Microstructure evolution during direct impact loading of commercial purity α-titanium with harmonic structure design

Direct impact loading of pure harmonic α-Ti

Évolution microstructurale sous impact direct du titane pure de structure harmonique

¹ Université Paris 13, Sorbonne Paris Cité, LSPM-CNRS, UPR 3407, 99 avenue Jean Baptiste Clément, 93430 Villetaneuse, France
dirras@univ-paris13.fr
² Department of Mechanical Engineering, Faculty of Science and Engineering, Ritsumeikan University, 525-8577 Kusatsu, Japan
³ Graduate student, Ristumeikan University: Present address: Research Laboratory, IHI Corporation, 235-8501 Yokohama, Japan

Received: 24 February 2015
Accepted: 21 May 2015

Abstract

Commercially pure α-titanium powder was subjected to mechanical milling, after which each powder particle exhibited a core-shell-like structure consisting of coarse and fine grains, respectively. Subsequently, spark plasma sintering was used to consolidate the severe plastically deformed powder. Bulk samples made of a 3D network of continuously connected shells, hereafter referred to as harmonic structure, were obtained. The dynamic response of the processed samples was tested using a direct impact Hopkinson pressure bars (DIHPB) at initial strain rate of 15 500 s^-1 corresponding to a velocity of 50 m.s^-1, and at fixed axial strains of 20, 50 and 90%. For the strain of 20%, both compression and tensile twins dominate the coarse-grained core. At the same time, [0001] texture fiber developed in the core, while the grain in the shell rotated toward the axis parallel to the impact direction. At a strain of 50% the grains in the shell rotated further and reinforced the [0001] texture fiber, while in the same time twinning frequency saturated in the core. Increasing the strain to 90% resulted in quasi-disappearance of twins. Tortuous localization bands 25–30 μm wide were observed whose microstructural characteristics suggest dynamic recrystallization as a consequence of adiabatic heating.

Résumé

Une poudre commercialement pure de titane α a été soumise à un broyage mécanique, après quoi chaque particule de poudre présentait une structure de type noyau-coquille constituée de grains micrométriques et grains fins respectivement. Suite à une consolidation par frittage flash, des échantillons massifs constitués d’un réseau de coquilles à grains fins reliés en 3D ont été obtenus. Cette microstructure est dite harmonique. La réponse dynamique des échantillons a été testée par impact direct aux barres de Hopkinson à un taux de déformation initiale de 15 500 s^-1 correspondant à une vitesse initiale d’impact de 50 ms^-1, pour des déformations axiales fixées à de 20, 50 et 90 %. À 20 % de déformation axiale, la microstructure dans le noyau est caractérisée par une forte présence des macles de compression et de traction. Les grains dans le noyau sont orientés suivant l’axe [0001] et les grains de la coquille suivant l’axe , parallèlement à la direction de l’impact. À 50 % de déformation, les grains dans la coquille ont continué à tourner pour renforcer l’orientation [0001] parallèlement à l’axe de compression et le maclage semble stagner dans l’ensemble du matériau. L’augmentation de la déformation à 90 % aboutit à la disparition totale des macles et à l’apparition de bandes de localisation tortueuses de 25–30 μm de large, dont les caractéristiques microstructurales suggèrent une recristallisation dynamique conséquence d’un échauffement adiabatique.