Etude du comportement des interfaces austenite martensite et martensite martensite de deux alliages a

Ontau - Mme Baron , Marie-Pierre

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Chap II Comportement des interfaces dans les alliages base Cuivre.
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II Comportement des interfaces dans
les alliages base Cuivre.
La transformation martensitique conduit à l’apparition d’interfaces entre les deux phases
austénite et martensite mais également entre les variantes de martensite apparaissant dans
l’échantillon.
De nombreux auteurs ont étudié le comportement de ces interfaces, afin de mieux comprendre
les propriétés des alliages à mémoire de forme [16, 40, 51]. Dans notre étude, nous nous
sommes attachés au comportement des interfaces lors d’essais superélastiques, dans le cas de
polycristaux et de monocristaux. Les alliages étudiés appartiennent à la famille des alliages
base Cuivre.
Ce chapitre est divisé en trois parties : dans un premier temps, nous explorerons les diverses
théories proposées pour expliquer le comportement des interfaces. Ensuite, nous parlerons de
la stabilisation des interfaces. Enfin, une troisième partie sera consacrée au frottement
intérieur, qui permet d’étudier l’amortissement des alliages à mémoire de forme.
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38Chap II Comportement des interfaces dans les alliages base Cuivre.
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21 Comportement des interfaces pendant la transformation
martensitique induite pas la contrainte
211 Déformation par déplacement des interfaces
Nous avons vu dans le chapitre 1 que la transformation martensitique induite par la contrainte
conduit à une déformation de l’échantillon. Cette déformation s’opère par un mécanisme de
migration des interfaces intervariantes. Les interfaces se déplacent par glissement.
212 Transformation martensitique dans le cas de monocristaux
En appliquant une contrainte convenablement orientée sur un monocristal d’austénite, il est
possible d’obtenir une unique variante et deux interfaces austénite/martensite. Ensuite, quand
la transformation a totalement eu lieu, il ne reste plus qu’un monocristal de martensite. Le
front de transformation (que l’on peut confondre avec l’interface) est un plan invariant qui se
déplace et balaye la totalité du cristal (figure 212.1).
monocristal d’austénite monocristal d’austénite
déplacement de
l’interface
austénite/martensite
Figure 212.1. Déplacement de l’interface dans un monocristal lors d’une
transformation induite par la contrainte.
Dans le cas d’un polycristal, l’extrémité des variantes est un plan bien délimité. Par contre,
dans le cas d’un monocristal, la présence de dislocations peut provoquer une diminution des
variantes à leurs extrémités (figure 212.2) : la condition de déformation du plan invariant n'est
alors plus respectée [24].
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39
ssChap II Comportement des interfaces dans les alliages base Cuivre.
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Figure 212.2. Représentation schématique des
variantes de martensite : martensite composée de
deux variantes dans un monocristal. 1 : matrice ; 2 :
martensite ; HH : interface (d’après [24]).
Saburi et al. [86] ont observé le front de transformation dans le cas d’un monocristal de
CuZnGa. Ils ont cherché à contrôler la transformation afin de forcer une unique interface à
croître. Sous l’effet d’un gradient de température, le front de transformation se propage et une
unique interface de déplace.
La figure 212.3 montre le front de transformation entre la phase mère et la phase
martensitique, et l’apparition de variantes de martensite sous forme d’un “ peigne ”.
austéniteMartensite
Figure 212.3. Représentation schématique du front de transformation entre la phase mère et la
phase martensitique lors d’un gradient de température (d’après [86]).
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40Chap II Comportement des interfaces dans les alliages base Cuivre.
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213 Etude à l’état mixte
Une plaquette unique
Pendant la transformation, l'échantillon se trouve dans un état mixte pour lequel les deux
phases martensite et austénite cohabitent. Si on applique une contrainte, une ou plusieurs
aiguilles de même orientation cristallographique apparaissent. Ces plaquettes disparaissent
lors de la transformation inverse et l'échantillon retrouve sa forme initiale (figure 213.1).
Fx x xx
x
2
x x x1 1 x 11
0 0 00
austénite
(a) (d) (c) (d)
Figure 213.1. Représentation schématique des séquences de transformation : (a) austénite ; (b) germination et
croissance initiale ; (c) épaississement de la plaquette ; (d) apparition d’une nouvelle plaquette [50].
Position de l'interface à un instant donné
Afin d'étudier plus facilement le comportement des interfaces et l’interaction de ces interfaces
avec les défauts présents dans le matériau, Lovey et al. [49] ont effectué l'étude de
monocristaux de CuZnAl.
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41
DD
(1)x
xChap II Comportement des interfaces dans les alliages base Cuivre.
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L'interaction des interfaces avec les défauts joue un rôle crucial dans la phénoménologie de la
transformation (monocristal avec une unique interface) : la présence de défauts empêche la
croissance d’une unique plaquette et la transformation se produit par germination successive
de nouvelles plaquettes. Dans un cas idéal, pour lequel il n’y a pas de défaut dans le cristal,
l’application d’une très faible contrainte permet l’apparition d’une variante qui peut alors
traverser tout le cristal sans s’arrêter. De même, l’énergie mise en jeu est très faible et, de
même, l’hystérésis est très faible ( une fraction de degrés).
Lovey at al. ont déterminé l’interaction des interfaces avec les défauts par des mesures de
thermoélasticité intrinsèque (pour une transformation induite par la température) ou de
intrinsèque. Il s’agit de déterminer la position de l'interface en fonction de lapseudoelasticité
température ou de la contrainte (selon le type de transformation). La thermoélasticité
intrinsèque (pseudoélasticité intrinsèque dans le cas d’une martensite induite par la contrainte)
est donnée par le terme :
dT?? = dans le cas d’une transformation thermique, (6)? ?
dx
d? ?
= dans le cas d’une transformation induite par une contrainte. (6’)? ?
dx T
Afin d’effectuer ces mesures, l’échantillon a été placé sous un microscope optique et un
gradient de température (variable) lui a été appliqué. On a choisi un axe x (sur la surface de
l’échantillon) perpendiculaire à l’interface. On mesure la position de l’interface par rapport à
l’origine de cet axe, prise de façon arbitraire. La relation x(T) détermine le cycle d’hystérésis.
Dans le cas de la transformation induite par la contrainte, une température uniforme est
maintenue et on applique une contrainte. L’évolution du cycle d’hystérésis est également
suivie sous microscope optique.
Les figures 213.2 montrent l’évolution de la température ou de la contrainte (selon le type de
transformation) en fonction de l’allongement de l’éprouvette.
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42
ŁmmłsŁłmsChap II Comportement des interfaces dans les alliages base Cuivre.
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(a) (b)
Figures 213.2. Mesure de la position de l’interface en fonction de : (a) la température ; (b) la contrainte [4, 50].
Pseudoélasticité intrinsèque
Prenons le cas de la pseudoélasticité intrinsèque. La première plaquette apparaît à une position
x=x . La contrainte nécessaire pour l’apparition de cette plaquette est :1 c
(1)= + (7)c o n
(1)
avec la valeur de la contrainte à la position x quand les phases sont à l’équilibreo 1
thermodynamique, énergies d’interface incluses. dépend du processus de germination, den
la contrainte associée au changement de forme de la transformation et au frottement de
l’interface quand la plaquette “ traverse ” l’échantillon. A cet instant, si la contrainte appliquée
est constante, la plaquette s’épaissit jusqu’à une valeur x. A cause de la pseudoélasticité
intrinsèque, la contrainte appliquée doit augmenter afin de forcer la croissance de la plaquette.
La relation entre la contrainte appliquée et l’épaississement de la plaquette est la suivante :
(1)= +1/2 + (x) (8)c