Calorimétrie infrarouge appliquée à la caractérisation thermomécanique des alliages NiTi

Infrared calorimetry applied to thermomechanical characterization of NiTi alloys

• Auteur / Autrice : Antoine Jury
• Direction : Xavier Balandraud, Miroslav Karlik, Ludek Heller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologie industrielles
• Date : Soutenance le 24/06/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...) en cotutelle avec České vysoké učení technické (Prague)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karine Lavernhe-Taillard, Petr Sittner, Ziad Moumni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yongjun He, Hanus Seiner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alliages à mémoire de forme

Mots clés libres

Alliages à mémoire de forme

NiTi

Reconstruction de la source de chaleur

Diffusivité thermique

Comportement thermomécanique

Essai de traction

Analyse de la formation du NiTi

Shape memory alloys

NiTi

Heat source reconstruction

Thermal diffusivity

Thermomechanical behavior

Tensile test

NiTi training analysis

Résumé

Les alliages à mémoire de forme présentent des propriétés fonctionnelles extraordinaires, telles que la superélasticité, l'effet de mémoire de forme unidirectionnel et bidirectionnel, et les propriétés d'amortissement passif. Dans la première partie, nous nous sommes concentrés sur l'état de l'art du NiTi et de la calorimétrie de déformation, et dans la dernière partie, nous avons présenté différentes études qui ont utilisés des méthodes de champ pour la caractérisation cinématique et calorimétrique du fil de NiTi. Dans la deuxième partie, nous avons procédé à l'analyse calorimétrique d'un cycle superélastique d'un fil de NiTi préalablement entraîné mécaniquement est présenté. Une attention particulière a été portée aux quantités calorifiques des événements de nucléation et d'annihilation et nous avons conclu que les dissipations mécaniques pendant la fusion de l'austénite sont plus élevées. Dans la troisième et dernière partie, nous avons analysé vingt cycles superélastiques d'un fil vierge de NiTi. D'une part, nous avons pu observer l'évolution du schéma de transformation directe et inverse au cours du cycle, résultat du fort couplage thermo-mécaniques que présente le NiTi. De plus, nous avons observé en particulier que le nombre de sites de nucléation et de fusion augmente progressivement jusqu'à atteindre un nombre maximal. D'autre part, nous avons observé une forte diminution de la réponse calorifique du matériau testé d'environ 22% qui pourrait être attribuée à la stabilisation du matériau et à une rétention de la fraction de martensite.

Shape memory alloys (SMAs) exhibit spectacular functional properties, such as superelasticity, single- and two-way shape memory effects, and passive damping properties. In the first part of this thesis, we present a state of the art on nickel-titanium (NiTi) SMAs and on deformation calorimetry. We focus on the use of infrared thermography (IR) and the heat source reconstruction technique. In a second part of the thesis, we present different experimental studies on NiTi SMA wires. First, we performed a calorimetric analysis of a superelastic cycle of a mechanically stabilized wire. Particular attention was paid to the calorific quantities of the nucleation and annihilation events of the austenite and martensite phases. We were able to follow the space-time kinetics of the forward (AàM) and reverse (M-àA) transformations during the cycle, as a result of the strong thermo-mechanical coupling that NiTi presents. We concluded that the mechanical dissipations during austenite merging are higher than during nucleation. Next, we analyzed twenty superelastic cycles of a virgin NiTi wire. Moreover, we observed in particular that the number of nucleation and merging sites increases progressively during the cycles until reaching a maximum number. Finally, we observed a strong decrease of the calorific response of the tested material of about 22% which could be attributed to the stabilization of the material and a retention of the martensite fraction.