Alliages à mémoire de forme et traitements thermomécaniques

Notions générales sur la transformation martensitique

Les alliages à mémoire de forme présentent un comportement tout à fait différent des matériaux usuels. L’appellation «mémoire de forme » ne recouvre qu’une partie des différents aspects de leur comportement. Ces matériaux tirent leurs propriétés de l’existence d’une transformation de phase austénite – martensite réversible à l’état solide. Le terme « transformation martensitique » désigne des transitions se produisant dans un certain nombre d’alliages et présentant des caractéristiques analogues décrites par la définition suivante :
la transformation martensitique est une transition structurale displacive du premier ordre présentant une déformation homogène d’un réseau cristallographique, constituée essentiellement par un cisaillement.
Une transformation displacive, ou militaire, est une transformation de la phase mère (austénite) vers une nouvelle structure (martensite) et se caractérise par un déplacement des atomes inférieur à la distance interatomique. L’absence du phénomène de diffusion, c’est-à-dire, du déplacement atomique sur de longues distances, rend la transformation martensitique quasi-instantanée.

Traitements thermomécaniques

Le potentiel d’application pratique des AMF est conditionné par leurs propriétés mécaniques (limite d’écoulement, et limite à la rupture) et fonctionnelles telles que la déformation récupérable, la contrainte générée, l’intervalle des températures de récupération de forme. Naturellement, il est souhaitable de pouvoir contrôler et d’ajuster les propriétés fonctionnelles en réponse aux exigences des différents champs d’applications. Il est possible par exemple de modifier l’intervalle des températures de transformations martensitiques en variant la composition chimique d’un alliage. Il est connu, que l’addition de 0.1 at.% de Ni dans l’alliage Ti-Ni équiatomique décale les températures de transformations martensitiques de 10-20°C . Néanmoins, il est impossible de modifier significativement les propriétés fonctionnelles et mécaniques de ces matériaux uniquement par le procédé de micro-alliage.
La solution se trouve dans le fait que la grande majorité des propriétés des métaux dépendent de l’état structural. Le facteur structural déterminant les propriétés des métaux est la densité des dislocations et la taille des grains. Par ces effets, les deux principaux mécanismes de modification de la structure ainsi que de propriétés mécaniques des matériaux métalliques sont: l’augmentation de la densité de dislocations (durcissement par écrouissage) et l’ affinement de la structure par la déformation plastique ainsi que la présence de précipités fins dans la solution solide favorisant le durcissement par précipitations des alliages sursaturés pendant le vieillissement.

Traitements thermiques

Le traitement thermique post déformation (PDA : Post-Deformation Annealing) est l’étape subséquente au travail à froid visant le contrôle final des propriétés fonctionnelles de l’alliage. Ainsi, la mise en œuvre d’un traitement thermique fait en sorte de modifier à la fois les propriétés spécifiques de mémoire de forme (génération de contrainte, recouvrance de la déformation, plateaux de contrainte, température et énergie de transformation de phase, etc.) et les propriétés mécaniques classiques de l’alliage (limite d’écoulement, contrainte ultime, allongement à la rupture, dureté, etc.).
Pour les alliages à mémoire de forme, l’objectif du PDA est d’éliminer partiellement ou totalement l’historique thermomécanique de l’échantillon. De plus, pour les alliages riches en nickel, le PDA produit à la fois une relaxation des contraintes et un durcissement par précipitation. Pour sa part, la trempe à l’eau permet de fixer la structure obtenue à haute température et de prévenir le processus diffusionnel pendant le refroidissement à l’ équilibre.
Dans ce document, les termes « traitement thermique » et « trempe » désignent respectivement le fait de chauffer et ensuite de maintenir un échantillon à une température entre 200-700°C et de le tremper ensuite dans l’eau à 20°C.

Affinement de la structure dans les métaux

Au cours des dernières années, les chercheurs ont développé un grand intérêt pour les nanomatériaux. Ces matériaux possèdent des structures uniques et des propriétés remarquables. D’après la terminologie acceptée par le journal Nanostructured Materials, les matériaux nanostructurés (NsM) sont les matériaux qui possèdent des tailles moyennes de grains et de sous grains inférieures à 100 nm.
Aujourd’hui, il est possible de distinguer quatre groupes principaux de méthodes technologiques permettant d’obtenir les matériaux nanostructurés, amorphes et submicrocristallins: la métallurgie de poudres, l’amorphisation rapide de l’état liquide suivi d’une la cristallisation contrôlée de l’état amorphe, la technologie de couches minces et la déformation plastique sévère de métaux solides et des poudres.

Présentation des méthodes d’affinement de la structure par déformation plastique sévère (DPS)

Les méthodes DPS étant relativement récentes, il est possible toutefois de formuler quelques impératifs à tenir compte pendant l’évolution et la formation de la structure nanocristalline dans les échantillons massifs :
il est important de pouvoir obtenir une structure fine équiaxe dans laquelle des joints de grains sont fortement désorientés angulairement;
la formation d’une structure nanocristalline uniforme (dans la totalité du volume) procure l’homogénéité des propriétés (par opposition à un matériau texturé);
en dépit de la déformation sévère, les échantillons doivent être exempts de défauts mécaniques surfaciques tels que des fissures.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ALLIAGES À MÉMOIRE DE FORME ET TRAITEMENTS THERMOMÉCANIQUES
1.1 Notions générales sur la transformation martensitique
1.1.1 Définitions et terminologie
1.1.2 Notions thermodynamiques fondamentales
1.2 Propriétés fonctionnelles des AMF
1.2.1 Effet mémoire de forme simple sens
1.2.2 Effet superélastique
1.2.3 Schéma général englobant tous les comportements des AMF
1.3 Traitements thermomécaniques
1.4 Traitements thermiques
1.5 Traitement thermomécanique combiné
1.6 Affinement de la structure dans les métaux
1.6.1 Introduction
1.6.2 Présentation des méthodes d’affinement de la structure par déformation plastique sévère (DPS)
1.6.3 Affinement de la structure dans les alliages Ti-Ni par les méthodes de déformation plastique sévère
1.7 Problématique
1.8 Objectifs du projet
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE D’ÉTUDE; CHOIX DES TECHNIQUES DE CARACTÉRISATION ET PLANIFICATION DES EXPÉRIMENTATIONS
2.1 Préparation des échantillons
2.2 Choix des traitements thermiques post déformation
2.3 Techniques de caractérisation et planification des expérimentations
2.3.1 Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)
2.3.2 Essais de traction isotherme
2.3.3 Essais de déformation récupérable
2.3.4 Génération de contrainte au chauffage et résistivité électrique sous contrainte
CHAPITRE 3 ESSAIS DE CALORIMÉTRIE DIFFÉRENTIELLE À BALAYAGE
3.1 Résultats DSC (Ti-50.0at.%Ni)
3.1.1 Résultats DSC (e = 1.9)
3.1.2 Analyse de l’influence du niveau de travail à froid sur les comportements thermiques
3.2 Résultats DSC (Ti-50.7at.%Ni)
3.2.1 Résultats DSC (e = 1.55)
3.2.2 Analyse de l’influence du taux de travail à froid sur les comportement thermiques
3.3 Évaluation du taux d’ amorphisation par DSC
CHAPITRE 4 ESSAIS DE TRACTION ISOTHERMES
4.1 Données brutes des essais de traction (Ti-50.0at. %Ni)
4.1.1 Analyse de l’influence du taux de travail à froid sur les comportements mécaniques
4.2 Données brutes des essais de traction (Ti-50.7at.%Ni)
4.2.1 Analyse de l’influence du taux de travail à froid sur les comportements mécaniques
4.2.2 Analyse de l’évolution des contraintes caractéristique pour les alliages Ti-50.0at.%Ni et Ti-50.7at.%Ni obtenus par la laminage à froid sévère
CHAPITRE 5 MESURES DES PROPRIÉTÉS FONCTIONNELLES
5.1 Essais sur la déformation récupérable
5 .1.1 Évolution de la déformation maximale complètement récupérable pour l’alliage Ti-50.0at.%Ni en fonction des conditions de traitement thermomécanique
5.1.2 Évolution de la déformation maximale complètement récupérable pour l’alliage Ti-50.7at.%Ni en fonction des conditions de traitement thermomécanique
5.2 Essais sur la génération de contrainte au chauffage et de résistivité électrique sous contrainte (Ti-50.0at.%Ni)
5 .2.1 Données brutes
5.3 Évolution de la contrainte générée en fonction de la déformation initiale
5.4 Évolution de la contrainte générée en fonction du PDA
CONCLUSIONS