Caractérisation expérimentale et modélisation numérique du comportement endommageable de tôles en alliage de titane Ti-6Al-4V pour la mise en forme de composants aéronautiques

Abstract

Le secteur aéronautique constitue l'un des principaux domaines d'utilisation des alliages de titane. Grâce à leur excellente résistance spécifique, leur résistance à la corrosion et leur bonne tenue mécanique à haute température, ils répondent aux différentes problématiques rencontrées lors de la conception d'aéronefs. Certaines pièces critiques sont alors fabriquées à partir de tôles d'alliages de titane, et plus particulièrement en alliage Ti-6Al-4V, au moyen de différents procédés de mise en forme tels que l'emboutissage à température ambiante, formage superplastique (SPF) à très haute température et le formage à chaud (HF). Cette thèse s'inscrit dans une démarche visant à réduire les coûts énergétiques et les temps de cycle associés au formage à chaud, en abaissant la température de mise en forme et/ou en augmentant la vitesse de déformation. Dans ce contexte, il est nécessaire de caractériser le comportement de l'alliage Ti-6Al-4V sous des sollicitations mécaniques isothermes représentatives, comprises entre 400 °C et 700 °C, pour des vitesses allant de 10−4 s−1 à 10−2 s−1. L'étude prend également en compte l'influence de la microstructure initiale de l'alliage sur son comportement mécanique, à travers l'analyse de deux états initiaux distincts, différant par la taille des grains, leur morphologie et la texture cristallographique. Les caractérisations expérimentales ont permis d'identifier les paramètres d'un modèle de comportement élasto-viscoplastique isotrope incluant les propriétés élastiques, la loi de viscoplasticité et l'écrouissage. Ce modèle a ensuite été implémenté dans le logiciel de calcul par éléments finis Abaqus® via la suite ZSET®. Parallèlement, des observations microstructurales et des caractérisations fines ont permis de décrire l'évolution des microstructures sous les conditions de sollicitations étudiées. La mise en évidence de micro-cavités dans le matériau après déformation a conduit à l'adoption du modèle d'endommagement de Gurson-Tvergaard-Needleman (GTN), déjà utilisé pour décrire l'endommagement de l'alliage Ti-6Al-4V à température ambiante. Trois formulations proposées du critère de GTN ont été analysées afin de prédire l'endommagement. La dernière formulation améliore le calcul de l'endommagement pour l'ensemble des conditions de températures et de vitesse de déformation, tout en offrant une meilleure reproduction des courbes expérimentales.