Multiscale investigation of room-temperature viscoplasticity and sustained load cracking of Titanium. Influence of hydrogen and oxygen content.
Analyse multi-échelles de la viscoplasticité à froid et de la rupture différée du titane en relation avec ses teneurs en hydrogène et oxygène.
Résumé
Widely used for aircraft or rocket engine manufacturing titanium and its alloys are prone to the room-temperature creep that leads to the phenomenon of sustained load subcritical crack growth. One of the major cause of such unusual viscoplastic behavior of titanium is the phenomena of static and dynamic strain aging which represents an interaction between dislocations and interstitial atoms of oxygen and hydrogen. The aim of the present experimental and numerical multiscale study is to investigate the influence of the interstitial hydrogen and oxygen on the viscoplastic behavior and the resistance to sustained load cracking in commercially pure titanium of phase alpha.In a first step, a scenario of static and dynamic strain aging was proposed. The presence of the stress peak was attributed to the segregation of interstitial atoms of oxygen on the edge dislocations. In case of dynamic strain aging, the observed instabilities, typical for the Portevin-Le Chatelier effect, were associated with the non-planar core of screw -type dislocations. The crystal plasticity was introduced into the phenomenological model in order to capture the strain aging phenomena and the anisotropy of the mechanical properties. The modeling approach for strain aging suggested by Kubin-Estrin-McCormick is based on the internal variable called the aging time which corresponds to the waiting time of a dislocation in a pinned state. Finite element simulations were then performed on the polycrystalline aggregates for different number of grains. At the next step, fracture toughness and sustained load cracking tests were performed on the material with different levels of hydrogen. Finally, numerical simulations of toughness and sustained load cracking tests using the identified viscoplastic model were carried out for all experimental conditions. A cohesive zone model was then introduced ahead of the crack tip to simulate crack propagation.
Le titane et ses alliages qui sont largement répandus dans l'industrie aéronautique, sont concernés par le fluage à température ambiante ce qui conduit à une réduction de la résistance et provoque le phénomène de rupture différée. Une partie des études montrent que ce comportement viscoplastique inhabituel à température ambiante est lié aux phénomènes d'interactions entre les dislocations et les atomes interstitiels comme l'hydrogène et l'oxygène, aussi appelés vieillissement statique et dynamique. Le but de cette étude à la fois expérimentale et numérique multi-échelle est de mieux comprendre les effets souvent antagonistes et en partie couplés de l'oxygène et de l'hydrogène en solution sur le comportement viscoplastique du titane non-allié de phase alpha. Dans un premier volet, un scénario du vieillissement statique et dynamique dans le titane non-allié de phase alpha est proposé. La présence du pic de traction est attribuée à la ségrégation des atomes interstitiels d'oxygène sur les dislocations coin de vecteur de Burgers . Dans le cas du vieillissement dynamique les instabilités observées, typiques de l'effet Portevin-Le Chatelier, sont associées à l'étalement du cœur non planaire des dislocations vis de vecteur de Burgers . Une loi de comportement prenant en compte les effets liés aux interactions entre dislocations et atomes en solution a été développée. Le modèle de Kubin-Estrin-McCormick qui permet de prendre en compte l'effet du vieillissement a été étendu au cas de la plasticité cristalline. Les simulations par éléments finis ont été réalisées sur des agrégats polycristallins avec différents nombres de grains. Ensuite, les essais de fissuration (ténacité et rupture différée) ont été réalisés sur les matériaux bruts, et chargés en hydrogène. Enfin, des simulations numériques de la rupture de ces éprouvettes ont été réalisées pour toutes les conditions expérimentales testées en utilisant le modèle de comportement mécanique macroscopique identifié. Un modèle de zone cohésive a été développé pour la simulation de la propagation des fissures.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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