Mechanical hysteresis of the MAX phase Ti2AlN: A nano-mechanical testing study

MAX phases are nano-lamellar ternary carbides and nitrides, with a hexagonal crystallographic structure. These materials combine several properties of metals and ceramics, which give them a high potential for technological applications. Their mechanical properties are characterized by a high stiffness and a relatively low yield strength More surprisingly, deformation tests on MAX phases reveal a mechanical hysteresis. At a macroscopic scale, in polycrystalline samples, several studies have shown that this behavior could be related to load transfers from grain to grain. However, a mechanical hysteresis is also observed in single crystals. In this work, the mechanical hysteresis and the plasticity of the MAX phase Ti2AlN has been studied at small scale by using nanoindentation tests with a spherical tip and micro-pillar compression tests. In both cases, cyclic loadings have been applied in single grains, for different crystallographic orientations, previously determined by EBSD. These cyclic loadings, with partial unloadings (cf. figure 1), have revealed a same behavior in nanoindentation tests and in micro-pillars compression test. In both cases, the unloading curves show an elastic behavior followed by a plastic recovery at low load. Furthermore, this mechanical hysteresis is related to the crystallographic orientation since the energy dissipated during the cycles is shown to be minimum when the basal plane is perpendicular or parallel to the indentation (or compression) axis. Please click Additional Files below to see the full abstract

On the possible role of hydrogen in the formation of fatigue striation in a moist atmosphere

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Étude numérique des champs mécaniques locaux dans les agrégats polycristallins sous chargements cycliques

Dans les pièces mécaniques soumises à des sollicitations cycliques, les déformations répétées engendrent le phénomène de fatigue. Dans le cas des polycristaux, on constate une localisation de ces déformations qui conduit à la formation de fissures courtes dont l'amorçage et la micropropagation sont pilotés par les paramètres de la microstructure du matériau, comme l'orientation des grains et les joints de grains. Cette dépendance, associée aux multitudes de configurations microstructurales possibles, explique la forte dispersion des résultats d'essais en fatigue. L'étude numérique proposée se base sur des calculs d'agrégats polycristallins par Éléments Finis avec un modèle de plasticité cristalline sous différentes conditions de chargements cycliques. Ces derniers sont réalisés sur des microstructures tridimensionnelles synthétiques (décomposition de Voronoï) et réelles (EBSD avec polissages successifs). Plusieurs configurations d'orientations sont prises en compte afin de reproduire les effets de dispersion observés expérimentalement. Les résultats des simulations sont analysés au cas par cas d'une part, et par traitement statistique d'autre part. L'objectif est de rendre compte de l'effet des paramètres de la microstructure, tels que le facteur de Schmid sur la formation des fissures courtes de fatigue. Les marches d'extrusion et intrusion en surface, considérés comme les sites critiques menant à l'amorçage des fissures courtes, sont reproduites numériquement et comparées à la microstructure réelle fissurée. La prédiction de ces marches est en bonne concordance avec les observations expérimentales, dès lors qu'elles apparaissent dans des grains assez larges en surface. On observe également une nocivité accrue sous chargement équibiaxial. L'analyse des distributions des champs locaux permet d'analyser quantitativement l'hétérogénéité des contraintes à l'échelle locale

Multiscale modeling of the elasto-plastic behavior of architectured and nanostructured Cu-Nb composite wires and comparison with neutron diffraction experiments

Nanostructured and architectured copper niobium composite wires are excellent candidates for the generation of intense pulsed magnetic fields ( 100T) as they combine both high strength and high electrical conductivity. Multi-scaled Cu-Nb wires are fabricated by accumulative drawing and bundling (a severe plastic deformation technique), leading to a multiscale, architectured, and nanostructured microstructure exhibiting a strong fiber crystallographic texture and elongated grain shape along the wire axis. This paper presents a comprehensive study of the effective elastoplastic behavior of this composite material by using two different approaches to model the microstructural features: full-field finite elements and mean-field modeling. As the material exhibits several characteristic scales, an original hierarchical strategy is proposed based on iterative scale transition steps from the nanometric grain scale to the millimetric macro-scale. The best modeling strategy is selected to estimate reliably the effective elasto-plastic behavior of Cu-Nb wires with minimum computational time. Finally, for the first time, the models are confronted to tensile tests and in-situ neutron diffraction experimental data with a good agreement

Effets d'une implantation ionique ou d'un mixage ionique dynamique sur le comportement en fatigue des metaux

SIGLEAvailable from INIST (FR), Document Supply Service, under shelf-number : T 81307 / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Analyse multi-échelles des relations microstructure/propriétés mécaniques sous sollicitation monotone et cyclique des alliages de titane b-métastable

L amélioration des performances spécifiques des alliages métalliques de l aéronautique est une démarche constante. Les alliages de titane sont des matériaux privilégiés par les constructeurs aéronautiques car ils allient hautes propriétés mécaniques et faible densité.Parmi ces matériaux, les alliages b-métastables qui ont pour particularité de retenir jusqu à 40% de phase b connaissent un fort regain d intérêt pour les motoristes (Ti-17) comme pour des applications de structure type trains d atterrissage (Ti-5553 et Ti-10-2-3). Ce travail a pour but d analyser le comportement mécanique et la durabilité de ces alliages soumis à des sollicitations monotones et cycliques en lien avec les microstructures.Des essais mécaniques ont pour cela été développés à partir de différentes microstructures métallurgiques qu elles soient issues d un traitement industriel ou spécifique visant à simplifier ces dernières. Les mécanismes de déformation (systèmes de glissement) et d endommagement (amorçage de fissures) ont été identifiés et analysés à différentes échelles par microcopie optique et électronique à balayage en intégrant les notions d orientation cristallographique (EBSD). Le recours à des essais réalisés in situ sous microscope (optique et MEB) et à une métrologie adaptée aux échelles pertinentes a permis d identifier les éléments micro-structuraux clés et les cinétiques de développement de ces processus. Un des faits marquants est le rôle majeur de l anisotropie de propriétés mécaniques de la phase b qui a également fait l objet de simulations numériques.The improvement of specific performances of metallic materials used for aerospaceapplications needs continuous researches and developments. Titanium alloys are materials ofchoice for aerospace companies thanks to their high mechanical properties and low density.Among them, the b-metastable alloys that retain up to 40% of b phase are more and moreintroduced in aircraft engines (Ti-17) and for structural parts (e.g. landing gears in Ti-5553and Ti-10-2-3).This work aims to analyse the mechanical behaviour and durability of these alloyssubmitted to monotonic or cyclic loadings. Mechanical tests have been developed on differentindustrial microstructures as on academic simplified ones produced by specific thermaltreatments. Deformation mechanisms (slip systems) and damage processes (cracks initiation)were identified and analyzed at different scales using microscopes (optical and SEM) andcrystallographic features were studied by EBSD. Specific in situ tests performed undermicroscopes (optical and SEM) and digital images correlation techniques at scales of interesthave permitted to identify and to quantify the key microstructural parameters and the kineticsof these processes. One major result concerns the influence of the anisotropy of mechanicalproperties associated to the b phase.POITIERS-ENS Mécanique Aérot (860622301) / SudocSudocFranceF

Apport des techniques d'analyse locale EBSD et AFM à l'étude de l'émergence des bandes de glissement induites par fatigue dans l'acier inoxydable 316L (influence de couches minces)

Cette thèse vise à évaluer ce que les techniques d'analyses locales récentes que sont l'EBSD et l'AFM permettent d'apporter dans l'étude des conditions de déformation et d'endommagement en surface d'un acier inoxydable 316L sollicité en fatigue (LCF). Une première partie concerne la caractérisation de la structure fine des bandes de glissements produites au cours du cyclage. La morphologie des extrusions-intrusions y est étudiée à l'échelle nanométrique (AFM) en relation directe avec les configurations cristallographiques locales (EBSD). L'influence de l'air ambiant y est étudiée par comparaison avec des résultats établis sous vide. Une seconde partie porte sur les effets induits par deux couches minces influant sur les processus d'émergence des bandes de glissement : un film (0,1æm) de NiTi de structure amorphe ayant des effets bénéfiques sur la durée de vie du 316L et une couche d'oxydes produite à haute température dont les caractéristiques dépendent de l'orientation des grains du substrat.The local surface deformation damage processes induced by fatigue (LCF) in the 316L stainless steel have been analysed by coupling the two recent Electron Back Scattering Diffraction and Atomic Force Microscopy techniques. A first part relates to the fine structures of persistent slip bands : the morphology of the extrusions-intrusions is studied at a nanometric scale (AFM) in direct relationship with the local cristallographic configuration (EBSD). The influence of the ambient air is studied by comparison with results established in vacuum. The second part concerns the effects induced on the emergence of slip bands by two coatings : an homogeneous and amorphous thin NiTi film (0.1 æm) known to increase the fatigue life of the 316L and an oxide layer produced at 600ʿC whose characteristics depend on the orientation of the grains of the substrate.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

On the mechanism of fatigue and dwell-fatigue crack initiation in Ti-6Al-4V

International audienceIn the present study, the mechanism of fatigue and dwell-fatigue crack initiation was investigated in Ti-6Al-4V with a bi-modal microstructure. While substantial dwell-fatigue life debit was evidenced, microstructural configurations associated with crack nucleation are similar and suggest a unique mechanism for fatigue and dwell-fatigue loadings. Pairs of α grains well oriented for basal slip and separated by a (0001) twist grain boundary were found to be critical configurations for crack initiation. Intense slip is localized at the boundary and precedes crack formation along this boundary. Data from a prior fatigue study was revisited and supports the occurrence of this mechanism

Comportement et endommagement en fatigue et fatigue-fluage à haute température de différents états microstructuraux du superalliage base-nickel Udimet 720

Les industriels de l'aéronautique et de l'énergie cherchent continuellement à accroître les températures de fonctionnement de leurs turbomachines dans un souci de rendement et de diminution des émissions polluantes. L'amélioration de la durabilité des composants constitue également une de leurs priorités. Dans ce contexte, la résistance mécanique des superalliages à base de nickel polycristallins utilisés pour les disques de turbines est un point clef. Cette thèse porte sur les modes de déformation et d'endommagement qui se développent à 700C lors de sollicitations mécaniques de type fatigue, fluage et fatigue-fluage au sein de deux structures métallurgiques différentes de l'alliage Udimet 720. Les différences de comportement mécanique sont analysées au travers des structures de dislocations et de l'évolution des mécanismes qui opèrent à cette échelle. Le rôle des conditions de chargement (s, Dt) et de la microstructure de précipitation g' multimodale est précisé notamment concernant la transition entre le cisaillement des précipités g' et leur contournement. En parallèle, les processus d'amorçage de fissures et de leur propagation sont caractérisés. Si une transition inter transgranulaire de la croissance des fissures est constatée pour certaines conditions de chargement, l'endommagement des joints de grains et de macles domine. Des interactions complexes fatigue-fluage-oxydation sont de plus mises en évidence par la réalisation d'essais mécaniques équivalents conduits sous air et sous vide. Dans le domaine de haute température exploré, la microstructure de précipitation de cet alliage n'est pas stable. Les effets d'un traitement de vieillissement ont été quantifiés ainsi que leurs répercussions sur le comportement mécanique et la durée de vie. Systématiquement les deux structures métallurgiques homogène et hétérogène ont été comparées.Industrialists of the aeronautic and energy fields are persistently trying to increase their turbomachine in-service temperatures in order to improve the engine efficiency and to decrease polluting emissions. This thesis deals with deformation mechanisms and damage processes that appears at 700C under fatigue, creep and creep-fatigue conditions in two different metallurgical structures of the Udimet 720 alloy. Mechanical behaviour differences have been analyzed through their dislocation microstructures and the evolution of the mechanisms operating at this scale. The influence of test conditions (s, Dt) and of the different scales g' precipitation has been detailed especially concerning the transition between shearing and by-passing processes of the g' precipitates. Besides, cracks initiation and propagation processes have been characterized. If an inter-transgranular transition in cracks growth has been observed under particular test conditions, the damage of grain boundaries and twin boundaries dominates. Moreover, complex creep-fatigue-oxidation interactions have been highlighted by equivalent mechanical tests conducted under air and vacuum. At high temperature, the microstructure of this alloy at the precipitation scale is not stable. Ageing treatment effects have been quantified as well as their repercussions on the mechanical behaviour and the durability. The homogeneous and heterogeneous metallurgical structures have been systematically compared.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF

Analyse expérimentale des modes de déformation et d'endommagement par fatigue à 20C d'alliage de titane (aspects cristallographiques à différentes échelles)

Une pièce industrielle en alliage de titane bimodal TA6V a été entièrement et précisément caractérisée par contrôle ultrasonore. S'en est suivi un prélèvement spécifique d'échantillons qui a permis de mettre en évidence une dispersion de durée de vie en fatigue à 20C. Ce matériau présente des textures morphologiques et cristallographiques ("macrozones") à différentes échelles. Dans ce contexte, une méthode expérimentale originale a été développée pour étudier les modes élémentaires de déformation et d'endommagement des alliages de titane polycristallins. A partir de mesures EBSD (diffraction des électrons rétrodiffusés) couplées à des essais de traction monotone in-situ (MEB) ainsi qu'à des essais de fatigue, la nature des systèmes de glissement activés et des sites d'amorçage de fissures (prismatique, basal et pyramidal) au sein du TA6V bimodal ont été précisément identifiés et analysés en relation avec l'orientation cristallographique locale. A ce niveau, un accent particulier a porté sur le rôle du facteur de Schmid. Les conditions microstructurales favorables à l'endommagement en fatigue ont été déterminées à différentes échelles : échelle microscopique de l'amorçage de fissures et mésoscopique des textures cristallographiques.An industrial piece in a duplex titanium alloy Ti-6Al-4V has been entirely and precisely characterized by an ultrasonic inspection. From a specific machining of specimens, a strong scattering in fatigue life time at room temperature has been revealed. This material presents some morphological and crystallographic textures at different scales. Within this context, an experimental method has been developed in order to study the elementary deformation and damage modes of polycrystalline titanium alloys. Through EBSD (electron backscattering diffraction) measurements coupled with in-situ (SEM) monotonic tensile tests and fatigue tests, the nature of the slip systems and the crack initiation sites (prismatic, basal and pyramidal) in the Ti-6Al-4V alloy have been precisely identified and analyzed in relation with the local crystallographic orientation. Concerning this point, a particular attention has been paid to the influence of the Schmid's factor. The local microstructural conditions favoring fatigue damage have been determined at different scales : microscopic scale of crack initiation and mesoscopic of crystallographic textures. An industrial piece in a duplex titanium alloy Ti-6Al-4V has been entirely and precisely characterized by an ultrasonic inspection. From a specific machining of specimens, a strong scattering in fatigue life time at room temperature has been revealed. This material presents some morphological and crystallographic textures at different scales. Within this context, an experimental method has been developed in order to study the elementary deformation and damage modes of polycrystalline titanium alloys. Through EBSD (electron backscattering diffraction) measurements coupled with in-situ (SEM) monotonic tensile tests and fatigue tests, the nature of the slip systems and the crack initiation sites (prismatic, basal and pyramidal) in the Ti-6Al-4V alloy have been precisely identified and analyzed in relation with the local crystallographic orientation. Concerning this point, a particular attention has been paid to the influence of the Schmid's factor. The local microstructural conditions favoring fatigue damage have been determined at different scales : microscopic scale of crack initiation and mesoscopic of crystallographic textures.POITIERS-BU Sciences (861942102) / SudocSudocFranceF