Étude théorique et expérimentale des microstructures martensitiques dans les alliages à mémoire de forme
Résumé
Shape Memory Alloy (SMA) are metallic materials which own outstanding mechanical properties : superelasticity, memory effect and a great damp capacity. These mechanical properties generally exist in a given SMA, but at different temperatures. The chemical composition of SMA is an important parameter of the macroscopic behaviour. The objective of this work is to study the microstructural mechanisms which cause these properties. They take their source in a solid-solid change of phase named "martensitic transformation". The parent phase (austenite) exhibits a bold centred cubic structure for all known SMA. The main consequence of the martensitic transformation is to break this BCC symmetry. It gives birth to new crystalline structures which mainly depend of the chemical composition of the SMA. The present work deals with the understanding of the spatial organization of austenite and (variants of) martensite phases which exist in a SMA : martensitic microstructures. In the first part of the report, an evolution of the concept of Coherent Stress Free (CSF) microstructure is proposed. A martensitic microstructure can be in fact " not CSF" without causing "too many " mechanical irreversibilities, thus without altering the reversibility of the phase transformation. Such microstructures are referred to as "almost compatible ". Martensitic microstructures obtained under uniaxial tests in a single crystal of Cu-Al-Be are discussed in the second part of this report. Two types of full-field measurement techniques are associated for this purpose : infrared thermography, which provides temperature fields, and the grid method, which provides strain fields. Some martensitic microstructures are revealed and analysed.
Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont des matériaux qui possèdent des propriétés mécaniques étonnantes : super élasticité, mémoire de forme proprement dite, grande capacité d'amortissement. Ces différentes propriétés thermomécaniques existent en fait généralement pour un même AMF, mais pour des températures d'utilisation différentes. La composition chimique d'un AMF est un paramètre clé de son comportement macroscopique. L'objectif de ce mémoire est l'étude des mécanismes microstructuraux qui sont à l'origine des propriétés thermomécaniques des AMF. Celles-ci prennent leur source dans un phénomène physique de changement de phase solide-solide nommé " transformation martensitique ". La phase mère (austénite) possède une structure cristalline cubique centrée pour tous les AMF connus. La transformation martensitique a pour effet de rompre cette symétrie. Elle donne naissance à de nouvelles structures cristallines qui sont fonctions principalement de la composition chimique de l'AMF. Le présent travail traite de la compréhension de l'organisation spatiale des phases austénite et (variantes de) martensite existant dans les AMF : les microstructures martensitiques. Dans une première partie de la thèse, une évolution de la notion de compatibilité cristallographique d'une microstructure est proposée. Une microstructure peut être non-compatible à contrainte nulle et pour autant exister dans le matériau sans créer " trop " d'irréversibilités mécaniques. Ceci permet de conserver la réversibilité de la transformation de phase et au final d'assurer la mémoire de forme. Le qualifcatif de microstructure " presque-compatible " est proposé. La seconde partie de la thèse se propose d'observer expérimentalement des microstructures martensitiques obtenues sous chargement mécanique dans un monocristal d'AMF en Cu-Al-Be. Deux techniques de mesure de champs sont couplées dans ce but : la thermographie infrarouge, qui délivre des champs de températures, et la méthode de la grille qui permet d'accéder aux champs de déformations. Des microstructures martensitiques sont révélées et analysées.