Thèse Mécanismes de Plasticité et d'Endommagement dans les Alliages de Titane - Enrichis en O et n Rôle des Éléments d'Alliage et de l'Anisotropie Crystalline H/F - Institut National Polytechnique de Toulouse

Établissement : Institut National Polytechnique de Toulouse
École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse
Laboratoire de recherche : CIRIMAT - Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux
Direction de la thèse : Benoit MALARD ORCID 000000028727368X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Les alliages de titane (Ti) / sont largement utilisés dans les applications aéronautiques et énergétiques en raison de leur excellent compromis entre résistance mécanique, faible densité et tenue à haute température. Toutefois, lorsqu'ils sont exposés à des environnements oxydants à température intermédiaire, ces matériaux peuvent subir une diffusion importante d'éléments interstitiels tels que l'oxygène (O) et l'azote (N). Cette diffusion conduit à la formation, sous la couche d'oxyde, d'une zone enrichie appelée oxygen diffusion zone ou nitrogen diffusion zone. Ces zones modifient fortement les propriétés mécaniques locales : l'augmentation de la dureté s'accompagne généralement d'une diminution de la ductilité, ce qui favorise l'initiation précoce de fissures et peut dégrader la durée de vie en fatigue des composants.
À l'échelle microscopique, la présence d'O et de N influence les mécanismes élémentaires de déformation dans la phase hexagonale compacte du Ti. La déformation plastique résulte d'une compétition entre glissement cristallographique et maclage, dont l'activation dépend à la fois de la concentration en éléments interstitiels, de la composition chimique et de l'orientation cristallographique des grains. Les effets combinés de la diffusion interstitielle, de l'anisotropie cristalline et des interactions entre grains restent cependant encore mal compris, en particulier dans les microstructures biphasées / soumises à des sollicitations thermomécaniques.
L'objectif de ce projet de thèse est d'étudier de manière multi-échelle les mécanismes d'élasticité, de plasticité et d'endommagement dans des alliages de Ti / alliés à l'Al et au Zr, contenant différentes teneurs en O et en N. Une attention particulière sera portée au rôle de l'orientation cristallographique, des interactions intergranulaires et de l'état de contrainte local dans l'activation des mécanismes de déformation et dans la propagation de fissures. Dans ce cadre, une étude sera menée sur des alliages Ti-xZr-yO afin d'analyser l'effet de la substitution partielle du Ti par le Zr. Des travaux récents ont en effet montré que ces alliages peuvent présenter une combinaison remarquable de résistance mécanique et de ductilité améliorée, attribuée notamment à un phénomène d'ordonnancement de l'O dans le réseau cristallin (Amann et al., 2023). En parallèle, des alliages modèles de type Ti-xAl-yO seront développés afin de quantifier l'effet synergique de l'Al et de l'O sur la compétition entre glissement basal, glissement prismatique et maclage dans la phase du Ti.
Pour atteindre ces objectifs, une approche expérimentale combinant des techniques de caractérisation 2D et 3D sera mise en oeuvre. Les observations en surface reposeront notamment sur la corrélation d'images numériques à haute résolution (CIN-HR), la diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD), la microscopie électronique à transmission (MET) et la nano-indentation afin d'identifier les mécanismes de déformation et les champs de déformation locaux. Ces analyses seront complétées par des caractérisations en volume à l'aide de techniques avancées de diffraction des rayons X synchrotron telles que la 3DXRD, la tomographie par contraste de diffraction (TCD) et la topo-tomographie (TT), permettant de suivre in situ l'évolution de l'orientation cristallographique, des gradients de déformation intragranulaires et de l'activité de maclage à l'échelle des grains.
Ce travail contribuera à mieux comprendre l'influence combinée des éléments d'alliage et des éléments interstitiels sur le comportement mécanique des alliages de titane et à améliorer la prédiction de leur durée de vie en environnement oxydant ou nitrurant.

Les alliages de titane / sont largement utilisés en aéronautique et énergie pour leur compromis exceptionnel entre résistance mécanique et faible densité. En environnement oxydant ou nitrurant à température intermédiaire, la diffusion d'oxygène et d'azote forme sous la surface des zones enrichies (ODZ/NDZ), qui augmentent localement la dureté mais réduisent la ductilité, favorisant l'amorçage de fissures.

À l'échelle microscopique, ces interstitiels modifient les mécanismes élémentaires de déformation dans la phase : glissement prismatique, glissement pyramidal et maclage. Dans les microstructures biphasées /, l'interaction entre phases, l'anisotropie cristalline et les contraintes locales compliquent la compréhension de la plasticité et de l'endommagement.
Ce projet vise à élucider ces mécanismes, en reliant microstructure, concentrations en interstitiels et réponses mécaniques, afin de mieux prédire et optimiser la durée de vie des alliages de titane en conditions de service.

Comprendre l'influence de l'oxygène et de l'azote sur les mécanismes d'élasticité, de plasticité et d'endommagement dans des alliages de titane /. L'étude portera en particulier sur le rôle de l'orientation cristallographique, des interactions intergranulaires et de l'état de contrainte local dans l'activation des systèmes de glissement, du maclage et de l'amorçage de fissures. Elle vise également à quantifier l'effet des éléments d'alliage (Al, Zr) et des interstitiels sur la compétition entre glissement prismatique, basal et pyramidal, et à établir des corrélations entre microstructure, champs de déformation locaux et réponses mécaniques globales. Enfin, le projet s'appuiera sur une approche expérimentale multi-échelle pour fournir des clés robustes de prédiction du comportement mécanique et de la durée de vie en environnement oxydant ou nitrurant.

Une approche expérimentale multi-échelle sera mise en oeuvre pour relier microstructure et comportement mécanique. À l'échelle de la surface, HR-DIC, HR-EBSD, MET et nano-indentation permettront de caractériser les champs de déformation locaux, les orientations cristallographiques et les mécanismes élémentaires (glissement, maclage). Dans le volume, des techniques synchrotron 3D (3DXRD, DCT, topo-tomographie) suivront in situ l'évolution des grains, des contraintes et de l'activité de maclage. Les données expérimentales seront couplées à des simulations de plasticité cristalline par éléments finis pour analyser les transferts de charge, les interactions intergranulaires et les conditions menant à la localisation de la déformation et à l'amorçage de fissures.

Étudiant.e issu.e d'une école d'ingénieur ou d'un master en mécanique des matériaux ou science des matériaux, avec des bases solides en mécanique et métallurgie.
Compétences en expérimentation (essais mécaniques, MEB, MET, EBSD, nano-indentation) et en analyse de données (Python, traitements de données synchrotron 3D).
Capacité à travailler en équipe pluridisciplinaire et à collaborer avec des partenaires académiques, internationaux et industriels.
Rigueur, autonomie, curiosité scientifique et bonnes compétences en communication écrite et orale (français et anglais) sont indispensables.