Les Alliages à Mémoire de Forme sont utilisés dans un grand nombre d'applications. Or celles-ci imposent généralement un chargement cyclique qui fait évoluer leur comportement. Nous avons donc étudié ce comportement en réalisant une base d'essais en super-élasticité et en effet mémoire assisté montrant l'apparition d'une déformation résiduelle au cours du cyclage. À la fin de ces essais l'application d'un flash thermique a permis de déterminer que l'origine de cette déformation résiduelle provient majoritairement de martensite résiduelle pour l'alliage utilisé. Un modèle macroscopique a ensuite été développé afin de prendre en compte cet aspect du comportement des Alliages à Mémoire de Forme. C'est un modèle à seuil permettant de prendre en compte les différentes propriétés des Alliages à Mémoire de Forme telles que la dissymétrie traction-compression, l'effet point-mémoire, la réorientation de la martensite lors de chargements multiaxiaux non-proportionnels ainsi que l'apparition de martensite bloquée lors de chargements cycliques. Le modèle a été implanté dans un code de calcul par éléments finis afin de simuler le comportement de structures sous chargement cyclique. L'utilisation du modèle pour la validation de comportement ou l'aide à la conception a été montrée sur deux applications courantes utilisant des Alliages à Mémoire de Forme.

Les alliages à mémoire de forme (AMF) font partie des matériaux qui ont besoin d'une caractérisation de leur comportement sous sollicitations dynamiques afin de pouvoir être intégrés dans des solutions de conception de structures prévues pour l'absorption d'énergie ou pour subir de grandes déformations à des régimes de vitesses équivalents à des impacts. Même si les phénomènes mis en jeu dans ce type de matériau commencent à être maîtrisés, la caractérisation de leur comportement en dynamique est un point qui nécessite encore beaucoup d'études d'approfondissement. Leurs propriétés singulières et leur bonne capacité d'absorption d'énergie font d'eux de bons candidats à l'application dans des technologies innovantes et motivent la poursuite de leur étude. Ces travaux de thèse présentés dans ce manuscrit portent sur un AMF à base de Nickel-Titane (NiTi).Les deux propriétés singulières principales des AMF sont la superélasticité (ou pseudo-élasticité) et l'effet mémoire. La propriété sur laquelle cette étude se concentre est la superélasticité : celle-ci correspond à une transformation martensitique activée par une sollicitation mécanique.Afin de pouvoir caractériser le NiTi pour des applications soumises à des impacts ou à des sollicitations dynamiques, il est nécessaire de pouvoir, dans un premier temps, observer la transformation martensitique pour ces régimes et de tenir compte de ces résultats pour l'élaboration de lois de comportement.Ces travaux de thèse, essentiellement expérimentaux, s'inscrivent dans la mise en place d'un projet visant à pouvoir prédire le comportement des alliages à mémoire de forme soumis à des sollicitations dynamiques multiaxiales et sont centrés sur trois thèmes : les AMF, les essais de traction dynamique, la corrélation d'image pour les essais aux barres de Hopkinson et pour la mesure de la transformation martensitique des AMF.

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.

Les alliages à mémoire de forme Nickel Titane sont des matériaux aux propriétés remarquablesdues à une transformation martensitique réversible et sont largement utiliséspar l'industrie biomédicale et dans des dispositifs de type actionneurs. La première partiede cette étude porte sur une analyse de leur comportement thermomécanique basée surla réalisation de mesures de champs cinématiques (par corrélation d'images visibles) etthermiques (par caméra infrarouge). Une part importante du travail présenté concernel'amélioration des calculs de sources de chaleur à partir des champs de température. Pource faire, les capacités et conductivités thermiques des phases austénitique et martensitiqueont été estimées par différentes méthodes expérimentales. Ensuite, la méthode de calcul desource a été validée sur des données virtuelles obtenues numériquement et sur des donnéesexpérimentales obtenues lors d'une transformation martensitique induite par un refroidissementnaturel. Cette première partie se conclut par l'application des développements àdes mesures réalisées lors d'un essai de cisaillement. La seconde partie est une contributionà la réalisation de matériaux architecturés constitués d'empilement de tubes de NiTi liésentre eux ; notre étude concerne la réalisation et la caractérisation de liaisons de tubes deNiTi par soudage résistif.

Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) sont des matériaux actifs ayant des propriétés mécaniques spectaculaires comparées aux autres métaux : effets mémoire simple et double sens, pseudo-élasticité et amortissement. Les propriétés des AMF ont pour origine physique une transformation austénite - martensite pilotée par la température et le niveau de contrainte dans le matériau. Les phases austénite (A) et martensite (M) sont présentes respectivement à haute température et à base température. L'effet mémoire, quant à lui, réside dans la capacité du matériau à retrouver la forme austénitique initiale par élévation de température, après avoir été déformé de manière permanente à l'état martensitique à basse température. Le comportement mécanique des structures en béton est gouverné par le processus d'endommagement du matériau. Ce processus peut être retardé en appliquant un chargement uni ou multi-axial de compression, dans le but de contrer les contraintes locales de traction auxquelles le béton est peu résistant. Cette thèse porte sur l'utilisation d'alliages à mémoire de forme (AMF) pour la création d'états de précontrainte dans des composants en béton. Le travail repose sur deux approches : expérimentation et modélisation. Dans la première partie, des essais préliminaires concernent l'étude du comportement thermomécanique de l'AMF en Ni-Ti. Cette réponse complexe est étudiée de manière séparée à l'aide d'une machine de traction - compression uni-axiale couplée à des moyens de chauffage et de refroidissement. Ensuite, des fils d'AMF sont utilisés pour la création de précontraintes dans des poutrelles et de confinements dans des cylindres en béton. Les fils sont étirés à l'état martensitique avant d'être fixés à leurs extrémités sur des éprouvettes en béton. L'activation thermique de l'effet mémoire provoque la mise en contrainte du béton. Et puis, des essais d'écrasement des cylindres sont réalisés pour estimer l'amélioration des performances du béton confiné à l'aide de fils d'AMF. Les résultats montrent que l'effet de confinement permet d'améliorer fortement la performance mécanique en compression du béton. Dans la deuxième partie, un modèle thermomécanique est élaboré pour l'analyse du comportement de fils d'AMF sollicités en traction-compression alternée uni-axiale. Une procédure de calcul numérique pas-à-pas est développé pour la simulation du comportement de fils en AMF pour l'ensemble de la procédure de création d'effet de précontrainte. Cette simulation donne une description fine des mécanismes au sein du fil au cours des essais sur des composants en béton-AMF. L'interaction complexe entre le béton et l'AMF est précisément analysée grâce à l'utilisation du modèle thermomécanique de l'AMF. Enfin, les études de cette thèse confirment une possibilité du champ d'application des AMF dans la thématique du renforcement préventif des structures en béton.

Les matériaux actifs appliqués actuellement, comme les piézoélectriques et les magnétostrictifs, peuvent respectivement changer leur forme par l'application d'un champ électrique, et d'un champ magnétique. La portée des allongements relatifs de ces matériaux, est typiquement de l'ordre de 0,1%. En 1996, un nouveau mécanisme fondamental d'actionnement a été découvert dans la phase martensite d'alliages magnétiques à mémoire de forme. Dans les monocristaux d'alliages Ni-Mn-Ga, l'optimisation de ce nouvel effet mémoire de forme a conduit, en 2002, à l'observation d'allongements relatifs qui atteignent 10%. De telles déformations sont liées au réarrangement, induit magnétiquement, de la structure martensitique maclée. De plus, elles ont été observées sous des champs magnétiques relativement faibles, inférieurs au tesla. Grâce à la combinaison unique d'une très grande déformation, d'une haute densité d'énergie, et d'une fréquence d'actionnement magnétique qui est relativement élevée, les alliages magnétiques à mémoire de forme ouvrent la porte à de nouvelles applications, qui ne peuvent pas être réalisées avec les matériaux actifs classiques. En collaboration avec Schneider Electric, et dans le but d'utiliser le potentiel élevé de miniaturisation de l'effet mémoire de forme magnétique, les recherches se sont concentrées sur la réalisation de films Ni-Mn-Ga dans ce travail de thèse. Les recherches menées se sont articulées autour de deux grands axes. L'étude s'est dans un premier temps focalisée sur la recherche d'un procédé, qui permet la libération de films Ni-Mn-Ga, avant le recuit à haute température. Une deuxième part des investigations s'est concentrée sur l'obtention et l'étude de films Ni-Mn-Ga déposés épitaxiallement. Une solution innovante, directement inspirée des techniques de la micro-électronique, a été développée pour libérer des films Ni-Mn-Ga. Un travail d'élaboration conséquent a été réalisé et a abouti à l'obtention de films libres polycristallins à texture de fibre, qui possèdent des propriétés magnétiques comparables aux massifs, et qui présentent des transformations martensitiques réversibles. Un deuxième axe de recherche s'est concentré sur l'élaboration et l'étude de films Ni-Mn-Ga déposés épitaxiallement. Là encore, un travail important d'élaboration a dû être mené. Afin de contrôler précisément la composition des films déposés épitaxiallement sur MgO (001), un procédé de copulvérisation a été développé. L'effet mémoire de forme magnétique des alliages Ni-Mn-Ga, se produit uniquement dans certaines phases martensites modulées, dont la nature est encore énormément débattue aujourd'hui. Nous verrons que l'analyse détaillée des structures et textures de nos films déposés épitaxiallement, a permis de mieux comprendre la nature des martensites modulées des alliages Ni-Mn-Ga. De plus, dans nos films, les champs d'activation du réarrangement de la martensite maclée sont de seulement quelques centièmes de tesla, nettement inférieurs à ceux rapportés dans les matériaux massifs. Ce résultat relance fortement l'intérêt d'utiliser des films dans la réalisation d'actionneurs utilisant l'effet mémoire de forme magnétique.

Le problème de la modélisation et de la simulation des mouvements du tronc pendant la respiration est étudié dans cette thèse. L'objectif est la représentation graphiquement réaliste de ces mouvements grâce à des modèles générateurs. Le découpage de ce document propose des étapes méthodologiques pour la modélisation.<br />Dans une première partie les principes mécaniques du phénomène de la respiration sont exposés. Le problème apparaît alors comme la modélisation et la simulation comportementale sous contraintes d'un objet complexe composés de régions ayant des propriétés différentes (élasticité, motricité, rigidité). Les modèles générateurs basés sur la physique se révèlent être les outils informatiques les plus aptes à atteindre notre objectif. Un état de l'art de ces méthodes et des problématiques liées est alors dressé.<br />La deuxième partie présente la construction du modèle informatique découpée en régions de propriétés spécifiques. On présente alors une nouvelle fonction d'élasticité utilisant l'expression d'une mémoire de forme locale. Comparée à un modèle classique masse-ressort, cette fonction d'élasticité prouve son efficacité. La modélisation des régions musculaires et solides est ensuite présentée. Puis, on montre la possibilité de contraindre ces régions afin de modéliser d'autres propriétés. On développe notamment une méthode de résolution directe permettant de vérifier des contraintes locales et globales sans utiliser d'algorithme itératif. La résolution de la contrainte d'incompressibilité illustre cette méthode de résolution ; les principes généraux de cette résolution sont dégagés permettant ainsi de généraliser son application.<br />La dernière partie de ce manuscrit fournit une validation qualitative du modèle développé par l'intermédiaire de différents exemples, dont celui de la simulation des mouvements du tronc pendant la respiration.

Les alliages de titane se sont toujours distingués par leur excellente biocompatibilité. De nos jours, l'alliage Ti 6Al 4V est très utilisé comme substitut osseux (prothèses de hanches, de genou, etc.) et les propriétés exceptionnelles des alliages Ni-Ti (effets superélastique ou mémoire de forme) servent à fabriquer de nombreux dispositifs fonctionnels (stents, fils orthodontiques, agrafes à mémoire de forme, etc.). Cependant, le module d'élasticité du Ti 6Al 4V est trop élevé en comparaison à celui de l'os, ce qui réduit l'ostéointégration et limite la durée de vie des prothèses. De plus, les éléments d'addition utilisés (aluminium, vanadium, nickel) sont reconnus comme étant cytotoxiques. Les alliages de titane beta métastables offrent la possibilité d'élaborer uniquement à partir d'éléments biocompatibles (tantale, niobium) des alliages à bas module d'élasticité et présentant des propriétés superélastiques à mémoire de forme. Six compositions du type Ti 25Ta xNb (mass%) ont été élaborées à l'aide d'un four à induction en semi-lévitation magnétique. Le travail de cette thèse a consisté à établir une relation entre les microstructures obtenues et les propriétés mécaniques de ces alliages. Selon la teneur en niobium, ces alliages passent d'une microstructure composée de martensite alpha'' (avec un effet mémoire de forme) à une microstructure composée de grains beta (avec un effet superélastique). Toutes ces propriétés ont été caractérisées par de nombreuses techniques : microscopie, diffraction des rayons X, essais de traction, analyse mécanique dynamique, etc. Les mécanismes de déformation plastique qui expliquent leur très bonne capacité à être travaillés à froid (glissement, maclage) ont été étudiés par diffraction des électrons rétrodiffusés et microscopie en transmission. Deux systèmes de maclage, {112}<111> et {332}<113>, ont été mis en évidence et un analyse basée sur le critère de Schmid a permis d'évaluer la compétition entre ces deux systèmes.

De nombreux gestes médicaux utilisent des aiguilles. Il est proposé une solution de principe pour contrôler la trajectoire d’une aiguille lors son insertion. Ce contrôle de trajectoire permet d’éviter des obstacles et atteindre une cible avec plus de précision. La solution de principe proposée repose sur l’utilisation des alliages à mémoires de forme de type Nickel-Titane (NiTi) et des traitements thermiques localisés. Une méthode expérimentale originale pour caractériser les alliages NiTi est développée. Cette méthode repose sur l’utilisation d’un dispositif expérimental permettant de faire des mesures et analyses mécaniques dynamiques (DMA) lors d’un essai de traction ou au cours d’un balayage en température sous contrainte. Ces mesures DMA ont permis de détecter les nombreux phénomènes présents dans ces alliages : élasticité, transformation de phase, réorientation,localisation, plasticité. Les résultats des mesures effectuées sur un fil commercial de NiTi sont présentés et analysés. L’analyse de l’évolution du module de conservation a permis de mettre en évidence les différentes séquences de transformation et de définir les domaines d’existence des phases en fonction de la contrainte et de la température. Des valeurs de modules d’élasticité de l’austénite, de la martensite et de la phase R sont proposées. Enfin,des modèles d’évolution du module de conservation lors d’un essai de traction et d’un balayage en température sous contrainte sont proposés. Une dernière partie concerne l’étude des effets des traitements thermiques sur un fil NiTi étiré à froid. Une gamme de traitements thermiques a été réalisée sur un fil NiTi. Les propriétés thermomécaniques ont été investiguées à la fois par des essais de traction isothermes et des mesures DMA en balayage en température sous contrainte. / Many medical procedures use needles. A solution is proposed to control and modifyneedle trajectory during its insertion. This steerable needle must be able to avoid anobstacle and reach the target with more accuracy. The solution uses Nickel Titanium(NiTi) shape memory alloy. A new experimental method is proposed to characterize NiTiwires. This method is based on experimental device wich allows to perform DynamicMechanical Analysis (DMA) during a tensile test or during a temperature sweep understress. DMA measurements can detect many phenomena : elasticity, phase transformation,reorientation, plasticity. Results for a commercial NiTi wire are presented and analyzed.Storage modulus evolution analysis shows multistage phase transformations for which thestress-temperature diagram has been established. Values of elastic modulus are determinedfor austenite, martensite and R phase. Estimation models are proposed to determinestorage modulus evolution during tensile test with DMA and temperature sweep understress with DMA. The last part of this work studies the effect of heat treatment on acold worked Niti wire. A range of heat treatments was performed. Thermomechanicaltreatment effects were investigated both with tensile tests and temperature sweeps understress with DMA.

De nombreuses avancées ont été réalisées en termes de géométries instrumentales, mouvements de travail et procédés de fabrication des limes endodontiques. Cependant, peu de recherches se sont tournées vers l’utilisation d’alliages à mémoire de forme (AMF) autres que le Nickel-Titane (NiTi). Ce travail se propose de développer un instrument endodontique constitué d’un nouvel AMF aux propriétés mécaniques et antimicrobiennes très prometteuses : le CuAlBe monocristallin. Après une première analyse par éléments finis des paramètres géométriques adéquats pour une lime endodontique en AMF monocristallin à base de CuAlBe, plusieurs prototypes ont été fabriqués puis testés en rotation continue selon un protocole de pénétration / retrait (P/R) dans des canaux artificiels. Des limes endodontiques en NiTi, déjà commercialisées, ont été également testées avec le même protocole. L’objectif de ces recherches était de montrer que les instruments endodontiques en CuAlBe monocristallin présentaient des performances mécaniques équivalentes à ceux en NiTi, en plus de leurs propriétés antimicrobiennes / Many advances have been made in terms of instrumental geometry, working motion and manufacturing processes of endodontic files. However, since the discovery of Nickel-Titanium (NiTi) shape memory alloys (SMA), few research has been carried out on new SMAs. In this context, this work aims to develop an endodontic instrument machined from a new SMA with very promising mechanical and antimicrobial properties: the single crystal CuAlBe. Following a finite element analysis in order to determine adequate geometric parameters for a single crystal CuAlBe SMA endodontic instrument, prototypes were machined and tested following a continuous rotation penetration / removal (P/R) protocol in artificial canals. Endodontic files made of NiTi SMA, already commercialized, were also tested with the same protocol. The aim of this researches is to show that CuAlBe endodontic instruments could lead equivalent mechanical performances to NiTi instruments in addition of their antimicrobial properties