Soutenance mémoire
DÉTERMINATION D’UNE CONFIGURATION MAXIMISANT LA RÉSISTANCE À LA DÉCOHÉSION EN ARRACHEMENT
CARACTÉRISATION DES PROPRIÉTÉS DE MÉMOIRE DE FORME
Indicateurs et paramètres d’influence
Plusieurs travaux de recherche ont démontré que le traitement thermomécanique était un des principaux facteurs déterminant les propriétés de mémoire de forme (Demers et al., 2009; Miller et Lagoudas, 2001). Les propriétés de mémoire de forme ont donc certainement été affectées par le changement de géométrie du fil effectué par un laminage à froid qui lui a imposé une déformation cumulative allant jusqu’à 2.4 dans le cas des fils ayant été laminés jusqu’à 0.12 mm d’épaisseur. Comme la raison d’être du projet est d’exploiter les capacités d’actionnement des AMF, un travail doit être entrepris pour s’assurer d’obtenir un fil ayant des caractéristiques de mémoire de forme appropriées pour l’utilisation dans une SDA.
Il faut avant tout se pencher sur la manière de mesurer les propriétés de mémoire de forme. Les deux principaux indicateurs pour des actionneurs sont la génération de contrainte en condition de déplacement bloqué (GC) et l’amplitude de déformation récupérable en condition de force constante (DR). Les deux indicateurs GC et DR sont l’expression d’un système ayant respectivement une rigidité infinie ou nulle.
La Figure 3.1 montre deux courbes de traction d’un même spécimen de Nitinol, une effectuée à la température ambiante, sous la température de transformation et l’autre effectuée audessus de la température de transformation. Les trajets A-B, A-C et A-D illustrent donc l’effet mémoire de forme suite à un changement de température, la condition d’utilisation du fil diffère toutefois entre ces trois trajectoires. Lors de l’utilisation du fil comme actionneur, la pente de la courbe contrainte-déformation entre les deux états dépend de la rigidité du système. Comme la pente du trajet A-B est infinie, celui-ci correspond à l’indicateur de performance GC représenté par un fil dont les deux extrémités sont encastrées. La pente du trajet A-D représente quant à elle un système de rigidité nulle représenté par un poids libre et correspondant à l’indicateur de performance DR. Le trajet A-C est plus représentatif d’un système tel une SDA où les fils devront fournir un effort proportionnel au rayon de courbure.
Le niveau de laminage ainsi que les étapes exactes de la procédure ont un impact sur ces deux indicateurs de performance. Il faut trouver la limite à laquelle on peut réduire l’épaisseur avec l’équipement disponible au laboratoire LAMSI tout en maintenant des propriétés d’actionnement adéquates. Pour ce faire, il faudra chercher à obtenir un fil dont les indicateurs GC et DR sont maximisés.
Méthodologie
À chaque passage dans le laminoir, une déformation identique est imposée. Suivant les travaux de (Demers et al., 2009), une valeur de déformation de 0.3 est utilisée. Ceci produit une série d’épaisseurs rapportée au Tableau 3.1. L’équation (3.1) donne la déformation cumulative entre deux états dont les épaisseurs sont connues, les variables ti et tf correspondant respectivement aux épaisseurs initiales et finales. En appliquant l’équation (3.1) à partir d’un fil de 1 mm de diamètre, on obtient la succession d’épaisseurs décrite au Tableau 3.1. L’épaisseur de 0.19 mm a été ajoutée suite à une erreur de manipulation. Les résultats de cet échantillon ont été pris en compte au même titre que les autres. La procédure de laminage de référence, d’après (Demers et al., 2009), est la suivante : Passage unique dans le laminoir avec une déformation de ε=0.3, réduisant l’épaisseur 1 mm à 0.74 mm puis un recuit post-déformation (PDA) à 400ºC.
La première procédure envisagée permettant de réduire davantage l’épaisseur est la suivante : Passages successifs dans le laminoir avec une déformation de ε=0.3 à chaque fois, réduisant l’épaisseur selon les valeurs du Tableau 3.1. Un PDA à 400ºC est effectué une fois tous les passages dans le laminoir effectués.
La deuxième procédure envisagée permettant de réduire davantage l’épaisseur est la suivante : Passages successifs dans le laminoir avec une déformation de ε=0.3 à chaque fois, réduisant l’épaisseur selon les valeurs du Tableau 3.1. Un PDA à 400ºC est effectué après chaque passage dans le laminoir (recuit dite intermédiaire).
Pour la PDA à 400ºC, deux durées sont considérées, soit 60 et 20 minutes. On prélève une longueur de 178 mm après les étapes à 0.74, 0.22, 0.19, 0.16 et 0.12 mm. Ces échantillons serviront aux essais de traction afin de mesurer les propriétés d’actionnement. La longueur active du fil est de 128 mm une fois que l’échantillon est installé dans les mors de la machine de traction pour l’immobiliser et agir comme électrode.
Les deux propriétés qu’on désire mesurer sont la génération de contrainte (GC) et la déformation récupérable (DR). Ces propriétés dépendent de la sollicitation. Par exemple, dans le cas de GC, la valeur dépend du niveau de déformation auquel le fil était soumis lors du blocage. La valeur de DR dépend quant à elle de la contrainte lors du chauffage. Ces propriétés seront donc évaluées sur une plage de sollicitations typiques pour un actionneur AMF.
La Figure 3.2 montre le montage utilisé pour la mesure des propriétés d’actionnement. Une machine de traction hydraulique MTS858 permet de contrôler le mouvement de la mâchoire mobile avec une commande de force ou de déplacement. Le fil d’AMF est chauffé par effet Joule en faisant passer un courant continu dans celui-ci. Une source de courant reçoit une commande externe provenant du contrôleur principal et envoie un courant continu pouvant aller jusqu’à 15 A. La température est mesurée à l’aide d’un thermocouple de type K attaché au fil d’AMF. Le contrôleur enregistre les signaux de temps, de position, de force et de température de l’échantillon.
La surface de section transversale de chaque fil est mesurée avant l’essai afin d’ajuster les paliers de force pour obtenir des niveaux de contrainte similaires entre les essais. Les étapes B à F sont effectuées en contrôle de force et les étapes G, H et I sont effectuées en contrôle de position. Le fil d’AMF acquiert une déformation résiduelle, particulièrement avant d’être stabilisé, la position de référence (contrainte quasi-nulle et fraction de martensite = 100%) n’est donc pas constante d’un cycle à l’autre. L’étape F sert à pallier à ce problème. Un contrôle en force de 10 N est maintenu pendant qu’un cycle d’activation est réalisé. La force de 10 N a été choisie parce-que c’était la plus petite force qu’il est possible d’imposer sans courir un trop grand risque que le fil perde toute tension, ce qui provoque une instabilité de la machine. La position du fil après le cycle d’activation est donc utilisé comme point de référence pour les étapes H et I où des incréments de déformation sont ajoutés de façon relative. Cela permet de comparer les valeurs de GC d’un cycle à l’autre.
Le critère de stabilité des propriétés a été fixé à 5%, c’est-à-dire que les valeurs ne doivent pas avoir changé de plus de 5% entre 2 cycles complets consécutifs. La Figure 3.4 montre que 20 cycles complets, soit plus de 200 cycles d’activation au total, sont largement suffisants pour atteindre la stabilité, ce qui est en accord avec les résultats de Georges (Georges et al., 2009). Par souci d’uniformité, tous les essais sont par la suite stabilisés avec le même nombre de cycles, soit 200.
Résultats
Les résultats de l’historique complet sont trop complexes pour être interprétés sur un seul graphique. L’information la plus pertinente se trouve dans le dernier cycle, c’est-à-dire une fois que les propriétés se sont stabilisées. La Figure 3.5 montre un dernier cycle typique où on peut voir les différents niveaux de contrainte et de déformation pour lesquelles les propriétés ont été obtenues.
La représentation graphique de tous les derniers cycles des essais n’a toutefois pas la concision nécessaire pour rapporter les résultats et les comparer. Les valeurs de GC et DR sont donc extraites de l’historique contrainte-déformation selon la méthode illustrée à la Figure 3.6 pour chaque niveau de contrainte au dernier cycle de chaque test.
Les Tableaux (3.2) et (3.3) rapportent les résultats comparant les paramètres GC et DR pour les essais visant à déterminer la meilleure procédure de laminage. Les échantillons pour les procédures #1 et #2 ont une épaisseur de 0.22 mm, tandis que la procédure de référence est réalisée sur un échantillon d’une épaisseur de 0.74 mm.
Les résultats rapportés ont tous été obtenus pour une durée de PDA de 20 minutes. Les résultats pour le PDA de 60 minutes n’étaient pas différents, mais les échantillons présentaient des ruptures prématurées pour les fils de 0.19 mm et moins. Les essais avec une PDA de 60 minutes ont été abandonnés par la suite.
Analyse
Les résultats numériques sont difficiles à comparer entre eux puisqu’on ne cherche pas simplement un maximum. Les propriétés doivent offrir une performance acceptable sur une large plage d’opération. La Figure 3.7 compare les propriétés de mémoire de forme pour les trois procédures envisagées.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Contexte historique des ailes déformables
1.2 Alliages à mémoire de forme
1.2.1 Introduction aux alliages à mémoire de forme
1.2.2 Origine du comportement des AMF
1.2.3 La transformation de phase
1.2.4 Effet mémoire de forme
1.2.5 Les AMF en tant qu’actionneurs
1.3 Travaux sur la décohésion d’une interface
1.3.1 Méthodologie du test d’arrachement
1.3.2 Décohésion d’une interface dans les matériaux composites
1.3.3 Résultats de tests d’arrachement AMF/polymère recensés
1.3.4 Tests en contraction
1.4 Conclusion
CHAPITRE 2 DÉTERMINATION D’UNE CONFIGURATION MAXIMISANT LA RÉSISTANCE À LA DÉCOHÉSION EN ARRACHEMENT
2.1 Paramètres étudiés
2.2.1 Décapage
2.2.2 Modification de la géométrie des spécimens
2.2.3 Moulage des spécimens
2.2.4 Montage expérimental
2.2.5 Résultats
2.3 Analyse
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 CARACTÉRISATION DES PROPRIÉTÉS DE MÉMOIRE DE FORME
3.1 Indicateurs et paramètres d’influence
3.1.1 Méthodologie
3.1.2 Résultats
3.1.3 Analyse
3.1.4 Conclusion
CHAPITRE 4 RÉSISTANCE À LA DÉCOHÉSION EN CONTRACTION
4.1 Montage expérimental de contraction
4.2 Contraction transversale
4.2.2 Mesure de la température
4.2.3 Essais de contraction
4.3 Contraction longitudinale
4.3.1 Méthodologie
4.3.2 Résultats
4.3.3 Analyse
4.4 Conclusion
CHAPITRE 5 MODÉLISATION NUMÉRIQUE DES ÉCHANGES THERMIQUES
5.1 Construction du modèle
5.2 Propriétés des matériaux
5.2.1 Résistivité de l’AMF
5.2.2 Coefficient de chaleur massique spécifique (Cp)
5.2.3 Calibration des autres propriétés
5.3 Études de convergence
5.4 Validation du modèle
5.5 Comparaison avec des essais expérimentaux
5.5.1 Méthodologie
5.5.2 Résultats
5.5.3 Analyse
5.5.4 Discussion
5.6 Champ de température
5.6.1 Méthodologie
5.6.2 Résultats
5.6.3 Analyse
5.6.4 Discussion
5.7 Champ de contrainte
5.7.1 Méthodologie
5.7.2 Résultats
5.7.3 Analyse
5.7.4 Discussion
5.8 Conclusion
CHAPITRE 6 CONCEPTION D’UNE MACHINE DE TRACTION MINIATURE
6.1 Contraintes de conception
6.2 Présentation du concept
6.2.1 Structure
6.2.2 Système de traction
6.2.3 Système de transmission
6.2.4 Système d’attache de l’échantillon
6.2.5 Dispositifs de sécurité
6.2.6 Ajustement de la hauteur
6.2.7 Système de mesure de la force
6.3 Calibration du système de mesure de la force
6.4 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I ARTICLE PRÉSENTÉ À LA CONFÉRENCE THERMEC 2011
ANNEXE II DESSINS TECHNIQUES DU MATÉRIEL EXPÉRIMENTAL FABRIQUÉ POUR LES TESTS D’ARRACHEMEN
ANNEXE III FICHE TECHNIQUE DES RÉSINES ÉPOXY POUR INFUSION DE MARQUE HUNTSMAN
ANNEXE IV CALCULS RELATIFS AUX ÉLÉMENTS DE TRANSMISSION DE PUISSANCE
ANNEXE V NOMENCLATURE DE PRODUIT COMPLÈTE DE LA MACHINE DE TRACTION MINIATURE APPENDICE A CODE ANSYS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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