La relation entre la transformation de phase martensitique et la réorientation martensitique dans les alliages magnétiques à mémoire de forme de Ni-Mn-Ga monocristal

The relation between martensitic phase transformation and martensite reorientation in single crystal Ni-Mn-Ga magneticshape memory alloy

• Auteur / Autrice : Guoshun Qin
• Direction : Yongjun He
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 03/09/2021
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles (Palaiseau ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Patoor
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Hubert, Ziad Moumni
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Xavier Balandraud, Tarak Ben Zineb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transformations martensitiques

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Transfert de chaleur

Réorientation martensitique induite par champ magnétique

Auto-Accommodation

Mémoire bidirectionnelle

Transformation de phase martensitique

Compatibilité

Heat transfer

Magnetic-Field-Induced martensite reorientation

Self-Accommodation

Two-Way shape memory

Martensitic phase transformation

Compatibility

Résumé

L'alliage ferromagnétique à mémoire de forme (FSMA) est un candidat prometteur pour les actionneurs en raison de sa propriété de déformation induite par champ magnétique (MFIS) à haute fréquence. Comparé à d'autres types de FSMA, le monocristal Ni2MnGa est le plus populaire en raison de sa contrainte de twinning beaucoup plus faible (σtw < 2 MPa). Le monocristal Ni2MnGa a deux processus de microstructure importants : la réorientation de la martensite et la transformation de phase, qui lui donnent diverses applications potentielles en ingénierie. Dans la littérature, la réorientation de la martensite et la transformation de phase ont généralement été étudiées séparément. Leur interaction (couplage) n'a pas encore été systématiquement étudiée. Dans cette thèse, je démontre dans deux situations typiques (réorientation de la martensite induite par un champ magnétique et transformation de phase induite par la température sans contrainte) que la réorientation de la martensite et la transformation de phase peuvent avoir lieu simultanément, conduisant à des performances spéciales.La première série d'expériences systématiques étudie l'effet thermique sur l'oscillation de déformation induite par le champ magnétique du monocristal de Ni2MnGa en modifiant progressivement les conditions aux limites thermiques (de l'air ambiant immobile à un fort flux d'air). Les résultats montrent que le transfert de chaleur ambiant extrêmement faible ou extrêmement fort ne peut avoir qu'une faible amplitude d'oscillation de déformation, tandis que l'amplitude de déformation maximale ne peut être atteinte que dans des conditions de transfert de chaleur douces (c'est-à-dire une dépendance non monotone de l'amplitude de déformation sur la chaleur ambiante.) En particulier à faible transfert de chaleur ambiant, la dissipation d'énergie de la réorientation de la martensite à haute fréquence peut déclencher l'augmentation de la température de l'échantillon, conduisant à la transformation de phase en phase austénite, qui peut à son tour moduler l'amplitude d'oscillation de déformation par la fraction de phase ajustement de la transformation de phase martensitique.La deuxième série d'expériences systématiques étudie la transformation de phase martensitique des barres monocristallines Ni2MnGa de différentes tailles géométriques sous différents cycles de chauffage-refroidissement sans contrainte ni champ magnétique. Les résultats expérimentaux montrent que la transformation de phase d'austénite en martensite induite par le refroidissement dans un barreau mince monocristallin de Ni2MnGa s'effectue en deux étapes : (1) austénite en martensite jumeau(s); (2) le detwinning en variante martensite simple (la variante majeure de martensite dans les jumeaus aux dépens de la variante mineure de martensite ; c'est-à-dire que la réorientation de la variante mineure de martensite vers la variante majeure de martensite a lieu). Ce nouveau phénomène démontre que la réorientation de la martensite s'est effectivement produite lors de la transformation de phase induite par le refroidissement sans aucune force motrice directionnelle (sans contrainte ni champ magnétique), ce qui peut avoir un grand changement de forme global. Cela brise l'idée habituelle sur la formation de martensite auto-accommodante dans l'effet de mémoire de forme à sens unique. Cette découverte favorise les applications de SMA telles que l'effet de mémoire de forme bidirectionnelle sans stress. Mais la prédiction/le contrôle précis de la performance est toujours une tâche difficile, exigeant des recherches expérimentales et théoriques supplémentaires.

Ferromagnetic shape memory alloy (FSMA) is a promising candidate for actuators because of its high-frequency Magnetic-Field-Induced-Strain (MFIS) property. Compared to other types of FSMAs, Ni2MnGa single crystal is the most popular one because of its much lower twinning stress (σtw < 2 MPa). Ni2MnGa single crystal has two important microstructure processes: martensite reorientation and phase transformation, which give it various potential engineering applications. In literature, the martensite reorientation and phase transformation were usually studied separately. Their interaction (coupling) has not yet been systematically studied. In this thesis, I demonstrate in two typical situations (magnetic-field-induced martensite reorientation and stress-free temperature-induced phase transformation) that both martensite reorientation and phase transformation can take place simultaneously, leading to some special performances.The first set of the systematic experiments investigates the thermal effect on the magnetic-field-induced strain oscillation of Ni2MnGa single crystal by stepwise gradually changing thermal boundary condition (from still ambient air to strong airflow). The results show that the extremely weak or extremely strong ambient heat transfer can only have small strain oscillation amplitude while the maximum strain amplitude can be achieved only at a mild heat transfer condition (i.e., non-monotonic dependence of the strain amplitude on the ambient heat.) Particularly at weak ambient heat transfer, the energy dissipation of the high-frequency martensite reorientation can trigger the temperature increase of the specimen, leading to the phase transformation to austenite phase, which can in turn modulate the strain oscillation amplitude by the phase-fraction adjustment of the martensitic phase transformation.The second set of the systematic experiments investigates the martensitic phase transformation of the Ni2MnGa single crystal bars of different geometric sizes under different heating-cooling cycles without stress or magnetic-field. The experimental results show that the cooling-induced austenite  martensite phase transformation in Ni2MnGa single crystal slim bar takes place via two steps: (1) austenite  martensite twin(s); (2) detwinning into single martensite variant (the major martensite variant in the twin frows at the expense of the minor martensite variant; i.e., the reorientation from the minor martensite variant to the major martensite variant takes place). This new phenomenon demonstrates that the martensite reorientation indeed occurred during the cooling-induced phase transformation without any directional driving force (without stress or magnetic field), which can have a large global shape change. It breaks the usual idea about the self-accommodation martensite formation in the one-way shape memory effect. This finding promotes the SMA applications such as the stress-free two-way shape memory effect. But the accurate prediction/control on the performance is still a challenging task, demanding further experimental and theoretical research.