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Parts made out of titanium alloys demonstrate anisotropic mechanical properties when manufactured by electron beam melting, an emerging additive manufacturing technique. Understanding the process history dependent heterogeneous microstructure, and its effect on mechanical properties is crucial in determining the performance of additively manufactured titanium alloys as the mechanical behavior heavily relies on the underlying microstructural features. This thesis work focuses on combined experimental and computational techniques for microstructure characterization, synthetic microstructure generation, mechanical property measurement, and mechanical behavior modeling of polycrystalline materials, with special focus on dual phase titanium alloys. Macroscopic mechanical property measurements and multi-modal microstructure characterizations (high energy X-ray diffraction, computed tomography and optical microscopy) are performed on additively manufactured Ti-6Al-4V parts, revealing the heterogeneity of the microstructure and properties with respect to the build height. Because characterizing and testing every location within a build is not practical, a computational methodology is established in order to reduce the time and cost spent on microstructure-property database creation. First a statistical volume element size is determined for the Fast Fourier Transform based micromechanical modeling technique through a sensitivity study performed on an experimental Ni-based superalloy and syntheticW, Cu, Ni and Ti structures, showing that as the contrast of properties (e.g., texture, field localization, anisotropy, rate-sensitivity) increases, so does the minimum simulation domain size requirement. In all deformation regimes a minimum volume element is defined for both single and dual phase materials. The database is then expanded by generating statistically representative Ti structures which are modified for features of interest, e.g., lath thickness, grain size and orientation distribution, to be used in spectral full-field micromechanical modeling. The relative effect of the chosen microstructural features is quantified through comparisons of average and local field distributions. Fast Fourier transform based technique, being a spectral, full-field deformation modeling tool, is shown to be capable of capturing the relative contribution from varying microstructural features such as phase fractions, grain morphology/ size and texture on the overall mechanical properties as the results indicate that the mean field behavior is predominantly controlled by the alpha phase fraction and the prior beta phase orientation.

L’utilisation d’un col modulaire lors de la pose d’une prothèse totale de hanche introduit une nouvelle interface, entre la tige et le col, qui est susceptible de s’endommager par fretting lors de la marche. L’alliage Ti–6Al–4V est très largement utilisé pour les tiges et les cols. Cependant, les contacts Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V présentent un frottement élevé et une forte usure adhésive dans les conditions de fretting. Les revêtements DLC (diamond-like carbon) ont été largement utilisés comme revêtements protecteurs pour les pièces métalliques. Ainsi, ils peuvent être introduits dans les contacts entre la tige en Ti–6Al–4V et le col en Ti–6Al–4V. L’objectif de cette thèse est d’étudier les comportements tribologiques du revêtement DLC et de l’alliage Ti–6Al–4V dans les conditions de fretting pour application au contact entre la tige et le col. Les essais de fretting sont menés avec un contact cylindre sur plan sous différentes valeurs d’amplitude de déplacement (± 20 μm, ± 40 μm, et ± 70 μm) et de force normale (entre 200 N et 1 200 N). En outre, les effets de différents revêtements (DLC A et DLC B), différentes rugosités de surface (lisse et rugueuse), différentes positions de revêtement (revêtement sur le plan, sur le cylindre et sur les deux surfaces), différents environnements (dans l’air et dans le sérum de veau) sont analysés. Par ailleurs, l'origine du faible frottement du contact entre Ti–6Al–4V et revêtement DLC est explorée. Les propriétés mécaniques du tribofilm formé sur la surface de Ti–6Al–4V frottée sont également étudiées.Pour les tests de fretting sans revêtement (contact Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V) dans l’air, le coefficient de frottement est élevé, entre 0.8 et 1.2. Le volume d’usure croît avec l’amplitude de déplacement. Pour les tests avec revêtement, le Ti–6Al–4V peut être bien protégé, sous des charges relativement faibles. Le coefficient de frottement (d’environ 0,2) et le volume usé sont faibles. Sous fortes charges, le revêtement est presque totalement éliminé. Le frottement et le volume d'usure sont similaires à ceux des essais sans revêtement. Le revêtement plus dur (DLC A) a de meilleures propriétés tribologiques que le DLC B. Le revêtement sur la surface lisse présente une meilleure performance en fretting que sur la surface rugueuse. Le revêtement sur une surface cylindrique présente une meilleure performance tribologique que sur une surface plane. Le revêtement DLC est plus endommagé lorsqu'il glisse contre un revêtement DLC que contre du Ti–6Al–4V non revêtu. Le revêtement fonctionne mieux en présence de sérum que dans l’air. Un tribofilm est formé sur la surface de Ti–6Al–4V frottée lorsqu'il glisse contre un revêtement DLC sous de faibles charges. Le tribofilm présente une dureté plus élevée, un module de Young plus élevé, un module de compression plus élevé, une limite d'élasticité plus élevé que l’alliage Ti–6Al–4V. Un modèle tribologique est proposé pour la formation du tribofilm et l'explication de l'origine du faible frottement, par une analyse approfondie des surfaces de contact, sur les points de vue mécaniques et chimiques. / The use of modular neck adapter when placing a total hip prosthesis introduces a new interface, between the femoral stem and the neck adapter, which is propitious to fretting damage during walking. Ti–6Al–4V alloy has been widely used in neck adapters and femoral stems. However, the Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V contacts present high friction and severe adhesive wear under fretting conditions. Diamond-like carbon (DLC) coatings have been widely used as protective coatings for metallic parts. Thus, they can be introduced into Ti–6Al–4V neck adapter / Ti–6Al–4V femoral stem contacts.The objective of this thesis is to investigate the tribological behaviors of DLC coating and Ti–6Al–4V alloy under fretting conditions for application to neck adapter / femoral stem contact. Fretting tests are conducted with a cylinder / flat contact under different values of displacement amplitude (±20 µm, ±40 µm, and ±70 µm) and normal force (between 200 N and 1 200 N). Furthermore, the effects of different DLC coatings (DLC A and DLC B), different surface roughness (smooth and rough), different coating positions (coating on the flat, on the cylinder, and on both surfaces), different environments (laboratory air and calf serum) are analyzed. Besides, the origin of low friction of Ti–6Al–4V / DLC coating contact is explored. The mechanical properties of tribofilm formed on the rubbed Ti–6Al–4V surface is studied.For fretting tests without coating (Ti–6Al–4V / Ti–6Al–4V contact) under laboratory air condition, the friction coefficient is high, between 0.8 and 1.2. The wear volume increases with the displacement amplitude. For fretting tests with coating, Ti–6Al–4V can be well protected under relatively low load conditions. The friction coefficient is low (around 0.2) and the wear volume is small. Under high load conditions, the coating is almost totally removed. The friction and wear volume are similar to tests without coating. The harder coating (DLC A) has better tribological property than DLC B. The coating on the smooth surface exhibits better fretting performance than on the rough surface. Coating on a cylindrical surface shows better tribological performance than on a flat surface. The DLC coating is damaged more severely when it slides against a DLC coating than against the uncoated Ti–6Al–4V alloy. The coating performs better under the serum condition than under the laboratory air condition. A tribofilm is formed on the rubbed Ti–6Al–4V surface when sliding against a DLC coating under low load conditions. The tribofilm shows higher hardness, higher Young’s modulus, higher compression modulus, higher yield strength than the Ti–6Al–4V alloy. A tribological model is proposed for tribofilm formation and explanation of origin of low friction, by in-depth analysis of contact surfaces, on mechanical and chemical points of view.

Dans l'industrie aéronautique, les alliages de titane sont utilisés pour leur excellent comportement mécanique associé à une faible masse volumique. Ils sont largement employés sous forme de tôles dont la mise en forme peut se faire par le biais de trois procédés : à température ambiante par opération d'emboutissage, à très hautes températures (T≈900°C) par formage superplastique (SPF) et à des températures intermédiaires (T=730°C, 880°C) par formage à chaud (HF). Le projet repose sur le développement du procédé d'emboutissage à chaud d'une tôle d'alliage de titane Ti-6Al-4V en conditions isothermes à des températures inférieures à 700°C. Par conséquent, la détermination des paramètres procédés et matériaux constitue une étape importante pour la mise en œuvre de simulations numériques et contribue à la réussite des opérations d'emboutissage de pièces industrielles. Ces paramètres procédés sont liés à la vitesse du poinçon, aux efforts de serre-flan et au frottement induit entre le flan et l'outillage. Leur analyse a permis de déterminer deux niveaux de températures (400°C et 500°C) offrant une chute drastique du coût énergétique, en comparaison des procédés HF ou SPF, tout en conservant des niveaux d'allongement suffisants. Les paramètres matériaux influençant le comportement de l'alliage sont analysés et quantifiés. Ils peuvent être influencés par plusieurs mécanismes : élasticité, viscosité, anisotropie (Hill48, Barlat91) et nature de l’écrouissage (isotrope, cinématique). Dans cette étude, un modèle de comportement élasto-viscoplastique anisotrope, capable de considérer les trajets de chargement subis par la tôle lors de sa mise en forme, a été formulé pour les deux niveaux de température. L’implantation du modèle de comportement a été réalisée dans le code de calcul éléments finis Abaqus/Standard 6.14® interfacé avec le logiciel ZMAT®. Elle a permis d’une part des simulations d’emboutissage de profil Omega pour lesquelles des comparaisons avec les expériences ont été réalisées et d’autre part, des calculs sur une pièce de forme complexe. / In the aerospace industry, titanium alloys are used for their excellent mechanical behavior associated with low density. They are widely available in sheet form and the final shape can be obtained through three processes: at room temperature by stamping operation, at very high temperatures (T≈900°C) by superplastic forming (SPF) and at intermediate temperature (T=730°C, 880°C) by hot forming (HF). The project is based on the development of the hot stamping process of Ti-6Al-4V titanium alloy sheet under isothermal conditions at temperatures below than 700°C. Therefore, the determination of the process and material parameters constitutes an important stage for implementing the numerical simulation while contributing to the success of the stamping operation at the scale of an industrial part. The process parameters are related to the punch speed, the blank holder forces and the friction induced between the sheet and the tool. Their analysis allowed to determine two temperature levels (400°C et 500°C) leading a drastic drop in energy cost, compared to HF or SPF processes, while maintaining enough elongation levels. The material parameters influencing the behavior of the alloy are analyzed and quantified. They can be influenced by several mechanisms: elasticity, viscosity, anisotropy (Hill48, Barlat91) and nature of hardening (isotropic, kinematic). In this study, an anisotropic elasto-viscoplastic behavior model, able to consider the loading path undergone by sheet during forming, has been formulated for both temperature levels. The implementation of the behavior model is achieved in Abaqus/Standard 6.14® Finite Element code with the material library plugin ZMAT®. It enables, on the one hand, stamping numerical simulations of a simple shape Omega profile for which experimental comparisons were done, on the other hand, calculations on an industrial part with a complex shape.

Cette étude s’est focalisée sur l’influence d’une opération de fraisage sur l’intégrité de surface et la durée de vie en fatigue des pièces usinées en titane (Ti-6Al-4V). L’influence des paramètres géométriques tels que les angles de coupe et les rayons de bec sur la performance de l’outil à savoir la durée de vie de l’outil est analysée. Une deuxième partie est consacrée à l’influence des paramètres géométriques sur l’intégrité de surface définie par des facteurs tels que la topographie, les contraintes résiduelles, la dureté et la microstructure. Afin de déterminer la nature des contraintes résiduelles, une approche thermomécanique a été utilisée. Une relation entre les contraintes résiduelles et la dureté sous la surface usinée est établie. Une dernière partie est dédiée à la l’étude de la fatigue des pièces en titane usinées selon les différents paramètres géométriques. Une comparaison des limites d’endurance expérimentales et analytiques issue de la littérature a permis de déterminer les paramètres influents de l’intégrité de surface sur la performance en fatigue. Une analyse fractographique a révélé les phénomènes liés à l’usinage influençant la rupture du matériau. / This study is carried out on the influence of milling process on surface integrity and fatigue life of a titanium alloy (Ti-6Al-4V). Geometric parameters like cutting angles and nose radius are investigated. In the first part, the observation is focused on tool life. The second part is dedicated to the influence of geometric parameters on surface integrity which is defined by topography, residual stress, hardness and microstructure. To determine the nature of the residual stresses a thermomechanical approach is used. A relation between residual stress and hardness is established. The last part deals with the study of the fatigue of milled titanium samples. A comparison is made between experimental fatigue limit and analytical fatigue limit of a model from literature. With this comparison, the most influential factor of surface integrity on fatigue limit is determined. A fractography analysis reveals the phenomenon related to milling process which can influence the material rupture.