Transformations microstructurales lors de l’usinage des alliages de titane

1.2.5.1 Analyse de la microstructure des copeaux

Les deux grands mécanismes intervenant dans le processus de coupe des alliages de titane sont

l’endommagement et les mécanismes d’origine thermique (formation des bandes de

cisaillement adiabatiques) comme expliqué précédemment. Cependant, de plus en plus de

travaux tendent à s’orienter vers des transformations microstructurales pour expliquer le

comportement du matériau au cours du processus de formation du copeau, et leurs implications

dans la formation des bandes de cisaillement. En effet, la segmentation est due à une localisation

de la déformation plastique lors de l’écoulement du copeau. Cette localisation n’est possible

qu’avec un adoucissement ou une perte de rigidité de la matière. Les transformations

microstructurales impliquant une baisse de la contrainte d’écoulement (recristallisation,

restauration, transformation de phase) constituent donc une piste intéressante pour expliquer

l’origine de l’adoucissement responsable de la segmentation des copeaux. Les observations

microscopiques ont aussi permis de mieux comprendre les mécanismes d’endommagement se

manifestant par la formation de fissures. La Figure I. 18 présente les variations de morphologies

que peuvent présenter les copeaux de Ti-6Al-4V soumis à différentes températures. Cette étude

a été menée par Joshi et al. [31] qui ont noté la présence de fissures et de bandes de cisaillement

adiabatiques dans les copeaux segmentés de Ti-6Al-4V. En réalisant des essais de tournage

avec des pièces préchauffées à différentes température, ils ont pu observer un changement des

mécanismes dans le copeau. A température ambiante, des fissures traversant toute l’épaisseur

du copeau sont observées. En préchauffant la pièce usinée à différentes températures, allant de

100 à 350°C, ils ont noté que la fissure était de moins en moins importante et que la bande de

cisaillement adiabatique était de plus en plus grande. Ils ont considéré que la formation des

bandes de cisaillement était due à la recristallisation dynamique, un phénomène au cours duquel

les obstacles au mouvement des dislocations sont réduits. La recristallisation dynamique est un

phénomène thermiquement activé qui est de plus en plus important lorsque l’on augmente la

température au détriment des phénomènes d’endommagement qui sont favorisés lorsque la

température est faible et donc le matériau peu ductile.

Figure I. 18. Images MEB en électrons secondaires de copeaux de Ti-6Al-4V de pièces préchauffées à

différentes températures (20°C-350°C) [31] : (a) 20°C ; (b) 100°C, (c) 260°C, (d) 350°C.

Wan et al. [26] ont étudié les phénomènes qui se passent dans les bandes de cisaillement à

l’intérieur d’un copeau de Ti-6Al-4V. Ils ont observé pour différentes conditions d’usinage

l’évolution de la microstructure. Selon leur travail, une vitesse de coupe faible (30 et 59 m/min)

entraine une déformation plastique dans la bande de cisaillement. Une augmentation de cette

vitesse vers des valeurs plus élevées (81 et 126 m/min) entraine une transformation de phase

dans une partie seulement de la bande de cisaillement. A des vitesses de coupe élevées, la

microstructure de la bande de cisaillement est complétement transformée (178 et 281 m/min).

Cette évolution de la microstructure est illustrée par une image qui est reportée dans la Figure

I. 19. Ayant observé l’absence de fissures pour certaines conditions, Wan et al. [26] ont conclu

que la formation des copeaux segmentés est due au cisaillement adiabatique.

Figure I. 19. Microstructure dans un copeau de Ti-6Al-4V pour différentes vitesses de coupe (30,2m/min à

281m/min) [26]. (a) 30m/min, 59m/min, 81m/min, 126m/min, 178m/min, 281m/min.

La Figure I. 20 montre l’application de la technique EBSD sur des copeaux de Ti-6Al-4V pour

analyser l’évolution de leur microstructure. Un grain étant différent d’un autre par son

orientation cristalline, la technique d’EBSD permet de voir si le processus de formation des

copeaux a modifié la texture du matériau. La Figure I. 20(a) montre la microstructure observée

par Sagapuram et al. [32] et il apparait que la microstructure de la bande de cisaillement est

difficile à déterminer en raison de la forte déformation plastique. Shrock et al. [33] (Figure I.

20(b)) ont considéré qu’il y avait un changement de la taille des grains dans la bande de

cisaillement des copeaux.

(a) (b)

Figure I. 20. Analyse EBSD de copeaux de Ti-6Al-4V. (a) bande de cisaillement observée par Sagapuram et al.

[32]. (b) Observation réalisée par Shrock et al. [33]

Malgré la difficulté d’observer la microstructure à l’intérieur des bandes de cisaillement

adiabatique en raison des fortes déformations plastiques, Courbon [34] a pu identifier le

phénomène de recristallisation dynamique dans un copeau segmenté d’acier C45 (Figure I. 21).

Les grains dans les zones de cisaillements primaire et secondaire sont nanométriques et de

tailles nettement plus faibles que ceux du matériau initial.

Figure I. 21. Analyses MEB et EBSD d’un copeau segmenté d’acier C45 [34].

Wan et al. [26] ont analysé les bandes de cisaillement adiabatique de copeaux de Ti-6Al-4V au

MET et ont observé un raffinement de grains et une transformation des grains  en grains ''

(Figure I. 22(a)). Ce raffinement de la taille de grains, caractéristique d’une recristallisation

dynamique a été observé aussi par Sagapuram et al. [32]. Ils ont observés des grains

nanométriques dans les bandes de cisaillement adiabatique de copeau de Ti-6Al-4V (Figure I.

22(b)).

(a) (b)

Figure I. 22. Image MET des bandes de cisaillement adiabatiques de copeaux de Ti-6Al-4V. (a) selon [26] .(b)

selon [32].

Le diffractogramme de la Figure I. 23 montre les phases observées par Wan et al. [26] dans les

bandes de cisaillement d’un copeau de Ti-6Al-4V. Ces auteurs ont conclu qu’une

transformation de phase martensitique de la phase  en phase '' _{a eu lieu lors de la formation}

des copeaux de titane.

Figure I. 23. Diffractogramme par rayon X d’un copeau de Ti-6Al-4V pour une vitesse de coupe de 126m/min,

vitesse d’avance de 0,21mm/tr, profondeur de coupe de 0,3mm et angle de coupe de 0° [26]