Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-04-06T20:54:52Z No. of bitstreams: 1 GEORGE CARLOS DOS SANTOS ANSELMO - TESE PPG-CEMat 2014..pdf: 19735821 bytes, checksum: c92e61b342c27548f43bd01d30640a96 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-06T20:54:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GEORGE CARLOS DOS SANTOS ANSELMO - TESE PPG-CEMat 2014..pdf: 19735821 bytes, checksum: c92e61b342c27548f43bd01d30640a96 (MD5) Previous issue date: 2014-08-29 / Ligas com efeito de memória de forma possuem grande potencial para aplicações nos setores da robótica, automotivo, aeronáutico, medicina e na produção de atuadores miniaturizados. O objetivo desse trabalho foi investigar e desenvolver materiais com efeito de memória de forma (Shape Memory Effect - SME) das ligas Ti-Ni-Cu na forma de fitas micrométricas produzidos por meio de Melt Spinning. A metodologia utilizada para produção das ligas Ti-Ni-Cu foi via fusão a plasma (Plasma Skull Push-Pull), e para fabricação de fitas utilizou-se a técnica de solidificação rápida por injeção de metal líquido em volante de cobre nas velocidades de 38 e 50 m/s, logos após as ligas e fitas Ti-Ni-Cu foram caracterizadas por: DSC, SMRT, DRX, MEV. Inicialmente barras prismáticas da liga Ti-Ni50-x-Cux (x=3,4,5,6,7%at.Cu) foram produzidas via fusão a plasma. Por meio solidificação rápida obteve-se fitas com espessuras de 30 a 45 µm com a variação da velocidade do volante de cobre de 38 e 50 m/s no Melt Spinning. Ensaios de DRX revelam à presença da fase B19’ nas ligas brutas de fusão a temperatura ambiente. As ligas apresentaram transformações de fase em único estágio B2↔B19`. As temperaturas de transformação As das ligas Ti-Ni-Cu decrescem com o incremento de Cu. Concluise que as temperaturas de transformação martensíticas (Ms) de fitas Ti-Ni-Cu decrescem com a diminuição do tamanho de grão, e os valores de histerese e entalpia decrescem quando altas taxas de super-resfriamento são alcançadas no Melt Spinnig. / Alloys with shape memory effect have immense potential for applications in robotics, automotive and aeronautics industry, medicine and in the production of miniaturized actuators. The aim of this study was to investigate, develop and manufacture materials with shape memory effect of Ti-Cu-Ni alloys in the form of micrometer tapes produced by Melt Spinning. The methodology used for the production of Ti-Cu-Ni alloys by fusion plasma (Plasma Skull Push-Pull), and manufacturing tapes used the technique of rapid solidification injection of liquid metal into the copper wheel speeds 38 and 50 m/s. alloy and Ti-Ni-Cu ribbons were characterization by: DSC, SMRT, XRD, SEM. Initially prismatic bars of Ti-Ni50-x-Cux (x = 3,4,5,6,7 at.Cu%) had been produced by plasma fusion. With the rapid solidification is obtained tapes with thicknesses between 30 to 45 µm with the variation of the speed of the wheel covers 38 and 50 m / s the melt spinning. XRD tests reveal the presence of the B19' in gross phase alloy melting temperature. The alloys showed phase transformations in single stage B2↔B19`. The transformation temperatures of the alloy Ti-Cu-Ni decrease with the increase of Cu. We conclude that the temperatures of martensitic transformation (Ms) of Ti-Ni-Cu ribbons decreases with decreasing grain size, and hysteresis values and enthalpy decreases when high rates of super-cooling are achieved in Melt Spinnig.

La nécessité d’améliorer la performance aérodynamique des véhicules aériens est à l’origine d’intenses recherches sur l’optimisation en temps réel de la forme de la voilure. Cette optimisation en temps réel ne peut être atteinte que par le morphing de la surface portante en utilisant des matériaux et des actionneurs appropriés. L’objet de cette thèse est d’étudier des actionneurs basés sur des matériaux intelligents pour l’optimisation de la performance aérodynamique sur différentes échelles de temps (d’actionnement basse fréquence et haute fréquence). Premièrement, différents types d’actionnement , qu’ils soient basse fréquence et grand déplacement grâce aux AMF ou qu’ils soient haute fréquence et faible déplacement utilisant des matériaux piézoélectrique sont considérés. Leurs effets sur l’écoulement environnant ont été analysés séparément en utilisant des mesures PIV dédiées. Les expériences ont montré la capacité de déformation de la technologie AMF sous des charges aérodynamiques réalistes. Il a été souligné que malgré la fréquence d’actionnement limitée l’hypothèse "quasi-statique" doit être soigneusement adaptée à la gamme de nombres de Reynolds de 200.000. Les mesures PIV menées derrière le bord de fuite à actionnement piézoélectrique ont montré la capacité de l’actionneur à réduire les modes d’instabilité de la couche de cisaillement. Une fréquence optimale d’actionnement de 60 Hz a été identifiée à l’aide d’une analyse en boucle ouverte. Dans un deuxième temps, une hybridation des deux technologies précédemment étudiés a été proposée. Les actionneurs utilisés, AMFs et MFCs, ont été modélisés et la capacité d’action combinée a été démontrée. Le prototype conçu, suivant le profil aérodynamique NACA4412 a été testé en la soufflerie et il a été montré que la combinaison de ces deux technologies permet d’agir sur les tourbillons de la zone de cisaillement ainsi que de contrôler la portance. / The need to improve the aerodynamic performance of air vehicles is the origin of intense research on the real-time optimization of the airfoil shape. This real-time optimization can only be achieved by morphing the airfoil using adequate materials and actuators. The object of this thesis is to study smart-material actuators for aerodynamic performance optimization on different time scales (low-frequent and high-frequent actuation). First, the effects of the distinct actuation types, low-frequency large-displacement shape-memory alloy (SMA) and high-frequency low-displacement piezoelectric, on the surrounding flow are analyzed separately using dedicated time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) measurements. The experiments showed the deformation capacity of the SMA technology under realistic aerodynamic loads. Furthermore, it was highlighted that despite the limited actuation frequency the “quasi-static” hypothesis has to be carefully adapted for the Reynolds number range of 200.000. The PIV measurements conducted behind the piezoelectrically actuated trailing edge showed the capacity of the actuator to reduce the shear-layer instability modes. An open-loop optimum actuation frequency of 60 Hz has been identified. Secondly, a hybridization of the two previously studied technologies has been proposed. The implied actuators, SMAs and macro fiber composites (MFCs), have been modelled and the combined actuation capacity has been demonstrated. The designed prototype NACA4412 airfoil has been tested in the S4 wind-tunnel of IMFT and it was shown that the combination of the two technologies allows acting on the shear-layer vortices as well as control the lift.

Les alliages Cu-Al-Ni sont les seuls à posséder une température de transformation allant jusque 200°C. Ceci leur confère un avantage par rapport aux alliages Cu-Al-Zn ou Ti-Ni dont les températures de transformation ne dépassent pas 100°C.<p><p>Néanmoins, un chauffage temporaire au dessus de 200°C peut provoquer une perte de l’effet mémoire des alliages Cu-Al-Ni.<p><p>Nous avons étudié trois alliages aves des teneurs en nickel comprises entre 3 % et 5 %.<p><p>L’objectif de notre étude est double :<p><p>• Étudier la cinétique des transformations structurales au cours d’un vieillissement en phase β dans le domaine de températures 200°C-350°C ;<p><p>• Quantifier la perte de l’effet mémoire au cours du vieillissement afin de déterminer les possibilités d’utilisation de ces alliages au dessus de 200°C.<p><p>La caractérisation structurale a été effectuée par microscope optique, diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et microscopie électronique en transmission. <p><p>Les caractéristiques de la transformation martensitique ont été déterminées par analyse thermomécanique (TMA), par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par des mesures de résistivité électrique. <p><p>La perte de l’effet mémoire simple sens a été quantifiée à partir des courbes de transformations obtenues par analyse thermomécanique(TMA) sur des échantillons comprimés.<p><p>Les résultats principaux sont :<p><p>&61636; Au dessus de 300°C, la précipitation de la phase d’équilibre у&8322; se produit au cours du vieillissement. Elle entraîne une augmentation de la température Mѕ.<p><p>Nous avons montré que cette augmentation de Ms peut être reliée à la fraction transformée par une loi de puissance.<p><p>&61636; Il n’y a pas de relation directe, en revanche, entre la perte de l’effet mémoire et la fraction transformée. Cela indique que le nombre et la taille des précipités ont une influence sur la perte de l’effet mémoire.<p><p>&61636; Pour un vieillissement de 256 minutes à 275°C, la perte de l’effet mémoire est inférieure à 15%. Par contre, au dessus de 300°C, la perte de l’effet mémoire est très rapide.<p><p>Nous pouvons donc considérer que 275°C est une température limite à ne pas dépasser pour ces alliages.<p><p><p><p><p><p><p>ABSTRACT<p><p>The shape memory alloys Cu-Al-Ni are the only ones to have a transformation temperature of up to 200°C. This gives them an advantage compared to shape memory alloys Cu-Zn-Al or Ti-Ni whose transformation temperatures do not exceed 100 ° C.<p><p>However, a temporary heating above 200 ° C can cause a loss of memory effect alloys Cu-Al-Ni.<p><p>We studied three alloys with nickel content between 3% and 5%.<p><p>The aim of our study is twofold:<p><p>• Studying the kinetics of structural changes during aging in β phase in the temperature range 200 °C-350 °C.<p><p>• Quantifying the loss of memory effect with aging in order to determine the potential use of these alloys above 200°C.<p><p>The structural characterization was carried out by optical microscope, XR-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy.<p><p>The characteristics of the martensitic transformation were determined by thermomechanical analysis (TMA), differential scanning calorimetry (DSC) and by measuring the electrical resistivity.<p><p>The loss of one way shape memory was quantified from the curves obtained by thermomechanical analysis (TMA) on compressed samples.<p><p>The main results are:<p><p>&61636; Above 300 ° C, the precipitation of equilibrium phase γ2 occurs during aging. It causes an increase in temperature Mѕ.<p><p>We showed that this increase of Ms may be related to the fraction transformed by a power law.<p><p>&61636; There is no direct relationship between the loss of memory effect and the fraction transformed. This indicates that the number and size of the precipitates have an influence on the loss of memory effect.<p><p>& / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse présente une approche globale d’optimisation vis-à-vis de la fatigue des matériaux et structures en alliages à mémoire de forme (AMF). Cette approche s’articule en trois étapes : i) Le développement d’une loi de comportement capable de prédire la réponse thermomécanique à l’état stabilisé d’une structure en AMF sous chargement cyclique multiaxial non proportionnel. On prend notamment en compte la dépendance de la déformation résiduelle par rapport à la température. Par ailleurs, la méthode LATIN à grand incrément de temps a été généralisée pour les AMF dans le cadre du modèle ZM. Ceci permet de résoudre les problèmes de convergence numérique rencontrés lorsque le processus de transformation de phase se produit avec une pente du plateau de transformation faible. ii) Le développement d’un critère de fatigue à grand nombre de cycles pour les AMF. Ce critère s’inscrit dans le cadre de la théorie d’adaptation à l’instar du critère de Dang Van pour les métaux élasto-plastiques. Le critère proposé permet de calculer en chaque point de la structure en AMF un facteur de fatigue indiquant son degré de dangerosité. iii) Le développement d’une approche d’optimisation structurale qui peut être utilisée pour améliorer la durée de vie en fatigue prédite par le critère proposé dans la deuxième partie. Des exemples numériques sont traités pour valider chaque étape. L‘approche globale a par ailleurs été testée et validée pour l’optimisation structurale d’un stent. / This thesis presents a comprehensive and effi cient structural optimization approach for shape memory alloys (SMAs) with respect to fatigue. The approach consists of three steps: First, the development of a suitable constitutive model capable of predicting, with good accuracy, the stabilized thermomechanical stress state of a SMA structure subjected to multiaxial nonproportional cyclic loading. The dependence of the saturated residual strain on temperature and loading rate is discussed. In order to overcome numerical convergence problems in situations where the phase transformation process presents little or no positivehardening, the large time increment method (LATIN) is utilized in combination with the ZM (Zaki-Moumni) model to simulate SMA structures instead of conventional incremental methods. Second, a shakedown-based fatigue criterion analogous to the Dang Van model for elastoplastic metals is derived for SMAs to predict whether a SMA structure subjected to high-cycle loading would undergo fatigue. The proposed criterion computes a fatigue factor at each material point, indicating its degree of safeness with respect to high-cycle fatigue. Third, a structural optimization approach, which can be used to improve the fatigue lifetime estimated using the proposed fatigue criterion is presented. The prospects of this work include the validation of the optimization approach with experimental data.