Etude des comportements electro-thermomécaniques et de la stabilisation martensitique d’alliages monocristallins
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1. Effet mémoire de forme 1. EFFET MEMOIRE DE FORME 1.1. Définition 1.2. Transformation martensitique 1.2.1. Définition 1.2.2. Caractéristiques générales 1.2.3. Caractéristiques physiques 1.2.4. Thermodynamique de la transformation 1.2.5. Classification des transformations martensitiques 1.3. Propriétés thermomécaniques des alliages à mémoire de forme 1.3.1. Effet mémoire de forme simple sens 1.3.2. Effet mémoe double sens ou réversible 1.3.3. Pseudoélasticité 1.3.3.1. Effet caoutchoutique 1.3.3.2. Superélasticité 1.4. Aspects du comportement superélastique 1.4.1. Thermodynamique de la transformation induite par contrainte 1.4.2. Dépendance avec l’orientation cristallographique 1.4.2.1. Contrainte d’induction 1.4.2.2. Déformation de transformation 1.4.3. Hystérésis thermoélastiques 1.4.3.1. Hystérésis superélastiques 1.4.3.2. Influence des taux de déformation 1.4.4. Transformations martensitiques successives Ce chapitre a pour but une présentation de la bibliographique sur l’effet mémoire de forme. Les alliages présentant l’effet mémoire de forme sont reconnus pour leurs propriétés thermomécaniques inhabituelles. Ces propriétés forment un ensemble de phénomènes : effet de mémoire de forme, pseudoélasticité et capacité d’amortissement. L’origine de ces phénomènes physiques est attribuée à la transformation martensitique thermoélastique. Cette transformation présente des caractéristiques particulières, notamment dans le domaine ...

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1. Effet mémoire de forme
1. EFFET MEMOIRE DE FORME  
 1.1. Définition 1.2. Transformation martensitique 1.2.1. Définition 1.2.2. Caractéristiques générales 1.2.3. Caractéristiques physiques 1.2.4. Thermodynamique de la transformation 1.2.5. Classification des transformations martensitiques 1.3. Propriétés thermomécaniques des alliages à mémoire de forme 1.3.1. Effet mémoire de forme simple sens 1.3.2. Effet mémoire de forme double sens ou réversible 1.3.3. Pseudoélasticité 1.3.3.1. Effet caoutchoutique 1.3.3.2. Superélasticité 1.4. Aspects du comportement superélastique 1.4.1. Thermodynamique de la transformation induite par contrainte 1.4.2. Dépendance avec lorientation cristallographique 1.4.2.1. Contrainte dinduction 1.4.2.2. Déformation de transformation 1.4.3. Hystérésis thermoélastiques 1.4.3.1. Hystérésis superélastiques 1.4.3.2. Influence des taux de déformation 1.4.4. Transformations martensitiques successives  
  Ce chapitre a pour but une présentation de la bibliographique sur leffet mémoire de forme. Les alliages présentant leffet mémoire de forme sont reconnus pour leurs propriétés thermomécaniques inhabituelles. Ces propriétés forment un ensemble de phénomènes : effet de mémoire de forme, pseudoélasticité et capacité damortissement. Lorigine de ces phénomènes physiques est attribuée à la transformation martensitique thermoélastique. Cette transformation présente des caractéristiques particulières, notamment dans le domaine de la cristallographie, de la thermodynamique et des propriétés mécaniques. La dernière section sera consacrée la superélasticité. Alors que les matériaux classiques exhibent une déformation élastique maximale denviron 0,2%, les alliages à mémoire de forme peuvent présenter une déformation réversible pouvant atteindre 10% (cas des monocristaux). Les principales caractéristiques de la superélasticité seront abordées en considérant les paramètres qui interviennent sur ce comportement.
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1. Effet mémoire de forme
  1.1. Définition  La première apparition de leffet mémoire de forme dans la littérature a été faite par ÖlanderetScheil(1932), lorsquils décrivent un phénomène inconnu dans un alliage Au-Cd /1,2/. Après déformation et vieillissement en phase martensitique, lalliage présente une importante récupération de forme (effet caoutchoutique section 1.3). Le caractère réversible des effets mémoire a été observé parChangetReaden 1951. Le terme «mémoire de forme» apparaît dans la littérature avec la publication du travail deHornbogenetWassermann(1956) /2/. Les années suivantes de recherche sont marquées par lobservation de ces propriétés en plusieurs alliages (Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Cu-Sn, In-Tl, Ti-Ni, Ag-Cd et autres). La première application technologique est datée de 1957 : il sagit de connecteurs des alliages à mémoire qui replacent les soudures des tubes soumis à haute pression (sous-marin Nautillus  alliage Ti-Ni). Les propriétés fonctionnelles et inhabituelles de leffet mémoire sont utilisées dans plusieurs domaines dapplications technologiques : mécanique, robotique, aérospatiale et biomédical. Actuellement, les alliages à mémoire font partie de la classe des matériaux intelligents ou adaptatifs.  Les propriétés des effets mémoire de forme se manifestent sous certaines conditions, qui peuvent entraîner quelques difficultés, du point de vue des analyses des phénomènes, ainsi que pour les applications industrielles. La norme française NF A 51-080 a donné une uniformisation dun certain nombre de définitions des termes les plus couramment utilisés dans le domaine des alliages à mémoire de forme. La norme définie la propriété distinctive de ces alliages comme :métallique possède une mémoire de forme si, aprèsUn alliage déformation permanente à basse température, il retrouve sa forme initiale par simple chauffage permanente » fait allusion à une déformation /3/. La mention « déformation plastique lorsquun métal ou alliage classique est soumis à une contrainte supérieure à sa limite délasticité. Dans le cas des alliages à mémoire, cette déformation « pseudo permanente » disparaît pendant le chauffage. Cette capacité particulière est due à lexistence dune transformation de phase réversible entre « les domaines à haute et à basse températures ». La transformation responsable de cet effet et de ces propriétés thermomécaniques est la transformation de phase martensitique.
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1. Effet mémoire de forme
 1.2. Transformation martensitique  Les microstructures découvertes à la fin du siècle XIX ont été nommées en hommage aux pionniers de lart métallographique, par exemple : sorbite (Henry Clifton Sorby, premier scientiste à utiliser un microscope sur une surface métallique - 1861). La transformation martensitique doit son nom au métallurgiste allemand Adolf Martens, qui a étudié les microstructures et leurs influences sur le comportement mécanique des aciers. Le terme transformation martensitique désignait la transformation de phase qui se produit lors de la trempe des aciers à partir de la phase austénitique à haute température. Lappellation «transformation martensitique» a été généralisée pour un certain nombre dalliages qui présentent une transformation avec des caractéristiques semblables ou analogues à celle observée dans les aciers /4,5,6/.   1.2.1. Définition  La transformation martensitique est une transition structurale displacive du premier ordre présentant une déformation homogène de réseau cristallographique, constituée essentiellement par un cisaillement /7/. Le schéma de lafigure 1.1 présente la classification des transitions displacives proposé parCohen et al. Ces transformations se déroulent à létat solide et sans diffusion atomique. Au cours de la transformation, les déplacements des atomes sont inférieurs à une distance interatomique. Il ny a pas de changement de composition chimique entre les phases. Le changement de structure cristalline entre la phase mère et la phase produit engendre une déformation homogène de la maille cristalline (cisaillement), qui peut être effectué par la distorsion du réseau ou par «shuffle».   La transformation martensitique a lieu par germination et croissance, dans un intervalle de température où coexistent les phases austénitique et martensitique. Les deux phases sont nettement différenciées au cours de la transformation par la présence des interfaces (austénite/ martensite), avec une hystérésis et une enthalpie de transformation. Tout ceci montre le caractère du premier ordre de la transformation.  
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Transformations de Phase Displacives
TransformationsTransformations par Shuffle par Distorsion du Réseau _________________________ _________________________ La cinétique et la morphologie La cinétique et la morphologie sont dominées par les ne sont pas dominées par déplacements de shuffles les déplacements de shuffles
1. Effet mémoire de forme
Dilatation Dominante A Dominante Déviatorique _______________________ ________________________ pas de ligne invariante ligne invariante
Quasimartensitique Martensitique _________________________ _________________________ La cinétique et la morphologie La cinétique et la morphologie ne sont pas déterminées par sont déterminées par lénergie de déformation lénergie de déformation
Figure 1.1.Classification des transformations de phase displacives /7/.
 
  1.2.2. Caractéristiques générales   Lafigure 1.2.a leffet macroscopique produit par lapparition dune représente plaquette de martensite dans un cristal dausténite (relief de surface). Linterface entre la martensite et lausténite est un plan invariant en dimension et en orientation, cest le plan daccolement ou dhabitat. Le changement de forme est dominé plutôt par un cisaillement (d), mais un faible changement de volume (< 0,5%) peut exister pour certains alliages
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1. Effet mémoire de forme
 thermoélastiques /8/. Ainsi, la transformation peut être décrite par un cisaillement homogène parallèle au plan dhabitat.   Du point de vue cristallographique, la transformation entraîne un mouvement coopératif des atomes qui se propage de façon ordonnée à travers une interface, résultant dans le changement de forme /4/. Labsence de diffusion dans ce genre de transformation établi une correspondance cristallographique entre les mailles des phases mère et martensitique. La figure 1.2.bmontre schématiquement que le changement de forme est produit par déformation et réarrangement atomique dans la maille de lausténite, avec lexistence dun plan invariant (déformation plane invariante).  
   a) b) Figure 1.2. du changement de forme produit pour la transformation martensitique. Schémaa) Effet macroscopique. Les vecteurs n et d représentent respectivement la normale au plan daccolement et la direction de la déformation de forme /8/.b)Echelle atomique: déformation plane invariante.   1.2.3. Caractéristiques physiques  La transformation martensitique modifie les caractéristiques physiques du matériau. Ces modifications peuvent être détectées par différentes techniques : résistivité électrique, calorimétrie, frottement intérieur, dilatomètrie et autres. A partir de ces mesures, les paramètres caractéristiques de la transformation peuvent être représentés par une courbe  __________________________________________________________________________________________                     15
100
5M50 T A50 0 
1. Effet mémoire de forme
 donnant le pourcentage de la martensite transformée en fonction de la température, comme lillustre lafigure 1.3.         0  er e c  F S S F T   Figure 1.3.Représentation des paramètres caractéristiques de lévolution de la transformation martensitique.  Les indices sur lafigure 1.3représentent respectivement:   
¾α fraction de martensite transformée; -¾MS- température de début de la transformation martensitique ou directe; ¾MFde la transformation martensitique ou directe;- température de fin ¾M50 - température à 50% de fraction de martensite transformée; ¾AS- température de début de la transformation austénitique ou inverse; ¾AF- température de fin de la transformation austénitique ou inverse; ¾A50- température à 50% de la transformation inverse; ¾HT- hystérésis thermique de transformation (HT = A50- M50); ¾er- étalement thermique au refroidissement (er = MF- MS); ¾ec- étalement thermique au chauffage (ec = AF- AS).
  1.2.4. Thermodynamique de la transformation   Le système thermodynamique de la transformation peut être représenté par les énergies libres de Gibbs des phases mère (GP) et martensitique (GM), puisque les phases sont solides et de structures différentes /9/. Ces énergies sont représentées sur le graphe de la figure 1.4. La phase stable est celle que possède la plus basse énergie libre à une température
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G
ΔG 
G G 
1. Effet mémoire de forme
 T. La transformation de phase est pourtant accompagnée par une diminution de lénergie. La différence entre les énergies libres des phases constitue la force motrice (ou chimique) nécessaire à la transformation, représentée parlexpression 1.1. Δ MP M P                                        =                                                          GchimiqueGG          (1.1)           S T0 S T   Figure 1.4. Représentation des énergies libres des phases mère (GP) et martensitique (GM) en fonction de la température. T0représente la température déquilibre des phases.    La températureT0 représente léquilibre thermodynamique entre les phases, où la force motrice est nulle. La transformation se déclenche seulement à une température inférieure àT0. Lénergie nécessaire à la transformation martensitique est alors fournie par un sur-refroidissement à températureMS. Cette énergie supplémentaire est nécessaire car la transformation seffectue par un processus de germination et de croissance, avec des interfaces qui séparent les phases. Ainsi, les contributions des énergies correspondant à laccommodation élastique des changements de forme et aux forces de frottement due aux déplacements des interfaces (irréversible ou dissipative) doivent être additionnées à énergie de transformation.L'équation 1.2  distingueles trois contributions dénergie: lénergie de transformation (chimique), lénergie élastique réversible emmagasinée dans le matériau et le travail irréversible qui est utilisé principalement dans le mouvement des interfaces.                                         ΔGtransformation= Gchimique+ Gélastique + Girreversible                      (1.2)  
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1. Effet mémoire de forme
 Salzbrenner et Cohen ont démontré que lénergie élastique est responsable de létalement de la transformation /10/. Lorsquun cristal dausténite est transformé en un monovariant de martensite létalement est nul (figure 1.5.a). Si la transformation sopère par multiples interfaces, un important étalement est observé (figure 1.5.a). Laspect autoaccommodant de la martensite lui permet de minimiser les énergies de déformation et de stoker ainsi de lénergie élastique. Néanmoins, la formation dune nouvelle plaquette accommodante est un compromis énergétique entre la force motrice qui représentent les contraintes élastiques à relaxer et la barrière à vaincre que constitue lénergie dinterface. Ainsi, lénergie emmagasinée (élastique + interfaciale) est responsable de létalement.  
 Figure 1.5.Transformation dans un monocristal de Cu-Al-Ni :a)Martensite monovariante (interface unique); b)Martensite polyvariante (multiples interfaces) /10/.  Les contributions irréversibles sont associées aux contraintes de cisaillement nécessaires pour déplacer les interfaces, changements dénergie libre liés à lintroduction de défauts par la transformation et à laccommodation partielle des déformations plastiques /11,12/. Ces contributions sont responsables de lhystérésis de la transformation illustrée sur lafigure 1.3.   __________________________________________________________________________________________                      18
1. Effet mémoire de forme
  1.2.5. Classification des transformations martensitiques   Lafigure 1.6variations de résistivité électrique obtenues au cours des présent les transformations directe et inverse pour deux alliages distincts /6/. Les cycles thermiques de transformation présentent de grandes différences dhystérésis et détalement. Ce critère est utilisé pour classifier les transformations martensitiques en (figure 1.7):  
  
 Figure 1.6.Cycles des transformations thermiques des alliages Fe-Ni et Au-Cd /6/.
¾transformations par burstla germination de la martensite savère difficile et la, où croissance se produit par un processus davalanche. Cette transformation, très explosive, est généralement accompagnée dune variation de volume importante et dune déformation plastique de lausténite. Ces facteurs rendrent la transformation inverse difficile (voire impossible), avec une très large hystérésis (figure 1.7.a).  ¾t ransformations thermoélastiques, où la croissance des variantes de martensite est gouvernée par léquilibre des énergies libres entre le deux phases (chimiques ou motrice) et résistive (non-chimiques). Ces transformations sont caractérisées pour une faible hystérésis, mais elles peuvent présenter étalements des différents. Il y a deux types de transformations thermoélastique: I (faible étalementAS>MS -figure 1.7.b) et II (fort étalement -AS<MS-figure 1.7.c)
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1. Effet mémoire de forme
 Figure 1.7. Classification des transformations martensitique.a) par burst, Transformationb) Transformation thermoélastique de type I etc)Transformation thermoélastique de type II.   1.3. Propriétés thermomécaniques des alliages à mémoire de forme  Dans le cadre des alliages à mémoire de forme sobservent plusieurs propriétés thermodynamiques, qualifiées «deffets». Ces effets sont liés à transformation martensitique et dépendent de certaines conditions : phase initiale (ou température), contrainte appliquée, déformation et mécanismes de stabilisation. Normalement, ces propriétés sont classifiées en deux groupes : leffet mémoire de forme et la pseudoélasticité /2/. Le premier est constitué par : leffet mémoire de forme simple sens et leffet mémoire de forme double sens ou réversible. La pseudoélasticité comporte les effets caoutchoutique et superélastique. Ces différents phénomènes sont décrits dans les sections suivantes.    1.3.1. Effet mémoire de forme simple sens  Cet effet correspond à la définition donnée dans lasection 1.1 les alliages à pour mémoire de forme. Il seffectue en quatre étapes (Figure 1.8):  (1) -  Léchantillon est initialement refroidi à température inférieure àMF. La transformation martensitique est réalisée par autoaccommodation des variantes, sans changement de forme par rapport à la phase de haute température.
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1. Effet mémoire de forme
(2) -  est déformé à basse température. Leffet dune contrainte surLéchantillon léchantillon martensitique donne lieu à un processus de réorientation des variantes de martensite. Dans ce mécanisme, la déformation observée est le résultat du déplacement des interfaces martensite/martensite. La croissance de certaines variantes favorables à la déformation dans le sens de la contrainte seffectue au détriment dautres variantes. (3) -  Léchantillon martensitique orienté par contrainte reste déformé après la décharge. (4) -  chauffé, la martensite orientée se retransforme enLorsque léchantillon est austénite à une températureT>AF sa, retrouvant forme initiale.
F
(2)
(1) S F(4)
(3)
 Figure 1.8.Effet mémoire de forme simple sens. Schéma de la température et de la en fonction de contrainte déformation de léchantillon.   1.3.2. Effet mémoire de forme réversible ou double sens   Cet effet correspond à un changement de forme spontané et réversible au cours de la transformation martensitique induite thermiquement, sans application de sollicitation externe (figure 1.9). Ce comportement sobtient après un traitement thermomécanique appelé traitement «déducation». Il consiste normalement en la répétition de cycles thermique sous contrainte statique entre les températures de transformation critiques. Pendant le traitement, la déformation spontanée est produite par germination préférentielle de certaines variantes de martensite. Après léducation, léchantillon a mémorisé une forme à basse température et autre forme à haute température.  __________________________________________________________________________________________                     21
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