Caractérisation multiéchelle par diffraction de neutrons et rayonnement synchrotron de la transformation martensitique sous contrainte dans un alliage à mémoire de forme CuAlBe

Multiscale analysis by neutron and synchrotron X-ray diffraction of the mechanically-induced martensitic transformatic transformation of a CuAIBe shape memory alloy

• Auteur / Autrice : Benoît Malard
• Direction : Etienne Patoor, Sophie Berveiller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et matériaux
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multifactorielle

Alliages

Rayons X -- Diffraction

Résumé

Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) présentent un comportement très différent des matériaux habituels. Leurs propriétés exceptionnelles, comme l’effet mémoire et la superélasticité, sont étroitement associées aux caractéristiques de la transformation martensitique dans ces alliages. Les évolutions microstructurale associés à cette transformation jouent un rôle considérable sur la nature des propriétés macroscopiques observées. La caractérisation fine de ces évolutions constitue un enjeu important dans la compréhension des interactions entre microstructure et propriétés. Dans ce contexte, ce travail expérimental, réalisé sur un AMF superélastique de type CuAlBe, montre que les techniques de diffractions aux grands instruments permettent de réaliser des analyses microstructurales sur une très large gamme d’échelle. Cette approche d’analyses multiéchelles in-situ a permis d’obtenir plusieurs résultats marquants. A l’échelle macroscopique et grâce à la diffraction de neutron à l’ILL, la contribution associée à la présence de martensite stabilisée et celle liée à la déformation plastique a été déterminée au cours de cycles successifs. Une conséquence importante de cette détermination a été d’établir que dans les AMF, l’élargissement des raies de diffraction, observé au cours des chargements, a pour origine principale un mécanisme d’augmentation des hétérogénéités intragranulaires, un mécanisme directement lié à la transformation de phase. Les analyses réalisées aux échelles fines ont permis de mettre en évidence ce mécanisme particulier. Ainsi l’utilisation du microscope 3DXRD et de la microdiffraction Laue à l’ESRF, a montré que la transformation martensitique s’accompagne d’une rotation non négligeable du réseau cristallin de l’austénite à l’échelle du grain dans le polycristal et d’une fragmentation de l’austénite en plusieurs sous-domaines d’orientation différente. Ce mécanisme est largement réversible avec la transformation inverse.

The Shape Memory Alloys (SMA) have different mechanical properties than usual materials. Their exceptional properties such as superelasticity and shape memory are closely associated with the characteristic of the martensitic transformation in these alloys. The microstructural evolutions associated with this transformation play a considerable role in the nature of the observed macroscopic behaviour. The precise description of these evolutions is an important part of the understanding of the interactions between the microstructure and the macroscopic properties. In this context, diffractometric analyses allow us to obtain useful information on the volume fraction evolution the lattice strains and grain rotations. The use of neutron, synchrotron X-ray and hard X-Ray radiation appears to be the only alternative for quantifying the martensitic transformation at multiple length scales via reliable complementary measurements performed in a laboratory. This work, on superelastic CuAlBe SMA, contributes to the development experimental methodologies on biphasic alloys and sets up new in-situ multiscale analyses on the field of the martensitic transformation. At the macroscopic scale, the transfer stress loading from one to the other phase has been followed when the transformation begins. The plastic and residual transformation strains have been determined from the residual macroscopic strain. At the grain level, the formation and the rotation of small austenitic domains have been measured when the martensitic transformation starts. During unloading, the inverse rotation and the reconstitution of one austenitic domain have been observed. At the microscopic level, the rotations of the small austenitic domains have been confirmed and localized. The increase of the austenite crystal plane mosaicity has been tracked.