Influence of the microstructure on the mechanical behavior of Ti-6Al-4V titanium alloy : experimental study and multi-scale numerical modeling

L’amélioration des performances mécaniques des matériaux utilisés dans l’aéronautique repose généralement sur la compréhension de la relation entre les paramètres microstructuraux et le comportement mécanique macroscopique. De plus, le caractère hétérogène et anisotrope de la plupart des matériaux métalliques, notamment l’alliage de titane Ti-6Al-4V, implique une étude assez approfondie à l’échelle locale. Ce travail constitue une contribution dans ce domaine. Il a pour but d’analyser le comportement mécanique de l’alliage Ti-6Al-4V soumis à des sollicitations monotones et cycliques en lien avec la microstructure. Des caractérisations microstructurales ont été tout d’abord effectuées sur des microstructures nodulaires de Ti-6Al-4V possédant la même texture cristallographique mais avec trois tailles de grain différentes : ultra fine, fine et standard, puis sur des microstructures possédant la même taille de grain mais avec deux textures différentes : forte et faible. Dans une deuxième étape, des essais mécaniques monotones et cycliques ont été réalisés. Les résultats de cette partie ont permis le développement d’un modèle à l’échelle macroscopique. Par la suite, une technique d’analyse des traces de glissement a été développée dont l’objectif est d’identifier la contribution de différents systèmes de glissement dans l’accommodation de la déformation plastique. La dernière partie de cette thèse a été consacrée au développement d’un modèle de plasticité cristalline couplé à la méthode des éléments finis (Crystal Plasticity Finite Element Method (CPFEM)) permettant d’analyser l’effet couplé de la taille moyenne des grains, leur dispersion relative et leur texture cristallographique sur le comportement obtenu aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique. Les paramètres du modèle ont été identifiés en utilisant des techniques appropriées de transition d’échelles en champs moyens. Les Volumes Élémentaires Représentatifs (VER) utilisés dans le modèle ont été optimisés en considérant deux contraintes majeures : un nombre de grains représentatif et un maillage adéquat. Les simulations numériques ont été réalisées par le biais du code de calcul éléments finis Abaqus/Standard interfacé par la librairie ZMAT.Improving the mechanical performances of materials used in aeronautics industry is generally based on the understanding of the relationships between their microstructural features and their mechanical behavior observed at the macroscopic scale. In addition, the heterogeneous and the anisotropic nature of many materials, in particular Ti-6Al-4V titanium alloy, implies a rather detailed investigation of the mechanical behavior at the local scale. This PhD work is a contribution to analyze the mechanical behavior of the Ti-6Al-4V alloy submitted to monotonic and cyclic loadings by considering relationship with the microstructure features. Microstructural characterizations were first performed on nodular Ti-6Al-4V microstructures with identical crystallographic texture and three different grain sizes (ultra fine, fine and standard), then on microstructures with the same grain size but two texturing degrees (strong texturing and weak) were assessed. In a second step, mechanical tensile and cyclic experiences were carried out. The results were used in development of a model with a macroscopic approach. Subsequently, a sliding trace analysis technique was developed in order to identify the contribution of different sliding systems on the accommodation of plastic deformation during the tensile or cyclic loadings. The final part of PhD work was dedicated to the development of a Crystal Plasticity-Finite Element model (CPFEM) to analyze the coupled effect of the average grain sizes, their relative scattering and crystallographic textures on the mechanical behavior at different scales: microscopic (sliding mechanism), mesoscopic (grains) and macroscopic scales. The model parameters were identified using appropriate techniques for the scale transitions. The Representative Volume Element (RVE) necessary for such modeling has been optimized with two constraints: a representative number of grains and an adequate meshing in terms of numbers and type of elements. The numerical simulations were performed using Abaqus/ Standard finite element calculation code interfaced by ZMAT library