La superélasticité (SE) est la capacité d'un alliage à recouvrer sa forme initiale après une importante déformation. Cet effet, dû à une transformation martensitique réversible, est très convoité pour de nombreuses applications biomédicales. Les alliages nickel-titane sont les alliages les plus utilisés dans les applications fonctionnelles nécessitant de la SE. Cependant, l'utilisation de cet alliage dans les dispositifs biomédicaux est controversée par la présence du nickel, considéré comme élément cytotoxique et allergène. De ce fait, ces dernières années, une attention accrue a été portée aux alliages de titane [3-métastable pouvant constituer une alternative pour des applications biomédicales. En effet, ils ont l'avantage d'être élaborés à partir d'éléments biocompatibles et de présenter un comportement SE. L'objectif de cette thèse réside ainsi dans l'étude de la réponse SE des alliages de titane [3-métastable à différentes échelles dans leur forme massive et sous forme de revêtements. Deux alliages [3-métastable ont été élaborés: le Ti-27Nb {% at) et le Ti-24Nb-4Zr-4Sn (% mass). Les propriétés SE de ces alliages à l'état massif ont été caractérisées à l'échelle macroscopique et à l'échelle submicrométrique et comparées à celles du NiTi superélastique et du CP-Ti élasto-plastique. La nanoindentation a d'abord été utilisée pour sonder l'effet SE dans ces alliages massifs à l'échelle locale, et dans un deuxième temps, pour étudier l'effet de l'orientation cristallographique sur la réponse SE et mécanique à l'échelle du grain. Enfin, les propriétés mécaniques et SE de ces alliages sous forme de revêtements ont été évaluées avec ce même procédé de nanoindentation. / The superelasticity is the ability of an alloy to recover its original shape after significant deformation. This effect, due to a reversible stress-induced martensitic transformation, is highly sought after for many biomedical applications. Nickel-titanium alloys that have a very large strain recovery (in bulk and thin film state), are the alloys currently used for functional applications requiring superelasticity. However, the use of this alloy in biomedical devices is controversial by the presence of nickel, considered as allergen and presumed cytotoxic for the body. As a result, in recent years, increased attention has been given to metastable f3 titanium alloys, which may be an alternative for biomedical applications. Indeed, they have the advantage of being elaborated from biocompatible elements and exhibit a superelastic behavior. The objective of this thesis lies in the study of the superelastic response of metastable f3 titanium alloys at different scales in bulk and thin film state. Two metastable f3 titanium alloys were elaborated: Ti-27Nb (at%) alloy and Ti-24Nb-4Zr-8Sn (wt %) alloy. The superelastic properties of these two bulk alloys were characterized at macroscopic and sub-micrometric scale and compared to superelastic NiTi and elastoplastic CP-Ti. The nanoindentation was first used to evaluate the superelastic effect of various bulk titanium alloys at local scale, and in a second time, to study the effect of crystallographic orientations on the superelastic and mechanical responses at the grain scale. Finally, the mechanical and superelastic properties of metastable f3 titanium coatings were evaluated with this same nanoindentation process.

Les alliages de titane sont actuellement très utilisés comme implants orthopédiques de part leurs bonnes propriétés mécaniques, leur bonne résistance à la corrosion ainsi que leur excellente biocompatibilité. Cependant, l’alliage Ti-6Al-4V qui est le plus utilisé présente un module d'élasticité élevé (110GPa), ce qui peut provoquer le phénomène de « stress shielding » et finalement causer l’échec de l’implantation. De plus, l’utilisation à long terme de ce type d’alliage est remise en question à cause de la présence de certains éléments (Al et V) considérés comme cytotoxiques et/ou allergènes. Les alliages -métastables à base de titane peuvent être des candidats de remplacement intéressants grâce à l’addition d'éléments biocompatibles tel que Nb, Zr et Sn.L'alliage superélastique biocompatible de composition Ti-24Nb-4Zr-8Sn (% massique) a été étudié dans le cadre de cette thèse. Cet alliage montre des propriétés intéressantes telles qu’un bas module d’élasticité, une résistance mécanique élevée et une ductilité relativement importante.Dans ce travail de thèse, différents traitements thermomécaniques ont été réalisés afin d’obtenir des textures cristallographiques différentes. Les influences de changement de texture sur les propriétés mécaniques et la superélasticité ont été ainsi préalablement étudiées. La transformation martensitique a été caractérisée par des essais in situ de diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron (SXRD) pendant une sollicitation mécanique et par analyse mécanique dynamique (DMA) sous différentes contraintes statiques. De plus, les microstructures de déformation ont été observées par EBSD et MET pour caractériser précisément les mécanismes de déformation plastique, en particulier le maclage. / Titanium alloys have already been extensively used as orthopedic implants due to the good mechanical properties, corrosion resistance and excellent biocompability. However, the most widely used Ti-6Al-4V alloy exhibits high elastic modulus (110GPa) which would cause the stress shield effect and eventually lead to the implantation failure. Furthermore, elements of Al and V are proved to be toxic for long-term application. Low modulus metastable  titanium alloy can be a suitable candidate through proper addition of non-toxic alloying element such as Nb, Zr and Sn.The present investigated Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy is a new -type metastable alloy potentially interesting for biomedical applications. This alloy displays high strength, low elastic modulus, high ductility, superelastic property and good biocompatibility according to previous investigations.In this work, the as-cold rolled Ti-24Nb-4Zr-8Sn alloy was subjected to different thermo-mechanical treatments in order to introduce different crystallographic texture. Influences of texture change on mechanical properties and superelasticity have been preliminarily studied. Martensitic transformation which is responsible for the superelasticity has been characterized by both in situ synchrotron X-ray diffraction and dynamic mechanical analysis. Moreover, deformed microstructures have been observed by EBSD and TEM to characterize precisely the plastic deformation mechanisms, and particularly the twinning.

Les tubes à paroi mince en alliage à mémoire de forme Nickel-Titane (AMF NiTi) sont largement utilisés dans la fabrication de stents auto-expansibles. Leur fonctionnement repose sur la superélasticité (SE), comme de nombreuses autres applications des AMF NiTi dans le domaine biomédical. Le SE est un phénomène cristallographique réversible qui donne aux AMF la capacité de récupérer de grandes déformations par simple déchargement mécanique. En raison de la nature cristallographique du SE, les propriétés mécaniques liées à cet effet devraient être affectées par l'anisotropie inhérente du tube, qui émerge de son processus de fabrication. Cependant, le NiTi est encore souvent considéré comme isotrope dans la conception et l'optimisation de tels dispositifs. L'une des difficultés empêchant l'utilisation de modèles anisotropes est l'absence de caractérisations mécanique de l'anisotropie du tube NiTi. Le présent travail vise à effectuer une telle caractérisation pour un tube superélastique NiTi à paroi mince. Dans une campagne expérimentale, le comportement en traction du tube est analysé à différentes orientations et températures. La technique de corrélation d'image numérique (digital image correlation - DIC) est utilisée pour surveiller la distribution des déformations pendant les essais de traction. Les résultats montrent que toutes les propriétés analysées liées à la SE sont anisotropes. Toutes les dépendances d'orientation sont presque symétriques à 45° de l'axe du tube. Certaines propriétés dépendent également de la température, dépendance qui est également anisotrope. Une approche thermodynamique basée sur l'énergie libre de Gibbs est utilisée pour analyser ces dépendances d'orientation et de température. Avec cette analyse, il a été possible de relier l'hystérésis mécanique de la SE et les contributions irréversibles présentes dans le système. Enfin, l'influence de l'anisotropie sur la distribution des déformations est vérifiée. L'accent est mis sur l'analyse du phénomène de localisation de la déformation tout au long du chargement et du déchargement. L'inclinaison de la bande de localisation est caractérisée et évaluée avec une approche de plasticité. L'angle de la bande avant observé avec DIC est prédit en utilisant des données de vitesse de déformation globale. / Thin walled tubes of Nickel-Titanium shape memory alloys (NiTi SMA) are widely used in the fabrication of self-expandable stents. The operation of stents relies on the superelastic effect (SE), as many other applications of NiTi SMA in the biomedical field. The SE is a reversible crystallographic phenomenon that gives SMA the ability to recover large strains through simple unload. Due to the crystallographic nature of the SE, the mechanical properties related to this effect are expected to be affected by the inherent anisotropy of the tube, which emerges from its fabrication process. However, NiTi is still often treated as isotropic in the design and optimization of such devices. One of the difficulties preventing the use of anisotropic models is a lack of mechanical characterizations about the NiTi tube's anisotropy. The present work aims to perform such characterization for a thin walled NiTi superelastic tube. In an experimental campaign, the tensile behaviour of the tube is analysed at different orientations and temperatures. Digital Image Correlation (DIC) technique is used to monitor the strain distribution during tensile tests. Results show that all the analysed properties related with SE are anisotropic. All the orientation dependencies are nearly symmetrical to 45° from the tube's axis. Some properties are also dependent on temperature, a dependence that is also anisotropic. A thermodynamic approach based on the Gibbs free energy is used to analyse these orientation and temperature dependencies. With this analysis it was possible to relate the SE stress hysteresis and thermodynamic irreversible energy contributions. Finally, the influence of anisotropy on the strain distribution of tensile samples is verified. Focus is given to the analysis of the strain localization phenomenon throughout loading and unloading. The inclination of the localization front band is characterized and evaluated with a plasticity approach. The front angle observed with DIC is predicted using global strain rate data.

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.

Dans le domaine des biomatériaux, les alliages de titane sont parmi les matériaux les plus attractifs pour les implants ostéointégrés grâce à leur forte résistance à la biocorrosion, une meilleure biocompatibilité et de bonnes propriétés mécaniques spécifiques. Parmi ces propriétés, le faible module élastique des alliages de titane a fortement attiré l'attention par rapport à la transmission des contraintes fonctionnelles de l'implant à l'os environnant. L'objectif de ce travail de thèse consiste à obtenir des alliages de titane aux propriétés mécaniques modulables, possibles grâce au contrôle des traitements thermomécaniques. Ceci permet d'obtenir dans un premier temps un gradient d'élasticité au sein des alliages, ainsi qu'un gradient de tailles de grains dans un second temps. L'obtention de ces gradients est rendue possible grâce à la transformation martensitique réversible β ↔ α’’ ainsi qu'à la dissolution de phase ? par traitements thermiques flash. Il est également possible de contrôler les échelles microstructurales pour obtenir des matériaux nanostructurés, homogènes et stables thermiquement, permettant de mettre en évidence un comportement superplastique à basse température. Ces derniers résultats sont susceptibles de présenter une très bonne alternative aux procédés de SPD utilisés couramment. Une caractérisation complète de ces nouveaux matériaux est réalisée en combinant analyses MEB, MET et DRX. Les valeurs de modules élastiques sont obtenues par essais de traction et localement, par mesures de microindentation instrumentée. / In the field of biomaterials, titanium alloys are among the most attractive materials for osseointegrated implants due to their high biocorrosion resistance, increased general biocompatibility and specific mechanical properties. Among these properties, low elastic modulus of titanium alloys has attracted much attention regarding the transmission of functional loads from the implant to the surrounding bone. The aim of this work consists in developing functionally graded materials, with careful attention to the thermomechanical treatments. In one hand, this allows us to obtain a gradient of elasticity in bulk materials and in the other hand, a gradient of grain sizes. This is possible thanks to the reversible martensitic transformation β ↔ α’’ and also to the α phase dissolution during flash treatments. The microstructural scale is also controlled in order to develop homogeneous materials at the nanoscale, thermally stables, and exhibiting superplasticity at low temperatures. These results are thought to be good strategy to avoid the use of SPD processes. A complete characterization of these new materials is performed with the combination of SEM, TEM and XRD analyses to appreciate the modifications of the microstructures and grain sizes. Values of elastic modulus are obtained by tensile tests, and locally determined with the use of instrumented microindentation measurements.

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.

Les alliages de titane β-métastables biocompatibles suscitent un intérêt croissant pour les applications médicales grâce à leur comportement superélastique et/ou effet mémoire de forme, leur excellente résistance à la corrosion et leur bonne aptitude à la déformation à froid. Dans le cadre de cette thèse, un alliage superélastique Ti-26Nb et un alliage à mémoire de forme Ti-24Nb ont été élaborés en creuset froid en semi-lévitation magnétique et ont fait l'objet d'une caractérisation approfondie sur le plan microstructural et mécanique. Les mécanismes de déformation activés lors d'une sollicitation mécanique ont été identifiés pour les deux alliages au moyen d'essais de traction couplés à des mesures in-situ en diffraction des rayons X. Une procédure d'optimisation basée sur des traitements thermo-mécaniques nano-structurants a été développée pour augmenter simultanément la résistance mécanique et la superélasticité tout en conservant un bas module élastique. Un ensemble de propriétés qui conditionne la réussite de la pose d'implant en améliorant la qualité de transfert des contraintes à l'interface os/implant. Les évolutions microstructurales à l'origine de l'optimisation de ces propriétés ont été étudiées par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission et essais mécaniques. Ce travail se conclut par une introduction à la modélisation micromécanique du comportement du Ti-26Nb. Les caractéristiques cristallographiques de la transformation martensitique ont été déterminées en se basant sur la théorie de Ball et James. L'influence de l'orientation cristallographique sur le comportement mécanique des monocristaux a été étudiée.

Les travaux présentés ont consisté à développer des stratégies d'identification performantes des paramètres des lois de comportement superélastique des Alliages à Mémoire de Forme (AMF). L'objectif est de disposer d'une solution complète de caractérisation, d'identification, et de simulation de structures en AMF soumises à des sollicitations complexes. Une base de données expérimentale unifiée pour un alliage de NiTi superélastique a été établie pour une multitude de trajets de déformation multiaxiaux et à différentes températures : en traction homogène, en compression, en traction-compression et en traction-traction. Une caractérisation expérimentale a été développée sur une plate-forme multiaxiale assemblée au laboratoire durant ce travail. L'emploi de la corrélation d'images a permis d'enrichir la base de données expérimentale en déterminant pour chaque essai les champs cinématiques. Cette collection d'essais a permis de montrer l'importante différence de comportement observée entre les directions de laminage et transverse, bien que le matériau soit faiblement texturé. Des procédures d'identification du comportement thermomécanique des AMF ont été mises en place, basées sur la construction et minimisation d'une fonction objectif régularisée. La première est basée sur l'exploitation des courbes contrainte-déformation moyennes sous chargement homogène et unixial. La seconde exploite la richesse des champs de déformations mesurés en essai hétérogène. Les deux stratégies ont permis d'identifier les huit paramètres gouvernant le comportement superélastique du modèle de Chemisky et al. (Chemisky et al. 2011). Des différences entre les jeux de paramètres identifiés sont caractéristiques des effets d'anisotropie observés. Le succès de cette stratégie démontre sa pertinence et est encourageant pour l'identification de paramètres de lois de comportement anisotropes.

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 travaux présentés ont consisté à développer des stratégies d'identification performantes des paramètres des lois de comportement superélastique des Alliages à Mémoire de Forme (AMF). L'objectif est de disposer d'une solution complète de caractérisation, d'identification, et de simulation de structures en AMF soumises à des sollicitations complexes. Une base de données expérimentale unifiée pour un alliage de NiTi superélastique a été établie pour une multitude de trajets de déformation multiaxiaux et à différentes températures : en traction homogène, en compression, en traction-compression et en traction-traction. Une caractérisation expérimentale a été développée sur une plate-forme multiaxiale assemblée au laboratoire durant ce travail. L'emploi de la corrélation d'images a permis d'enrichir la base de données expérimentale en déterminant pour chaque essai les champs cinématiques. Cette collection d'essais a permis de montrer l'importante différence de comportement observée entre les directions de laminage et transverse, bien que le matériau soit faiblement texturé. Des procédures d'identification du comportement thermomécanique des AMF ont été mises en place, basées sur la construction et minimisation d'une fonction objectif régularisée. La première est basée sur l'exploitation des courbes contrainte-déformation moyennes sous chargement homogène et unixial. La seconde exploite la richesse des champs de déformations mesurés en essai hétérogène. Les deux stratégies ont permis d'identifier les huit paramètres gouvernant le comportement superélastique du modèle de Chemisky et al. (Chemisky et al. 2011). Des différences entre les jeux de paramètres identifiés sont caractéristiques des effets d'anisotropie observés. Le succès de cette stratégie démontre sa pertinence et est encourageant pour l'identification de paramètres de lois de comportement anisotropes. / In this work, efficient identification strategies were developed to determine the characteristic parameters of the thermomechanical behavior of pseudoelastic Shape Memory Alloys (SMA). The aim is to obtain a complete solution for characterization, identification and numerical simulation of SMA structures undergoing multiaxial loading paths. A unified experimental database has been constructed to characterize the behavior of superelastic NiTi SMAs. This database includes tension, compression, tension-tension and tension-compression multiaxial tests at different temperatures. A characterization methodology has been developed on a multiaxial testing setup, which has been assembled in the laboratory during this Ph.D. project. Vital information about the strain fields for each test is added to the experimental database through the use of Digital Image Correlation. A significant difference in the thermomechanical behavior between the rolling and transverse directions has been observed, even when the specimens are not strongly textured. Two strategies were developed that rely on the minimization of a regularized cost function for identification of thermomechanical constitutive law parameters. The first identification procedure is based on uniaxial homogeneous tests at different temperatures. In the other strategy the information of strain fields of heterogeneous tests are utilized. In each case, the eight material parameters of the constitutive law of Chemisky et al. (Chemisky et al. 2011) have been identified. A difference between the identified parameters in the rolling and transverse direction is noted and corresponds to the effect of anisotropy. Nevertheless, the capabilities of the relevant identification strategies shall allow the determination of the parameters of anisotropic constitutive laws.