Renforcement du Minaret par les Alliages à Mémoire de Forme

Renforcement du Minaret par les Alliages à Mémoire de Forme

Introduction

Le désir de miniaturisation des systèmes mécaniques impose le développement de nouvelles technologies permettant de repousser toujours plus loin les limites de la science.
Parmi ces nouvelles technologies, les innovations à base des matériaux actifs ont été intensivement développées ces dernières années. Ce chapitre sera consacré à un de ces matériaux appelés « alliages à mémoire de forme » (AMF) ou en anglais « shape memory alloys » (SMA), qui seront développés par la suite.
Depuis de longues années, un effort immense a été réalisé pour produire des alliages à mémoire de forme de composition variée afin de satisfaire à un nombre croissant d’applications. Ces derniers ont considérablement révolutionné et effectivement ils sont deplus en plus industrialisés et donnent de nouvelles lignes d’horizon pour des applications dans variant domaines.

Historique

Historiquement, c’est en 1932 qu’ont été découverts les premiers alliages à mémoire de forme par Chang et Read (Chang et Read, 1951). Pendant de longues années, ils sont restés méconnus des industriels, ne dépassant pas le statut de curiosités.
Ce n’est cependant qu’en 1962 que la découverte de la mémoire de forme dans les alliages à base de Nickel-Titane « NiTi » (50/50 %) attire l’attention des scientifiques dans le monde entier, depuis la liste des AMF s’est considérablement développée et leur intérêt fondamental ou pratique n’a fait que croître (Vignes et al., 2001).
Puis, dans les années quatre-vingt, des alliages à bases de cuivre sont mis en avant, permettant des coûts moins onéreux. Bien que plusieurs autres alliages à mémoire de forme aient été découverts depuis lors, la série de Nickel-Titane est restée le plus répandue et utilisée. Donc il a fallu attendre le Vingt-et-un siècle pour constater que des alliages métalliques présentent un effet comparable. Si les orientations industrielles de production de masse de composant à AMF n’a que peu de succès, ces alliages présentent maintenant un grand intérêt dans des applications à plus forte valeur ajoutée.
Effectivement, ces dix dernières années, ils commencent à quitter le laboratoire pour entrer dans le monde industriel et apportent des nouvelles perspectives pour des applications très diverses. Ils sont classés dans la catégorie des « matériaux intelligent » et «avancés», grâce à leurs propriétés mécaniques remarquables et avantageusement.

Définition des AMF

Les AMF désignent une classe de matériaux métallique qui ont la capacité de revenir à une forme prédéterminée, lorsqu’ils sont chauffés. Toutefois, lorsque le métal est chauffé au-dessus de sa température de transformation, il subit un changement de structure cristalline qui oblige à revenir à sa forme d’origine. Cette propriété est désignée par le terme « effet mémoire de forme » (Georges, 2012).
Quand la température d’un AMF est inférieure à sa température de transformation, il a une très faible limite d’élasticité et se déforme très facilement à n’importe quelle nouvelle forme dont il conservera. Contrairement aux alliages ordinaires, l’AMF lorsqu’il est soumis à des contraintes supérieures à sa limite d’élasticité il se déforme, mais cette déformation n’est pas permanente, car il revient à son état initial par un simple chauffage.
Les propriétés pseudoélastiques des alliages à mémoire de forme (superélasticité, mémoire de forme) reposent sur l’existence d’une transformation de phase à l’état solide appelée « transformation martensitique thermoélastique » (Patoor et Berveiller, 1990).
La figure (2.1) présente un schéma explicatif sur les propriétés de fonctionnement qui apprécié par un AMF. Lorsqu’un AMF est exposé à une déformation importante (figure 2.1.a), il peut récupérer sa forme initiale par simple chauffage (figure 2.1.b). En plus l’alliage a une phase superélastique qui lui permit de retourner à sa forme initiale (figure 2.1.c)

La transformation Martensitique-Austénitique

Toutes les propriétés des AMF sont dues à une transformation de phase thermoélastique qui est une phase mère « austénitique ». À travers cette dernière, donne une naissance de façon réversible, à une phase « martensitique » sous l’effet d’une variation de température ou sous l’application d’une contrainte mécanique (Vignes et al., 2001). Ce sont deux phases cristallographiques.
Donc l’appellation de la phase « transformation martensitique » est associée à la transformation de la phase mère « l’austénite » des alliages en « martensite » (découverte par Adolf Martens en 1879).
La figure (2.2) explique schématiquement le passage d’une phase à une autre « austénitique vers martensitique » d’un trombone en AMF. La transformation de la phase mère « austénite » après avoir subi une déformation à une deuxième phase « martensite » lors d’un simple chauffage. Cette propriété est désignée par l’effet mémoire de forme.
C’est donc lors du retour à sa forme initiale par chauffage que l’AMF est capable de générer un travail mécanique.
Nous allons résumer brièvement les caractéristiques qui possèdent la «transformation martensitique» qui est à l’origine des propriétés des AMF.

Caractéristiques générales

La « transformation martensitique » possède cinq caractéristiques principales (Vignes et al., 2001) :
1. Changement de phase à l’état solide dû à une déformation homogène du réseau cristallin.
2. L’absence de diffusion rend la transformation martensitique presque instantanée, avec des vitesses comparables à la vitesse du son dans un solide.
3. La transformation martensitique entraîne un changement de la forme (cisaillement) et du volume de l’éprouvette. Pour les alliages à mémoire de forme la variation de volume est faible et le cisaillement est important.
4. Afin de minimiser l’énergie entre la martensite formée et l’austénite encore présente, les domaines de martensite formée ont la forme de plaquettes aplaties.
5. Les variables thermodynamiques externes qui ont une action sur la « transformation martensitique » sont la température et la contrainte. Et c’est la déformation associée à la « transformation martensitique » des AMF qui permet de donner une forme haute et basse température à un matériau et de le déformer de façon réversible.

Les propriétés thermomécaniques des AMF

La « transformation martensitique » donne cinq propriétés thermomécaniques exceptionnelles :
 Effet de mémoire simple sens.
 Effet de mémoire double sens.
 Effet d’amortissement.
 Effet superélastique.
 Effet caoutchoutique.

Effet mémoire simple sens (EMSS)

Traduit que l’alliage est capable de retrouver sa forme initiale par chauffage après une déformation mécanique (Gotthard et Lehnert, 2001). On peut donner à une pièce de forme initiale A, par l’application d’une contrainte, la forme stable B. La propriété de l’alliage à mémoire de forme est de retrouver sa forme initiale A par simple chauffage à une température caractéristique de l’alliage. Toutefois, un abaissement de la température ne permet pas le retour à la forme B.

Effet mémoire double sens (EMDS)

Désigne l’aptitude que l’alliage est capable après « apprentissage » d’avoir deux positions stables, l’une au-dessus d’une température dite critique et l’autre en dessous (Gotthard et Lehnert, 2001). Après, un traitement convenable de la pièce dit « éducation », il est possible de revenir à la forme B par simple abaissement de la température.

Effet d’amortissement (EA)

L’amortissement mécanique est le résultat d’une transformation irréversible d’énergie mécanique en énergie thermique dissipée (Vignes et al., 2001). Le frottement interne associé aux mouvements des interfaces entre les différentes variantes entraîne une dissipation d’énergie permettant par exemple d’amortir des vibrations (Liu et al., 1999).
Remarque : L’utilisation des AMF pour résoudre des problèmes d’amortissement mécanique présente plusieurs avantages, car ils ont un frottement intérieur élevé et une rigidité importante. Ces propriétés-là présentent également un grand intérêt pour des applications techniques.

Effet superélastique (SE)

Cet effet caractérise la capacité du matériau à se déformer de façon réversible de plusieurs pourcents. L’alliage est capable de se déformer énormément (jusqu’à 10 %) de manière réversible sous l’effet d’une contrainte (Stalmans et al., 1990).
a) Soit par l’application d’une contrainte à une température supérieure.
b) Soit par un refroidissement sous contrainte constante à partir d’un état austénitique.
(1-2) : L’application de la contrainte produit une déformation élastique de l’austénite jusqu’à une valeur critique de la contrainte σC.
 (2-3) : La déformation provient de la « transformation martensitique » sous contrainte de l’austénite en martensite.
 (3-4) : La transformation inverse se produit lors de la décharge en ramenant l’échantillon en phase austénitique.
Nous allons expliquer rapidement ces étapes de fabrication des AMF pour donner une idée générale sur leur production comme matériaux industriels.

Matières premières

Les éléments constituant l’AMF doivent avoir une pureté supérieure à (99,99 %) car les propriétés de l’alliage élaboré baissent de façon considérable avec l’augmentation du taux d’impuretés.

Fonderie

Les AMF sont dans un premier temps mis en fusion. Avant de procéder à la coulée, il est indispensable de s’assurer de l’exactitude de la composition du bain en fusion.

Mise en forme

Il apparaît de façon évidente que le procédé de mise en forme est spécifique à chaque famille du fait de leur différence de ductilité. Le choix d’une mise en forme à chaud ou à froid sera conditionné par l’aptitude de l’alliage en question à être déformé en fonction de la température.

Traitement de bétatisation (ou d’austénisation)

Pour conférer aux produits obtenus les propriétés mémoire de forme, les AMF doivent subir une séquence de traitement thermique.

Les familles d’AMF

Il existe de nombreux alliages susceptibles présentent l’effet de mémoire de forme.
La majorité de ces alliages présente une transformation martensitique. Les principaux AMF sont regroupés dans trois grandes familles qui sont (Clément, 1993) :
 Les alliages à base Nickel-Titane.
 Les alliages à base Fer.
 Les alliages à base Cuivre

Les alliages à base Nickel-Titane

Ces alliages se composent d’environ la moitié de Nickel et l’autre moitié de Titane, plus quelques additions. Ce système a été le plus étudié et actuellement connaît le développement le plus rapide. Bien que son coût reste élevé, il doit sa popularité à ses bonnes performances, tant en effet mémoire de forme simple sens qu’en superélasticité.
C’est en 1962 que Buhler et Wiley ont mis en évidence l’effet de mémoire de forme dans un alliage de Nickel-Titane. Ses principaux avantages sont (Olier, 1995) :
 Une bonne tenue : mécanique, à la corrosion et au vieillissement.
 Une bonne résistance à la fatigue.
 La déformation de transformation est la plus importante (5 à 8 %).
 L’ordre atomique est important pour la réversibilité de la phase « martensite ».
 L’alliage possède de remarquables propriétés d’amortissement

Table des matières

Liste des Figures
Liste des Tableaux
Chapitre 1 : Introduction Générale
1.1. Introduction
1.2. La problématique
1.3. L’objectif
1.4. Méthodologie du travail
1.5. Organisation du mémoire
Chapitre 2 : Les Alliages à Mémoire de Forme
2.1. Introduction
2.2. Historique
2.3. Définition des AMF
2.3.1. La transformation Martensitique-Austénitique
2.3.2. Caractéristiques générales
2.4. Les propriétés thermomécaniques des AMF
2.4.1. Effet mémoire simple sens (EMSS)
2.4.2. Effet mémoire double sens (EMDS)
2.4.3. Effet d’amortissement (EA)
2.4.4. Effet superélastique (SE)
2.4.5. Effet caoutchoutique (EC)
2.5. Production des AMF
2.5.1. Matières premières
2.5.2. Fonderie
2.5.3. Mise en forme
2.5.4. Traitement de bétatisation (ou d’austénisation)
2.6. Les familles d’AMF
2.6.1. Les alliages à base Nickel-Titane
2.6.2. Les alliages à base Fer
2.6.3. Les alliages à base Cuivre
2.7. Application générale des AMF
2.8. Application des AMF dans le génie civil
2.8.1. Renforcement des structures en béton
2.8.2. Protection parasismique
2.8.3. Précontrainte durable des constructions en béton
2.8.4. Amortisseurs à base d’AMF
2.8.5. Capteurs / Actionneurs
2.8.6. Réhabilitation des monuments historiques
2.8.7. Application des barres en AMF comme isolateur de base
2.9. Conclusion
Chapitre 3 : Revue de Littérature
3.1. Introduction
3.2. Applications des AMF dans les structures historiques
3.2.1. Le minaret de Mansourah, Algérie
3.2.2. Un ancien Aqueduc, Chypre
3.2.3. Mur en maçonnerie
3.2.4. Clocher de l’église de San Giorgio, Italie
3.2.5. La Basilique de San Francesco, Italie
3.3. Intégration des AMF dans les bâtiments modernes
3.3.1. Contrôle sismique d’une structure complexe
3.3.2. Un réservoir de vidange
3.3.3. Structures de longue portée
3.3.4. Poutres en béton
3.3.5. Confinement actif de cylindres en béton
3.4. Limitation des problèmes de ponts par l’application des AMF
3.4.1. Réparation des zones fissurées dans des ponts routiers
3.4.2. Éléments d’amortissement pour les ponts
3.4.3. Développement de résistance des ponts aux séismes
3.5. Conclusion
Chapitre 4 : Identification des Caractéristiques Dynamiques du Minaret d’Ajloun 
4.1. Introduction
4.2. Identification des caractéristiques dynamiques du minaret
4.2.1. Les tests de vibration ambiante
4.2.2. Le système de technique globale
4.2.3. Méthodologie
4.3. Description de cas d’étude
4.3.1. Historique
4.3.2. Caractéristiques géométriques
4.3.3. Caractéristiques mécaniques
4.3.4. Caractéristiques dynamiques
4.4. Etude modale du minaret
4.4.1. Hypothèses
4.4.2. Étapes de modélisation
4.5. Comparaison et interprétation des résultats
4.6. Conclusion
Chapitre 5 : Renforcement du Minaret par les Alliages à Mémoire de Forme
5.1. Introduction
5.2. Caractéristiques des matériaux utilisés pour le renforcement
5.2.1. Caractéristiques mécaniques des AMF
5.2.2. Caractéristiques mécaniques du support des AMF
5.3. Modélisation numérique des AMF
5.4. Analyse transitoire du minaret
5.4.1. Analyse dynamique du minaret sans AMF
5.4.2. Analyse dynamique du minaret avec AMF
5.4.3. Résultat du renforcement de minaret
5.4.4. Renforcement du minaret par les AMF et les bars d’acier
5.5. Interprétation des résultats
5.6. Conclusion
Conclusions et Perspectives
Références Bibliographiques
Annexes

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