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La superélasticité (SE) est la capacité d'un alliage à recouvrer sa forme initiale après une importante déformation. Cet effet, dû à une transformation martensitique réversible, est très convoité pour de nombreuses applications biomédicales. Les alliages nickel-titane sont les alliages les plus utilisés dans les applications fonctionnelles nécessitant de la SE. Cependant, l'utilisation de cet alliage dans les dispositifs biomédicaux est controversée par la présence du nickel, considéré comme élément cytotoxique et allergène. De ce fait, ces dernières années, une attention accrue a été portée aux alliages de titane [3-métastable pouvant constituer une alternative pour des applications biomédicales. En effet, ils ont l'avantage d'être élaborés à partir d'éléments biocompatibles et de présenter un comportement SE. L'objectif de cette thèse réside ainsi dans l'étude de la réponse SE des alliages de titane [3-métastable à différentes échelles dans leur forme massive et sous forme de revêtements. Deux alliages [3-métastable ont été élaborés: le Ti-27Nb {% at) et le Ti-24Nb-4Zr-4Sn (% mass). Les propriétés SE de ces alliages à l'état massif ont été caractérisées à l'échelle macroscopique et à l'échelle submicrométrique et comparées à celles du NiTi superélastique et du CP-Ti élasto-plastique. La nanoindentation a d'abord été utilisée pour sonder l'effet SE dans ces alliages massifs à l'échelle locale, et dans un deuxième temps, pour étudier l'effet de l'orientation cristallographique sur la réponse SE et mécanique à l'échelle du grain. Enfin, les propriétés mécaniques et SE de ces alliages sous forme de revêtements ont été évaluées avec ce même procédé de nanoindentation. / The superelasticity is the ability of an alloy to recover its original shape after significant deformation. This effect, due to a reversible stress-induced martensitic transformation, is highly sought after for many biomedical applications. Nickel-titanium alloys that have a very large strain recovery (in bulk and thin film state), are the alloys currently used for functional applications requiring superelasticity. However, the use of this alloy in biomedical devices is controversial by the presence of nickel, considered as allergen and presumed cytotoxic for the body. As a result, in recent years, increased attention has been given to metastable f3 titanium alloys, which may be an alternative for biomedical applications. Indeed, they have the advantage of being elaborated from biocompatible elements and exhibit a superelastic behavior. The objective of this thesis lies in the study of the superelastic response of metastable f3 titanium alloys at different scales in bulk and thin film state. Two metastable f3 titanium alloys were elaborated: Ti-27Nb (at%) alloy and Ti-24Nb-4Zr-8Sn (wt %) alloy. The superelastic properties of these two bulk alloys were characterized at macroscopic and sub-micrometric scale and compared to superelastic NiTi and elastoplastic CP-Ti. The nanoindentation was first used to evaluate the superelastic effect of various bulk titanium alloys at local scale, and in a second time, to study the effect of crystallographic orientations on the superelastic and mechanical responses at the grain scale. Finally, the mechanical and superelastic properties of metastable f3 titanium coatings were evaluated with this same nanoindentation process.

Thesis. 1978. Sc.D.--Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Materials Science and Engineering. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND SCIENCE. / Vita. / Includes bibliographical references. / Sc.D.

Thesis (Ph. D.)--Hong Kong University of Science and Technology, 2002. / Includes bibliographical references (leaves 155-160). Also available in electronic version. Access restricted to campus users.

Thesis (M. Phil.)--Hong Kong University of Science and Technology, 2003. / Includes bibliographical references (leaves 94-98). Also available in electronic version. Access restricted to campus users.

Thesis (Ph.D.)--Hong Kong University of Science and Technology, 2008. / Includes bibliographical references (p. 125-131).

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2000. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 249-257).

Les alliages de titane sont actuellement très utilisés comme implants orthopédiques de part leurs bonnes propriétés mécaniques, leur bonne résistance à la corrosion ainsi que leur excellente biocompatibilité. Cependant, l’alliage Ti-6Al-4V qui est le plus utilisé présente un module d'élasticité élevé (110GPa), ce qui peut provoquer le phénomène de « stress shielding » et finalement causer l’échec de l’implantation. De plus, l’utilisation à long terme de ce type d’alliage est remise en question à cause de la présence de certains éléments (Al et V) considérés comme cytotoxiques et/ou allergènes. Les alliages -métastables à base de titane peuvent être des candidats de remplacement intéressants grâce à l’addition d'éléments biocompatibles tel que Nb, Zr et Sn.L'alliage superélastique biocompatible de composition Ti-24Nb-4Zr-8Sn (% massique) a été étudié dans le cadre de cette thèse. Cet alliage montre des propriétés intéressantes telles qu’un bas module d’élasticité, une résistance mécanique élevée et une ductilité relativement importante.Dans ce travail de thèse, différents traitements thermomécaniques ont été réalisés afin d’obtenir des textures cristallographiques différentes. Les influences de changement de texture sur les propriétés mécaniques et la superélasticité ont été ainsi préalablement étudiées. La transformation martensitique a été caractérisée par des essais in situ de diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron (SXRD) pendant une sollicitation mécanique et par analyse mécanique dynamique (DMA) sous différentes contraintes statiques. De plus, les microstructures de déformation ont été observées par EBSD et MET pour caractériser précisément les mécanismes de déformation plastique, en particulier le maclage. / Titanium alloys have already been extensively used as orthopedic implants due to the good mechanical properties, corrosion resistance and excellent biocompability. However, the most widely used Ti-6Al-4V alloy exhibits high elastic modulus (110GPa) which would cause the stress shield effect and eventually lead to the implantation failure. Furthermore, elements of Al and V are proved to be toxic for long-term application. Low modulus metastable  titanium alloy can be a suitable candidate through proper addition of non-toxic alloying element such as Nb, Zr and Sn.The present investigated Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy is a new -type metastable alloy potentially interesting for biomedical applications. This alloy displays high strength, low elastic modulus, high ductility, superelastic property and good biocompatibility according to previous investigations.In this work, the as-cold rolled Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy was subjected to different thermo-mechanical treatments in order to introduce different crystallographic texture. Influences of texture change on mechanical properties and superelasticity have been preliminarily studied. Martensitic transformation which is responsible for the superelasticity has been characterized by both in situ synchrotron X-ray diffraction and dynamic mechanical analysis. Moreover, deformed microstructures have been observed by EBSD and TEM to characterize precisely the plastic deformation mechanisms, and particularly the twinning.

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Transformation induced plasticity was investigated in a model ceramic. The effect upon toughness of the martensitic transformation from the cubic (paraelectric) to the tetragonal ( ferroelectric) phase in BaTiO3 was determined. The K1C fracture toughness, as measured by the hardness indentation technique, exhibits a maximum within a temperature range approximately 50°C above the stress-free transformation temperature. Unlike the martensitic transformation associated with partially stabilized zirconia, there is no volume change during the cubic-to-tetragonal phase change in BaTi03. In addition, no evidence of microcracking was observed. The enhanced toughness in the vicinity of the transition temperature was attributed to limited plasticity at crack tips provided by the transformation shear strains. The effective strains at the crack tips required to produce the observed fracture toughness values are consistent with transformation strains calculated using the phenomenological theory of martensite. / Master of Science