Investigation of the martensitic transformation and the deformation mechanisms occurring in the superelastic Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy

Les alliages de titane sont actuellement très utilisés comme implants orthopédiques de part leurs bonnes propriétés mécaniques, leur bonne résistance à la corrosion ainsi que leur excellente biocompatibilité. Cependant, l’alliage Ti-6Al-4V qui est le plus utilisé présente un module d'élasticité élevé (110GPa), ce qui peut provoquer le phénomène de « stress shielding » et finalement causer l’échec de l’implantation. De plus, l’utilisation à long terme de ce type d’alliage est remise en question à cause de la présence de certains éléments (Al et V) considérés comme cytotoxiques et/ou allergènes. Les alliages -métastables à base de titane peuvent être des candidats de remplacement intéressants grâce à l’addition d'éléments biocompatibles tel que Nb, Zr et Sn.L'alliage superélastique biocompatible de composition Ti-24Nb-4Zr-8Sn (% massique) a été étudié dans le cadre de cette thèse. Cet alliage montre des propriétés intéressantes telles qu’un bas module d’élasticité, une résistance mécanique élevée et une ductilité relativement importante.Dans ce travail de thèse, différents traitements thermomécaniques ont été réalisés afin d’obtenir des textures cristallographiques différentes. Les influences de changement de texture sur les propriétés mécaniques et la superélasticité ont été ainsi préalablement étudiées. La transformation martensitique a été caractérisée par des essais in situ de diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron (SXRD) pendant une sollicitation mécanique et par analyse mécanique dynamique (DMA) sous différentes contraintes statiques. De plus, les microstructures de déformation ont été observées par EBSD et MET pour caractériser précisément les mécanismes de déformation plastique, en particulier le maclage.Titanium alloys have already been extensively used as orthopedic implants due to the good mechanical properties, corrosion resistance and excellent biocompability. However, the most widely used Ti-6Al-4V alloy exhibits high elastic modulus (110GPa) which would cause the stress shield effect and eventually lead to the implantation failure. Furthermore, elements of Al and V are proved to be toxic for long-term application. Low modulus metastable titanium alloy can be a suitable candidate through proper addition of non-toxic alloying element such as Nb, Zr and Sn.The present investigated Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy is a new -type metastable alloy potentially interesting for biomedical applications. This alloy displays high strength, low elastic modulus, high ductility, superelastic property and good biocompatibility according to previous investigations.In this work, the as-cold rolled Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy was subjected to different thermo-mechanical treatments in order to introduce different crystallographic texture. Influences of texture change on mechanical properties and superelasticity have been preliminarily studied. Martensitic transformation which is responsible for the superelasticity has been characterized by both in situ synchrotron X-ray diffraction and dynamic mechanical analysis. Moreover, deformed microstructures have been observed by EBSD and TEM to characterize precisely the plastic deformation mechanisms, and particularly the twinning