Mécanismes de plasticité et d'endommagement dans les alliages de titane α/β enrichis en O et N : rôle des éléments d'alliage et de l'anisotropie crystalline // Multiscale investigation of elasticity, plasticity, and damage mechanisms during oxygen/nitroge

Les alliages de titane (Ti) α/β 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 α 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 α/β 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 α/β 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 α du Ti.
Pour atteindre ces objectifs, une approche expérimentale combinant des techniques de caractérisation 2D et 3D sera mise en œuvre. 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.
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Alpha-beta (α/β) titanium alloys are widely used in aerospace and energy applications due to their high strength-to-weight ratio and good high-temperature performance. However, exposure to oxidizing environments at intermediate temperatures leads to the diffusion of interstitial elements such as oxygen (O) and nitrogen (N), forming enriched subsurface regions (oxygen/nitrogen diffusion zones) that increase hardness but reduce ductility, thereby promoting early crack initiation and reducing fatigue life.

At the microscale, O and N affect deformation mechanisms in the hexagonal close-packed α phase, modifying the competition between slip and twinning depending on composition and crystallographic orientation. Despite this, the combined effects of interstitial diffusion, crystallographic anisotropy, and grain interactions remain insufficiently understood, especially in α/β microstructures under thermomechanical loading.

This PhD project aims to investigate, across multiple scales, the mechanisms of elasticity, plasticity, and damage in Al- and Zr-alloyed α/β Ti alloys with varying O and N contents. Particular focus will be placed on the role of crystallographic orientation, intergranular interactions, and local stress states in deformation and crack propagation. Ti–xZr–yO and Ti–xAl–yO model alloys will be studied to assess the effects of Zr substitution and the synergistic influence of Al and O on slip and twinning mechanisms.

An experimental approach combining 2D (HR-DIC, EBSD, TEM, nanoindentation) and 3D synchrotron-based techniques (3DXRD, DCT, TT) will be used to characterize deformation mechanisms and microstructural evolution in situ.

This work will improve the understanding of interstitial effects in titanium alloys and enhance lifetime prediction in oxidizing and nitriding environments.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Institut National Polytechnique de Toulouse

482 SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse

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.
The candidate should hold a Master's degree or be an engineering student specialized in materials science or mechanical engineering, with solid knowledge in mechanics and metallurgy. Experience in experimental techniques (mechanical testing, SEM, TEM, EBSD, nano-indentation) and data analysis (Python, 3D synchrotron data processing) is required. The candidate must be able to work in a multidisciplinary team and collaborate with academic, international, and industrial partners. Scientific rigor, autonomy, curiosity, and good written and oral communication skills in both French and English are essential.