Ce travail de thèse aborde les conditions et les mécanismes qui conduisent des fils superélastiques de NiTi à la rupture sous chargement mécanique cyclique. Les alliages à mémoire de forme du type NiTi présentent des propriétés thermomécaniques fonctionnelles comme la superélasticité et l’effet de mémoire de forme simple et double, lesquels sont générées grâce aux transformations de phase martensitiques provoquées soit par un changement de la contrainte ou de la température. Ces transformations de phase sont en principe des processus totalement réversibles et sans endommagement. Cependant, lorsque le NiTi est soumis à des transformations de phase induites par des contraintes cycliques, la performance en fatigue de l’alliage chute considérablement par rapport au NiTi non-transformant. La plupart des courbes S-N de fatigue rapportant cette chute ont été mesurées sur des fils NiTi a section constante dans lesquels les transformations martensitiques se développent de façon hétérogene par nucléation et propagation de bandes de cisaillement. De plus, d'après notre expérience, des essais de fatigue sur des échantillons de fils à section constante entrainent la rupture à l'intérieur des mors de la machine d'essai. Par conséquent, les valeurs de contrainte-déformation rapportées dans les courbes S-N ne sont pas nécessairement représentatives des conditions mécaniques critiques qui conduisent le matériau à la rupture. Dans le but de mieux caractériser les performances en fatigue des fils NiTi, nous avons effectué une série de tests de fatigue en traction-traction, tout en utilisant des échantillons sous forme ≪ diabolo ≫. La géométrie de ces échantillons nous a permis de confiner tous les processus de transformation martensitique et de fatigue dans un volume utile bien défini. La caractérisation du comportement thermomécanique de ces échantillons a été réalisée en combinant plusieurs techniques expérimentales et d'analyse telles que la corrélation d'image numérique(DIC), la thermographie infrarouge, la diffraction des rayons X à source synchrotron, la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage et l'analyse par éléments finis. Une attention particulière à été portée à la performance de NiTi dans le régime à grand nombre de cycles (HCF) dans laquelle le matériau présente un comportement élastique ou une transformation de phase intermédiaire (appelée R-phase). Les résultats des tests de fatigue nous ont permis de distinguer les étapes de nucléation et de propagation des fissures pendant la durée de vie totale de nos échantillons. Afin de mieux comprendre les mécanismes qui conduisent à la nucléation des fissures, nous avons appliqué la méthode de l’auto-échauffement, qui a démontré son efficacité dans la prédiction de fatigue dans les cas des alliages d'aluminium et des alliages d'acier. Cette méthode corrèle l'élévation de température d'un échantillon soumis à différentes amplitudes de charge cyclique avec des mécanismes de dissipation d'énergie. Ces mécanismes dissipatifs sont après associés à l’accumulation d’endommagement locale dans le matériau. La méthode d'autoéchauffement a été réalisée en utilisant des mesures de champs thermiques des d'échantillons de NiTi sous forme diabolo pendant de chargement cyclique. / This Ph.D. dissertation thesis addresses the conditions and mechanisms that lead superelastic NiTi wires to fail under cyclic mechanical loads. NiTi shape memory alloys exhibit functional thermomechanical properties (superelasticity, shape memory effect, thermal actuation) due to martensitic phase transformations caused by a change of the applied stress and temperature. These phase transformations are though as fully reversible damage-free processes, however, when NiTi is subjected to repetitive stress-induced phase transformations its fatigue performance drops drastically in comparison to non-transforming NiTi. Most of fatigue S-N curves reporting this drop were measured on straight NiTi wires in which martensitic transformations proceed heterogeneously through nucleation and propagation of shear bands. Moreover, from our experience fatigue testing straight wire samples results in undesired failure inside the testing machine clamps. Hence, the reported stress-strain values in S-N curves are not necessarily representative of the critical mechanical conditions that lead the material to failure. With the aim of better characterize the fatigue performance of NiTi wires, we started by carrying out a series of pull-pull fatigue tests using hourglass-shaped samples. This sample geometry allowed us to confine all martensitic transformation and related material fatigue processes into a well-defined gauge volume. The samples’ characterization was performed by combining several experimental and analysis techniques such as Digital Image Correlation, Infrared Thermography, Synchrotron-source X-ray diffraction, Optical Microscopy, Scanning Electron Microscopy and Finite Element Analysis. A special attention was paid to the High Cycle Fatigue (HCF) performance of NiTi in which the material shows elastic behavior and/or an intermediate phase transformation (so-called R-phase). The results from HCF tests allowed us to distinguish crack nucleation and crack propagation stages during the total life of our NiTi samples. In order to get a better understanding of the mechanisms that lead to crack nucleation, we applied the nonconventional Self-Heating fatigue assessment method, which has shown efficiency in the case of aluminum and steel alloys. This method correlates the temperature elevation of a sample subjected to different cyclic load amplitudes with energy dissipating mechanisms that contribute to accumulating local damage in the material. The Self-Heating method was performed using full-field thermal measurements of cyclically loaded NiTi hourglass-shaped samples.

Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) possèdent, entre autres, des propriétés de superélasticité et de mémoire de forme remarquables dues à une transformation de phase solide-solide entre l'austénite et la martensite. En particulier, les AMF à base de Nickel-Titane (NiTi) sont aussi utilisés dans l'industrie, pour leur résistance à l'oxydation et leur tenue en fatigue. Leur capacité à dissiper l'énergie incite à leur utilisation au sein de dispositifs amortisseurs dédiés au Génie Civil. En effet, les sources de vibration (trafic routier, séismes, vent, pluie...) affectent la durabilité, vis-à-vis de la fatigue, des câbles de pont. Les amortisseurs de type hydraulique, utilisés jusqu'à aujourd'hui, peuvent transmettre des contraintes néfastes à la structure hors de leur domaine d'utilisation (en fréquence et amplitude). Un nouveau dispositif à base de fils NiTi est étudié au cours de cette thèse. Toutefois, ce matériau adapte son comportement thermomécanique aux conditions de chargement et à l'environnement thermique. Cette étude a permis de mettre au point un outil numérique destiné à caractériser l'influence d'un tel dispositif sur la réponse dynamique d'un système "câble+amortisseur". Pour cela, le matériau est caractérisé expérimentalement afin d'alimenter un nouveau modèle numérique du comportement thermomécanique en superélasticité, à l'échelle du VER. Le modèle proposé est validé selon un critère énergétique. Celui-ci est ensuite étendu à l'échelle du fil par un modèle non-local, afin d'explorer les effets d'hétérogénéité de comportement, dans le but d'une utilisation concrète. Un prototype d'amortisseur, développé au cours de cette thèse, a été testé avec succès sur un câble de pont à l'échelle 1. Le dispositif montre une réelle efficacité à réduire les amplitudes de vibration du câble. L'analyse de différentes configurations d'essais sur le câble fournit des pistes d'optimisation du système. Un modèle d'éléments finis associé, intégrant la loi de comportement du fil, permet de réaliser une analyse dynamique transitoire. Celui-ci est validé, justifiant ainsi la prise en compte des différentes sources de dissipation observées expérimentalement, à savoir : la dissipation intrinsèque, le couplage thermomécanique et la présence d'une phase solide intermédiaire (R-phase). Ces dernières peuvent être découplées, afin d'évaluer leur contribution à l'amortissement du câble.} / Shape memory alloys (SMA) have many interesting properties due to solid-solid phase transformations (usually between austenite and martensite), such as super-elasticity and/or shape memory effects. More particularly, Nickel-Titanium (NiTi) based SMA are currently used in many industrial fields for their oxydation resistance and their fatigue resistance. Furthermore, their dissipation capacities make them particularly suitable for using as dampers dedicated to Civil Engineering issues. Indeed, several phenomena (road traffic, earthquakes, wind, rain...) which are the main causes of structure vibrations, affect the sustainability of bridge cables. Current solutions, consisting in setting-up hydraulic dampers, are not satisfactory out of their working range in terms of amplitude and frequency. A new device based on NiTi wires is studied in this thesis. However, this material adapts its thermomechanical response according to input loading rates or amplitudes and thermal surroundings.In the thesis, we have developed a numerical tool which enables to predict the NiTi wires based damper influence on the dynamical response of the cable. Thus, the specimens are characterized using experimental tests in order to build a numerical thermomecanical model taking into account the superelasticity effect, at the REV scale. The model is validated according to an energetical criterion. The model is then extended to the scale of the structure, using a non-local finite elements model, in order to investigate heterogeneity effects.A damping device, developed during the thesis, is tested successfully on a full-scale bridge cable. Furthermore, the NiTi wires based damping device shows a real damping power effectiveness. The study of several test configurations provides recommendations for optimisation of the system. A related finite elements model is used to realize a transient dynamic analysis. The model, which lies on the superelastic law, is validated. It justifies, afterwards, the consideration of phenomena assumed to be sources of dissipation, such as intrinsic dissipation, thermomechanical coupling and R-phase transformation. These phenomena can be numerically isolated, to evaluate how they take part in the mitigation of cable vibrations.

Shape memory alloys (SMAs) can recover large strains (e.g., up to 8%) by undergoing a temperature-induced phase transformation. This strain recovery can occur against large forces, resulting in their use as actuators. The SMA elements in such actuators integrate both sensory and actuation functions. This is possible because SMAs can inherently sense a change in temperature and actuate by undergoing a shape change, associated with the temperature-induced phase transformation. The objective of this work is to develop an SMA based cryogenic thermal conduction switch for operation between dewars of liquid methane and liquid oxygen in a common bulk head arrangement for NASA. The design of the thermal conduction switch is based on a biased, two-way SMA actuator and utilizes a commercially available NiTi alloy as the SMA element to demonstrate the feasibility of this concept. This work describes the design from concept to implementation, addressing methodologies and issues encountered, including: a finite element based thermal analysis, various thermo-mechanical processes carried out on the NiTi SMA elements, and fabrication and testing of a prototype switch. Furthermore, recommendations for improvements and extension to NASA's requirements are presented. Such a switch has potential application in variable thermal sinks to other cryogenic tanks for liquefaction, densification, and zero boil-off systems for advanced spaceport applications. The SMA thermal conduction switch offers the following advantages over the currently used gas gap and liquid gap thermal switches in the cryogenic range: (i) integrates both sensor and actuator elements thereby reducing the overall complexity, (ii) exhibits superior thermal isolation in the open state, and (iii) possesses high heat transfer ratios between the open and closed states. This work was supported by a grant from NASA Kennedy Space Center (NAG10-323) with William U. Notardonato as Technical Officer.