Contribition à l'étude de la rupture des alliages à mémoire de forme

Contribution to the study of the shape memory alloys fracture

• Auteur / Autrice : Virginie Taillebot
• Direction : Christian Lexcellent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 09/05/2012
• Etablissement(s) : Besançon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Jury : Président / Présidente : Pierre Vacher
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Lexcellent, Pierre Vacher, Mohamed Lamine Boubakar, Frédéric Lebon, Shabnam Arbab Chirani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages à mémoire de forme

Mots clés libres

Alliagesà mémoire de forme

Transformation de phase

NiTi

Rupture

Facteur d’intensité de contraintes

Ténacité

Rayon en pointe de fissure

DIC

IR

Shape memory alloys

Phase transformation

NiTi

Fracture

Stress intensity factor

Toughness

Crack tip radius

DIC

IR

Résumé

Matériaux incontournables des matériaux fonctionnels, les alliages à mémoire de forme(AMF) peuvent présenter de très larges déformations réversibles. La Transformation de Phase Martensitique (TPM), ayant lieu lorsqu’il est soumis à une action mécanique ou thermique, lui confère des caractéristiques particulières. Le comportement thermomécanique des AMF est à présent bien maîtrisé. Cependant la connaissance de leur comportement `a la rupture reste un enjeu majeur pour leur dimensionnement dans le cadre de leur industrialisation pérenne. Ces travaux de recherche se sont attachés `a la connaissance, la description et la quantification du phénomène de localisation en pointe de fissure liée à la TPM induite sous contrainte, au travers du développement d’un modèle prédictif et de sa corrélation expérimentale par mesures de champs simultanées lors d’essais de rupture sur des éprouvettes fissurées de NiTi. Deux modèles analytiques basés sur la mécanique linéaire de la rupture, intégrant le caractère dissymétrique du comportement des AMF en traction/compression, ont été développés pour la prédiction des zones de transformation au voisinage de la pointe de fissure en tenant compte des différents modes de rupture ( élémentaires et mixtes I+II) et du rayon de courbure en pointe de fissure. Un banc de caractérisation par mesures simultanées de champs cinématiques par corrélation d’images (DIC) et thermique par thermographie infrarouge a été développé pour cartographier les champs expérimentaux d’essais de rupture en mode I sur des éprouvettes pré-fissurées. Cette bonne corrélation des modèles analytiques ouvre de nombreuses perspectives concernant l’analyse du couplage thermo mécanique associé à la TPM en pointe de fissure, l’enrichissement des modèles analytiques initiaux, et la confrontation avec les résultats expérimentaux pour des modes de rupture plus complexes (II et mixte I+II).

Major player among functional materials, Shape Memory Alloys (SMA) may undergo verylarge reversible strain. SMA exhibit a Martensitic Phase Transformation (MPT) when they aresubmitted to mechanical or thermal actions, and that gives them some specific characteristics.The thermomechanical behavior of SMA is now well controlled. However, the knowledge of theSMA fracture behavior is a major challenge for their design and sizing for their sustainableindustrialization. This research project has focused on the understanding, describing and quantifyingof the phenomenon of localization at the crack tip due to stress-induced MPT. The study includestwo main aspects: the development of an analytical model and its experimental correlation bysimultaneous field’s measurements during tests on cracked NiTi specimens. Two analytical modelsbased on the linear fracture mechanics and those introduce the asymmetrical nature of the SMAbehavior in tension/compression, were developed for the prediction of transformation zones in thevicinity of the crack tip, taking into account the fracture mode (elementary and mixed ones)and the radii of curvature of the crack tip. A testbench with the measurement of simultaneouskinematic field with Digital Image Correlation (DIC) and thermal field with infrared thermographywas designed for mapping the experimental fields during fracture tests in mode I on pre-crackedspecimen. This good correlation of analytical models opens up many perspectives on the analysisof thermomechanical coupling associated with the MPT at the crack tip, the enrichment of the initialanalytical models, and comparison with experimental results for more complex failure modes (II andmixed I+II).