Lamellar grains distribution and plastic strain heterogeneities in TiAI cast samples. Experiments and modelling

¹ Service de Recherche en Métallurgie Appliquée, CEA Saclay, 91121 Gif sur Yvette, France
² Laboratoire de Mécanique des Solides, UMR CNRS 7649, École Polytechnique 91128, Palaiseau cedex, France

Résumé

Distribution des grains lamellaires et hétérogénéité de déformation plastique dans des alliages de fonderie a base TiAl. Expériences et modélisation. Pour certaines conditions de vitesse de refroidissement, les alliages de fonderie à base TiAl présentent une microstructure biphasée [ Ti₃Al (₂ )~{+}~TiAl (γ)] constituée de petits grains monophasés γ et de grains lamellaires biphasés (α); la distribution radiale des grains lamellaires génère alors une "macrostructure" dont la taille est commensurable à celle des barreaux. D'autre part, à cause de la forte anisotropie de comportement plastique des grains lamellaires (due au peu de systèmes de déformation activable et à l'influence de la morphologie des lamelles), la distribution de la déformation plastique du matériau est fortement influencée par une telle "macrostructure". L'hétérogénéité de déformation au sein du matériau est clairement mise en évidence au moyen d'une mesure de champ de déformation par corrélation d images appliquée à un essai de compression uniaxial réalisé sur une éprouvette à microstructure radiale. Il découle de cet essai qu'un échantillon avec une telle microstructure ne permet pas de définir un volume élémentaire représentatif du matériau. Il est alors difficile d'évaluer directement des paramètres matériaux tels que scissions critiques, limite d'élasticité écrouissage, etc. Afin de remédier à ce problème de non séparabilité des échelles, une approche basée sur un calcul de structure, qui prend en compte la description géométrique de la microstructure radiale ainsi que l' anisotropie de comportement mécanique au moyen d'un critère de Hill isotrope transverse, est présentée. L'optimisation des paramètres du critère de Hill par comparaison avec la réponse expérimentale à la fois à l'échelle macroscopique (courbe de comportement) et à l échelle locale (champ de déformation) conduit à une meilleure adéquation entre expérience et simulation. Cette étude met en évidence le risque qu'il y a de ne pas prendre en compte l'agencement de la microstructure: cela conduit à sous-estimer les niveaux de déformation plastique, ce qui pose problème pour des alliages aussi peu ductiles que les alliages à base TiAl.

Abstract

During the cooling of TiAl cast alloys, the distribution of the dual-phase lamellar grains [ Ti₃Al (α₂)~{+} TiAl (γ)] generates a so-called 'macrostructure'. Because of the highly anisotropic plastic behaviour of the lamellar grains, the distribution of the plastic strain is strongly influenced by such a macrostructure. This heterogeneity is clearly observed by means of a strainfield measurement technique applied to a compression test performed on a cast sample having a 'radial' macrostructure. As a result, a sample having such a macrostructure is not representative of the material and can not be used directly to evaluate 'material parameters'. Moreover the mechanical simulations of cast components should take into account such heterogeneities at the scale of the component. This strong influence is experimentally demonstrated and a way to take it into account in a mechanical simulation is proposed.