Fatigue crack initiation in Ti-6Al-4V

Crack initiation and growth have been investigated on a forged Ti-6Al-4V, which grain size is around 10μm. A “ghost” structure, constituted of millimetric grains, that we have labelled macrozones, is also observed. X-ray measurements point out the crystallographic character of the macrostructure, each macrozone being related to a dominant α-phase orientation. The cracking process is strongly inhomogeneous, since crack density, crack growth rate and crack orientation exhibit large variations from one macrozone to another. Furthermore, crack growth is found to result from two different mechanisms, “pure” crack propagation and crack coalescence. The importance of the crack coalescence contribution to crack growth is controlled by the macrozone crystallographic orientation and therefore differs from one macrozone to another. At the opposite, “pure” crack propagation seems to be nearly insensitive to crystallographic parameters and therefore does not depend on the macrozone considered. It also appears that “pure” crack propagation behaviour could be compared to short crack one, since “pure” propagation rate versus ΔK is constant for crack length less than 700μm.Ce travail a porté sur l'étude des mécanismes d'amorçage de fissures de fatigue dans l'alliage Ti-6Al-4V. Il a permis de mettre en évidence l'existence d'une structure fantôme, associée à l'hérédité structurale des alliages de titane, et composée de grains dont les dimensions sont près de 100 fois supérieures à la taille microstructurale. Nos travaux ont montré que ces grains millimétriques, que nous avons nommés ‘macrozones', peuvent avoir une influence marquée sur la réponse mécanique locale du matériau, ainsi que sur les mécanismes de fissuration. Des mesures en rayons X ont montré qu'en première approximation, les macrozones constituent des plages au sein desquelles la phase α possède une orientation cristallographique majoritaire. Une analyse complémentaire en EBSD a en outre révélé l'existence d'orientations secondaires qui correspondent à des variants de Bürgers de l'orientation principale. D'autre part, les orientations cristallographiques des macrozones voisines ne respectent pas la relation de Bürgers ; nous pensons donc que les macrozones correspondent aux ex-grains β. Afin de caractériser les premiers stades de fissuration en fatigue, des essais de flexion pure ont été réalisés. La fissuration est apparue très hétérogène à l'échelle des macrozones. Dans chaque macrozone, les fissures formées sont situées soit dans le plan de base, soit dans l'un des plans prismatiques, suivant le système de glissement ayant la cission résolue maximale. Outre l'orientation cristallographique de la macrozone, la densité de fissuration dépend également de l'orientation de la direction de glissement par rapport à la surface. Finalement, nous avons pu établir une loi d'évolution de la densité de fissuration en fonction de l'amplitude de cisaillement et de l'orientation cristallographique de la macrozone vis-à-vis de la sollicitation et de la surface. Notre étude a également montré que deux mécanismes distincts interviennent lors de la propagation des fissures : la coalescence de fissures entre elles et la propagation pure. L'importance de la coalescence croît avec la densité d'amorçage de la macrozone et est donc liée à son orientation cristallographique. Au contraire, la propagation pure ne dépend que très peu de l'orientation cristallographique des macrozones. De plus, lorsque la taille de la fissure est inférieure à celle de la macrozone, la propagation pure s'apparente à un régime de fissure courte dont la principale barrière microstructurale est l'interface entre macrozones. D'autre part, des observations expérimentales ont montré qu'au-delà de 500 µm, la propagation d'une fissure en fond d'entaille suit une loi de Paris. L'ensemble de ces résultats nous a permis de proposer un modèle de propagation de fissure en fond d'entaille. Enfin, un modèle prédictif de durée de vie a été construit, fondé sur des calculs de facteurs de Schmid dans des macrozones assimilées à des monocristaux de titane-α. Ce modèle permet une bonne approximation des durées de vie minimales d'éprouvettes lisses. Il fournit en outre une bonne compréhension des fortes variations de durées de vie d'éprouvettes entaillées, en considérant l'orientation cristallographique de la macrozone située dans la zone d'amorçage