Résumé : Le présent travail de thèse est une contribution à l'analyse et à la modélisation du comportement micromécanique d'un multicristal en AMF. Il est fondé sur l'exploitation de la richesse des mesures de champs cinématiques locaux dans le multicristal en vue de l'investigation des mécanismes gouvernant le comportement mécanique à l'échelle microscopique : transformation de phases, .... L'analyse et la modélisation de ces micromécanismes ont contribué, d'une part, à la mise en place du modèle à fort contenu physique reliant les causes et les effets des phénomènes mécaniques étudiés et d'autre part, à l'identification des paramètres régissant le modèle rhéologique. Le travail de thèse présente trois objectifs : le premier est le développement d'une approche expérimentale dédiée à la mesure de champs cinématiques à l'échelle microscopique sur un multicristal en alliage à mémoire de forme de type Cu-Al-Be. La mesure cinématique est réalisée par la technique de corrélation d'images numériques. Les champs de déplacement puis de déformation sont ensuite extraits par un traitement numérique à l'aide du logiciel de corrélation d'images CORRELI-Q4. Le deuxième objectif est la mise en place d'une méthodologie de couplage entre simulations numériques du comportement du multicristal et la mesure des champs cinématiques à l'échelle de la microstructure. Le troisième but visé dans ce travail est la mise en œuvre d'une méthode d'identification basée sur la minimisation d'une norme énergétique formulée par l'erreur en relation de comportement. La méthode d'identification est appliquée à l'échelle de la microstructure afin d'estimer les paramètres du comportement mécanique du multicristal à partir du champ cinématique mesuré.

Cette étude est consacrée à l'analyse thermomécanique de la transformation martensitique prenant place dans les Alliages à Mémoire de Forme (AMF). Cette analyse est effectuée à différentes échelles et s'appuie sur des champs de mesures thermomécaniques, des simulations numériques 3D par éléments finis et des simulations utilisant la dynamique moléculaire. L'étude est restreinte au comportement pseudoélastique d'un monocristal de CuAlBe, soumis à des chargements de traction. Les observations par imagerie cinématique et énergétique couplées rendent possible la caractérisation précise et locale du front de changement de phase qui apparait lors d'une sollicitation mécanique d'une éprouvette d'AMF. L'analyse énergétique qui en est faite, permet d'interpréter la transformation de phase comme liée à un couplage thermomécanique fort, et de négliger la dissipation intrinsèque. Conformément à ces résultats, un modèle thermomécanique monovariant est proposé qui rend compte du phénomène d'hystérésis et des effets du temps observés expérimentalement. Le front de changement de phase est ensuite généré numériquement puis comparé à l'expérience et à la littérature. Dans un second temps, un modèle d'AMF idéal est proposé à l'échelle cristalline. La dynamique moléculaire permet de construire l'énergie libre associée à un ensemble d'atomes et de réaliser des expériences numériques. L'évolution du comportement avec la dimension de l'échantillon est étudiée numériquement puis discutée. Une tendance à la convexification du potentiel énergétique est observée, ainsi que l'apparition d'une microstructure complexe.

Ce travail est consacré à l'élaboration et l'analyse de comportement thermomécanique d'un composite constitué d'une matrice en résine époxyde renforcée par des fils en alliage à mémoire de forme (AMF). Le fil, en NiTi écroui a été soumis à trois traitements thermiques afin d'obtenir des caractéristiques de transformation différentes. Trois types d'échantillons, nommés : pull-out, traction simple et éprouvettes à géométrie complexe ont été réalisés. Les composites ont été fabriqués par moulage suivi d'une une cuisson et d'une post-cuisson. Les tests ont été effectués à trois températures (20, 80 et 90 ° C) et à vitesse de chargement constante. Des échantillons mono-filaments ont été réalisés et soumis à un essai d'arrachement afin d'étudier l'effet de la transformation martensitique sur l'initiation et la propagation de la décohésion. D'après les observations in situ, la décohésion commence à partir du point d'entré des fils et continue vers la fin de la longueur noyée. Il a été constaté expérimentalement que, la transformation martensitique dans le fil diminue la vitesse de propagation de la décohésion interfaciale et augmente la résistance de l'interface au cisellement. Le comportement mécanique de la matrice, l'effet de la température d'essai et de la fraction volumique de fil ont été déterminés en utilisant le test de traction simple. Les essais ont été conduits à trois températures. Il est constaté que la transformation martensitique se produisant dans le fil influe de manière significative le comportement mécanique des échantillons composites. L'augmentation de la contrainte de transformation améliore la résistance du composite à la traction. Ceci est réalisé soit en augmentant la température d'essai ou en faisant un traitement thermique à une température plus basse. Il est proposé que dans le composite la transformation se produit simultanément en plusieurs points. On observe alors, une intermittence de zones décollées et non décollées. Dans ce travail, les échantillons à géométrie complexe ont été conçus et fabriqués afin d'estimer les propriétés élastiques du matériau composite dans deux directions (parallèle et transverse à l'axe du fil). Des spécimens avec un mouchetis aléatoire ont été soumis à un chargement simple. Les champs hétérogènes de déplacement/ de déformation générés grâce à la géométrie complexe des échantillons composites ont été mesurées. Une méthode inverse a été développée et les paramètres du matériau ont été identifiés. Les résultats ont ensuite été comparés aux résultats obtenus par la méthode de Mori-Tanaka. Le champ de déformation obtenu numériquement, à partir des paramètres identifiés a été comparé à ceux obtenus expérimentalement. Une bonne corrélation a été trouvée dans les deux cas.

Cette thèse étudie expérimentalement la possibilité de récupérer l'énergie thermique en utilisant un alliage à mémoire de forme (AMF) couplé à un matériau pyro-/piézoélectrique. Cette méthode est prometteuse pour récupérer les variations lentes et petites de température. Les premiers prototypes de récupérateurs d'énergie ont été fabriqués et ont démontré pouvoir produire une énergie spécifique intéressante. Les technologies de dépôt de couches d'AMF Ti-Ni-Cu micro-structurées ont été développées. Ce travail servira de base pour la future fabrication de micro-récupérateurs d'énergie thermique exploitant des AMFs.

Ce travail de thèse est consacré à l’étude de la dissipation mécanique produite par des alliages à mémoire de forme Cu-Zn-Al lors d'un chargement mécanique cyclique, ainsi qu'à l’influence de la composition chimique sur cette grandeur. Divers alliages ont été élaborés dans ce but, chacun présentant une faible variation de composition par rapport à l’autre. Une procédure expérimentale originale a été mise au point pour mesurer cette dissipation mécanique car elle se traduit par une source de chaleur très inférieure à celles dues à d’autres phénomènes comme la chaleur latente de changement de phase ou le couplage thermoélastique. Les éprouvettes ont ainsi été soumises à divers essais cycliques à température ambiante constante alors qu’une caméra infrarouge filmait les champs thermiques sur leur surface. Ces films thermiques ont ensuite été traités pour en extraire cette dissipation mécanique. Divers niveaux de dissipation correspondant à divers niveaux d’irréversibilité mécanique ont ainsi été mis en évidence. / The study deals with the mechanical dissipation in Cu-Zn-Al shape memory alloys subjected to cyclic mechanical loading, as well as with the influence of the chemical composition on this dissipation. Various alloys were prepared for this purpose, each of them featuring a slight change with respect to the others. An original procedure has been proposed to measure mechanical dissipation because it is very low compared to other heat sources such as latent heat or thermoelastic coupling. The specimens have been subjected to cyclic tests at constant ambient temperature while an infrared camera grabbed the thermal images. These thermal maps have been then processed to extract mechanical dissipation. Various levels have been found, corresponding to various levels of mechanical irreversibilities.

Le SMA Nitinol est largement utilisé dans de nombreux domaines de recherche récemment ( astronautes, biomédical ) et la combinaison de leurs propriétés dans la structure de conception désirée, en particulier les matériaux de l'architecture, est développé dans la dernière décennie. Des études récentes fabriqués avec succès la structure cellulaire, en particulier nid d'abeil, par processus thermomécanique à partir de tubes ou de barres mais les caractères de la liaison entre les éléments constitutifs ne sont pas clarifiées.Ce travail est consacré à l'étude de la liaison entre NiTi alliage quasi- équatomic qui est créé par le processus frittage des tubes ou des fils et par le procédé de soudage de tubes. Les liaisons obtenues des deux méthodes semblent forts et ils sont analysés par les essais de métallurgique et mécanique. Les résultats ont conduit aux conclusions suivantes :Pour les processus de frittage, les liaisons pour les des fils et des tubes semblent être forte quand ils sont chauffés à 1200oC pendant 1 heure avec les fils et 2 heures avec les tubes, respectivement. Cependant, le traitement entraîne le changement de la composition dans le matière. Le traitement à 900oC peut aider l'homogénéisation de la liaison, mais la phase inattendu TiNi2O est existé. En outre, la diffusion entre le Nitinol et Al2O3 est commencé quand ils sont chauffés à 1200oC.Pour le procédé de soudage, les liaisons entre tubes soudés sont forts avec seulement la phase TiNi mais la microstructure a changé. Il ya 2 nouvelles zones existantes à l'intérieur de la liaison de soudure: la zone de soudage, la zone affectée thermique. Les résistances de traction de la liaison de soudge une fois sont 12N/mm et 50N/mm pour tubes ayant la paroi 0,12 mm et la paroi 0,3 mm, respectivement. L'optimisation des paramètres de soudage montre que l'énergie de soudure a un effet fortement sur la création et la résistance de la liaison. La liaison est amilioré si l'énergie augmente. Charge de soudage a un rôle important pour améliorer la résistance de la liaison, et la charge de soudage est adapté pour le tube est 100N. Le deuxième fois de soudage peuvent améliorer la résistance de la liaison de la paroi du tube de 0,3 mm, mais il diminue après le troixième fois de soudage. En plus, l'addition de fois de soudage sous pression plus que de 100N conduit à la réduction de la résistance de la liaison. Ainsi, les paramètres de soudage doivent être tout d'abord examiné base de l'épaisseur de paroi du tube, puis l' énergie de soudage, la pression de soudure et la soudure fois. / Nickel-Titane shape memory alloys are widely used in many fields (aerospace, biomedical) and the combination of their outstanding properties in designed structures, namely architecture materials, has been considered in last decade. Recent studies successfully fabricated cellular structures, in particular honey combs, by thermo-mechanical processing from tubes or bars but the properties of the bonds created between the components need to be carefully investigated.This work is dedicated to the study of the bonds between NiTi near-equatomic alloy (Nitinol) elements, which are created by sintering together tubes or wires and by welding tubes under load. These bonds are characterized from metallurgical, microstructural and mechanical points of view. The obtained results led to the following conclusions.To provide a reasonably strong bond between wires and between tubes, sintering should be operated at least at 1200°C during one hour under the maximal load allowed by the experimental device, 3.5 N. However, this treatment causes intense compositional changes inside the material. A subsequent aging treatment at 900oC can help in homogenizing the material but prejudicial TiNi2O phase still exists. Besides, the interdiffusion between Nitinol elements and alumina tools at 1200°C perturbs sintering experiments. The sintering route has thus found to be inadequate unless the used device allows applying a higher load, so that the temperature can be set down.Tube welding has been more successful in terms on bond strength and NiTi phase conservation, although important microstructure changes have been observed. Three zones have been identified after welding, the weld zone, with large and long grains, the heat-affected zone, with smaller, spherical grains, and the non-affected zone. The extent of these zones is estimated from local hardness measurement. The tensile resistance of the bonds is about 12 and 50 N/mm for tubes having 0.12 and 0.3 mm thickness, respectively. A standard aging treatment does not significantly change these values although it allows material homogenization. The parameters that mainly influence the resistance and the microstructure of the bond are the weld energy, the rate of release of this energy and the load. Achieving successive welding steps is not clearly beneficial.

Les travaux de cette thèse portent sur la caractérisation du polymères piézoélectriques de PVDF et celles de ses composites avec un alliage à mémoire de forme, pour des applications de récupération l'énergie thermique. Tout d'abord, une discussion est donnée sur les avancées actuelles des technologies de récupération d'énergie ainsi que leurs intérêts économiques. Des valeurs typiques de l'énergie pouvant être générée sont estimées, ainsi que des énergies nécessaires pour certaines applications.Une attention particulière est accordée aux principes de fonctionnement des matériaux pyroélectriques et piézoélectriques. Le PVDF et l'alliage à mémoire de forme NiTiCu sont également introduits.Des techniques de caractérisation adaptées sont introduites pour par voie direct caractériser le PVDF en tant que générateur de charges électriques, et son aptitude à la récolte de l'énergie thermique. Puisque le PVDF est un matériau très souple, la flexion à quatre points, la flexion sur tube, et la machine de traction sont utilisés pour étudier sa réponse piézoélectriques directe en mode quasi-statique, ainsi que les changements de propriétés piézoélectriques sous contrainte. Des mesures d'auto-décharge sous différents champs électriques appliqués, températures et contraintes sont effectuées pour étudier la stabilité du matériau.Un concept de récupération d'énergie utilisant des composites de matériaux fonctionnels de familles différentes est introduit. Ici, le couplage entre un matériau piézo-/pyroélectrique et un alliage à mémoire de forme est proposé. Le voltage pyroélectrique simple est combiné avec un voltage piézoélectrique induit par la transformation de phase de l'alliage à mémoire de forme, pour augmenter l'énergie totale générée par le système en chauffant. Une preuve de concept est présentée d'abord pour un matériau semi-flexible basé sur une céramique PZT, et ensuite pour le PVDF qui est entièrement flexible.Enfin, un circuit de gestion d'énergie a été conçu et intégré au récupérateur d'énergie en PVDF. Les hauts pics de tension générés lors du chauffage or refroidissement sont abaissés par un convertisseur de type buck à deux étages jusqu'au une tension de sortie utile stable. L'énergie de sortie est utilisée pour alimenter une carte d'émission sans fil. Ainsi, une chaîne complète de génération d'énergie, exploitant des variations de température et allant jusqu'au l'émission de données représentatives de l'événement thermique survenu est présentée.Les résultats de ces travaux concernent un large spectre d'applications potentiels, particulièrement les capteurs autonomes sans fil, et des objets de l'Internet of Things, avec une flexibilité mécanique élevée, une épaisseur réduite et de faible coût de maintenance. / This work deals with the characterization of piezoelectric polymers PVDF and its composites with shape memory alloys, for thermal energy harvesting applications. First, we discuss current advancements on energy harvesting technologies as well as their economical interests. Typical values of energy that can be generated are given together with energies typically needed for applications.Particular attention is given to the functioning principles of pyroelectric and piezoelectric materials. PVDF and shape memory alloy NiTiCu are also introduced.Custom characterization techniques are introduced to characterize PVDF piezoelectric properties relevant to generator applications and to evaluate its suitability for thermal energy harvesting. Since PVDF is a very flexible material, four-point bending, tube bending and a tensile machine experiments are used to study its piezoelectric response in quasi-static mode, as well as changes in piezoelectric properties with increased strain. Self-discharge measurements under various applied electric fields, temperatures and strains are performed to study the stability of material.A concept of composite energy harvesting, utilizing two materials of different families, is introduced. Here, we propose the coupling of piezo-/pyroelectric material and shape memory alloy. The pure pyroelectric voltage is combined with generated piezoelectric voltage, induced by shape memory alloy transformation, to increase the total energy generated by the system during heating. The proof of concept is shown first for ceramic PZT-based semi-flexible material and then for fully flexible PVDF.Finally, a power management circuit was designed and integrated with the PVDF energy harvester. High generated voltage peaks at heating are lowered by a two-step buck converter to a useful stable output voltage. Output energy are used to power a wireless emission card. Thus, a complete power generation chain from temperature variations to data emission is presented.The results of this work concern a wide range of applications, especially modern autonomous wireless sensors and Internet of Things objects, with low profile, high mechanical flexibility and low maintenance costs.

Différentes architectures macromoléculaires sensibles à la température, des copolymères linéaires greffés et des hydrogels, ont été développées et leur structure, leurs propriétés rhéologiques ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été étudiées. Dans le cas des hydrogels, le phénomène de séparation de phase des segments thermosensibles conduit, en conditions isochores, à une augmentation de la rigidité et de l'élongation à la rupture ainsi qu'à de remarquables propriétés de fatigue. Ce renforcement est de plus totalement réversible en pilotant le processus d'association/dissociation des interactions avec la température. Nous montrons que la topologie des réseaux joue un rôle important sur les performances mécaniques des hydrogels et plus spécialement sur le mode de propagation de fissure au sein de la structure. A partir d'études structurales par diffusion de neutrons complétées par des expériences sous traction, différentes nanostructures sont proposées en fonction de la topologie. Enfin, ce concept de renforcement stimulable des propriétés mécaniques des hydrogels, induit par un mécanisme de micro-séparation de phase, a été élargi à d'autres réseaux polymères combinant des propriétés thermodynamiques de LCST et UCST. / Thermo-responsive linear graft copolymers and hydrogels with different topologies have been designed and their nanostructure, their rheological properties as well as their tunable mechanical properties have been investigated. In the case of hydrogels, the self-assembly of the thermo-responsive sequences, which serve as secondary interactions, induces in isochoric conditions a strong enhancement of both stiffness and elongation at break, including also remarkable fatigue properties. Specifically, this reinforcement is totally reversible by switching on/off the associations. It is clearly shown that the topology of the network displays a crucial influence on the mechanical performance of hydrogels, especially the resistance to fracture. After a careful investigation of the structure by 2-D neutron scattering and tensile experiments, different nanostructures are proposed according to the topology. Finally, this concept of thermo-toughening of hydrogels through a controlled microphase separation has been extended to other polymeric networks combining LCST and UCST type polymers.

Ce travail a porté sur l'étude des phases métastables de l'alliage à mémoire de forme CuAlBe sous différents types de sollicitations mécaniques et thermiques par diffraction des neutrons. Il a permis de définir un protocole expérimental de caractérisation des transformations des phases métastables caractéristiques de l'effet mémoire de forme et de la superélasticité. Après élaboration par filage à chaud suivi d'une trempe à l'eau, le matériau est entièrement austénitique β1. Sa microstructure est composée de grains de taille relativement importante, de l'ordre de 400 µm. Ce procédé de fabrication génère une texture cristallographique de type fibre partielle <001>. L'étude de la superélasticité lors d'un essai de traction à température ambiante a mis en évidence le comportement pseudoélastique de l'alliage. L'étude de l'évolution des microdéformations a permis de mettre en avant la forte hétérogénéité de comportement du plan (400). Le pic de diffraction de ce plan présente également un fort élargissement dû aux fautes d'empilements qui est directement à relier à la transformation de phase de l'austénite en martensite. La martensite β'1 de structure monoclinique 18R complexe a été affinée à l'aide d'un modèle de type 6M. Ce modèle permet de rendre compte au mieux de la faible périodicité des fautes d'empilement caractéristiques de cette phase métastable à notre échelle d'analyse caractéristique d'un volume de l'ordre du centimètre cube. Après déformation plastique, la texture cristallographique du matériau a fortement évoluée. Le laminage à froid fait disparaitre la fibre partielle <001>. Aux plus forts taux de déformation plastique par laminage à chaud, la fibre <111> apparait. Cette forte déformation affecte également l'orientation des lattes de martensite. D'autre part, les températures des transformations de phases ainsi que l'hystérésis sont modifiées. Cependant, la structure cristallographique de la martensite générée par déformation plastique est identique à celle obtenue par refroidissement pour notre échelle d'observation. L'étude du retour à l'équilibre des phases métastables après recuit à haute température suivi d'une trempe sur un échantillon déformé plastiquement a montré la disparition totale de la martensite et l'apparition des phases stables α et γ2 pour des températures de recuit entre 500°C et 600°C. Au-delà de 600°C, ces deux phases disparaissent au profit de la phase β. On observe alors un fort grossissement du grain. La texture cristallographique est de nouveau caractérisée par la fibre partielle <001>. / This work deals with the study of metastable phases of CuAlBe shape memory alloy under mechanical and thermal solicitations by neutron diffraction. It enables to define an experimental protocol of characterization of metastable phase transformation.The raw material is fully austenitic at room temperature. Its microstructure is composed by huge grain size, close to 400 µm. The crystallographic texture is characterized by a <001> partial fibber.The study of the superelasticity during a tensile test at room temperature demonstrated the pseudoelastic behaviour of this material. The evolution of microdeformations showed the heterogeneous behaviour, especially for the (400) plane in axial direction. The diffraction peak of this plane family also has an important increase of the width. This increase can be linked to the transformation of the austenite into martensite.The crystallographic structure of the monoclinic martensite β'1 has been refined using the 6M model. This model enables to report the relatively low periodicity of stacking faults characterizing the martensitic transformation.After plastic deformation, the crystallographic texture evolved. The <001> partial fibber disappears. For the larger deformation rates, the <111> fibber appears.This large deformation also affects the martensite variant orientation and modifies the temperature of phase transformation.The return into equilibrium of metastable phases after annealing treatments between 500°C and 600°C followed by a quenching at room temperature on a plastically deformed sample has shown the disappearance of martensite and the growth of α and γ2 stable phases. Beyond 600°C, the grains grow largely. The crystallographic texture is characterized by the <001> partial fibber.

Les couches minces épitaxiales de Ni-Mn-Ga ont attiré une attention considérable, car ils sont des candidats prometteurs pour les capteurs et actionneurs magnétiques dans des microsystèmes électromécaniques. Des informations complètes sur les caractéristiques de la microstructure et de la cristallographie des films NiMnGa et leur relation avec les contraintes du substrat sont essentielles à l'optimisation des propriétés. Dans le présent travail, les couches minces épitaxiale de Ni-Mn-Ga ont été produites par pulvérisation cathodique magnétron à courant continu et ensuite caractérisées par la technique de diffraction des rayons X (XRD) et la diffraction d'électrons rétrodiffusés dans un microscope électronique à balayage équipé d’analyse EBSD (MEB-EBSD). Des couches minces épitaxiales avec NiMnGa de composition nominale Ni50Mn30Ga20 et d'épaisseur 1,5 µm ont été fabriquées avec succès sur le substrat monocristallin de MgO par pulvérisation cathodique magnétron DC, après l'optimisation des paramètres tels que la puissance de pulvérisation cathodique, la température du substrat et de la couche d'ensemencement dans le cadre du présent travail. Les mesures de diffraction DRX montrent que les couches minces épitaxiales NiMnGa sont composées de trois phases: austénite, martensite NM et martensite modulée 7M. Avec les géométries de mesure optimisées, le nombre maximum possible de pics de diffraction des phases relatives, en particulier compte tenu de la basse symétrie de la martensite 7M, sont acquis et analysés. Les constantes de réseau de l'ensemble des trois phases dans le cadre des contraintes du substrat dans les films sont entièrement déterminées. L’analyse SEM-EBSD en profondeur du film a permis en outre de vérifier la situation de coexistence de trois phases constitutives: austénite, 7M martensite et martensite NM. La martensite NM se trouve près de la surface libre du film, l'austénite au-dessus de la surface du substrat, et la martensite 7M dans les couches intermédiaires entre l'austénite et la martensite NM. La caractérisation de microstructure montre que la martensite 7M et la martensite NM ont une morphologie de plaque et sont organisées en deux zones caractéristiques décrites avec des bas et haut contraste en images d’électrons secondaires. Des plaques de martensite locales similaire en orientation morphologique sont organisées en groupes de plaques ou colonies ou variantes de colonies. Une caractérisation plus poussée en EBSD indique qu'il existe quatre plaques de martensite distinctes dans chaque colonie de variante à la fois pour la martensite NM et 7M. Chaque plaque de martensite NM est composée de variantes lamellaires majeures et mineures en termes d’épaisseurs appariées et ayant une interface interlamellaire cohérente, alors que chaque plaque de martensite 7M contient une variante d'orientation. Ainsi, il existe quatre variantes d'orientation de martensite 7M et huit variantes d’orientation de martensite NM dans une colonie de variantes. Selon l'orientation cristallographique des martensites et des calculs cristallographiques, pour la martensite NM, les interfaces inter-plaques sont constituées de macles de type composées dans des plaques adjacentes de martensite NM. La distribution symétrique des macles composées résulte dans des interfaces de plaques longues et droites dans la zone de contraste relatif faible. La répartition asymétrique conduit à la modification de l’orientation d'interface entre les plaques de la zone de contraste relativement élevé. Pour la martensite 7M, à la fois les interfaces de type I et de type II sont à peu près perpendiculaires à la surface du substrat dans les zones à faible contraste relatif. Les paires de macles de type-I apparaissent avec une fréquence beaucoup plus élevée, par comparaison avec celle des macles de type II. Cependant, il y a deux traces d’interface de macles de type II et une trace d’interface de macles de type I dans les zones de contraste relatifs élevés. [...] / Epitaxial Ni-Mn-Ga thin films have attracted considerable attention, since they are promising candidates for magnetic sensors and actuators in micro-electro-mechanical systems. Comprehensive information on the microstructural and crystallographic features of the NiMnGa films and their relationship with the constraints of the substrate is essential for further property optimization. In the present work, epitaxial Ni-Mn-Ga thin films were produced by DC magnetron sputtering and then characterized by x-ray diffraction technique (XRD) and backscatter electron diffraction equipped in scanning electron microscope (SEM-EBSD). Epitaxial NiMnGa thin films with nominal composition of Ni50Mn30Ga20 and thickness of 1.5 µm were successfully fabricated on MgO monocrystalline substrate by DC magnetron sputtering, after the optimization of sputtering parameters such as sputtering power, substrate temperature and seed layer by the present work. XRD diffraction measurements demonstrate that the epitaxial NiMnGa thin films are composed of three phases: austenite, NM martensite and 7M martensite. With the optimized measurement geometries, maximum number of diffraction peaks of the concerning phases, especially of the low symmetrical 7M martensite, are acquired and analyzed. The lattice constants of all the three phases under the constraints of the substrate in the films are fully determined. These serve as prerequisites for the subsequent EBSD crystallographic orientation characterizations. SEM-EBSD in film depth analyses further verified the co-existence situation of the three constituent phases: austenite, 7M martensite and NM martensite. NM martensite is located near the free surface of the film, austenite above the substrate surface, and 7M martensite in the intermediate layers between austenite and NM martensite. Microstructure characterization shows that both the 7M martensite and NM martensite are of plate morphology and organized into two characteristic zones featured with low and high relative second electron image contrast. Local martensite plates with similar plate morphology orientation are organized into plate groups or groups or variant colonies. Further EBSD characterization indicates that there are four distinct martensite plates in each variant groups for both NM and 7M martensite. Each NM martensite plate is composed of paired major and minor lamellar variants in terms of their thicknesses having a coherent interlamellar interface, whereas, each 7M martensite plate contains one orientation variant. Thus, there are four orientation 7M martensite variants and eight orientation NM martensite variants in one variant group. According to the crystallographic orientation of martensites and the crystallographic calculation, for NM martensite, the inter-plate interfaces are composed of compound twins in adjacent NM plates. The symmetrically distribution of compound twins results in the long and straight plate interfaces in the low relative contrast zone. The asymmetrically distribution leads to the change of inter-plate interface orientation in the high relative contrast zone. For 7M martensite, both Type-I and Type-II twin interfaces are nearly perpendicular to the substrate surface in the low relative contrast zones. The Type-I twin pairs appear with much higher frequency, as compared with that of the Type-II twin pairs. However, there are two Type-II twin interface trace orientations and one Type-I twin interface trace orientation in the high relative contrast zones. The Type-II twin pairs are more frequent than the Type-I twin pairs. The inconsistent occurrences of the different types of twins in different zones are originated from the substrate constrain. The crystallographic calculation also indicates that the martensitic transformation sequence is from Austenite to 7M martensite and then transform into NM martensite (A→7M→NM). [...]