Mécanismes de déformation d’alliages de titane β-métastables
Les alliages de titane β métastables sont sujets à de nombreux mécanismes de déformation : transformation martensitique sous contrainte ou sous déformation, maclage, glissement de dislocations qui sont à l’origine de propriétés mécaniques uniques (superélasticité, mémoire de forme, alliages TRIP/TWIP).
L’activation des mécanismes de déformation est caractérisée par diffraction en synchrotron, EBSD et MET pendant et après des essais de traction. Elle est corrélée à des modèles cristallographiques basés sur le facteur de Schmid.
Mots-clés : Microstructure des alliages de titane, EBSD, facteur de Schmid
Les alliages de titane β-métastables peuvent présenter des propriétés superélastiques tous en n’étant conçus qu’avec des éléments parfaitement biocompatibles (Mo, Nb, Zr, Hf, Ta…). De nombreux alliages ont été récemment développés et leurs performances s’approchent désormais de celles des alliages NiTi, fabriqués avec du nickel qui n’est pas réputé biocompatible.
Un alliage Ti-24Nb-4Zr-8Sn a été élaboré sous forme de monocristal. Des essais de traction cycliques montrent une grande superélasticité (déformation recouvrable atteignant 4%) associé à une transformation complète de la phase β en martensite α’’ mise en évidence par des essais de traction in situ sous diffraction des rayons X en synchrotron.
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| Figure 1 : essai de traction cyclique (a) et diffractogrammes obtenus au synchrotron sous contrainte (b) et une fois la contrainte relâchée (c) |
A cette transformation de phase s’ajoute un maclage mécanique de type {112}<111>β qui est observé dans la phase β une fois la contrainte relâchée. L’analyse de la séquence de mécanismes de déformation montre que ce maclage s’opère en réalité dans la martensite induite sous contrainte et que les macles {112}<111>β correspondent en réalité à la réversion de macles {110}<110>α’’ lorsque la contrainte est relâchée, comme le montre la Figure 2.
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| Figure 2 : Séquence de déformation de l’alliage monocristallin Ti-24Nb-4Zr-8Sn sous charge puis lorsque la contrainte est relâchée |
Une analyse par facteur de Schmid montre que les macles observées se sont activées dans le sens contraire à celui observé classiquement pour les macles {112}<111> des structures cubiques centrées classiques. Cette opération de maclage, si elle avait lieu en phase cubique centrée, nécessiterait, en plus d’un cisaillement, un fort réarrangement atomique (shuffle) de la moitié des atomes mis en jeu. L’énergie associée à ce phénomène est alors trop élevée pour qu’il puisse être activée. Cependant, la transformation préalable en martensite mise en évidence permet une réduction du cisaillement et des réarrangements atomiques nécessaires au maclage. La diminution de la barrière d’énergie associée au shuffle rend le maclage possible dans ce sens.
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| Figure 3 : Diagrammes dichromatiques des systèmes de maclage {112}<111>β et {110}<110>α’’ |
Collaborations
INSA Rennes ISCR-CM