L'utilisation croissante des AMF pour des applications complexes, rend nécessaire la compréhension des phénomènes régissant leur comportement. Le fort couplage thermomécanique, résultant de la transformation de phase martensitique, en est un point clé. Les travaux de thèse présentés sont consacrés à l'étude expérimentale et la modélisation de ce couplage. Les mesures de champs (DIC,TIR) sont des outils privilégiés pour l'étude de comportements thermomécaniques hétérogènes. Une partie de cette thèse est consacrée au développement de la Corrélation d'Images InfraRouge, qui permet à partir d'un film IR de mesurer en une seule analyse, les champs cinématiques et thermiques discrétisés sur un même maillage éléments finis. Elle est appliquée à l'analyse d'un essai de traction sur AMF NiTi . Cet outil est pertinent pour étude de toutes sortes de phénomènes thermomécaniquement couplés. D'autre part, un modèle multiéchelle et multiaxial est construit qui décrit le comportement d'un VER à partir de la physique de la transformation martensitique à l'échelle de la maille cristalline. Il est fondé sur la comparaison des énergies libres de chaque constituant, sans s'attacher à une description topologique. A cet effet, une comparaison probabiliste est réalisée (distribution de Boltzmann) pour déterminer les variables internes : les fractions volumiques. Les interactions aux interfaces ne sont pas prises en compte. Ce modèle permet la simulation de toutes sortes de chargement thermo-mécaniques. Il restitue super-élasticité et dissymétrie en traction/compression. Un modèle 1D de traction uni- axiale est finalement présenté. D'abord un modèle de thermique ainsi qu'un modèle mécanique phénoménologique ont été développés. Les simulations rendent compte des phénomènes de transformation diffuse puis de localisation. Il met en compétition les deux phénomènes transitoires de génération et évacuation de la chaleur, il reproduit la relation liant le nombre de bandes de transformation à la vitesse de sollicitation et aux conditions aux limites thermiques. Un travail été initié pour coupler ce modèle de structure et de gestion de la thermique au modèle monocristallin multiaxial.

L'utilisation croissante des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) dans des structures de plus en plus complexes, notamment en vue d'applications médicales, rend nécessaire la compréhension des phénomènes régissant leur comportement et plus précisément la pseudo-élasticité. Le fort couplage thermomécanique, résultant de la transformation de phase martensitique, est un point clé de ce comportement. Les travaux de thèse présentés sont consacrés à l'étude et la modélisation de ce couplage. Tout d'abord, la transformation de phase martensitique provoque une déformation et une émission de chaleur couplées qui peuvent se localiser en bandes de transformation sous sollicitation uniaxiale. Une partie de cette thèse a été consacrée au développement de la Corrélation d'Images InfraRouge, qui permet à partir d'un unique film IR de mesurer conjointement, en une seule analyse, les champs cinématiques et thermiques discrétisés sur un même maillage éléments finis. Une application à l'analyse d'un essai de traction sur AMF de type NiTi a été réalisée. Le comportement pseudo-élastique a aussi été abordé d'un point de vue modélisation. Une large part de ce travail de thèse a donc été consacrée à l'élaboration d'un modèle multiéchelle et multiaxial, décrivant le comportement d'un VER à partir de la physique de la transformation martensitique à l'échelle de la maille cristalline. L'approche est inspirée de modèles multiéchelles développés pour la modélisation d'autres couplages multiphysiques et notamment magnéto-élastique. La troisième partie de cette thèse a été consacrée à l'élaboration d'un modèle de structure 1D sous traction uniaxiale. Dans un premier temps un modèle de thermique 1D ainsi qu'un modèle mécanique phénoménologique à seuils ont été développés. Les simulations rendent compte des phénomènes de transformation diffuse accompagnant l'élasticité puis de la transformation localisée. L'algorithme est notamment capable de gérer les deux sens de transformation. Ce modèle met en compétition les deux phénomènes transitoires de génération et évacuation de la chaleur par la transformation de phase et les échanges thermiques avec l'environnement. Ainsi, il est capable de reproduire la relation liant le nombre de bandes de transformation générées à la vitesse de sollicitation et aux conditions aux limites thermiques. Un travail été initié pour coupler ce modèle de structure et de gestion de la thermique au modèle monocristallin multiaxial. Sans encore reproduire la localisation de la transformation en bande, les simulations de traction montrent un hystérésis, issu des pertes thermiques dans l'air ambiant, bien que le modèle de comportement multiéchelle élémentaire soit écrit dans un cadre réversible, l'irréversibilité et la localisation étant avant tout des effets de transferts. Le couplage thermomécanique à la source des comportements si spécifiques des AMF que sont la super élasticité et la mémoire de forme ont donc été étudiés sous divers points de vue : expérimentalement, par l'établissement de modèles de comportement, par la simulation de structures 1D et des échanges thermiques mis en jeu. Les outils et modèles ont été appliqués à l'étude du Ni49,75at%Ti, support de ce travail, mais sont facilement adaptables à tout autre AMF. L'approche utilisée pour la modélisation multi-échelle peut être étendue à d'autres couplages, par exemple en cumulant les couplages thermo- et magnéto- mécaniques en vu de l'étude des Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques par exemple.

Shape memory alloys (SMAs) exhibit unique combination of structural and functional properties and hence have a variety of current and potential applications. The mechanical behaviour of SMAs, in particular the influence of processing on the microstructure, which in turn influences the performance of the alloy, mechanical properties at the nano-scale, and under cyclic loading conditions, are of great current interest. In this thesis, specific issues within each of these broad areas are examined with a view to suggest further optimize/characterize SMAs. They are the following: (a) For thermo-mechanical secondary processing of SMAs, can we identify the optimum combination of temperature- strain rate window that yields a desirable microstructure? (b) How can indentation be used to obtain information about functional properties of shape memory alloys so as to complement traditional methods? (c) How can the information obtained from indentation be utilized for the identification of the alloy composition that yields a high temperature SMA through the combinatorial diffusion couple approach? Towards achieving the first objective, we study the hot deformation behavior of a cast NiTi alloy with a view of controlling the final microstructure. The “processing maps” approach is used to identify the optimum combination of temperature and strain rate for the thermomechanical processing of a SMA system commonly used in actuators applications (NiTiCu). Uniaxial compressions experiments are conducted in the temperature range of 800- 1050 °C and at strain rate range of 10-3 and 102 s-1. 2-D power dissipation efficiency and instability maps are generated and various deformation mechanisms, which operate in different temperature–strain rate regimes, are identified with the aid of these maps. Complementary microstructural analysis of specimens (post deformation) is performed with the help of electron backscattered diffraction (EBSD) analysis to arrive at a processing route which produces stress free grains. A safe window suitable for industrial processing of this alloy which leads to grain refinement and strain-free grains (as calculated by various methods of misorientation analysis representation) is suggested. Regions of the instability (characterized by the same analysis) result in strained microstructure, which in turn can affect the performance of the SMA in a detrimental manner. Next, to extract useful information from indentation responses, microindentation experiments at a range of temperatures (as the shape memory transformation is in progress) are conducted underneath the Vickers indenter. SME was observed to cause a change in the calculated recovery ratios at temperatures above As. Spherical indentation of austenite and martensite show different characteristics in elastic and elasto- plastic regimes but are similar in the plastic regime. NanoECR experiments are also conducted under a spheroconical indenter at room temperature, where the resistance measured is observed to increase during the unloading of room temperature austenite SMA. This is a signature of the reverse transformation back to austenite during the withdrawal of the indenter. Lastly, recovery ratios are monitored in the case of a NiTiPd diffusion couple before and after heat treatment at different temperature intervals using non- contact optical profilometry. The recovery ratio approach is successfully used to determine the useful temperature and %Pd range for a potential NiTiPd high temperature SMA. The method makes high throughput identification of high temperature shape memory alloys possible due to promising alloy compositions being identified at an early stage.