Dans ce travail, des modèles thermomécaniques basés sur une approche non-locale sont proposés pour décrire le comportement des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) avec la prise en compte des effets de la localisation et de la chaleur latente lors de la transformation de phase. Ces modèles sont obtenus comme des extensions d’un modèle local existant. Pour décrire la localisation de la transformation de phase, l’extension du modèle initial a consisté à le réécrire dans un contexte non-local par l’introduction d’une nouvelle variable, définie comme la contrepartie non-locale de la fraction volumique de martensite déjà présente dans le modèle local. L’exploitation de ce modèle a nécessité le développement d’un élément fini spécial dans ABAQUS avec la fraction volumique non-locale de martensite comme un degré de liberté supplémentaire. Les simulations réalisées montrent la pertinence d’une telle approche dans la description de la transformation de phase dans des structures minces en AMF, soumises à des chargements thermomécaniques. Pour décrire les effets de la chaleur latente, une équation d’équilibre thermique ayant comme terme source des contributions dépendant de la transformation de phase a été adjointe au modèle initial. Là encore, l’exploitation du modèle a nécessité le développement d’un élément fini qui prend en compte le couplage thermomécanique et la formulation proposée pour l’équilibre thermique. Les simulations numériques réalisées ont montré l’effet retardant sur la transformation de phase de la chaleur latente, et le caractère hétérogène possible de la transformation dans ce cas. Ces effets sont d’autant plus importants que la vitesse de déformation est élevée / In this Phd thesis, thermo-mechanical models based on a nonlocal approach are proposed in order to describe the behavior of Shape Memory Alloys (SMA), taking into account localization and latent heat effects during phase transformation. These models are obtained as extensions of an existing local model. In order to describe the localization of phase transformation, the extension of the initial model consisted of rewriting it in a nonlocal context through the introduction of a new variable, defined as the nonlocal counterpart of the martensite volume fraction. The use of this model has required the development of a specific finite element in ABAQUS with the nonlocal martensite volume fraction as an additional degree of freedom. The simulations show the relevance of such an approach in the description of the phase transformation occurring in thin SMA structures subjected to thermo-mechanical loadings. To achieve the description of the latent heat effects, a heat balance equation with a source term depending on contributions of the phase transformation was added to the constitutive equations of the initial model. Even there, the use of the model required the development of a finite element which takes into account the thermo-mechanical coupling and considers the proposed formulation for the thermal balance. Numerical simulations have shown the delaying effect of the latent heat on phase transformation and the possible heterogeneous character of the phase transformation in this case. These effects are even more important as the strain rate is high

Les polymères à mémoire de forme (SMP) sont des matériaux qui peuvent revenir à leur forme d'origine lorsqu'un stimulus approprié (par exemple de la chaleur) est prévu. Ces polymères sont programmés par cycle de mémoire de forme qui se compose de deux parties: une partie de la programmation qui donne un effet mémoire de forme (SME) à savoir la forme temporaire pour le polymère et la partie de récupération où il revient à sa forme initiale. Les SMP ont une faible rigidité, donc, produisent de grandes déformations récupérables, mais produisent des forces de récupération faibles. Cependant, les composites SMP produisent des forces de récupération plus grandes car ils sont relativement rigide mais ont des souches moins récupérables. En outre, de forts actionneurs à mémoire de forme peuvent être produits si deux effets différents peuvent être combinés dans une structure unique. Une structure déjà active (par exemple des alliages à mémoire de forme) peut être intégré dans SMP. Par conséquent, un fort actionneur couplé peut être obtenu. [...] / Shape memory polymers (SMPs) are the materials which can return to their original shape when a suitable stimulus (e.g. heat) is provided. These polymers are programmed through shape memory cycle that consists of two parts: programming part which gives shape memory effect (SME) i.e. temporary shape to the polymer and the recovery part which return it to its original shape. SMPs have low stiffness, therefore, produce large recoverable strains, but produce low recovery forces. However, SMP composites produce larger recovery forces as they are relatively rigid but have less recoverable strains. Moreover, strong shape memory actuators can be produced if two different effects can be combined in a single structure. An already active structure (e.g shape memory alloys) can be embedded in SMP. Consequently, a strong coupled actuator can be obtained. In this work, the shape memory property of CBCM composite (an active composite that works on bimetallic affect) has been studied. CBCM stands for controlled behavior of composite material. CBCM activeness and its SM property has been coupled together to obtain a strong actuator. SM property has been obtained through thermo-mechanical programming at a temperature higher than glass transition temperature (Tg) of Epoxy resin used for its fabrication. The CBCM actuating properties have been studied through different one-step recoveries (unconstrained, constrained and recovery under load). Moreover, different asymmetrical CBCM composites have been developed by changing the position and orientation of the different layers used. These have been studied for their different actuation properties. Similarly, multi-step recoveries (unconstrained and constrained) have also been performed to show multi step actuation capabilities in CBCM. The actuating properties of CBCM have also been compared with symmetrical composite (SYM) to show the advantage of coupled properties in CBCM. It has been found that CBCM has the ability to give high strain, high recovery forces. Also, it can recover under load and recover to its original position at the temperatures lower than the deforming temperature used in the programming cycle.

Le comportement des alliages à mémoire de forme (AMF) et des alliages à mémoire de forme magnétiques (AMFM) est régi par les mécanismes de transformation martensitique à l'échelle de la microstructure, à l'origine de leurs propriétés remarquables (mémoire de forme, superélasticité, grandes déformations associées à la réorientation martensitique sous champ magnétique). Les mécanismes de transformation et de réorientation martensitique peuvent être induits par des sollicitations thermiques, magnétiques et / ou mécaniques et de manière couplée. La mise au point d'outils de conception fiables nécessite une meilleure prédictibilité du comportement réel des alliages à mémoire de forme sous sollicitations thermo - magnéto - mécaniques complexes.Le choix d'une modélisation multiaxiale et multi échelle est pertinent. Le modèle reporté présente une formulation unifiée, permettant de simuler aussi bien le comportement des AMF que celui des AMFM.Parallèlement au développement de ce modèle, une étude expérimentale est nécessaire afin d'une part d'identifier les propriétés intrinsèques des matériaux étudiés, et d'autre part de valider les estimations de la modélisation. A cette fin, des mesures de fractions volumiques de phase par diffraction des rayons X in situ ont été entreprises lors de sollicitations thermiques (cycles de chauffage-refroidissement), mécaniques (traction, compression, essais biaxiaux) et magnétiques (champ magnétique unidirectionnel). L'exploitation des résultats de diffractométrie permet une analyse quantitative des fractions volumiques des phases en présence. Celles-ci sont comparées aux estimations du modèle à des fins de validation. / The behavior of shape memory alloys (SMA) and magnetic shape memory alloys (MSMA) is governed by the martensitic transformation mechanisms at the scale of the microstructure. This transformation is at the origin of their remarkable properties (memory effect, superelasticity, large deformations associated with the martensitic reorientation under magnetic field). The martensitic transformation and reorientation mechanisms can be induced by thermal, magnetic and / or mechanical stresses and in a coupled manner. The development of reliable design tools requires a better predictability of the actual behavior of shape memory alloys under complex thermal-magneto-mechanical loading.The choice of multiaxial and multiscale modeling is relevant. The model proposed in this work presents a unified formulation, making possible to simulate both the behavior of SMA and MSMA.In parallel with the development of this model, an experimental study is necessary in order to identify the intrinsic properties of the materials studied and to validate the estimates of the modeling. For this purpose, measurements of phase fractions by in-situ X-ray diffraction were carried out during thermal (heating-cooling cycles), mechanical (tensile, compressive, biaxial) and magnetic (unidirectional magnetic field) loadings. The diffraction patterns allow a quantitative estimation of the volume fractions of the phases. These are compared to model estimates for validation purposes.

Ce travail de thèse concerne l'étude du filage et des propriétés de fibres composites à base de nanotubes de carbone. Les propriétés mécaniques des fibres en cours de solidification et en mouvement dans un bain de coagulation sont évaluées afin d'étudier l'influence de différents paramètres physico-chimiques impliqués dans leur fabrication. Ces fibres, combinant des propriétés mécaniques et électriques prometteuses, peuvent être obtenues de façon continue grâce au développement d'un nouveau procédé de filage. Elles présentent de plus un effet original de mémoire de température dont l'origine est étudiée dans cette thèse. Ces fibres sont potentiellement utiles pour diverses applications: des matériaux à haute absorption d'énergie mécanique à des textiles conducteurs fonctionnels.

Cette thèse rapporte l'étude de dispersions de nanotubes de carbone par des polymères, la mise en forme de films composites et l'étude de leurs propriétés mécaniques ou de conduction électrique. La première partie est centrée autour de l'utilisation de l'acide poly-acrylique (PAA), qui se révèle un excellent agent dispersant des nanotubes dans l'eau. Une étude des interactions entre le polyélectrolyte et les nanotubes en fonction du pH est réalisée afin d'identifier les conditions de dispersion optimale. La réalisation de composites pour de potentielles applications dans les encres et peintures conductrices révèle qu'un contrôle suffisamment fin de l'adsorption du PAA et de la stabilité de la dispersion permet l'obtention de films à la fois homogènes et conducteurs électriques. La seconde partie de ce travail concerne l'utilisation d'un copolymère à blocs, le SBM, possédant des propriétés remarquables d'auto-organisation pour la réalisation de composites par voie solvant à base de nanotubes. L'originalité du système réside dans le fait que le SBM est à la fois agent dispersant des nanotubes mais également matrice structurante. Ce travail montre que la structure adoptée par le copolymère, qui dépend beaucoup du solvant employé, influence directement les propriétés mécaniques du matériau. De plus, l'addition de nanotubes améliore sensiblement les performances du composite.

L’Alliage à Mémoire de Forme (AMF) est un matériau intelligent ayant de nombreuses applications dans l'industrie aérospatiale, le génie civil, ainsi que dans le domaine biomédical. Dans toutes ces applications, le matériau est soumis à un chargement cyclique ce qui le rend vulnérable vis-à-vis du phénomène de la fatigue. Une des questions importantes dans l'étude de la fatigue de l’AMF polycristallin est l'interaction entre l’endommagement local et la transformation de phase martensitique; cette transformation se déroule dans un mode homogène macroscopique ou un mode hétérogène se traduisant par la formation de bandes de Lüders en raison de la localisation de la déformation et du changement de phase. La formation et l'évolution de ces bandes influence fortement les mécanismes physiques de déformation ainsi que l’endommagement par fatigue du matériau. Dans la littérature, on ne trouve pas d’études permettant de faire le lien entre la formation et l’évolution des bandes de localisation et la fatigue du matériau. Dans cette thèse, des expériences systématiques de fatigue en traction sont réalisées sur les éprouvettes pseudo-élastiques du Nickel-Titane avec des observations optiques in-situ de l’évolution des macro-bandes. Ces observations ont permis de retracer l'histoire de la déformation locale dans les zones où la rupture se produit. Ces résultats expérimentaux permettent de mieux comprendre le comportement de fatigue ainsi que sa dépendance par rapport à la contrainte appliquée ainsi que la fréquence du chargement. En particulier, il a été prouvé que la déformation locale résiduelle représente un meilleur indicateur de l’endommagement du matériau que la déformation résiduelle nominale/globale de la structure. / Shape Memory Alloy (SMA) is a typical smart material having many applications from aerospace industry, mechanical and civil engineering, to biomedical devices, where the material’s fatigue is a big concern. One of the challenging issues in studying the fatigue behaviors of SMA polycrystals is the interaction between the material damage and the martensitic phase transformation which takes place in a macroscopic homogeneous mode or a heterogeneous mode (forming macroscopic patterns (Lüders-like bands) due to the localized deformations and localized heating/cooling). Such pattern formation and evolution imply the governing physical mechanisms in the material system such as the fatigue process, but there is still no fatigue study of SMAs by tracing the macro-band patterns and the local material responses. To bridge this gap, systematic tensile fatigue experiments are conducted on pseudoelastic NiTi polycrystalline strips by in-situ optical observation on the band-pattern evolutions and by tracing the deformation history of the cyclic phase transformation zones where fatigue failure occurs. These experimental results help to better understand the stress- and frequency-dependent fatigue behaviors. Particularly, it is found that the local residual strain rather than the structural nominal/global residual strain is a good indicator on the material’s damage leading to the fatigue failure, which is important for understanding and modeling the fatigue process in SMAs.

La transformation martensitique thermoélastique apparaissant dans les alliages à mémoire de forme (AMF) de type Nickel-Titane (NiTi) est un mécanisme de déformation conférant à ces matériaux des propriétés remarquables de plus en plus utilisées. Les forts phénomènes de localisation des déformations lors d'essais de traction superélastique remettent en cause l'utilisation de cet essai pour bâtir des lois de comportement, alors que d'autres essais comme la torsion et le cisaillement apparaissent comme plus homogènes.<br />Ce travail de thèse est dédié à l'analyse des mécanismes de déformation des AMF NiTi. Les comportements homogènes et localisés ont été étudiés en fonction des géométries d'échantillons, des types de sollicitations et des conditions d'essais. L'originalité de cette étude est d'utiliser deux méthodes de mesures de champs : (i) la corrélation d'images afin d'obtenir les champs cinématiques et d'observer les localisations de déformation ; (ii) la thermographie infrarouge pour mesurer les champs de température et analyser les phénomènes de changement de phase. Afin d'utiliser ces techniques simultanément, des outils de recalage spatial et temporel des données ainsi que des techniques d'estimation de sources de chaleur ont été développés. Lors d'essais superélastiques, cette étude a permis d'une part de mettre en évidence la présence de changement(s) de phase homogène en début de charge et de décharge, d'autre part de caractériser de manière quantitative les différentes morphologies de localisation. Les outils développés sont une première tentative pour disposer, à l'issue de ce travail, d'une DSC locale sous chargements mécaniques.

Les alliages base Ru allient effet mémoire de forme simple et températures de transformation martensitique élevées (entre 300°C et 1100°C). L'objectif de cette thèse est d'établir un e base de connaissances sur le comportement haute température de ces alliages, afin de déterminer s'ils peuvent être utilisés comme AMF haute température. La détermination des températures de transformations, qui présentent une faible hystérésis ainsi qu'une grande stabilité au cyclage thermique, couplée à celle des structures cristallines a permis de réviser les diagrammes de phase des systèmes RuNb et RuTa et de classer les alliages en deux catégories.

Résumé : Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) présentent un comportement très différent des matériaux habituels. Leurs propriétés exceptionnelles, comme l'effet mémoire et la superélasticité, sont étroitement associées aux caractéristiques de la transformation martensitique dans ces alliages. Les évolutions microstructurale associés à cette transformation jouent un rôle considérable sur la nature des propriétés macroscopiques observées. La caractérisation fine de ces évolutions constitue un enjeu important dans la compréhension des interactions entre microstructure et propriétés. Dans ce contexte, ce travail expérimental, réalisé sur un AMF superélastique de type CuAlBe, montre que les techniques de diffractions aux grands instruments permettent de réaliser des analyses microstructurales sur une très large gamme d'échelle. Cette approche d'analyses multiéchelles in-situ a permis d'obtenir plusieurs résultats marquants. A l'échelle macroscopique et grâce à la diffraction de neutron à l'ILL, la contribution associée à la présence de martensite stabilisée et celle liée à la déformation plastique a été déterminée au cours de cycles successifs. Une conséquence importante de cette détermination a été d'établir que dans les AMF, l'élargissement des raies de diffraction, observé au cours des chargements, a pour origine principale un mécanisme d'augmentation des hétérogénéités intragranulaires, un mécanisme directement lié à la transformation de phase. Les analyses réalisées aux échelles fines ont permis de mettre en évidence ce mécanisme particulier. Ainsi l'utilisation du microscope 3DXRD et de la microdiffraction Laue à l'ESRF, a montré que la transformation martensitique s'accompagne d'une rotation non négligeable du réseau cristallin de l'austénite à l'échelle du grain dans le polycristal et d'une fragmentation de l'austénite en plusieurs sous-domaines d'orientation différente. Ce mécanisme est largement réversible avec la transformation inverse.

A travers cette thèse, nous envisageons de distinguer expérimentalement les différents stades intervenant dans le micro-développement de la fatigue à travers le concept de criticalité auto-organisée (SOC). Nous démontrons que le processus d'endommagement par fatigue appartient à cette classe de systèmes et la théorie de la SOC est utilisée pour construire des indicateurs du régime dissipatif du matériau. Ces indicateurs sont construits à partir de l'étude de la structure statistique multi-échelle des signaux acoustiques intermittents générés par le chargement cyclique d'une éprouvette. L'originalité de la démarche tient dans l'interprétation des statistiques à travers le cadre de la SOC qui permet la comparaison avec de nombreux phénomènes naturels. Cette thèse a permis de révéler différents régimes dissipatifs dans la fatigue des alliages à mémoire de formes au moyen d'enregistrements acoustiques et de montrer que chacun de ces régimes est décrit par une structure temps-énergie spécifique illustrée à travers le concept de SOC et les distributions en loi puissance associées. Enfin, une analyse multi-échelle est menée pour souligner qu'une même dynamique critique peut s'appliquer de l'échelle des tremblements de terre à l'échelle microscopique d'une éprouvette.