Dans un contexte de renouveau métallurgique et d'une quête continue de solutions matériaux aux propriétés améliorées, un nouveau concept a été mis en place pour concevoir et développer des microstructures hétérogènes à gradient de taille des grains, dites harmoniques. Celles-ci sont constituées d'un réseau 3D interconnecté (le squelette) à grains ultrafins entourant un cœur polycristallin à gros grains. Mécaniquement, ces alliages présentent une meilleure résistance mécanique tout en conservant une excellente ductilité, deux propriétés antagonistes habituellement. Dans le cadre du projet ANR HighSTi (LSPM, IJL PPRIME, CEMES), ce design a été développé aux alliages de Ti, et en particulier à l'alliage bêta Ti-Nb-Zr. Ceux-ci sont en effet d'excellents candidats comme matériau de prothèse car ils présentent une rigidité proche de l'os, ce qui assure une meilleure biocompatibilité mécanique.

Les mécanismes fondamentaux de la déformation plastique ont été étudiés à la fois après essais mécaniques et in-situ dans un microscope électronique à transmission (MET), dans un alliage conventionnel et dans la nuance harmonique. Nous montrons que ces mécanismes sont radicalement différents : l'alliage harmonique se déforme par le glissement des dislocations qui viennent s'accumuler en bordure du squelette avant d'y être transmises. L'alliage conventionnel se déforme, non seulement par glissement des dislocations, mais aussi par la propagation de bandes composées de macles d'un type inhabituel dans les alliages cubiques centrés. En combinant, cartographie d'orientation en MET et déformation in-situ, nous avons été capables de montrer que ce maclage était précédé par l'apparition de martensite et reproduisait la morphologie des bandes de déformation. Par conséquent, il est probable que le maclage résulte de la relaxation de la martensite. Dans les deux cas, nous montrons que le durcissement de l'alliage est dû à l'existence d'ancrages localisés sur des amas d'atomes de solutés. Les mesures de contrainte à l'échelle de la dislocation individuelle sont comparables aux mesures mécaniques macroscopiques. La différence de comportement entre les deux alliages est attribuée à la fois à l'existence d'hétérogénéités chimiques pouvant apparaître au cours de l'élaboration, et l'existence de mécanismes de redistribution des déformations dans le squelette de la structure harmonique.

Référence

Conventional vs Harmonic-structured β-Ti-25Nb-25Zr alloys : a comparative study of deformation mechanisms,
F. Mompiou, D. Tingaud, Y. Chang, B. Gault, G. Dirras,
Acta Materialia, Volume 161, December 2018, Pages 420-430,
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.09.032

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Dr. Frédéric MOMPIOU, CEMES (CNRS)