Présentation générale des alliages à mémoire de forme

MODELING OF RESIDUAL STRAIN ACCUMULATION OF NITI SHAPE MEMORY ALLOYS UNDER UNIAXIAL CYCLIC LOADING

CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALE

Présentation générale des alliages à mémoire de forme Depuis leur découverte dans les années 1930, les alliages à mémoire de forme (AMF) ont connu un développement que nous pouvons qualifier d’exponentiel. Très peu de travaux sur ce type d’alliage sont répertoriés avant les années 60. Puis, grâce aux développements techniques sur la fabrication des alliages, les publications sur l’utilisation à des fins commerciales des AMF ont commencé à voir le jour. Une description intéressante de l’évolution des AMF jusqu’aux années 80 se retrouve dans certains articles de revue (Hodgson 2004) ainsi que dans certains ouvrages spécialisés (Otsuka and Wayman 1998; Brailovski, Prokoshkin et al. 2003). À partir des années 80, l’industrie a cherché de plus en plus d’applications potentielles pour les AMF, en utilisant leurs propriétés particulières.

Les alliages à mémoire de forme portent ce nom car ils ont la faculté de se souvenir de l’état dans lequel ils étaient avant qu’ils ne soient déformés. Considérons un échantillon d’AMF (un fil fait d’un alliage équiatomique de titane-nickel, par exemple) initialement en phase martensitique non-orienté. Il s’agit d’une phase cristalline à basse température dont les grains n’ont pas d’orientation particulière. Considérons qu’il soit soumis à une déformation (tension-relâche). Il restera déformé aussi longtemps que le matériau restera en deçà d’une certaine température. La raison est que la martensite s’est orientée suite à l’application de la tension. Pour que l’échantillon retrouve sa forme originelle, il suffit de le chauffer au-delà d’une certaine température, Af, afin de transformer la martensite en état austénitique. En refroidissant l’alliage à sa température initiale, il retournera en phase martensitique, comme il était avant la déformation, c’est-à-dire non-orientée. Le phénomène ainsi observé est l’effet mémoire de forme (voir figure 1.1). En réalité, il s’agit d’une transformation de phase à l’état solide (transformation martensitique), sans variation de volume. Le matériau dans l’état initial est dans une phase cristalline appelée martensite (B19’, monoclinique : cette phase existe en 24 variantes, qui sont en fait différentes orientations spatiales de l’aspect monoclinique). Lors du chauffage subséquent, les atomes se réorganisent en phase plus stable appelée l’austénite (B2, cubique). La figure 1.1 permet de visualiser l’aspect cristallin de ces phases, superposé à un diagramme standard de phase contrainte/température.

Problématique et objectif de recherche

Les connaissances actuelles de la superélasticité des AMF indiquent que si un échantillon est soumis à une sollicitation cyclique, les propriétés de ce dernier évoluent en fonction, entre autre, du nombre de cycles effectué. Cette évolution se traduit notamment par l’apparition d’une déformation résiduelle, par l’abaissement du plateau de transformation de phase austénite-martensite et par une diminution de la largeur de l’hystérésis. Plusieurs excellentes publications sur le sujet seront présentées dans la prochaine section. Cependant, il ne semble pas y avoir de consensus sur la cause exacte de ces modifications et sur les effets observés, notamment s’il y a une pause dans la sollicitation. Un des buts de cette thèse est donc de comprendre de façon la plus complète possible le phénomène de dégradation des AMF sous sollicitation cyclique, avec ou sans présence de pause. Cette compréhension doit tenir compte des différents facteurs pouvant influencer les propriétés dans différents types d’applications. Dans la littérature, il existe de nombreux modèles qui décrivent efficacement le comportement complexe des AMF, mais la majorité d’entre eux se limitent au régime quasistatique. Ainsi, la dégradation des propriétés subit lors de sollicitations cycliques est négligée. Le Laboratoire sur les Alliages à Mémoire et les Systèmes Intelligents (LAMSI) de l’ÉTS travaille sur des projets qui utilisent des composantes en AMF soumises à des charges répétitives.

Les outils de calcul actuellement employés ne prennent pas en compte les phénomènes de dégradation des propriétés fonctionnelles, ce qui affecte la précision des résultats de modélisation d’un composant en AMF soumis à un chargement cyclique. De plus, de nombreux modèles de simulation nécessitent la définition de constantes difficilement caractérisables, voire impossible à déterminer expérimentalement. La présente thèse à pour but de remédier à cette lacune. Également, les algorithmes de simulation des AMF employés par le LAMSI (quasi-statique) ne sont pas optimisés pour une application dans des logiciels de calcul par éléments finis. En effet, les algorithmes itératifs actuellement employés nécessitent des temps de calcul trop élevés pour le calcul d’une pièce de géométrie complexe. La présente thèse offre une solution à ce problème en élaborant un algorithme facilement implantable dans un logiciel de calcul par éléments finis qui évite l’emploi d’un algortihme itératif. 1.3 Revue de littérature Cette section débute en traitant de certains articles se rapportant de près ou de loin à la fatigue et la dégradation des AMF.

Pour bien comprendre la fatigue et les phénomènes menant à la dégradation des propriétés fonctionnelles des AMF, plusieurs auteurs se sont concentrés sur la connaissance globale des matériaux. Notamment, un diagramme de phase pour l’alliage NiTi est proposé par Otsuka et Ren (Otsuka and Ren 1999a; Otsuka and Ren 1999b). Ce type de diagramme est intéressant pour comprendre le comportement particulièrement capricieux de l’alliage NiTi, grandement influencé par le pourcentage atomique de chaque élément ainsi que par le traitement thermomécanique appliqué. Ce point est fondamental pour l’étude des AMF. Otsuka et Ren mettent d’ailleurs l’emphase sur la structure atomique de l’alliage dans leur revue. Ils présentent ainsi les différentes phases cristallines de l’alliage (austénite B2, martensite B19 et B19’).

Un aspect important des AMF est le fait qu’ils possèdent une certaine asymétrie entre les propriétés observées en tension et compression. Une étude expérimentale a été effectuée sur ce phénomène entre autre par Liu et al. (Liu, Xie et al. 1998) qui, en plus d’étudier les courbes contrainte/déformation en tension et en compression, ont étudié la cristallographie de l’alliage à l’aide d’un microscope électronique à transmission (MET). Un article intéressant sur la dégradation des AMF est celui de Hornbogen (Hornbogen 2004). Bien que ce dernier présente beaucoup d’aspects de dégradation par déformation cyclique thermique, il présente un bon compte rendu des différentes connaissances sur le sujet de la dégradation globale. Il présente une définition de la fatigue. Il la définit comme étant de l’accumulation irréversible de changements structuraux localisés dans l’alliage. Il distingue la fatigue (dégradation du matériau) de la friction interne, qu’il associe à une perte d’énergie lors du changement de phase. Il mentionne la façon de provoquer de la fatigue en créant des désordres dans le réseau cristallin durant des cycles répétés. Il mentionne que la fatigue des matériaux entraîne la formation de défauts de surface. Ces défauts peuvent s’accumuler jusqu’à former des fissures (relativement petites). Il explique l’influence de la préparation de l’échantillon (traitement thermique) sur les propriétés de l’échantillon. L’augmentation de la dureté de l’échantillon par traitement adéquat permet d’obtenir une plus grande stabilité sur des échantillons soumis à des déformations cycliques. Il termine en énonçant neuf points à travailler pour produire des alliages résistant à la dégradation. Il faudrait maximiser la dureté de l’austénite, le degré d’ordre cristallin, le nombre de précipités cohérents et le point de fusion. Il faudrait par contre minimiser le changement de volume de la transformation, le rapport de la déformation totale sur la déformation du plateau de transformation de l’austénite en martensite, la diffusion atomique, la fragilité des frontières intergranulaires et l’incompatibilité structurelle de l’alliage.

Hornbogen mentionne également de nombreuses applications des AMF, notamment dans la fabrication de prothèses endovasculaires (stents). Pour ce type d’application, l’alliage est soumis à au moins 10 millions de cycles dans sa vie utile (Hornbogen 2004). Par conséquent, certains auteurs se sont penchés sur l’étude de la propagation des fissures dans les AMF. La particularité des expérimentations effectuées par McKelvey et Ritchie (McKelvey and Ritchie 1999) sur la propagation des fissures est qu’ils ont effectué leurs expériences à 37ºC dans l’air, dans l’eau et dans une solution semblable au plasma sanguin. Les conclusions auxquelles ils sont parvenus sont : 1- la résistance à la propagation des fissures est relativement faible dans l’alliage 55wt%Ni-45wt%Ti (ce point revient chez plusieurs auteurs) et 2- l’élongation résiduelle observée dans les courbes de contrainte-déformation semble plafonner à 60 cycles. Ce nombre de cycles est en accord avec Moumni et al. (Moumni, Van Herpen et al. 2005), mais en désaccord avec Piedboeuf et al. (Piedboeuf, Gauvin et al. 1998) et Nemat-Nasser et Guo (Nemat-Nasser and Guo 2006) qui en proposent 100, et avec Dolce et Cardone (Dolce and Cardone 2001) qui en proposent seulement 20. Néanmoins, tous s’accordent pour affirmer que les propriétés évoluent rapidement durant les premières dizaines de cycles pour ensuite se stabiliser.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALE
1.1 Présentation générale des alliages à mémoire de forme
1.2 Problématique et objectif de recherche
1.3 Revue de littérature
1.3.1 Identification des facteurs qui influencent les propriétés
1.3.2 Références générales sur la dégradation des matériaux
1.3.3 Hypothèses théoriques de la dégradation des AMF
1.3.3.1 Bases cristallographiques
1.3.3.2 Propagation des fissures
1.3.3.3 Autres facteurs
1.3.4 Modélisation de la dégradation des AMF
1.4 Originalité des travaux
1.5 Méthodologie
CHAPITRE 2 ARTICLE 1: ON THE PARTIAL RECOVERY OF RESIDUAL STRAIN ACCUMULATED DURING AN INTERRUPTED CYCLIC LOADING OF NITI SHAPE MEMORY ALLOYS
2.1 Introduction
2.2 Experimental Procedure
2.3 Experimental Results
2.3.1 First Experimental Design (DOE 1)
2.3.2 Second Experimental Design (DOE 2)
2.3.3 Temperature Variations
2.4 Discussion
2.4.1 Stress Increase
2.4.2 Residual Strain Recovery
2.5 Conclusions
2.6 References
CHAPITRE 3 ARTICLE 2: MODELING OF RESIDUAL STRAIN ACCUMULATION OF NITI SHAPE MEMORY ALLOYS UNDER UNIAXIAL CYCLIC LOADING
3.1 Introduction
3.2 Likhachev’s Micromechanical Model: Basic Description
3.3 Minimum Volume Fraction of Martensite
3.4 Plastic Strain
3.5 Macroscopic Thermal Model
3.6 Complete Model Description
3.7 Characterization of the Model: Material Constant Determination
3.8 Theoretical Capability
3.9 Validation
3.9.1 Validation based on residual strain approach
3.9.2 Other qualitative validations
3.10 Conclusion
3.11 Acknowledgement
3.12 References
CHAPITRE 4 ARTICLE 3: GENERAL 3D STRAIN-CONTROLLED FORMULATION OF LIKHACHEV’S MODEL FOR SHAPE MEMORY ALLOYS
4.1 Introduction
4.2 Background of the Likhachev’s Model (Stress Controlled 3D Formulation
4.2.1 Elastic Contribution
4.2.2 Phase Transformation Contribution
4.2.3 Degradation Contribution
4.3 Strain Controlled 3D Formulation
4.4 Algorithm Implementation
4.5 Numerical Validation
4.6 Conclusion
4.7 Acknowledgment
4.8 References
CHAPITRE 5 ARTICLE 3: DÉVELOPPEMENT RÉCENT
CONCLUSION GÉNÉRALE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Télécharger le rapport complet