Multiscale thermomechanical analysis of the phase transformation in monocrystalline shape memory alloys
Analyse thermomécanique multiéchelle de la transformation de phase dans les alliages à mémoire de forme
Résumé
This study is devoted to thermomechanical analysis of the martensitic transformation of Shape Memory Alloys (SMA) with various scales and through tensile test, three-dimensional finite element simulations and molecular dynamics simulations. The study is restricted to the pseudoelastic behaviour of a CuAlBe single crystal. The observations by kinematic and energetical coupled imaging techniques allow us to characterize the front of phase change, which appears during a mechanical loading on a SMA sample. The energetic analysis of this experimentation enables us to interpret the phase transformation as a strong thermomechanical coupling, and to neglect the intrinsic dissipation. These hypotheses found the monovariant thermomechanical model and allow hysteretic phenomena and time effects without the intervention of irreversibility. Thus, the front of phase change is numerically generated and compared to experience and literature. In a second time, an ideal model of SMA is suggested at the crystalline scale. The use of molecular dynamics on this sample allows to apply a thermomechanical solicitation, and to build the associated energetic potential. The evolution of the sample behaviour according to its size is numerically studied then debated. A tendency to convexification of the energetic potential is noticed, as well as a complex microstructure development.
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.
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