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

La modélisation du comportement des alliages à mémoire de forme présente un intérêt majeur pour la conception de dispositifs qui tirent profit des comportements spécifiques à ce matériau. En particulier, l'association de ces alliages avec d'autres matériaux permet de créer des matériaux composites adaptatifs. Une demande croissante de ce type de matériau nécessite le développement des outils de conception adaptés, notamment au niveau du calcul de structures. Cette thèse présente un modèle de comportement des alliages à mémoire de forme, en partant de la définition de l'énergie interne du matériau jusqu'à l'implémentation numérique dans un code de calcul industriel. Des exemples de modélisation de matériaux composites à base d'alliages à mémoire de forme sont développés, à des échelles tant macroscopique et microscopique.

Dans le domaine de la méctronique, l'utilisation de matériaux actifs est en constante évolution en raison de l'arrivée de nouveaux matériaux toujours plus performants. Les Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques (AMFMs) sont des matériaux actifs apparus relativement récemment qui peuvent se déformer de 6 à 10 % sous l'application d'un champ magnétique. Permettant un actionnement rapide avec des déformations importantes, ces alliages sont des bons candidats pour la conception de nouveaux actionneurs. Cependant, ils présentent des caractéristiques non-linéaires avec hystérésis qu'il faut prendre en compte dès la phase de conception et de développement de leur commande afin d'améliorer les performances des nouveaux systèmes. Dans cette thèse, nous proposons une modélisation des AMFMs basée sur la thermodynamique des processus irréversibles à variables internes prenant en compte les effets du champ magnétique, des contraintes mécaniques appliquées ainsi que de la température. Une modélisation dynamique non-linéaire de systèmes mettant en oeuvre des AMFMs est également développée en utilisant les formalismes de Lagrange et Hamilton. Ces modèlisations énergétiques nous permettent de proposer des nouvelles structures d'actionneurs ainsi que des nouvelles lois de commande hybrides bien adaptées au comportement dynamique hystérétique de ce type d'actionneurs. Les résultats théoriques de ces études sont validés par des réalisations de prototypes et des essais expérimentaux.

Un modèle de comportement thermomécanique pour les alliages à mémoire de forme est présenté. Il prend en compte la transformation de phase martensitique, l'orientation des variantes de martensite ainsi que l'accommodation inélastique des macles au sein de la martensite formée sous une structure auto-accommodée. Un potentiel thermodynamique pour un volume élémentaire représentatif est proposé. Il est décrit à l'aide de trois variables internes définies à l'échelle macroscopique. Des forces thermodynamiques sont dérivées de ce potentiel et équilibrées en faisant intervenir des phénomènes dissipatifs. Le modèle est ensuite implanté dans un code de calcul par élément finis afin de dimensionner des structures en deux et trois dimensions. Ce modèle a servi par la suite de base à une description non locale du comportement superélastique permettant de prendre en compte les phénomènes de localisation observés dans les fils et les films minces d'AMF. Des éléments finis spécifiques sont développés afin de pouvoir prendre en compte ce type d'approche dans le cadre d'un calcul de structures.

La gamme des alliages à mémoire de forme offre une variété de comportements mécaniques : effet mémoire de forme, super élasticité, amortissement... Ces matériaux peuvent être exploités en vue d'améliorer les solutions techniques existantes, mais ils sont également à l'origine de nouvelles solutions et de produits innovants. Ces travaux de thèse s'attachent au développement d'un outil numérique d'aide au dimensionnement d'applications en AMF. L'accent est mis sur le couplage thermique-mécanique et l'exploitation des AMF sous forme d'actionneur. Le modèle du comportement macroscopique des AMF développé est basé sur une étude de la thermodynamique de la transformation de phase martensitique et propose une description de l'état interne du matériau basé sur un choix original des variables internes : la fraction volumique de martensite et la déformation de transformation propre de la martensite. Le modèle est validé sur une campagne de caractérisation du comportement mécanique et thermique du matériau. Le point de vue macroscopique adopté autorise l'utilisation raisonnable du modèle avec la méthode des Éléments finis. Le travail d'intégration numérique du modèle conduit à un algorithme robuste et efficace adapté au calcul de structures.

RESUME 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. Néanmoins, un chauffage temporaire au dessus de 200°C peut provoquer une perte de l’effet mémoire des alliages Cu-Al-Ni. Nous avons étudié trois alliages aves des teneurs en nickel comprises entre 3 % et 5 %. L’objectif de notre étude est double : • Étudier la cinétique des transformations structurales au cours d’un vieillissement en phase β dans le domaine de températures 200°C-350°C ; • 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. La caractérisation structurale a été effectuée par microscope optique, diffraction des rayons X, microscopie électronique à balayage et microscopie électronique en transmission. 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. 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. Les résultats principaux sont :  Au dessus de 300°C, la précipitation de la phase d’équilibre у₂ se produit au cours du vieillissement. Elle entraîne une augmentation de la température Mѕ. Nous avons montré que cette augmentation de Ms peut être reliée à la fraction transformée par une loi de puissance.  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.  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. Nous pouvons donc considérer que 275°C est une température limite à ne pas dépasser pour ces alliages. ABSTRACT 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. However, a temporary heating above 200 ° C can cause a loss of memory effect alloys Cu-Al-Ni. We studied three alloys with nickel content between 3% and 5%. The aim of our study is twofold: • Studying the kinetics of structural changes during aging in β phase in the temperature range 200 °C-350 °C. • Quantifying the loss of memory effect with aging in order to determine the potential use of these alloys above 200°C. The structural characterization was carried out by optical microscope, XR-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. The characteristics of the martensitic transformation were determined by thermomechanical analysis (TMA), differential scanning calorimetry (DSC) and by measuring the electrical resistivity. The loss of one way shape memory was quantified from the curves obtained by thermomechanical analysis (TMA) on compressed samples. The main results are:  Above 300 ° C, the precipitation of equilibrium phase γ2 occurs during aging. It causes an increase in temperature Mѕ. We showed that this increase of Ms may be related to the fraction transformed by a power law.  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.  For 256 minutes of aging at 275°C, loss of memory effect is less than 15%. On the other hand, above 300 ° C, loss of memory effect is very fast. We can therefore consider that 275°C is the temperature limit that not may be exceeded for these alloys.

De nombreuses applications nécessient l'utilisation de robots de petite taille pour la réalisation de tâches difficiles, dangereuses et inacessibles à l'homme que ce soit pour l'exploration et l'intervention en milieu technologique ou biologique fortement encombré et confiné (canalisations de faible diamètre) ou pour le prélèvement et la manipulation d'objets de faibles dimensions (domaine médical). Le passage de la robotique à la microrobotique par passage aux échelles inférieures de composants déjà existants a montré ses limites au niveau des technologies conventionnelles (elle ne permettent pas un degré de miniaturisation suffisant) ainsi qu'au niveau des principes d'actionnement traditionnels où les efforts moteurs deviennent très faibles. Ces limites imposent de développer des technologies et des principes d'actionnement capables de générer des mouvements et de transmettre des efforts compatibles avec les échelles mises en jeu. Pour répondre aux besoins de microactionnement, les matériaux piézo-électriques, magnétostrictifs ou les polymères et les alliages à mémoire de forme, qualifiés de "matériaux actifs", semblent prometteurs en raison des caractéristiques compatibles avec les forces, les mouvements requis et les possibilités de miniaturisation. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux alliages à mémoire de forme, notés AMF, lesquels, sous certaines conditions thermomécaniques, peuvent transformer une énergie thermique qui lui est fournie en un travail mécanique. Il peuvent ainsi restituer des déformations de l'ordre de 6 à 8 % et générer des efforts relativement importants lorsqu'ils sont chauffés.<br />Ainsi, dans le but de concevoir, dimensionner et commander au mieux de leurs performances de tels microactionneurs, il est tout d'abord nécessaire de disposer d'un certain nombre de connaissances et dedonnées sur ces matériaux. Ceci constitue l'objectif de notre travail de recherche qui s'articule en deux grandes parties. L'objectif de la première partie est l'obtention d'un modèle dynamique prédictif du comportement thermomécanique des AMF. Ce modèle est basé sur l'approche développée par Leclercq et Lexcellent. pour valider ce modèle, des essais thermomécaniques appropriés ont été menés en vue de l'identification des paramètres "matériau" et des simulations ont été effectuées, dont les résultats sont confrontés aux résultats expérimentaux correspondants. La seconde partie est consacrée à l'étude des actionneurs AMF. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés aux caractéristiques de ces microactionneurs en terme de course disponible, de densité d'énergie, de rendement et de bande passante. Dans un second temps, pour aborder les problèmes de la commande de position et d'effort des actionneurs AFM, nous exploitons des techniques de commande non linéaire, utilisant en particulier l'algèbre de Lie. A partir d'une représentation d'état non linéaire du système, il est possible par une transformation algébrique agissant sur les états de transformer le comportement dynamique d'un système non linéaire en un comportement dynamique partiellement ou totalement linéaire et ainsi maîtriser les performances en boucle fermée du système.

Les relations microstructure-propriétés sont au coeur de l'utilisation des matériaux modernes. Pour comprendre ces relations, des efforts considérables ont été réalisés au cours de ces dernières décennies pour identifier et décrire les principaux mécanismes à l'origine des différentes classes de comportement des matériaux. Les approches multiéchelles établissent la formation d'une très forte hétérogénéité du champ de contrainte à l'intérieur du matériau et cela même dans le cas de sollicitations imposées simples (traction uniaxiale) appliqués sur des matériaux macrohomogènes (polycristaux). Ce travail de thèse a contribué à mettre au point une méthodologie expérimentale originale permettant d'accéder à des informations de contraintes locales à l'échelle du grain dans le polycristal. L'approche proposée, combine différentes techniques d'analyses: observations microstructurales, caractérisation mécanique in situ, analyse de contrainte par diffraction des rayons X (DRX). Le travail a été réalisé sur un Alliage à Mémoire de Forme (AMF) superélastique de type Cu-Al-Be. De nombreux résultats tout à fait originaux ont été obtenus. Certains ont permis d proposer des classifications des modes de transformation et ont conduit à affiner les techniques d'analyse de contrainte dans les matériaux biphasés, mais la plupart ont permis de mieux comprendre les mécanismes de sélection des variantes de martensite dans les alliages à mémoire de forme ou ont mis en évidence l'importance de paramètre comme la taille de grain, l'anisotropie élastique ou encore l'effet d'un cyclage mécanique.

Les Transformation Martensitiques (TM) sont des transitions du premier ordre entre des phases cristallines qui caractérisent une classe intéressante de matériaux intelligents, les Alliages à Mémoire de Forme (AMF). Ces alliages métalliques furent découverts dans les années 1930 environ. Ils sont surtout intéressants car ils combinent deux effets particuliers : l'effet de mémoire de forme et la pseudo-élasticité. L'effet mémoire de forme consiste à mémoriser une configuration particulière et la retrouver après des cycles thermiques ou mécaniques. La Pseudo-Elasticité consiste à rejoindre des niveaux de déformation très grands qui sont, en général, plus typiques du caoutchouc que des métaux. Dans cette thèse, nous avons traité la caractérisation des transformations martensitiques en analysant des points de vue différents. La compréhension du fonctionnement des AMFs est fondamentale pour plusieurs types d'applications industrielles. Elle constitue encore un domaine de recherche très ouvert. (...) / This thesis deals with the characterization of Martensitic Transformations (MT) that are first order phase transitions among different solid states with different crystalline structures. These transitions are at the basis of the behavior of a class of smart materials, called Shape Memory Alloys (SMA). This work combines an experimental study of a mechanically-induced martensitic transformation in a Cu-Al-Be single crystal and a macroscopic model for the reproduction of permanent effects in cyclic temperature-induced and stress-induced transitions. From the experimental point of view, the novelties are in the device that has been built and used for the test and in the full-field measurement technique at the basis of the data treatment. The especially designed gravity-based device allows for a uni-axial and uni-directional tensile test with slow loading rates. Simultaneously, the full-field measurement technique, known as grid method, provides high-resolution two-dimensional strain maps during all the transformation. With all the data collected during the test, we characterize for the first time the two-dimensional strain intermittency in a number of ways, showing heavy-tailed distributions for the strain avalanching over almost six decades of magnitude. In parallel, we develop a macroscopic mathematical model for the description of fatigue and permanent effects in several kinds of martensitic transformations. We show an easy way to calibrate the model parameters in the simple one-dimensional case. Moreover, we compare the numerical results with experimental data for different tests and specimens and obtain a good qualitative agreement.

Les alliages ferromagnétiques à mémoire de forme (FSMAs : Ferromagnetic shape memory alloys) avec des compositions proches de Ni2MnGa ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur effet de mémoire de forme gigantesque et de leur réponse rapide et dynamique. Dans ce travail, la structure cristalline, la cristallographie de transformation marténitique, la texture et l’effet de l'addition de Co à l'alliage Ni-Mn-Ga sont examinés systématiquement. Les mesures de diffraction aux neutrons montrent que la structure de Ni53Mn25Ga22 est caractérisée par un réseau tétragonal du groupe I4/mmm de 20K jusqu'à 403K avec une prétransformation ayant lieu dans la phase martensitique autour de la température ambiante alors que la structure de l'alliage Ni48Mn30Ga22 est caractérisée par un réseau de Heusler cubique L21 de 373K à 293K. La structure cristalline de ce dernier alliage se transforme en structure martensitique orthorhombique à 7 couches s'il est refroidi à 243K. Il n'y a plus la transformation intermartensitique lorsqu’il est refoidi jusqu'à 19K. Les résultats d’EBSD (Electron Backscattered Diffraction) nous permettent de déterminer que les variants martensitiques voisins possèdent une relation de macle composée, avec les éléments de K1 = {112}, K2 = {112}, η1 = <111>, η2 = <111>, P = {110} et s =0.379. Le plan d’interface entre les macles coïncide avec le plan de maclage. Le rapport de quantités relatives de paires de macles au sein d'un même grain d'austénite initiale est d'environ 1.70. La relation d'orientation dominante entre l'austénite et la martensite est la relation de Kurdjumov-Sachs (K-S) avec (111)A//(101)M, [110]A//[111]M. Le plan d’habitat calculé par la théorie cristallographique phénoménologique est {0.690 –0.102 0.716}A, qui est proche de {1 0 1}A. L'amplitude et l'angle du cisaillement sont 0.121 et 6.88°C. La direction du cisaillement est <-0.709 0.105 0.698>A qui est proche de <-1 0 1>A dans ce même plan. Les macles à l'échelle nanométrique au sein des lamelles martensitiques sont observées dans l'alliage Ni53Mn25Ga22 recuit à 1173K pendant 4 heures et suivi d'un refroidissement à l'intérieur du four. Deux types d'interfaces sont trouvées, qui sont d'une part l'interface marquée par l'interpénétration des nano-macles entre les lamelles et d'autre part l'interface avec des marches au sein même des lamelles. Les relations d'orientations entre les nano-macles séparées par les deux types d'interfaces ont été déterminées. Le texture de l'alliage Ni-Mn-Ga est développée par forgeage à chaud. L'évolution de la texture dans l'alliage forgé à chaud lors de la déformation ultérieure à température ambiante et suivie de recuit est trouvée associée à l'effet de mémoire de forme activé thermiquement. La texture évolue de manière significative lors de la déformation et reprend l’état initial après le recuit qui suit. Un excellent effet de mémoire de forme avec le rapport de recouvrement de 74% est observé. La substitution de Co pour Ni dans les alliages Ni53-xMn25Ga22Cox (x=0-14 at.%) s'avère très efficace pour élever la température de Curie. La température de transformation martensitique décroît un peu si la teneur en Co est inférieure à 6%. Au contraire, une chute brusque de la température de transformation martensitique s’opère quand la teneur en Co dépasse 6% du fait du désordre atomique par l’addition de Co en grande quantité. Cela suggère que la substitution de Co pour Ni en petite quantité est utile pour développer des alliages ferromagnétique à mémoire de forme avec température de transformation martensitique et température de Curie élevées. L'étude des aspects fondamentaux tels que la microstructure, la cristallographie et la transformation de phase des alliages ferromagnétique à mémoire de forme est importante pour améliorer les performances fonctionnelles des alliages Ni-Mn-Ga actuels et pour concevoir de nouveaux alliages à mémoire de forme prometteurs / Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloys (FSMAs) with chemical composition close to Ni2MnGa have received great attention due to their giant magnetic shape memory effect and fast dynamic response. In this work, the crystal structure, martensitic transformation crystallography, texture and alloying in Ni-Mn-Ga FSMAs are systematically investigated. In situ neutron diffraction experiments show that Ni53Mn25Ga22 has a tetragonal I4/mmm structure from 20K to 403K, with a pretransformation occurring in the martensitic phase around room temperaure. Ni48Mn30Ga22 has a cubic, L21 Heusler structure from 373K to 293K. Its crystal structure changes into a seven-layered orthorhombic martensitic structure when cooled to 243K. There is no intermartensitic transformation upon further cooling to 19K. Electron backscatter diffraction (EBSD) analyses show that the neighboring martensitic variants in the Ni53Mn25Ga22 alloy have a compound twinning relationship with the twinning elements K1 = {112}, K2 = {112}, η1 = <111>, η2 = <111>, P = {110} and s =0.379. The twin interface plane coincides with the twinning plane. The ratio of the relative amounts of twins within the same initial austenite grain is ~1.70. The main orientation relationship between austenite (A) and martensite (M) is Kurdjumov-Sachs (K-S) relationship with (111)A//(101)M, [110]A//[111]M. Based on the crystallographic phenomenological theory, the calculated habit plane is {0.690 -0.102 0.716}A (5.95° from {101}A), and the magnitude, direction and shear angle of the macroscopic transformation shear are 0.121, <-0.709 0.105 0.698>A (6.04° from <-101>A) and 6.88°, respectively. Nanoscale twins inside the martensitic lamellae are found in the Ni53Mn25Ga22 alloy annealed at 1173K for 4h followed by furnace cooling. Two kinds of interfaces, i.e. interpenetrated inter-lamellar interface and stepped intra-lamellar interface, are observed. The orientation relationships between the nanotwins connected by different interface configurations are determined. Texture in Ni-Mn-Ga FSMAs is developed by hot forging. The texture evolution in the hot-forged Ni48Mn25Ga22Co5 alloy after room temperature deformation and subsequent annealing is found to be closely related to its thermally activated shape memory effect. The texture changes significantly during deformation and it recovers to its initial state after subsequent annealing. An excellent shape memory effect with a recovery ratio of 74% is observed. The substitution of Co for Ni in Ni53-xMn25Ga22Cox (x=0-14) alloys proves very efficient in increasing the Curie temperature. It only slightly decreases the martensitic transformation temperature when the Co content is less than 6%. In contrast, an abrupt decrease of martensitic transformation temperature is observed when the Co content exceeds 6%, due to the atomic disorder as a result of the addition of a large amount of Co. It is suggested that the substitution of a small amount of Co for Ni is helpful to the development of FSMAs with high martensitic transformation temperature and high Curie temperature. Insights into the fundamental aspects such as microstructure, crystallography and phase transformation in Ni-Mn-Ga FSMAs are of great significance to the improvement of the functional performances of the present Ni-Mn-Ga alloys and to the design of new promising FSMAs