Propriétés mécaniques du TA6V

Les traitements thermiques réalisés sur le TA6V permettent d’obtenir une gamme importante de propriétés mécaniques élevées (Figure 24). Les grains du TA6V ne peuvent être modifiés par un quelconque traitement thermique, seul un traitement thermo-mécanique peut diminuer la taille de grains par recristallisation [IVA99, SER65, COM95].

Propriétés mécaniques en traction

Les éléments d’alliage ont également une influence sur le module d’Young. De façon générale, les éléments de substitution ou d’insertion stabilisant la phase alpha tendent à augmenter le module d’Young alors que les éléments bêtagènes le réduisent [CON81 tiré de LEE90].

La morphologie des phases a relativement peu d’importance sur le module d’Young comparé à l’influence de la nature des phases, en particulier la nature et l’instabilité de la seconde phase (m, ’ ou ’’) [LEE90].

La transformation de la phase bêta métastable en martensite orthorhombique ’’ entraîne une diminution notable du module d’Young [LEE90]. La Figure 32a représente l’évolution du module d’Young en fonction de la température de trempe : un minimum est observé aux alentours de 800°C, température de transformation de la phase bêta métastable en martensite orthorhombique ’’. Le module de la phase  est de 113 GPa (très proche de celui de la phase ’) tandis que le module de la phase mixte ’’ est de 74 GPa, ce qui explique la baisse de module d’Young pour des températures de revenu avoisinant les 800°C [LEE90]. Contrairement à la plupart des matériaux, les traitements thermiques auxquels le TA6V est soumis ont une forte influence sur son module d’Young [LEE90]. La Figure 32b et la Figure 32c montrent l’influence de la température et du temps de revenu sur le module d’Young. Le module d’élasticité s’accroît avec le temps de revenu et l’amplitude de cet accroissement dépend de la température de revenu mais aussi de la température de remise en solution effectuée avant le revenu. L’influence des revenus sur le module d’élasticité commence aux basses températures (dès 200°C) bien que la diffusion des éléments interstitiels et de substitution dans les phases  et  soit négligeable. Des contraintes résiduelles présentes au sein des phases métastables m, ’ ou ’’ peuvent induire ces changements de propriétés élastiques [LEE90].

Figure 32 - Evolution du module d’Young du TA6V (contenant 0,24 wt.% d’oxygène) en fonction de la température de trempe (a) ainsi que du temps et de la température de revenu (b et c)[LEE90]

Bien qu’elle ait peu d’influence sur le module d’Young, la morphologie des phases joue sur les propriétés de résistance à la traction, de résistance à la rupture et de fatigue [PET83].

La présence de phases hors d’équilibre dans le TA6V telles que ’ ou  métastable entraîne une augmentation de la limite d’élasticité et de la résistance maximale à la traction [DAJ91, LAM90]. Ainsi, suite à un traitement thermique dans le domaine bêta, la résistance maximale à la traction ainsi que la limite d’élasticité ont tendance à augmenter lorsque la vitesse de trempe croît [GIL01]. Elles augmentent de façon modérée pour des vitesses de trempe permettant d’obtenir la microstructure de Widmanstätten puis croissent rapidement lorsque la vitesse de trempe est suffisamment élevée pour engendrer la transformation martensitique de la phase bêta (Figure 33a). La ductilité a tendance à diminuer lorsque la vitesse de trempe augmente (Figure 24, Figure 33b). En effet, un accroissement de la température de remise en solution avant trempe conduit à une diminution de la ductilité associée à une augmentation de la dureté [COM95].

(a) (b) (c)

Figure 33 – Evolution (a) de la limite d’élasticité et de la résistance à la traction (b) de la ductilité du TA6V en fonction de la vitesse de trempe depuis le domaine  [GIL01]

Pour un traitement thermique de revenu dans le domaine , la limite d’élasticité et la résistance maximale à la traction augmentent légèrement avec la température de revenu jusqu’à 600°C, atteignent un maximum à 700°C puis décroissent jusqu’au transus bêta (Figure 34) [HAD77]. L’allongement augmente assez fortement avec la température de revenu jusqu’à atteindre un maximum à 700°C, puis décroît rapidement jusqu’au transus [HAD77, JOV06]. La restauration de la ductilité jusqu’à une température de revenu de 700°C, s’accompagnant d’une diminution de la dureté, peut s’expliquer par l’élimination lors du revenu des contraintes résiduelles provoquées par la trempe à 1050°C réalisée préalablement [HAD77]. Ce sont des contraintes d’origine thermique ou stérique résultantes de la variation relative de volume liée à la transformation ’ [HAD77]. Ces contraintes ne sont cependant pas suffisantes pour déclencher un phénomène de recristallisation. Aux alentours de 700°C, la phase bêta commence à apparaître suite à la décomposition de la phase ’. L’alliage présente un maximum de ductilité accompagné d’une baisse de dureté. La diminution de l’allongement à rupture pour des températures de revenu supérieures à 700°C s’explique par l’augmentation de phase bêta qui se transforme en martensite lors de la trempe à l’air après revenu [HAD77]. D’autres auteurs constatent une baisse de résistance pour des revenus autour de 820°C et l’explique par la précipitation de phase ’’ [COM95]. 

Figure 34 - Influence de la température de revenu dans le domaine  (15h suivis d’une trempe à l’air) après une trempe depuis le domaine bêta (1050°C-2h puis trempe à l’huile) sur les propriétés mécaniques du TA6V.

Dureté des phases du TA6V

La dureté du TA6V dépend fortement des phases en présence, de la vitesse de trempe, de la température de revenu [JOV06], du taux d’interstitiels [KAH86] et des contraintes résiduelles [HAJ77]. Les éléments interstitiels (O, C, N) étant plus solubles dans la phase  que dans la phase , la martensite ’ est plus douce que les phases d’équilibre , et la décomposition de la martensite ’ conduit à un pic de durcissement [DES04] (Figure 31). La précipitation fine de la phase , résultant du vieillissement et de la transformation ’ ou m, durcit la matrice. Néanmoins, le durcissement par les éléments interstitiels a plus de potentialités que le durcissement structural car il conduit à de plus forts durcissements [DES04].

Des contradictions concernant les duretés relatives des phases ont été rencontrées dans la littérature et le fait que la dureté soit influencée par des facteurs multiples peut peut-être expliquer cela. Ainsi, certains auteurs décrivent la martensite ’ comme étant une phase plus douce que la phase  [CAS66, GIL96, DES04] alors que d’autres auteurs [JOV06, HAD77, KAH86] s’accordent à dire que la dureté est maximale après une trempe dans le domaine bêta lorsque la microstructure est martensitique, puis lors de revenus en température, la dureté décroît jusqu’à atteindre un minimum à 700°C et enfin augmente jusqu’au transus bêta (Figure 34). Le durcissement semble lié à la quantité et à l’instabilité des phases obtenues par trempe [SER65]. La baisse de dureté qui apparaît pour des températures de revenu jusqu’à 700°C s’explique par la relaxation des contraintes résiduelles provoquées par la trempe précédant le revenu [HAD77]. Puis, une baisse importante de dureté peut intervenir pour des revenus autour de 800°C : cette diminution semble due à la transformation de la phase bêta métastable en martensite orthorhombique ’’ apparaissant lors de la trempe à l’issue de revenus aux alentours de 700-800°C [KAH86, LEE90]. La température pour laquelle intervient le minimum de dureté, c’est-à-dire la température d’apparition de la phase orthorhombique ’’, varie en fonction de la teneur en oxygène : elle est décalée vers les hautes températures pour des concentrations croissantes en oxygène (Figure 35b) [KAH86].