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Etude de la fissuration sous charge constante dans un alliage de titane biphasé (TA6V, Grade 5) : Rôle de l’oxygène et de l’hydrogène
P. Plateaux1, 2, 3, A. Mathis3, P. Villechaise1, D. Bertheau1, A. Oudriss2, G. Hénaff 1, X. Feaugas2
Contact : philippe.plateaux@ensma.fr
1 INSTITUT P’, ENDO PMM, ISAE-ENSMA
2 LaSIE, UMR CNRS 7356, La Rochelle Université
3 NAVAL GROUP, CESMAN
Mots-clés : Rupture différée, titane, éléments interstitiels : O et H, fissuration, microstructure
De plus en plus utilisés dans l’industrie pour leurs excellentes propriétés, le titane et ses alliages sont victimes de phénomènes encore mal compris par la communauté scientifique tel que celui de « Sustained Load Cracking (SLC) » ou « Rupture sous charge constante (RSCC) » : similaire d’un point de vue phénoménologique à la corrosion sous contrainte, elle se traduit par une fissure susceptible de se propager dans une structure lors de l’application d’un chargement statique de niveau inférieur à la ténacité après un temps d’incubation variant de quelques heures à plusieurs mois. Ce mode d’endommagement, bien que complexe à identifier et à caractériser, est pour autant un facteur très limitant dans la conception de certaines pièces en titane. De plus en plus, les rôles de l’hydrogène interne et de son couplage avec l’oxygène interne sont mis en avant dans les mécanismes de déformation et d’endommagement du titane. De faibles variations de la teneur en hydrogène suffisent à avoir un impact conséquent sur la durée de vie et sur le seuil de propagation des fissures maintenues sous charge constante.
S’il est possible de modifier la teneur en hydrogène d’une éprouvette en titane, celle en oxygène est figée dès l’élaboration. Ces travaux ont pour objectif de mieux de comprendre le rôle joué par le couplage O/H sur la fissuration sous charge constante du Ti-6Al-4V en introduisant dans le matériau d’étude de l’hydrogène au moyen de chargement cathodique sur éprouvettes, afin d’obtenir trois nuances différentes de par leur teneur en hydrogène (~ 15 wppm : teneur initiale, 60 wppm et 120 wppm) et de les solliciter dans de mêmes conditions. Pour cela, nous disposons d’une tôle laminée de Ti-6Al-4V présentant des grains équiaxes très texturée, avec une forte densité de macro-zones. Les essais mécaniques sont réalisés sur éprouvettes CT à l’aide d’un banc de fluage avec une consigne de charge déterminée par rapport à la ténacité du matériau, et un suivi par différence de potentiel est mis en œuvre pour établir la relation entre la vitesse de fissuration et le facteur d’intensité des contraintes en mode I.
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Figure 1. Vitesse de fissuration en fonction du facteur d’intensité des contraintes |
La Figure 1 révèle que la vitesse de fissuration augmente avec la valeur du facteur d’intensité des contraintes, comme attendu. Aucun temps d’incubation n’est observé entre la mise en charge et le début de la propagation.
Il semble que le principe de similitude ne soit pas respecté : en effet le comportement en fissuration diffère d’une éprouvette à une autre malgré des conditions de prélèvement et de chargement mécanique similaires, notamment sur la vitesse de propagation, les chutes de vitesses, l’arrêt ou non de propagation, la durée de vie. Une variabilité est aussi constatée lors des essais de ténacité et laisse penser qu’il y a une implication directe de la microstructure sur le phénomène et les résultats mécaniques. De plus, des observations EBSD révèlent que la fissure suit le plan basal dans les macro-zones (dont la taille est du même ordre de grandeur que les zones où la vitesse de fissuration chute en Figure 1) mais pas en dehors, confirmant le rôle important de la microstructure dans la fissuration sous charge constante.
Des essais de SLC seront conduits sur le matériau pré-chargé en hydrogène afin d’évaluer l’impact de la fraction O/H sur les durées de vie et les vitesses de propagation. Par ailleurs l’analyse du chemin de fissuration en regard des plans cristallins sera réalisée, en couplant observations MEB, EBSD ainsi qu’une étude des effets de l’orientation des plans de fissuration vis-à-vis de la tôle afin d’étudier l’impact de la microstructure. Des observations MET, de nano-indentation, de l’état de contrainte local sont à l’étude afin d’évaluer le rôle joué par les solutés sur la plasticité locale.
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