Over the last few decades, body-centered-cubic (bcc) beta (β) titanium alloys have largely been exploited as structural alloys owing to the richness in their microstructural features. These features, which lead to a unique combination of high specific strength and ductility, excellent hardenability, good fatigue performance, and corrosion resistance, make these alloys viable candidates for many applications, including aerospace, automobile, and orthopedic implants. The mechanical properties of these alloys strongly depend on the various phases present; which can be controlled by thermomechanical treatments and/or alloy design. The two most important and studied phases are the metastable ω phase and the stable α phase. The present study focuses on the microstructural evolution and the mechanical behavior of these two phases in a model β-Ti alloy, binary Ti-12wt. %Mo alloy, and a commercial β-Ti alloy, β-21S. Microstructures containing athermal and isothermal ω phases in the binary Ti-12wt. %Mo alloy are obtained under specific accurate temperature controlled heat treatments. The formation and the evolution of the ω-phase based microstructures are investigated in detail via various characterization techniques such as SEM, TEM, and 3D atom probe tomography. The mechanical behavior was investigated via quasi-static tensile loading; at room and elevated temperatures. The effect of β phase stability on the deformation behavior is then discussed. Similar to the Ti-12wt. %Mo, the formation and the evolution of the athermal and isothermal ω phases in the commercial β-21S alloy was studied under controlled heat treatments. The structural and compositional changes were tracked using SEM, TEM, HR-STEM, and 3D atom probe tomography (3D-APT). The presence of additional elements in the commercial alloy were noted to make a considerable difference in the evolution and morphology of the ω phase and also the mechanical behavior of the alloys. The Portevin-Le Chatelier (PLC) like effect was observed in iii this alloy at elevated temperature and this has been attributed to the shearing of the ω precipitates and the dynamic precipitation of the α phase within these channels. The formation of the stable α phase in the commercial β-21S alloy due to the influence of precursor phases, like the metastable ω phase, is investigated. It is evident from the microstructural characterization, using SEM, TEM, HR-STEM, and 3D-APT, that the ω phase does play a role on the fine scale α precipitation. The mechanical behavior of the β+α microstructure, investigated via tensile testing, shows that these alloys are ideal candidate for precipitation hardening. The exceptional strength values obtained in this alloy have been attributed to a combination of several factors.

Объектом исследования являются образцы из сплава Э125 (Zr – 2,5 масс. % Nb), вырезанных из канала системы управления и защиты (СУЗ), после эксплуатации в реакторе энергоблока Смоленской АЭС в течение 36 лет. Методами металлографического анализа, испытаний на трещиностойкость и растяжением кольцевых образцов, сканирующей электронной микроскопии с дифракцией отражённых электронов и определения содержания водорода, были проведены исследования образцов после эксплуатации в энергетическом реакторе. Определены кратковременные механические свойства и характеристики трещиностойкости образцов при комнатной и температуре 100 °С. Изучена микроструктура, фазовый состав и состояние поверхности образцов канала СУЗ. Определено содержание водорода в образцах из зоны термического влияния электроннолучевого сварного соединения. / The object of the study is samples of alloy E125 (Zr – 2,5 mass. % Nb), cut from the channel of the control and protection system, after operation in the reactor of the power unit of the Smolensk NPP for 36 years. Methods of metallographic analysis, tests for fracture toughness and tensile tests of ring samples, scanning electron microscopy with reflected electron diffraction and determination of hydrogen content were used to study the samples after operation in a power reactor. The short-term mechanical properties and characteristics of the crack resistance of the samples at room temperature and 100 ° C were determined. The microstructure, phase composition and state of the surface of the CPS channel samples have been studied. The hydrogen content in the samples from the heat-affected zone of the electron-beam welded joint was determined.

Die Arbeit beschäftigt sich mit zerstörungsfreien Untersuchungen von Kristalldefekten an kompakten Proben mittels röntgenographischer Kossel- u. Weitwinkel-Mikrobeugung im Rasterelektronenmikroskop. Das REM wurde durch ein neu entwickeltes Aufnahmeverfahren so erweitert, daß die äußerst intensitätsschwachen Kossel-Röntgeninterferenzen mittels Phosphorszintillator und hochauflösendem, extrem empfindlichen CCD-Flächendetektor registriert werden können. Das aufwendige Röntgenfilmverfahren wurde damit abgelöst. Die Aufnahme-Techniken wurden so kombiniert, daß die sich gegenseitig ergänzenden Methoden, v.a. die Kossel- u. Pseudo-Kossel-, aber auch die Rückstreu-Elektronen-Beugung, erstmals mit einem einzigen CCD-System im REM ausführbar sind. Die Aufnahme von Kikuchi-Bändern wurde so weit verbessert, daß diese erstmalig bei vertikaler Inzidenz des Elektronenstrahls auf der Probe beobachtet werden konnten. Durch Einsatz einer fokussierenden Polykapillarlinse in einem Röntgenfluoreszenzspektrometer konnte die Anregung von Kossel-Linien durch Bremsstrahlung und erheblich kürzere Belichtungszeiten sowie deutlich höhere laterale Auflösungen erzielt werden. Für die komplementären Mikrobeugungsmethoden wurde ein einheitliches Programm entwickelt, dessen neue Art der Simulation komplizierter Weitwinkel-Kurven 4. Ordnung die Lokalisierung von Gitterbaufehlern im kompakten Kristall ermöglichte. Entsprechende Simulationen und Verfeinerungen der Kanüle erlaubten in feinkörnigen Polykristallen, wie Bariumtitanat, eine Einzelkornanalyse mit der Weitwinkel-Beugung. Insbesondere wurden markante Erhöhungen der Versetzungsdichte nahe der Korngrenze einzelner Kristallite in FeAl festgestellt. An intermetallischen Fe-Al-Verbindungen wurden in Weitwinkel-Kurven Feinstrukturen gefunden, die sich durch Umweganregungen in Zusammenhang mit Überstrukturen erklären lassen. An zugverformten Ni-Kristallen wurden Kossel- u. Weitwinkel-Linienbreiten in Abhängigkeit des Azimuts im symmetrischen Bragg-Fall ausgewertet u. mit theoretischen Modellen verglichen. Anisotrope Linienverbreiterungen durch die Wirkung von Stufenversetzungen konnten quantitativ nachgewiesen werden. Erste Kossel- u. Weitwinkel-Untersuchungen an zyklisch verformten Ni-Einkristallen zeigten, daß beobachtete perlenkettenförmige Intensitätsanhäufungen an Weitwinkelreflexen die Konfiguration von Versetzungswänden aus Stufenversetzungsdipolen im Kristallvolumen widerspiegeln. Erstmals konnte der Einfluß von Stapelfehlern auf Weitwinkel-Linien, der sich durch linsenförmige Intensitätsaufspaltungen zeigte, experimentell nachgewiesen, theoretisch erklärt und quantitativ bestimmt werden. / The thesis deals with the nondestructive investigation of crystal defects by X-ray Kossel and Pseudo Kossel microdiffraction on compact specimens in the scanning electron microscope. The SEM was extended by means of a newly developed detection method in such a way that X-ray Kossel interferences, which are extremely faint in intensity, can be observed by a phosphor scintillator as well as a high resolution and ultra-sensitive CCD area detector. The demanding X-ray film method was thus replaced. The observation techniques were combined so that the mutually complementary methods, above all the Kossel and Pseudo Kossel, but also the electron backscattered diffraction, are made possible for the first time by using just one CCD system in the SEM. The detection of Kikuchi bands was improved to such a degree that these could be recorded even at vertical incidence of the electron beam on the specimen for the first time. It was shown that the lateral resolution of the Kossel technique under polychromatic X-ray tube excitation could be enhanced considerably and the exposure times strongly reduced by using a polycapillary lens in an X-ray fluorescence spectrometer. For the complementary microdiffraction methods a homogeneous simulation program was developed, whose novel way of simulating the complicated Pseudo Kossel curves of the fourth order enable the lattice defect localization in compact crystals. The corresponding simulations and refinements of the target tube allowed a single grain analysis also in fine-grained polycrystals like barium titanate with Pseudo Kossel X-ray diffraction. Particularly, a marked increase of the dislocation density was ascertained near the grain boundary of individual crystallites in FeAl. At intermetallic Fe-Al compounds Pseudo Kossel curves fine structures were found, which can be explained by umweg (detour) excitations in relation to superstructures. Kossel and Pseudo Kossel line widths were analyzed in dependence on the azimuth and compared with theoretical models at tensile deformed Ni-crystals in the symmetrical Bragg case. Anisotropic line broadenings through the effect of edge dislocations could be proved quantitatively. Conclusions could be drawn from the initial Kossel and Pseudo Kossel investigations of cyclically deformed nickel crystals with respect to the observed pearl-necklace-like intensity thickening at Pseudo Kossel lines reflecting the strong local variations of the dislocation density and, thus, the configuration of dislocation walls of edge dislocation dipoles inside the crystalline volume. For the first time, the effect of stacking faults on Pseudo Kossel reflections appearing by lens-shaped intensity splittings could be proved experimentally, explained theoretically and determined quantitatively.

Die Arbeit beschäftigt sich mit zerstörungsfreien Untersuchungen von Kristalldefekten an kompakten Proben mittels röntgenographischer Kossel- u. Weitwinkel-Mikrobeugung im Rasterelektronenmikroskop. Das REM wurde durch ein neu entwickeltes Aufnahmeverfahren so erweitert, daß die äußerst intensitätsschwachen Kossel-Röntgeninterferenzen mittels Phosphorszintillator und hochauflösendem, extrem empfindlichen CCD-Flächendetektor registriert werden können. Das aufwendige Röntgenfilmverfahren wurde damit abgelöst. Die Aufnahme-Techniken wurden so kombiniert, daß die sich gegenseitig ergänzenden Methoden, v.a. die Kossel- u. Pseudo-Kossel-, aber auch die Rückstreu-Elektronen-Beugung, erstmals mit einem einzigen CCD-System im REM ausführbar sind. Die Aufnahme von Kikuchi-Bändern wurde so weit verbessert, daß diese erstmalig bei vertikaler Inzidenz des Elektronenstrahls auf der Probe beobachtet werden konnten. Durch Einsatz einer fokussierenden Polykapillarlinse in einem Röntgenfluoreszenzspektrometer konnte die Anregung von Kossel-Linien durch Bremsstrahlung und erheblich kürzere Belichtungszeiten sowie deutlich höhere laterale Auflösungen erzielt werden. Für die komplementären Mikrobeugungsmethoden wurde ein einheitliches Programm entwickelt, dessen neue Art der Simulation komplizierter Weitwinkel-Kurven 4. Ordnung die Lokalisierung von Gitterbaufehlern im kompakten Kristall ermöglichte. Entsprechende Simulationen und Verfeinerungen der Kanüle erlaubten in feinkörnigen Polykristallen, wie Bariumtitanat, eine Einzelkornanalyse mit der Weitwinkel-Beugung. Insbesondere wurden markante Erhöhungen der Versetzungsdichte nahe der Korngrenze einzelner Kristallite in FeAl festgestellt. An intermetallischen Fe-Al-Verbindungen wurden in Weitwinkel-Kurven Feinstrukturen gefunden, die sich durch Umweganregungen in Zusammenhang mit Überstrukturen erklären lassen. An zugverformten Ni-Kristallen wurden Kossel- u. Weitwinkel-Linienbreiten in Abhängigkeit des Azimuts im symmetrischen Bragg-Fall ausgewertet u. mit theoretischen Modellen verglichen. Anisotrope Linienverbreiterungen durch die Wirkung von Stufenversetzungen konnten quantitativ nachgewiesen werden. Erste Kossel- u. Weitwinkel-Untersuchungen an zyklisch verformten Ni-Einkristallen zeigten, daß beobachtete perlenkettenförmige Intensitätsanhäufungen an Weitwinkelreflexen die Konfiguration von Versetzungswänden aus Stufenversetzungsdipolen im Kristallvolumen widerspiegeln. Erstmals konnte der Einfluß von Stapelfehlern auf Weitwinkel-Linien, der sich durch linsenförmige Intensitätsaufspaltungen zeigte, experimentell nachgewiesen, theoretisch erklärt und quantitativ bestimmt werden. / The thesis deals with the nondestructive investigation of crystal defects by X-ray Kossel and Pseudo Kossel microdiffraction on compact specimens in the scanning electron microscope. The SEM was extended by means of a newly developed detection method in such a way that X-ray Kossel interferences, which are extremely faint in intensity, can be observed by a phosphor scintillator as well as a high resolution and ultra-sensitive CCD area detector. The demanding X-ray film method was thus replaced. The observation techniques were combined so that the mutually complementary methods, above all the Kossel and Pseudo Kossel, but also the electron backscattered diffraction, are made possible for the first time by using just one CCD system in the SEM. The detection of Kikuchi bands was improved to such a degree that these could be recorded even at vertical incidence of the electron beam on the specimen for the first time. It was shown that the lateral resolution of the Kossel technique under polychromatic X-ray tube excitation could be enhanced considerably and the exposure times strongly reduced by using a polycapillary lens in an X-ray fluorescence spectrometer. For the complementary microdiffraction methods a homogeneous simulation program was developed, whose novel way of simulating the complicated Pseudo Kossel curves of the fourth order enable the lattice defect localization in compact crystals. The corresponding simulations and refinements of the target tube allowed a single grain analysis also in fine-grained polycrystals like barium titanate with Pseudo Kossel X-ray diffraction. Particularly, a marked increase of the dislocation density was ascertained near the grain boundary of individual crystallites in FeAl. At intermetallic Fe-Al compounds Pseudo Kossel curves fine structures were found, which can be explained by umweg (detour) excitations in relation to superstructures. Kossel and Pseudo Kossel line widths were analyzed in dependence on the azimuth and compared with theoretical models at tensile deformed Ni-crystals in the symmetrical Bragg case. Anisotropic line broadenings through the effect of edge dislocations could be proved quantitatively. Conclusions could be drawn from the initial Kossel and Pseudo Kossel investigations of cyclically deformed nickel crystals with respect to the observed pearl-necklace-like intensity thickening at Pseudo Kossel lines reflecting the strong local variations of the dislocation density and, thus, the configuration of dislocation walls of edge dislocation dipoles inside the crystalline volume. For the first time, the effect of stacking faults on Pseudo Kossel reflections appearing by lens-shaped intensity splittings could be proved experimentally, explained theoretically and determined quantitatively.

Superaustenitická korozivzdorná ocel typu 22Cr25NiWCoCu určená pro vysokoteplotní aplikace v energetickém průmyslu byla studována za podmínek nízkocyklové únavy při pokojové a zvýšené teplotě. Jednotlivé vzorky byly podrobeny různým zátěžným procedurám, což umožnilo studium materiálové odezvy spolu s mechanismem poškození. Křivky cyklického zpevnění/změkčení, cyklického napětí a Coffin-Mansonovy křivky byly vyhodnoceny. Únavová životnost materiálu byla diskutována s ohledem na uplatňované mechanismy poškození, které se vyvinuly za specifických zátěžných podmínek. Standardní izotermální únavové experimenty byly provedeny při pokojové a zvýšené teplotě. Hysterezní smyčky zaznamenané během cyklického zatěžování byly analyzovány pomocí zobecněné statistické teorie hysterezní smyčky. Pro různé amplitudy napětí byla určena jak distribuce hustoty pravděpodobnosti interních kritických napětí (dále PDF), tak rovněž zjištěn její vývoj během cyklického namáhání. Zjištěné průběhy PDF byly korelovány s vývojem povrchového reliéfu a vnitřního dislokačního uspořádání zdokumentované pro obě teploty pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) vybavené technikou fokusovaného iontového svazku (FIB), která umožnila rovněž efektivní studium nukleace povrchových únavových trhlin. Při cyklickém zatížení při pokojové teplotě byla pozorována lokalizace cyklické plastické deformace do perzistentních skluzových pásů (PSP). V místech, kde tyto PSP vystupují na povrch materiálu byly pozorovány perzistentní skluzové stopy (PSS) tvořené extruzemi a intruzemi. Postupné prohlubování intruzí, zejména na čele nejhlubší intruze, vede k iniciaci únavové trhliny. Odlišný mechanismus tvorby trhlin byl zjištěn při únavové zkoušce při zvýšené teplotě, kde zásadní roli hrál vliv prostředí. Rychlá oxidace hranic zrn a jejich následné popraskání představuje dominantní mechanismus v I. stádiu nukleace trhlin. Aplikace desetiminutové prodlevy v tahové části zátěžného cyklu vedlo k vývoji vnitřního (kavitačního) poškozování. Mechanismy vnitřního poškozování byly studovány na podélných řezech rovnoběžných s napěťovou osou zkušebních vzorků. Trhliny a jejich vztah k hranicím zrn a dvojčat byly studovány pomocí difrakce zpětně odražených elektronů (EBSD). Vliv prodlevy na únavovou životnost byl korelován s vývojem povrchového reliéfu a vnitřního poškození. Vzorky z uvedené oceli byly rovněž podrobeny zkouškám termomechanické únavy (TMF), při nichž se v čase mění jak zátěžná síla tak i teplota. Termomechanické únavové zkoušky v režimu soufázném (in-phase) a protifázném (out-of-phase) byly provedeny jak s prodlevou, tak i bez ní. Ve všech případech bylo pozorováno rychlé cyklické zpevnění bez ohledu na použitou amplitudu deformace, u vzorků testovaných v out-of-phase režimu byla zjištěna tendence k saturaci. Zkoumáním povrchového reliéfu za pomocí technik SEM a FIB byla odhalena přednostní oxidace hranic zrn a následné praskání těchto hranic kolmo k ose zatížení. Prodlevy v cyklech při maximálním napětí vedly ke zvýšení amplitudy plastické deformace a následně ke creepovému poškození ve formě vnitřních kavit a trhlin. Interkrystalické šíření trhlin bylo pozorováno na vzorcích testovaných v režimu in-phase. Vývoj poškození v režimu out-of-phase nebyl principiálně ovlivněn zařazením prodlevy do zátěžného cyklu. Charakteristickým znakem namáhání v režimu out-of-phase je nukleace několika trhlin v homogenní oxidické vrstvě jdoucích napříč zrny kolmo k ose zatěžování.

Le Formage Incrémental (FI) est un procédé émergent de mise en forme de tôles. Par opposition aux procédés classiques mettant généralement en jeu des outillages complexes et des équipements onéreux, celui-ci met en œuvre un poinçon de faible taille par rapport aux dimensions de la pièce, dont le pilotage de la trajectoire permet de générer la forme désirée. Le principal frein au développement de cette technologie réside dans la difficulté d'obtention de géométries précises. L'objectif de cette étude est donc d'apporter une meilleure compréhension du procédé, par une double approche expérimentale originale qui vise à mettre en relation la mise en forme de la pièce par FI avec la réponse microstructurale du matériau, ici un titane pur T40. L'approche mécanique et cinématique du procédé est basée, d'une part sur la mesure des champs cinématiques par corrélation d'images numériques à la surface des pièces, et d'autre part sur la mesure des différentes composantes de l'effort de formage tout au long du processus. Les états globaux de déformations rencontrés sur la pièce formée ainsi que les déformations locales induites par le passage du poinçon ont ainsi été mis en évidence. Par ailleurs, les effets de plusieurs paramètres de formage sur la réponse du matériau en termes de développement des déformations et d'efforts de formage ont étés mis en lumière. L'analyse microstructurale des tôles formées a été effectuée à l'aide des techniques de microscopie électronique à balayage (MEB) et en transmission (MET), ainsi que la diffraction de rayons X (DRX). La caractérisation des microstructures par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) a mis en évidence l'apparition du maclage dans l'accommodation de la déformation générée par le procédé, les systèmes de maclages activés et leur occurrence dépendant de l'orientation de la sollicitation et du niveau de déformation. L'observation des arrangements de dislocations au MET a, quant à elle, permis de révéler une autre signature microstructurale des sollicitations de FI sur le T40.

Des travaux scientifiques récents ont ouvert de nouveaux champs d’application aux traitements mécaniques tels que le grenaillage. Il a été montré que de tels traitements, réalisés avant un traitement de nitruration à la surface d’alliage ferreux, permettaient d’abaisser les températures de traitement et d’augmenter significativement les cinétiques de diffusion. Nous avons entrepris de tester les performances de cette combinaison de traitements mécanique et thermochimique sur des aciers inoxydables et des alliages à base nickel austénitiques. Des essais ont été réalisés à partir d’une technique de grenaillage mécanique appelée « Surface Mechanical Attrition Treatment » (SMAT). Des billes en métal ou en céramique sont introduites dans l’enceinte et mises en mouvement par la sonotrode. Les billes percutent et introduisent donc une déformation plastique à la surface des échantillons. Après cette étape, les échantillons subissent un traitement thermochimique de nitruration assisté plasma. La comparaison des résultats obtenus après nitruration sur des échantillons traités mécaniquement avec ceux n’ayant pas été pré-traités mécaniquement a permis de quantifier les effets des traitements combinés. Les analyses par diffraction des rayons X, les mesures de microdureté, les observations au microscope optique/électronique à balayage/électronique en transmission, les analyses de texture par EBSD (Electron BackScatered Diffraction) et la mesure des profils de concentration en azote par SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) et SDL (Spectroscopie à Décharge Luminescente) ont montré l’importance de la nature de la couche transformée mécaniquement sur la diffusion de l’azote / Recent scientific work has opened new fields of application to mechanical treatments such as shot blasting or peening. Indeed, it has been shown that this treatment, performed before a nitriding treatment on the surface of ferrous alloy, lowers processing temperatures and significantly increases the diffusion kinetics. We undertook to test this combination of mechanical and thermochemical treatments on stainless steels and nickel-based alloys. The mechanical treatments were done by Surface Mechanical Attrition Treatment (SMAT). This method is implemented in a box where metal or ceramic balls were introduced and set in motion by an ultrasound system in order to impact the surface of the pieces. The treated samples were then nitrided at low temperature by using a remote plasma. The comparison of the results obtained after nitriding treatments on mechanically treated samples and those not mechanically treated allows quantifying the effects of the combined treatments. Analyses by X-ray diffraction, microhardness measurement, observations by optical and scanning and transmission electron microscopy, texture analysis by EBSD (Electron Diffraction BackScatered) and measurement of nitrogen concentration profiles by SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) show the importance of the nature of the deformed layer

L’alliage L-605 est un superalliage base cobalt combinant une haute résistance et une bonne ductilité, de plus il est biocompatible et présente une bonne résistance a la corrosion. Dû a son inertie chimique dans le corps humain, ce matériau a été utilise avec succès pour fabriquer des valves cardiaques et des stents. Le contrôle de la microstructure peut influencer grandement les propriétés mécaniques : notamment un raffinement des grains est susceptible d’augmenter d’avantage la résistance et serait intéressant pour permettre de fabriquer des stents selon une architecture plus fine. L’ajustement de la distribution de taille de grains à travers le phénomène de recristallisation lors de la déformation à chaud apparait comme une solution pratique pour ajuster les propriétés mécaniques du matériau. Pour contrôler la microstructure et choisir les conditions de procédé optimales, les mécanismes mis en jeu lors de la recristallisation dynamique et l’effet des conditions de déformation sur la taille de grain doivent être compris et prévisibles par des outils théorique. Les propriétés mécaniques du matériau à haute température sont déterminées par des essais de compression à chaud. L’évolution microstructurale du matériau lors de la compression est analysée par microscopie optique et électronique (EBSD, TEM). Le phénomène de recristallisation dynamique continue est mis en évidence, et procède par nucléation de nouveaux grains aux joints de grain. La corrélation entre le comportement mécanique à chaud et l’évolution microstructurale est déterminée expérimentalement. Les conditions optimales de déformation impliquant la recristallisation dynamique sont déterminées, et la microstructure résultante est étudiée en détail. De nouveaux outils théoriques permettant de prévoir les conditions de recristallisation et d’extraire les paramètres physiques du matériau a partir des données expérimentales sont proposés. Enfin, la recristallisation dynamique est modélisée analytiquement, et permet de prédire le comportement mécanique et l’évolution de la taille de grain lors de la déformation. / Co-20Cr-15W-10Ni alloy (L-605) is a cobalt-based superalloy combining high strength with keeping high ductility, biocompatible and corrosion resistant. It has been used successfully for heart valves for its chemical inertia, and this alloy is a good candidate for stent elaboration. Control of grain size distribution can lead to significant improvement of mechanical properties: in one hand grain refinement enhance the material strength, and on the other hand large grains provide the ductility necessary to avoid the rupture in use. Therefore, tailoring the grain size distribution is a promising way to adapt the mechanical properties to the targeted applications. The grain size can be properly controlled by dynamic recrystallization during the forging process. Therefore, the comprehension of the recrystallization mechanism and its dependence on forging parameters is a key point of microstructure design approach. The optimal conditions for the occurrence of dynamic recrystallization are determined, and correlation between microstructure evolution and mechanical behavior is investigated. Compression tests are carried out at high-temperature on Thermec-master Z and Gleeble forging devices, followed by gas or water quench. Mechanical behavior of the material at high temperature is analyzed in detail, and innovative methods are proposed to determine the metallurgical mechanisms at stake during the deformation process. Mechanical properties of the material after hot-working and annealing treatments are investigated. The grain growth kinetics of L-605 alloy is determined, and experimental results are compared with the static recrystallization process. Microstructures after hot deformation are evaluated using SEM-EBSD and TEM. Significant grain refinement occurs by dynamic recrystallization for high temperature and low strain rate (T≥1100 ◦ C, strain rate < 0.1s−1), and at high strain rate (strain rate > 10s−1). Dynamic recrystallization is discontinuous and takes place from the grain boundaries, leading to a necklace structure. The nucleation mechanism is most likely to be bulging from grain boundaries and twin boundaries. A new insight of the modeling of dynamic recrystallization taking as a starting point the experimental data is proposed. By combining the results from the mechanical behavior study and microstructure observation, the recrystallization at steady-state is thoroughly analyzed and provides the mobility of grain boundaries. The nucleation criterion for the bulging from grain boundaries is reformulated to a more general expression suitable for any initial grain size. Nucleation frequency can be deduced from experimental data at steady-state through modeling, and is extrapolated to any deformation condition. From this point, a complete analytical model of the dynamic recrystallization is established, and provides a fair prediction on the mechanical behavior and the microstructure evolution during the hot-working process.

L’objectif principal de ce travail est d’optimise la tomographie par coupe sériée dans un microscope ‘FIB’, en utilisant soit l’imagerie électronique du microscope à balayage (tomographie FIB-MEB), soit la diffraction des électrons rétrodiffusés (tomographie dite EBSD 3D). Dans les 2 cas, des couches successives de l’objet d’étude sont abrasées à l’aide du faisceau ionique, et les images MEB ou EBSD ainsi acquises séquentiellement sont utilisées pour reconstruire le volume du matériau. A cause de différentes sources de perturbation incontrôlées, des dérives sont généralement présentes durant l'acquisition en tomographie FIB-MEB. Nous avons ainsi développé une procédure in situ de correction des dérives afin de garder automatiquement la zone d'intérêt (ROI) dans le champ de vue. Afin de reconstruction le volume exploré, un alignement post-mortem aussi précis que possible est requis. Les méthodes actuelles utilisant la corrélation-croisée, pour robuste que soit cette technique numérique, présente de sévères limitations car il est difficile, sinon parfois impossible de se fier à une référence absolue. Ceci a été démontré par des expériences spécifiques ; nous proposons ainsi 2 méthodes alternatives qui permettent un bon alignement. Concernant la tomographie EBSD 3D, les difficultés techniques liées au pilotage de la sonde ionique pour l'abrasion précise et au repositionnement géométrique correct de l’échantillon entre les positions d'abrasion et d’EBSD conduisent à une limitation importante de la résolution spatiale avec les systèmes commerciaux (environ 50 nm)3. L’EBSD 3D souffre par ailleurs de limites théoriques (grand volume d'interaction électrons-solide et effets d'abrasion. Une nouvelle approche, qui couple l'imagerie MEB de bonne résolution en basse tension, et la cartographie d'orientation cristalline en EBSD avec des tensions élevées de MEB est proposée. Elle a nécessité le développement de scripts informatiques permettant de piloter à la fois les opérations d’abrasion par FIB et l’acquisition des images MEB et des cartes EBSD. L’intérêt et la faisabilité de notre approche est démontrée sur un cas concret (superalliage de nickel). En dernier lieu, s’agissant de cartographie d’orientation cristalline, une méthode alternative à l’EBSD a été testée, qui repose sur l’influence des effets de canalisation (ions ou électrons) sur les contrastes en imagerie d’électrons secondaires. Cette méthode corrèle à des simulations la variation d’intensité de chaque grain dans une série d’images expérimentales obtenues en inclinant et/ou tournant l’échantillon sous le faisceau primaire. Là encore, la méthode est testée sur un cas réel (polycritsal de TiN) et montre, par comparaison avec une cartographie EBSD, une désorientation maximale d'environ 4° pour les angles d’Euler. Les perspectives d’application de cette approche, potentiellement beaucoup plus rapide que l’EBSD, sont évoquées. / The aim of current work is to optimize the serial-sectioning based tomography in a dual-beam focused ion beam (FIB) microscope, either by imaging in scanning electron microscopy (so-called FIB-SEM tomography), or by electron backscatter diffraction (so-called 3D-EBSD tomography). In both two cases, successive layers of studying object are eroded with the help of ion beam, and sequentially acquired SEM or EBSD images are utilized to reconstruct material volume. Because of different uncontrolled disruptions, drifts are generally presented during the acquisition of FIB-SEM tomography. We have developed thus a live drift correction procedure to keep automatically the region of interest (ROI) in the field of view. For the reconstruction of investigated volume, a highly precise post-mortem alignment is desired. Current methods using the cross-correlation, expected to be robust as this digital technique, show severe limitations as it is difficult, even impossible sometimes to trust an absolute reference. This has been demonstrated by specially-prepared experiments; we suggest therefore two alternative methods, which allow good-quality alignment and lie respectively on obtaining the surface topography by a stereoscopic approach, independent of the acquisition of FIB-SEM tomography, and realisation of a crossed ‘hole’ thanks to the ion beam. As for 3D-EBSD tomography, technical problems, linked to the driving the ion beam for accurate machining and correct geometrical repositioning of the sample between milling and EBSD position, lead to an important limitation of spatial resolution in commercial softwares (~ 50 nm)3. Moreover, 3D EBSD suffers from theoretical limits (large electron-solid interaction volume for EBSD and FIB milling effects), and seems so fastidious because of very long time to implement. A new approach, coupling SEM imaging of good resolution (a few nanometres for X and Y directions) at low SEM voltage and crystal orientation mapping with EBSD at high SEM voltage, is proposed. This method requested the development of computer scripts, which allow to drive the milling of FIB, the acquisition of SEM images and EBSD maps. The interest and feasibility of our approaches are demonstrated by a concrete case (nickel super-alloy). Finally, as regards crystal orientation mapping, an alternative way to EBSD has been tested; which works on the influence of channelling effects (ions or electrons) on the imaging contrast of secondary electrons. This new method correlates the simulations with the intensity variation of each grain within an experimental image series obtained by tilting and/or rotating the sample under the primary beam. This routine is applied again on a real case (polycrystal TiN), and shows a max misorientation of about 4° for Euler angles, compared to an EBSD map. The application perspectives of this approach, potentially faster than EBSD, are also evoked.

In the present work, deformation behavior, texture and microstructure evolution of commercially pure titanium (CP Ti) are investigated by electron backscattered diffraction (EBSD) after compression tests at elevated temperatures. By analysing work hardening rate vs. flow stress, the deformation behaviour can be divided into three groups, viz. three-stage work hardening, two-stage work hardening and flow softening. A new deformation condition map is presented, dividing the deformation behavior of CP Ti into three distinct zones which can be separated by two distinct values of the Zener-Hollomon parameter. The deformed microstructures reveal that dynamic recovery is the dominant deformation mechanism for CP Ti during hot working. It is the first time that the Schmid factor and pole figures are used to analyse how the individual slip systems activate and how their activities evolve under various deformation conditions. Two constitutive equations are proposed in this work, one is for single peak dynamic recrystallization (DRX), the other is specially for CP Ti deformed during hot working. After the hot compression tests, some stress-strain curves show a single peak, leading to the motivation of setting up a DRX model. However, the examinations of EBSD maps and metallography evidently show that the deformation mechanism is dynamic recovery rather than DRX. Then, the second model is set up. The influence of the deformation conditions on grain size, texture and deformation twinning is systematically investigated. The results show that {10-12} twinning only occurs at the early stage of deformation. As the strain increases, the {10-12} twinning is suppressed while {10- 11} twinning appears. Three peaks are found in the misorientation frequency-distribution corresponding to basal fiber texture, {10-11} and {10-12} twinning, respectively. A logZ-value of 13 is found to be critical for both the onset of {10-11} compressive twinning and the break point for the subgrain size. The presence of {10-11} twinning is the key factor for effectively reducing the deformed grain size. The percentage of low angle grain boundaries decreases with increasing Z-parameter, falling into a region separated by two parallel lines with a common slope and 10% displacement. After deformation, three texture components can be found, one close to the compression direction, CD, one 10~30° to CD and another 45° to CD. / QC 20100819