasticité. Le domaine des températures intermédiaires, entre 300°C et 200°C, est caractérisé par le blocage quasi-instantané de la plasticité. Dans le domaine des basses températures de l'anomalie (autour de 150°C), la plasticité est rétablie grâce à la prédominance du mode friction, et les durcissements de vieillissement et d'écrouissage s'additionnent. Enfin, à température ambiante, c'est-à-dire au voisinage de la limite basse du domaine, le vieillissement statique se manifeste.
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