Ce travail est une contribution à l'étude des conséquences mécaniques des transformations de phase à l'état solide dans les aciers, en particulier la plasticité de transformation (TRIP), en prenant en compte l'effet de la taille de grain austénitique (AGS). L'évolution de l'AGS a été étudiée sous différentes conditions d'austénitisation. Des essais de plasticité de transformation ont été conduits avec les mêmes conditions d'austénitisation afin d'observer l'évolution du TRIP avec l'AGS. Trois types de chargement mécanique sont considérés : la traction uniaxiale, la torsion uniaxiale et le cas biaxial de traction + torsion. Les résultats montrent que : i) le TRIP augmente avec l'AGS dans le cas de la traction ; ii) il est indépendant de l'AGS pour la torsion; iii) pour le cas du changement biaxial, le TRIP diminue légèrement. Ceci montre que les modèles décrivant le TRIP doivent être revus afin de prendre en compte l'AGS.

Les modèles développés afin de prédire le comportement des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) sont généralement basés sur une description phénoménologique simplifiée de l’activation des variantes de martensite sous chargement thermomécanique. Cette étude a pour objectif de modéliser et de caractériser par nanoindentation la formation discrète des plaquettes de martensite à l’échelle nanométrique. Un nouveau critère, nommé critère de Patel-Cohen d’indentation, est proposé afin de décrire l’activation de la première variante de martensite sous l’indent et sa transformation inverse. L’évidence de transformation martensitique est observée sur les courbes d’indentation par l’apparition successive d’évènements de type « pop in » et « pop out » lors, respectivement, de la charge et de la décharge. Cela met en évidence la discontinuité spatio-temporelle de l’activation et de la propagation de la transformation martensitique à l’échelle nanométrique. L’émission de dislocations dans le nickel pur a été étudiée en tout premier lieu afin de valider et la procédure de nanoindentation utilisant un indent Berkovich et le calcul des facteurs de Schmid d’indentation décrivant l’activation de « pop ins » correspondant à l’activation et à la propagation de dislocations. Un bon accord est trouvé entre les essais réalisés sur un AMF CuAlBe superélastique et la dépendance théorique à l’orientation cristallographique des charges de « pop-ins » et de « pop outs » prédite par le critère de Patel-Cohen d’indentation introduit dans cette étude / Constitutive models developed to predict Shape Memory Alloys (SMA) behavior are often based on a simplified phenomenological description of martensite variant activation under thermomechanical loading at the micro scale. This study aims at modeling and characterizing by nanoindentation the discrete variant activation events at the nano scale. A new criterion is proposed to describe the first martensite variant activation beneath the indenter. Evidence of discrete martensitic transformation is observed during nanoindentation by the successive occurrences of pop-in and pop-out load events on the force versus displacement curve during respectively loading and unloading. Thus, the spatial-temporal discontinuity of phase transformation activation and propagation is highlighted at the nano scale with the introduction of an indentation Patel-Cohen factor for both forward austenite-martensite and reverse phase transformations. Dislocation emission in pure nickel is first studied to validate both the nanoindentation testing procedure using a Berkovich indenter and the calculations of indentation Schmid factors to describe excursion bursts corresponding to dislocation activation and propagation. Good agreement is found between nanoindentation tests performed on a superelastic CuAlBe SMA and theoretical crystallographic dependence of pop-in and pop-out loads predicted by the new introduced indentation Patel and Cohen factor

Les alliages de titane β-métastables biocompatibles suscitent un intérêt croissant pour les applications médicales grâce à leur comportement superélastique et/ou effet mémoire de forme, leur excellente résistance à la corrosion et leur bonne aptitude à la déformation à froid. Dans le cadre de cette thèse, un alliage superélastique Ti-26Nb et un alliage à mémoire de forme Ti-24Nb ont été élaborés en creuset froid en semi-lévitation magnétique et ont fait l'objet d'une caractérisation approfondie sur le plan microstructural et mécanique. Les mécanismes de déformation activés lors d'une sollicitation mécanique ont été identifiés pour les deux alliages au moyen d'essais de traction couplés à des mesures in-situ en diffraction des rayons X. Une procédure d'optimisation basée sur des traitements thermo-mécaniques nano-structurants a été développée pour augmenter simultanément la résistance mécanique et la superélasticité tout en conservant un bas module élastique. Un ensemble de propriétés qui conditionne la réussite de la pose d'implant en améliorant la qualité de transfert des contraintes à l'interface os/implant. Les évolutions microstructurales à l'origine de l'optimisation de ces propriétés ont été étudiées par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission et essais mécaniques. Ce travail se conclut par une introduction à la modélisation micromécanique du comportement du Ti-26Nb. Les caractéristiques cristallographiques de la transformation martensitique ont été déterminées en se basant sur la théorie de Ball et James. L'influence de l'orientation cristallographique sur le comportement mécanique des monocristaux a été étudiée. / Biocompatible metastable β-titanium alloys have attracted much attention for biomedical applications in recent years thanks to their superelastic and/or shape memory behavior, their superior corrosion resistance and their excellent cold workability. In this present study, a superelastic Ti-26Nb alloy and a shape memory Ti-24Nb alloy were produced by the cold crucible levitation melting method. A detailed microstructural and mechanical characterization were performed. The deformation mechanisms occurring during uniaxial deformation were identified for these two alloys by coupling in situ tensile testing with X-ray diffraction measurement. An optimization route based on nanostructuring process was developed in order to enhance both strength and superelasticity while keeping a low elastic modulus. These properties are required to improve the load transfer along the bone/implant interface which is essential to the success of implants. The microstructural evolution during the thermomechanical process resulting in the optimization of properties was investigated through tensile tests, X-ray diffraction and transmission electron microcopy. The last part of this study deals with an introduction of micromechanical modeling of the Ti-26Nb behavior. The crystallographic features of the martensitic transformation were determined by applying the Ball and James theory. The influence of the crystallographic orientation on the mechanical response was investigated for tension and compression.

Nous avons découvert une méthode originale pour produire une transformation de phase dans les nanofils de Ge et Si(de structure cubique diamant 3C).Sous l’action d’une contrainte externe à chaud, des nanodomaines de structure hexagonale diamant 2H se forment de manière quasi-périodique le long du fil ce qui résulte en un réseau 1D d’hétérostructures 3C/2H.Dans ce contexte,ce projet de thèse vise à mettre en lumière les mécanismes de cette transformation de phase et à caractériser les propriétés physiques de la phase 2H.Nous avons mis en place des analyses structurales systématiques dans les nanofils de Ge et Si-3C/2H pour mettre en évidence les paramètres clés de la transformation de phase.Les nanodomaines 2H sont formés dans des bandes de cisaillement de direction e2-5-5e.Une relation d’orientation a été mise en évidence:(1-10)3C//(-2110)2H et (110)3C//(0001)2H et les bandes 2H reposent majoritairement sur les plans d’interface (115)3C.Les études préliminaires montrent que la contrainte de cisaillement et le budget thermique sont nécessaires à la transformation avec une température seuil minimale de 350°C et 500°C pour le Ge et le Si respectivement,ces conditions sont caractéristiques d’une transformation martensitique.Les paramètres clés identifiés : l’orientation cristallographique et le diamètre des nanofils.Dans les nanofils de Si, la formation des bandes de cisaillement et donc des domaines 2H est induite par la composante de contrainte de cisaillement dans la direction de glissement du plan interfacial 3C/2H. D’après ces résultats, la transformation de phase serait compatible avec un mécanisme de relaxation plastique via la formation des bandes de cisaillement (5-5-2)(1-15)3C.Nous avons réalisé des mesures Raman spatialement résolues sur nanofil unique de Ge- et Si-3C/2H afin de mettre en évidence les modes de phonons optiques. Dans le Ge, nous avons détecté deux pics Raman à 288 cm−1 et 301 cm−1 attribués aux modes E2g et E1g + A1g + F2g. Dans le Si, nous avons observé trois pics Raman à 498, 515 et 520 cm−1 respectivement associés aux modes E2g, A1g et F2g. Ces valeurs coïncident avec les calculs reportés.Nous avons également mesuré les largeurs de bandes interdites dans les nanofils de Ge-3C/2H par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier:nous avons obtenu un gap direct à 0,58 eV attribué à la phase 2H et un gap indirect à 0,72 eV qui proviendrait vraisemblablement de la phase 3C.Ces valeurs constituent les premières mesures expérimentales du gap de la phaseGe-2H et vont dans le sens des calculs théoriques qui prédisent un gap étroit et direct. La phase 2H peut également être obtenue dans le massif de Si et Ge après décompression dans une cellule à enclumes de diamant menant à la phase BC8 qui se convertit à température ambiante(dans le Ge) ou à chaud(dans le Si) en phase 2H. Afin de comparer les propriétés du massif, nous avons réalisé des mesures in-situ par spectroscopie Raman et par diffraction des rayons X dans le massif en étudiant différents chemins de décompression. A température ambiante,nous obtenons soit la phase Ge-ST12, soit un mélange des phases Ge-ST12 et Ge-BC8 en fonction de la vitesse de décompression.La nucléation de la phase 2H est donc complexe car elle dépend fortement du chemin de décompression et des conditions hydrostatiques dans la cellule. Ces études révèlent de plus un effet de taille. Dans les nanofils de Ge,nous observons après décompression un retour vers la phase 3C avec une composante amorphe.Les mesures in-situ du gap dans le Ge massif et les nanofils de Ge en fonction de la pression confirment cet effet de taille. Après décompression dans le Ge massif, nous obtenons un gap direct égal à 0,53 eV et un gap indirect valant 0,73 eV. Ces valeurs sont liées à la structure de bandes de la phase Ge-ST12 et s’accordent avec les récents résultats reportés.La mesure dans les nanofils de Ge présente un comportement d’hystérésis avec le retour vers le gap initial après décompression. / We have demonstrated an original way to induce a phase transformation in Si and Ge nanowires under external shear-stress. The transformation results in an unprecedented heterostructure with quasiperiodic embedded Ge-2H nanodomains distributed all along the nanowire. My thesisproject aims at understanding the mechanisms of this phase transformation and at characterizing the physical properties of the heterostructures 2H/3C in Si and Ge nanowires.We have carried out systematic structural analysis in Si- and Ge-2H/3C nanowires to evidence the key parameters of this phase transformation.The phase transformation occurs in shear bands localized along the (2-5-5) direction.The heterostructured nanowires are defined by a specific orientation relationship between the 3C and the 2H bands (both in Si and Ge nanowires)given by(1-10)3C//(-2110)2H and (110)3C//(0001)2H with the 2H bands lying mainly on (115)3C planes.The preliminary studies showed that shear-stress and the thermal budget above a threshold temperature of 350°C in Ge and 500°C in Si are mandatory for this transformation. These conditions meet the common criteria of a martensitic phase transformation. We have identified two key intrinsic parameters:the temperature and the nanowires crystallographic axis.In Si nanowires, we found that the formation of the shear bands i.e. the 2H nanodomains is related to the component of the shear-stress along the glide direction of the 3C/2H interface plane.Based on these results,the transformation could be consistent with a stress relief mechanism through the formation of (5-5-2)(1-15)3C shear bands.We have performed spatially resolved Raman measurements on single Si and Ge heterostructured nanowires to characterize their optical phonon modes.In Ge,we have detected 2 Raman bands at 288 cm⁻ ᴵ and 301 cm⁻ ᴵ attributed to the E2g and E1g + A1g + F2g modes.In Si, we have observed 3 Raman bands at 498, 515 and 520 cm⁻ ᴵ that are associated respectively to the E2g, A1g and F2g modes.Those values agree well with the literature.Moreover, we have performed Fourier Transform Infrared spectroscopy on transformed Ge nanowires to measure the optical band gap of the 2H phase.We have obtained a direct band gap of 0,58 eV attributed to the 2H phase and an indirect bandgap of 0,72 eV that might stem from the 3C phase. Those results are the first experimental data of the Ge-2H band gap.The values align well with the simulations that predict a narrow direct band gap for this structure.The 2H structure can also be achieved in bulk Si and Ge after unloading of the BC8 phase in a diamond anvil cell.The BC8 phase is unstable and convertsinto the 2H phase at room temperature in Ge or by thermal annealing in Si.In order to compare the bulk properties of the 2H phase, we have performedin-situ Raman and X-ray diffraction experiments in bulk samples by studyingvarious unloading pathways. In particular, unloading at room temperature ledto the formation of the ST12 phase or a mixture of the BC8 and ST12 phasesdepending on the unloading rate.The formation of the 2H phase is thuscomplex given its dependency on the unloading conditions and the hydrostaticconditions within the cell that are difficult to garanty. Our studies also reveala size effect. After unloading of Ge-3C nanowires, the nanostructures revertback to the 3C phase with an amorphous component detected.In addition, we have carried out in-situ band gap measurements in bulk Ge and Ge nanowires as a function of pressure.After unloading, we havemeasured optical gap values that are related to the band structure of theGe-ST12 allotrope with a direct bandgap of 0,53 eV and an indirect bandgapof 0,73 eV.Those results are consistent with the experimental values reported.The experiments on Ge nanowires showed an hysteresis behavior with theinitial value of the band gap measured after unloading.Those results clearly evidenced novel relaxation mechanisms at the nanoscale that need to be investigated.

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. / The increasing use of Shape Memory Alloys (SMA) for complex structure, especially for medical applications, requires a better understanding of the phenomena governing their behaviors and particularly the super-elasticity. The strong thermomechanical coupling resulting from the martensitic phase transformation is a key point of this behavior. The thesis is devoted to the study and modeling of this coupling. First, the martensitic phase transformation causes coupled local deformation and heat emission that can locate onto transformation bands when structure undergoes uniaxial stress. A part of this thesis has been devoted to the development of InfraRed Image Correlation (IRIC). This technique permits us to measure by a single analysis, from a single IR film, both kinematic and thermal fields discretized on the same finite element mesh. An application to the analysis of a tensile test on a NiTi type AMF has been made. Superelastic behavior is also discussed from a modeling point of view. A large part of this work has been devoted to the development of multiaxial multiscale model describing the behavior of a RVE from the description of martensitic transformation at the crystal scale. The approach is inspired from multiscale models developed for modeling other multiphysic couplings especially the magneto-elastic coupling. It is based on the comparison of the free energies of each component, without any topological description. A probabilistic comparison is made, using a Boltzmann distribution, to determine the internal variables : the volume fractions. Interfaces are not taken into account. This model allows the simulation of the effect of any thermo-mechanical loading. It well gives account of the superelasticity, including the asymmetry in tension / compression ... The third part of this thesis has been devoted to the development of a one dimensional model for structure under uniaxial tension. In a first step, a 1D thermal model and a phenomenological mechanical model, based on the Clausius Clapeyron diagram have been developed. The simulations account for the diffuse transformation accompanying the elasticity at the very beginning of stress-strain behavior, and localized phase transformation afterthat. The algorithm is capable of handling two-way transformation. This model emphasizes competition both transient phenomena : generation and heat dissipation by the phase transformation and heat exchange with environment. Thus, it is able to reproduce relationship linking the number of nucleated transformation bands to the strain rate and the thermal boundary conditions. A study has been initiated to couple this model to the singlecrystalline multiaxial RVE model detailed in the previous part. It is currently not able to model the localization phenomenon, but the simulations show a tensile hysteresis issued from the thermal losses in the air. Indeed, even if the local multiscale model is written in a reversible way, irreversibility and the localization are primarily structural effects. The thermomechanical coupling is at the origin of the so specific AMF behavior (super elasticity and shape memory effect), it has been studied from various points of view: experimentally, by establishing RVE models, by simulating 1D structures and heat exchange. Developed tools and models have been applied to the study of Ni49, 75at% Ti, but are easily adaptable to other AMF. The approach used for the multi-scale modeling can be extended to other couplings, such as couplings cumulating the thermo-and magneto-mechanical aspect for the study of Magnetic Shape Memory Alloys for example.

La surface des pièces mécaniques est une zone sensible soumise à des conditions de sollicitations particulières, tant mécaniquement (frottement, contrainte maximale) que chimiquement (atmosphère ambiante, corrosion). Ainsi, la ruine des pièces de service est généralement initiée en surface ; les grands secteurs industriels sont donc à la recherche de solutions technologiques permettant une amélioration des propriétés mécaniques globales par une modification des propriétés de surface. De nombreuses techniques ont été développées dans ce but, notamment les traitements de surface mécaniques. Parmi ceux-ci, le grenaillage ultrasonique permet de déformer sévèrement et superficiellement les pièces par de nombreux impacts de billes ayant des trajectoires aléatoires au sein de la chambre de traitement. Le propos de cette étude repose sur l'analyse et la compréhension des microstructures de déformation induites par un traitement de grenaillage ultrasonique, particulièrement sous conditions cryogéniques ; sujet très peu exploré à ce jour voir nouveau concernant i) des métaux susceptibles de subir une transformation martensitique et ii) l'influence d'un tel traitement sur la tenue en fatigue cyclique. Pour ce faire, plusieurs nuances d'aciers inoxydables austénitiques présentant des stabilités différentes vis-à-vis de la transformation de phase ont été traitées à très basses températures et les propriétés obtenues ont été comparées à celles mesurées sur les échantillons traités à température ambiante. Les premières observations ont montré que, suite à un traitement sous condition cryogénique (-130 °C), une baisse de dureté intervient en sous-couche de l'alliage 310S stable, associée à une hausse des propriétés mécaniques sous basse température rendant le matériau plus difficile à écrouir. Ce phénomène est complètement supprimé au sein de l'alliage métastable 304L par une transformation martensitique facilitée, intervenant plus profondément qu'à température ambiante et entrainant une augmentation de la dureté de sous-couche. Deux alliages métastables (304L et 316L) ont donc été sélectionnés afin de détailler l'influence des paramètres de traitement sur le durcissement de sous-couche par une étude paramétrique comprenant l'amplitude de vibration (40 et 60 µm), la durée (3 et 20 min) ainsi que la température de traitement (ambiante, -80 et -130 °C). Il en ressort qu'augmenter l'énergie de traitent par une hausse de l'amplitude et/ou de la durée de grenaillage entraine une augmentation des duretés de surface et de sous-couche, accompagnée par la production de couches durcies plus épaisses. L'utilisation de températures cryogéniques permet une augmentation du potentiel de durcissement, et ce principalement en sous-couche. En associant les gradients de dureté aux distributions de martensite le long des épaisseurs affectées, il a été montré que la fraction de martensite était directement liée au potentielle de durcissement en profondeur. La fraction de martensite produite étant dépendante de la température de déformation et, afin de prendre en compte la stabilité initiale de l'alliage comme paramètre additionnel, des mesures complémentaires ont été faites sur l'alliage 316L plus stable. Les résultats ont alors montré qu'il est primordial d'adapter la température de traitement à la stabilité de l'échantillon afin d'optimiser l'efficacité du durcissement de sous-couche et éviter ainsi une baisse de la dureté en profondeur. Finalement, les structures de déformation obtenues sous condition cryogénique ont été reliées à la tenue mécanique sous sollicitations cycliques en flexion rotative. Comparé à un traitement réalisé à température ambiante, un grenaillage cryogénique permet une baisse la rugosité de surface et la production de contraintes résiduelles de compression plus élevées par la présence de martensite. Cependant, une plus grande relaxation de ces dernières associée à une réduction de l'épaisseur [...] / The surface of mechanical components is a sensitive zone subjected to particular mechanical (friction, maximum stress) and chemical (ambient atmosphere, corrosion) interactions. Hence, the rupture is generally initiated on the surface. In order to increase the global integrity of the working parts, the industrial groups are still seeking technological solutions allowing the modifications of the surface properties. Nodaway, plenty of surface modification techniques have been developed like the mechanical surface treatments. Among them, the ultrasonic shot peening (or surface mechanical attrition treatment) focus on superficially deform the mechanical parts through numerous collisions of peening medias having random trajectories inside a confined chamber. The purpose of this study is based on the analysis and the comprehension of the deformed microstructures induced by the ultrasonic shot peening treatment, especially under cryogenic temperatures. To do so, several austenitic stainless steel grades having different stabilities regarding the martensitic transformation have been treated under cryogenic conditions and compared to the properties obtained under room temperature. The first observations have shown that, after a cryogenic peening, a decrease of the subsurface hardness takes place in the stable 310S alloy which was attributed to an increase of the mechanical properties under cryogenic temperature. This phenomenon is suppressed in the metastable 304L by triggering a martensitic phase transformation promoted under low temperature and happening deeper compared to room temperature, increasing substantially the subsurface hardness. Two metastable alloys (304L and 316L) were then selected to conduct an ultrasonic shot peening parametric study including the vibration amplitude (40 and 60 µm), the treatment duration (3 and 20 min) and temperature (room temperature, -80 and -130 °C). It has been shown that increasing the treatment energy by raising the vibration amplitude and/or the duration leads to an increase of the surface and subsurface hardnesses as well as the affected layer thickness. The use of cryogenic temperatures allows an additional increase of the hardness, especially in subsurface. By comparing the different hardness gradients with the martensite distributions along the hardened layers, a direct correlation with the hardening rate and the martensite fraction was observed. The initial stability of the treated material was also taken in account by carried out additional observations on the 316L having a higher stability. The results have indicated that the deformation temperature needs to be wisely chosen regarding the stability of the processed material in order to avoid a decrease of the subsurface hardness. Finally, the deformed microstructures generated under cryogenic ultrasonic shot peening were associated to the mechanical behaviors of cylindrical specimens using rotating bending fatigue tests. Compared to a room temperature treatment, a cryogenic peening allows a decrease of the surface roughness and the generation of higher surface compressive residual stresses by the formation of martensite. However, compared to a room temperature treatment, the fatigue behavior was not increased after a cryogenic peening because of a more pronounced surface residual stress relaxation and a reduction of the affected layer. However, the potential increase of the fatigue life after a cryogenic surface deformation was depicted by the study of the rupture surfaces. It was observed that, if the involvement of the surface defects introduced by the high surface roughness can be lowered, a single subsurface crack initiation can be produced increasing considerably the fatigue behavior of the processed material

Les alliages NiMnSb, matériaux multifonctionnels nouveaux, ont attiré une attention en raison de leurs multiples propriétés, telles que l'effet de mémoire de forme, magnétocalorique, de biais d'échange, de magnétorésistance. Jusqu'à présent, de nombreux aspects des NiMnSb, tels que structure cristalline, microstructure, propriétés magnétiques et mécaniques ont été étudiés. Cependant, de nombreuses questions fondamentales de ces matériaux n'ont pas été entièrement révélées, ce qui limite leur développement. Une étude a été menée sur les alliages ternaires NiMnSb en termes de structures cristallines de l'austénite et de la martensite; Caractéristiques microstructurales et cristallographiques de la martensite; La relation d'orientation (OR) de transformation martensitique et sa corrélation avec l'organisation des variantes; Les caractéristiques de déformation de la transformation et l'autoaccommodation de la déformation de transformation. Le travail a confirmé que l'austénite possède une structure cristalline L21 cubique, groupe spatial Fm3m (No. 225). La martensite a une structure orthorhombique modulée (4O) à quatre couches, groupe spatial Pmma (No. 051). Les constantes de réseau de martensite de Ni50Mn37Sb13 et Ni50Mn38Sb12 sont aM = 8.5830 Å, bM = 5.6533 Å et cM = 4.3501 Å, et aM = 8.5788 Å, bM = 5.6443 Å et cM = 4.3479 Å. La microstructure de la martensite 4O NiMnSb modulée possède une caractéristique d'organisation hiérarchique. Les lamelles fines de martensite sont d'abord organisées en larges plaques. Chaque plaque possède 4 variantes apparentées aux jumeaux A, B, C et D formant des jumeaux de type I (A et C, B et D), de type II (A et B, C et D) et des macles composées (A et D; B et C). Les interfaces des variantes sont définies par les plans de maclage correspondants. Les éléments de maclage sont entièrement déterminés pour chaque relation de maclage. Les plaques sont ensuite organisées en sous-colonies et les sous-colonies en colonies de plaques. Les plaques voisines d'une sous-colonie et d'une colonie de plaques partagent une interface de plaque commune. Des colonies de plaques avec différentes interfaces de plaques ayant différentes orientations occupent finalement l'ensemble du grain d'austénite original. La OR de Pitsch, spécifiée comme {011}A // {221}M et <011>A // <122>M, est l'OR effective entre l'austénite cubique et la martensite 4O modulée. Sous cette OR, un maximum de 24 variantes distinctes peut être produit. Les 24 variantes sont organisées en 6 colonies de variantes distinctes, 12 sous-colonies distinctes et enfin 6 colonies de plaques distinctes. Le plan de maclage de type I et les interfaces intra-plaques correspondent tous à la même famille de plans {011}A de austénite. La formation des colonies de variantes martensitiques peut être à la fois intragranulaire et intergranulaire pendant la transformation de phase La colonie de variantes structurée en sandwich est l'unité micro-structurale de base de la martensite. Cette structure est composée de variantes de relation macles et possède des interfaces de variantes internes totalement compatibles et les plans d'habitat invariants. Les caractéristiques de déformation des variants en relation de macles conduisent à la fraction de volume élevée de macles de type II et affecte la morphologie des colonies en sandwich. La structure en forme de coin est composée de deux sandwichs compatibles et reliés par un plan de nervure médiane avec une petite incompatibilité atomique. Tous ces résultats indiquent que la transformation martensitique est autoaccommodée et la microstructure est déterminée par l'auto-accommodation des constituants microstructuraux. Ce travail vise à fournir des informations cristallographiques et micro-structurales fondamentales des alliages NiMnSb pour l'interprétation de leurs caractéristiques magnétiques et mécaniques associées à la transformation martensitique et des recherches complémentaires sur l'optimisation des propriétés / NiMnSb based Heusler type alloys, as a novel multi-functional material has attracted considerable attention due to their multiple properties, such as magnetic shape memory effect, magnetocaloric effect, exchange bias effect, magnetoresistance effect. To date, many aspects of the NiMnSb alloys, such as crystal structure, microstructure, magnetic properties and mechanical properties etc., have been widely investigated. However, many fundamental issues of this family of materials have not been fully revealed, which largely restricts the development of this new kind of multi-functional materials. In the present work, a thorough investigation has been conducted on ternary NiMnSb alloys in terms of crystal structures of austenite and martensite; microstructural and crystallographic features of martensite; martensitic transformation orientation relationship (OR) and its correlation with variant organization; transformation deformation characteristics and self-accommodation of transformation strain. The work confirmed that the austenite of NiMnSb alloys possesses a cubic L21 crystal structure belonging to the space group Fm3m (No. 225). The martensite has a four-layered orthorhombic (4O) structure with space group Pmma (No. 051). The lattice constants of the Ni50Mn37Sb13 and Ni50Mn38Sb12 martensite are aM = 8.5830 Å, bM = 5.6533 Å and cM = 4.3501Å, and aM = 8.5788 Å, bM = 5.6443 Å and cM = 4.3479 Å, respectively. The microstructure of the 4O NiMnSb modulated martensite possesses a hierarchical organization feature. Martensite fine lamellae are first organized into broad plates. Each plate possesses 4 distinct twin related variants A, B, C and D forming type I twins (A and C; B and D), type II twins (A and B; C and D) and compound twins (A and D; B and C). The variant interfaces are defined by the corresponding twinning planes. The complete twinning elements for each twin relation are fully determined. The plates are further organized into sub-colonies and sub-colonies into plate colonies. The neighboring plates in one sub-colony and plate colony share one common plate interface orientation. Plate colonies with different oriented plate interfaces finally take the whole original austenite grain. The Pitsch OR, specified as {011}A // {221}M and <011>A // <122>M, is the effective OR between the cubic austenite and the 4O modulated martensite. Under this OR, a maximum of 24 distinct variants can be produced. The 24 variants are organized into 6 distinct variant colonies, 12 distinct sub-colonies and finally 6 distinct plate colonies. The twinning plane of type I twin and the intra-plate plate interfaces all correspond to the same family of {011}A planes of austenite. The formation of martensite variant colonies can be both form intragranular and intergranular during the phase transformation. The sandwich structured variant colony is the basic microstructural unit of the martensite. This structure is composed of twin related variants and possesses the full compatible inner variants interfaces and invariant habit planes. The deformation manner of the twin related variants result in the high occurrence frequency of the type II twins and affects the morphology of the sandwich colonies. The wedge-shaped structure is composed of two compatible sandwiches and conjoined by a midrib plane with a small atomic misfit. All these results indicate that the martensitic transformation is self-accommodated and the microstructure is determined by the self-accommodation of the microstructural constituents. The aim of this work is to provide fundamental crystallographic and microstructural information of NiMnSb alloys for interpreting their magnetic and mechanical characteristics associated with the martensitic transformation and further investigations on property optimization

En tant que nouveau matériau magnétique à mémoire de forme, les alliages basés sur le système Ni-Mn-Sn possèdent de multiples propriétés physiques telles que l'effet de mémoire de forme des alliages polycristallins, l'effet magnétocalorique géant, l'effet de magnétorésistance et l'effet de polarisation d'échange. Jusqu'à présent, la plupart des études ont été axées sur l'amélioration des multifonctionnalités de ces alliages, mais l'information fondamentale qui est fortement associée à ces propriétés n'est toujours pas claire. Ainsi, une étude approfondie sur les structures cristallines de la martensite et de l'austénite, les caractéristiques microstructurales et cristallographiques de la transformation martensitique a été menée dans le cadre du présent travail de doctorat. Il a été confirmé que l'austénite de Ni50Mn37.5Sn12.5 possède une structure cubique L21 (Fm3 ̅m, No.225). Le paramètre de réseau de l'austénite dans Ni50Mn37.5Sn12.5 est aA = 5.9813 Å. La martensite possède une structure orthorhombique (4O) à quatre couches (Pmma, No.51). Les paramètres de réseau de la martensite dans Ni50Mn38Sn12 et Ni50Mn37.5Sn12.5 sont a4O = 8.6068 Å; b4O = 5.6226 Å and c4O = 4.3728 Å, and a4O = 8.6063 Å, b4O = 5.6425 Å, and c4O = 4.3672Å, respectivement. La martensite 4O Ni-Mn-Sn présente une microstructure hiérarchiquement maclée. La martensite est organisée en larges plaques dans le grain d'austénite d'origine. Les plaques contiennent des colonies à forme irrégulière avec deux modèles caractéristiques de microstructures : le motif lamellaire classique et le motif en arête de poisson. Dans chaque colonie, il existe quatre variantes d'orientation (A, B, C et D) et elles forment trois types de macles (Type I, Type II et macles composées). Les interfaces entre les variantes correspondantes sont en coincidence avec leur plan de maclage K1. Les plans d'interface des paires de macles composées A-D et B-C peuvent avoir une ou deux orientations différentes, ce qui conduit aux deux modèles microstructuraux. Les variantes correspondantes dans les colonies voisines dans une même large plaque (colonies intra-plaques) possèdent des orientations proches et le joint de colonie est courbé, tandis que la limite de colonie inter-plaques est relativement droite. La relation d’orientation de Pitsch (Orientation Relation OR), spécifiée comme {1 0 1} A//{22 ̅1}4O and <1 0 1 ̅> A//<1 ̅2 2>4O, a été exclusivement déterminée à être une OR effective entre l'austénite cubique et la martensite modulée 4O. Sous cette OR, 24 variantes peuvent être générées dans un grain d'austénite. Ces 24 variantes sont organisées en 6 groupes et chaque groupe correspond à une colonie de martensite. La structure de martensite finement maclée (microstructure sandwich) est le composant microstructural de base produit par la transformation martensitique. Une telle structure assure une interface de phase invariante (plan d'habitat) pour la transformation. Au cours de la transformation, les variantes de la martensite sont organisées en clusters en forme de diamant composés de colonies de variantes et avec des structures en forme de coin au front de transformation. Chaque coin est composé de deux structures sandwich séparées par un plan de nervure médiane {1 0 1}A. Les paires de variantes dans chaque coin devraient avoir le même type de macles avec une relation de Type I ou de Type II pour garantir de bonnes compatibilités géométriques des variantes à l'interface de phase et au plan de la nervure centrale. Dans les diamants, les colonies sont séparées par des frontières présentant des marches à faible énergie interfaciale qui évoluent vers les joints des colonies intra-plaques et par des joints droits qui deviennent les joints entre les plaques. Les diamants s'allongent le long de la direction presque parallèle aux plans de la nervure centrale des coins et la forme de la plaque de la martensite est finalement formée. [...] / Being a novel magnetic shape memory material, Ni-Mn-Sn based alloy systems possess multiple physical properties, such as shape memory effect of polycrystalline alloys, giant magnetocaloric effect, large magnetoresistance effect and exchange bias effect. So far, most studies have been focused on the improvement of the multifunctionalities of these alloys, but the fundamental information which is highly associated with these properties is still unclear. Thus, a thorough study on the crystal structures of martensite and austenite, microstructural and crystallographic features of martensitic transformation has been conducted in the present PhD work. The austenite of Ni50Mn37.5Sn12.5 was confirmed to possess a L21 cubic structure (Fm"3" ̅m, No.225). The lattice parameter of austenite in Ni50Mn37.5Sn12.5 is aA=5.9813 Å. The martensite possesses a four-layered orthorhombic (4O) structure (Pmma, No.51). The lattice parameters of martensite in Ni50Mn38Sn12 and Ni50Mn37.5Sn12.5 are a4O = 8.6068 Å; b4O = 5.6226 Å and c4O = 4.3728 Å, and a4O = 8.6063 Å, b4O = 5.6425 Å, and c4O = 4.3672Å, respectively. The 4O Ni-Mn-Sn martensite exhibits a hierarchically twinned microstructure. The martensite is organized into broad plates in the original austenite grain. The plates contain irregularly shaped colonies with two characteristic microstructural patterns: classical lamellar pattern and herring-bone pattern. In each colony, there are four orientation variants (A, B, C and D) and they form three types of twins (Type I, Type II and compound twin). The interfaces between the corresponding variants are in coincidence with their twinning plane K1. The interface planes of the compound twin pairs A-D and B-C can have one or two different orientations, which leads to the two microstructural patterns. The corresponding variants in the neighboring colonies within one broad plate (intra plate colonies) possess close orientations and colony boundary is curved, whereas the inter plate colony boundary is relatively straight. The Pitsch OR, specified as "{1 0 1}" A//"{2 " "2" ̅" " "1" ̅"}" 4O and "<1 0 " "1" ̅">" A//"<" "1" ̅" " "2" ̅" 2>" 4O, was uniquely determined to be an effective OR between the cubic austenite and 4O modulated martensite. Under this OR, 24 variants can be generated within one austenite grain. Such 24 variants are organized into 6 groups and each group corresponds to a martensite colony. The finely twinned martensite structure (sandwich microstructure) is the basic microstructural constitute produced by martensitic transformation. Such a structure ensures an invariant phase interface (habit plane) for the transformation. During the transformation, martensite variants are organized into diamond shaped clusters composed of variant colonies and with wedge shaped structures at the transformation front. Each wedge is composed of two sandwich structures separating by a midrib plane {1 0 1}A. The variant pairs in each wedge should have the same twin type with either Type I or Type II relation to ensure good geometrical compatibilities of the variants at phase interface and at the midrib plane. Within the diamonds, colonies are separated by step-like boundaries with low interfacial energy that evolve into the intra plate colony boundaries and by straight boundaries that become the inter plate colony boundaries. The diamonds elongates along the direction nearly paralleled to the midrib planes of the wedges and plate shape of martensite is finally formed. Such features of the diamond structure in Ni-Mn-Sn alloys are realized by self-accommodation of transformation strains for energy minimization. The present work provides comprehensive microstructural and crystallographic information on martensite and on martensitic transforamtion of Ni-Mn-Sn alloys and it is useful for understanding their multi functionalities associated with martensitic transformation and helpful on property optimization

Ce travail décrit une étude expérimentale sur des tôles en Ni-Ti à température ambiante en cisaillement plan simple, et pour des vitesses de déformation de 10-4 à 103/s. En quasi-statique (10-4-10-2/s), la mesure optique du champ de déplacement est indispensable à cause du faible déplacement (0.3mm). Des essais à vitesse de déformation intermédiaire (10-1-101/s) ont été réalisés avec la Machine MTS modifiée, capable d'aller à 300mm/s. Une caméra rapide est nécessaire pour suivre ces tests. Enfin, des barres de Hopkinson sont utilisées pour les essais à haute vitesse (102-103/s).Les efforts se sont concentrés sur la méthodologie afin d'explorer les limites expérimentales. Au niveau mécanique, des efforts ont été apportés sur la conception des montages des mors pour combiner des exigences contradictoires. Au niveau mesure, des caméras optiques fonctionnant jusqu'à 5M images/s ont été utilisées. La texture des images, la peinture, la lumière, la taille d'élément et l'incertitude sont analysées. De plus, la caméra infrarouge est utilisée pour confirmer l'observation optique sous faibles vitesses de déformation.Finalement, des essais ont été réalisés pour 7 ordres de grandeurs de la vitesse de déformation, avec identification de la relation contrainte-déformation et observation de l'évolution de la bande de transformation. On observe : (i) Une augmentation de la contrainte avec la vitesse de déformation. (ii) Un champ de déformation non homogène, même en faible vitesse, avec une bande à 10 degrés par rapport à la direction de cisaillement. (iii) Deux bandes séparées à haute vitesse (102/s), ce qui indique que la bande de localisation dépend de la vitesse de chargement. / This work describes an experimental study on a NiTi alloy at the ambient temperature (Pseudoelastic behavior) under the double in-plane shear loading over strain rates from 10-4 to 103/s. Under quasi-static loadings (10-4-10-2/s), the optical full-field measurement is necessary because of the very small displacement (0.3mm). The intermediate loading rates (10-1-101/s) are realized with a modified MTS machine able to load at 300mm/s. Moreover, a high-speed camera is needed to follow such tests. Finally, the Split Hopkinson bars are used to perform tests at impact loading rates (102-103/s).The main effort has been made on the methodological study to explore the experimental possibility. For the mechanical level, the attention has been paid on the design of the clamping system to cope with the contradictory requirements. For the measuring level, different optical cameras with sampling rate till to 5M frames/second are used. The texture, the painting, the lightening, the element size and the uncertainty are analyzed. Furthermore, an infrared camera was used at lower loading rates to confirm the DIC measurement.The tests are continually performed over 7 decades of the strain rate. The nominal stress-strain curves and the detailed observation of the transformation band evolution are measured. The main findings are as follows: (i) Regular stress increase with the strain rate; (ii) an inhomogeneous strain field under in-plane shear condition, even at very low strain rates, with a band at 10 degrees from the shear direction under lower strain rates. (iii) Two separated bands at the strain rate of 102/s, which suggests that the localized transformation bands are rate dependent.

Cette thèse porte sur l’influence des transformations de phases solide-solide sur la propagation de fissure. On souhaite ainsi mieux comprendre les variations de ténacité en cours de soudage par exemple, ou bien pendant la réparation d’une fissure. Dans ce travail, la ténacité est obtenue à partir de l’intégrale J. Il existe de nombreuses méthodes expérimentales permettant d’obtenir la ténacité critique JIC mais qui sont difficilement applicables pour des essais se déroulant pendant une transformation de phase. C’est pourquoi nous avons proposé une méthode couplant essai mécanique et mesure par corrélation d’images avec de la simulation par éléments finis. Les essais sont réalisés sur de simples éprouvettes plates pré fissurées, faciles à usiner et simple à chauffer par induction. Les essais sont conduits pour différentes températures et jusqu’à rupture. En sus des mesures d’efforts et déplacements de traverse, la corrélation d’images nous fourni également les champs de déplacement sur chaque face de l’éprouvette. Chaque essai est ensuite simulé par éléments finis où la ténacité critique est calculée par la méthode G-Theta au maximum de la charge supportée par l’éprouvette. Les simulations précédentes intègrent les conditions aux limites obtenues par corrélation et le comportement mécanique considéré est celui que nous avons identifié sur des essais de caractérisation. Deux nuances de matériau ont été étudiées avec cette méthode ; l’acier inoxydale 15-5PH ainsi que l’acier ferritique 16MND5. Pour ces deux matériaux, différentes températures d’essai ont été choisies avant, pendant et après la transformation pour effectuer les essais de rupture ainsi que de caractérisation du comportement mécanique. Les résultats de cette étude montrent que la transformation de phase peut avoir un impact non négligeable sur la ténacité. Ainsi, pour le 15-5PH, le taux d’austénite résiduel est un facteur important et les essais pendant la transformation martensitiques montrent que la ténacité critique peut être inférieure pendant celle ci à celle du matériau purement austénitique. Dans le cas du 16MND5, la ténacité est beaucoup plus faible à 600°C (et bainitique) qu’à température ambiante ce qui est assez logique. Par contre, lors du refroidissement, depuis 600° (austénitique) jusqu’à la température ambiante (bainitique), nous avons obtenu une ténacité critique relativement constante. En conclusion, cette étude apporte une solution quant à la mesure de la ténacité critique de matériau pendant des transformations de phases, ce que ne permettent pas forcément les essais normalisés. Pour le 15-5PH, la ténacité critique semble évoluer pendant la transformation martensitique et est assez dépendante du taux d’austénite résiduelle. Il semble par contre que pour le 16MND5, la ténacité critique soit assez peu dépendante de la fraction volumique d’austénite et la valeur obtenue varie peu au cours du refroidissement du matériau depuis 600°C. / Ou study focuses on the effects of phase transformations on crack propagation. We want to understand the changes of fracture toughness during welding. In this work, fracture toughness is expressed by J-integral. There are many experimental methods to obtain the critical toughness JIC but they are impractical for our investigation during phase transformation. That is the reason why we have proposed a method coupling mechanical tests, digital image correlation and finite element simulation. The fracture tests are implemented on pre-cracked single edge notched plate sample which is easy for machining and heat conduct during phase transformation. The tests are conducted at different temperatures until rupture. Digital image correlation gives us the displacement information on every sample. Each test is then simulated by finite element where the fracture toughness is evaluated by the method G-Theta at the crack propagation starting moment found by potential drop method and digital image correlation technical. Two materials have been studied, 15Cr-5Ni martensitic precipitation hardening stainless steel and 16MND5 ferritic low carbon steel. For these two materials, different test temperatures were chosen before, during and after phase transformation for testing and failure characterization of the mechanical behavior. Investigation result shows that metallurgical phase transformation has an influence on fracture toughness and further crack propagation. For 15-5PH, the result of J1C shows that the as received 15-5PH has higher fracture toughness than the one at 200°C. The toughness is also higher than the original material after one cycle heat treatment probably due to some residual austenite. Meanwhile, pure austenite 15-5PH at 200°C has higher fracture toughness than pure martensitic 15-5PH at 200°C. For 16MND5, the result also proves that the phase transformation affects fracture toughness. The as received material has bigger J1C than the situation where it was heated to 600°C. On the other hand, the material at 600°C just before isothermal bainite transformation after the austenitization during cooling process also has higher fracture toughness than the one at 600°C before austenitization. These two conclusions are consistent well with the result of 15-5PH. But the final situation of 16MND5 after one cycle heat treatment has a slightly smaller J1C than the receiving situation. It means that one cycle heat treatment hasn't an significant influence on 16MND5fracture toughness. Conclusions show that one should pay attention to the heating period before austenitization of the substrate material when people do the welding as the higher temperature will bring the lower fracture toughness during this process. While during cooling period, the fracture toughness doesn't change a lot during, before or after the cooling induced phase transformation. Even for 15-5PH, it has a better fracture toughness after the martensite transformation than before.