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 ...
1.1. Définition1.2. 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 lorientation cristallographique 1.4.2.1. Contrainte dinduction 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 leffet mémoire de forme. Les alliages présentant leffet 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 damortissement. Lorigine 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 denviron 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.
1.1. Définition La première apparition de leffet mémoire de forme dans la littérature a été faite par ÖlanderetScheil(1932), lorsquils décrivent un phénomène inconnu dans un alliage Au-Cd /1,2/. Après déformation et vieillissement en phase martensitique, lalliage 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 lobservation 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 sagit 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 leffet mémoire sont utilisées dans plusieurs domaines dapplications 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 dun 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, aprèsUn 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 lorsquun métal ou alliage classique est soumis à une contrainte supérieure à sa limite délasticité. Dans le cas des alliages à mémoire, cette déformation « pseudo permanente » disparaît pendant le chauffage. Cette capacité particulière est due à lexistence dune 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.
1.2. Transformation martensitique Les microstructures découvertes à la fin du siècle XIX ont été nommées en hommage aux pionniers de lart 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. Lappellation «transformation martensitique» a été généralisée pour un certain nombre dalliages 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 létat solide et sans diffusion atomique. Au cours de la transformation, les déplacements des atomes sont inférieurs à une distance interatomique. Il ny 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.
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 lénergie de déformation lénergie de déformation
Figure 1.1.Classification des transformations de phase displacives /7/.
1.2.2. Caractéristiques générales Lafigure 1.2.a leffet macroscopique produit par lapparition dune représente plaquette de martensite dans un cristal dausténite (relief de surface). Linterface entre la martensite et lausténite est un plan invariant en dimension et en orientation, cest le plan daccolement ou dhabitat. Le changement de forme est dominé plutôt par un cisaillement (d), mais un faible changement de volume (< 0,5%) peut exister pour certains alliages
thermoélastiques /8/. Ainsi, la transformation peut être décrite par un cisaillement homogène parallèle au plan dhabitat. 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/. Labsence 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 lausténite, avec lexistence dun 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 daccolement 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 lillustre lafigure 1.3. 0er e cF S S FT Figure 1.3.Représentation des paramètres caractéristiques de lévolution 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 Lesystème 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
T. La transformation de phase est pourtant accompagnée par une diminution de lénergie. La différence entre les énergies libres des phases constitue la force motrice (ou chimique) nécessaire à la transformation, représentée parlexpression 1.1. ⇒ Δ MP M P= GchimiqueG−G(1.1)ST0ST Figure 1.4. Représentation des énergies libres des phases mère (GP) et martensitique (GM) en fonction de la température. T0représente la température déquilibre des phases. La températureT0 représente léquilibre thermodynamique entre les phases, où la force motrice est nulle. La transformation se déclenche seulement à une température inférieure àT0. Lénergie nécessaire à la transformation martensitique est alors fournie par un sur-refroidissement à températureMS. Cette énergie supplémentaire est nécessaire car la transformation seffectue par un processus de germination et de croissance, avec des interfaces qui séparent les phases. Ainsi, les contributions des énergies correspondant à laccommodation 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 dénergie: lénergie de transformation (chimique), lénergie 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)
Salzbrenner et Cohen ont démontré que lénergie élastique est responsable de létalement de la transformation /10/. Lorsquun cristal dausténite est transformé en un monovariant de martensite létalement est nul (figure 1.5.a). Si la transformation sopère par multiples interfaces, un important étalement est observé (figure 1.5.a). Laspect autoaccommodant de la martensite lui permet de minimiser les énergies de déformation et de stoker ainsi de lénergie élastique. Néanmoins, la formation dune 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 lénergie dinterface. Ainsi, lénergie emmagasinée (élastique + interfaciale) est responsable de létalement.
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 dénergie libre liés à lintroduction de défauts par la transformation et à laccommodation partielle des déformations plastiques /11,12/. Ces contributions sont responsables de lhystérésis 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 dhystérésis et détalement. 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 savère difficile et la, où croissance se produit par un processus davalanche. Cette transformation, très explosive, est généralement accompagnée dune variation de volume importante et dune déformation plastique de lausténite. Ces facteurs rendrent la transformation inverse difficile (voire impossible), avec une très large hystérésis (figure 1.7.a). ¾transformations thermoélastiques, où la croissance des variantes de martensite est gouvernée par léquilibre 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)
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 sobservent plusieurs propriétés thermodynamiques, qualifiées «deffets». 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 : leffet mémoire de forme et la pseudoélasticité /2/. Le premier est constitué par : leffet mémoire de forme simple sens et leffet 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 seffectue en quatre étapes (Figure 1.8): (1)-Léchantillon 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.
(2)-est déformé à basse température. Leffet dune contrainte surLéchantillon léchantillon 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 seffectue au détriment dautres variantes. (3)-Léchantillon martensitique orienté par contrainte reste déformé après la décharge. (4)-chauffé, la martensite orientée se retransforme enLorsque léchantillon 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 léchantillon. 1.3.2. Effet mémoire de forme réversible ou double sens Ceteffet 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 sobtient après un traitement thermomécanique appelé traitement «déducation». 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 léducation, léchantillon a mémorisé une forme à basse température et autre forme à haute température. __________________________________________________________________________________________ 21