Comportement cyclique de fils en alliage à mémoire de forme Ti-Ni-Cu : analyse électro-thermomécanique, dégradation et fatigue par cyclage thermique sous contrainte
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
When the shape memory alloys are used as an electrical and/or thermal actuator there are two major problems: its position control and its thermo mechanical fatigue. To avoid the position control problem, coupled measurements between the shape memory effect (SME) and the electrical resistance (ER) of the material have been recently proposed. However, these measurements are still lacking in literature, especially as a function of some number of cycles where the fatigue phenomena can occur. The aim of this work is to study these two points above mentioned on Ti-Ni-Cu wires with 5at% of Cu. The methodology should to take into account some physical aspects associated to martensitic transformation cycles under load and consequently the material thermomechanical history. To reach this purpose, we have designed a special fatigue apparatus that can operate in a particular electrical-thermal cycling mode under a constant uniaxial tension load. The obtained results are supported by others experimental techniques as the differential scanning calorimetry (DSC), electrical resistance changes and scanning electronic microscopy (SEM). In this work first, we study the evolution of the coupled measurements (SME vs. ER) during a small number of cycles (Nmax=20). This procedure characterizes a pre-cycling before the fatigue tests. The evolution of the internal stress state in the material is calculated from the M5 temperature changes obtained experimentally. After that, the thermomechanical fatigue was studied until the wires fail. A comparison between the performance related to the SME obtained by thermal (forced convection) and electrical cycling is carried out. The evolution of the strain vs. Temperature loops and of the thermomechanical properties until fracture, the experimental conditions that can to favor the formation of a striction, a study on the transformation and the effect of the thermal cycling of the fractured specimens are reported. The estimation of internai stresses is validated by these last measurements.
Abstract FR:
Lorsque l'on souhaite utiliser les alliages à mémoire de forme en tant qu'activateur électrique ou thermique, il existe deux problèmes majeurs : le contrôle du mouvement et la fatigue thermomécanique de celui-ci. En ce qui concerne le problème du contrôle, des mesures couplées d'effet mémoire de forme (EMF) et résistance électrique (RE) sont actuellement proposées. Par contre, ces mesures sont très peu nombreuses pour un certain nombre de cycles, où les phénomènes de fatigue peuvent intervenir. L'objectif de ce travail est d'étudier les deux points évoqués ci-dessus avec des fils de Ti-Ni-Cu avec 5%at Cu. La méthodologie choisie doit prendre en compte les aspects physiques liés au cyclage thermique sous charge dans le domaine de la transformation martensitique et, par conséquence, 1 'histoire thermomécanique du matériau. Pour atteindre cet objectif nous avons développé une machine de fatigue qui travail en mode cyclage électrothermique sous charge constante (traction uni axiale). Les résultats obtenus sont appuyés par d'autres techniques, telles que la calorimétrie différentielle, les variations de résistance électrique et la microscopie électronique à balayage. Premièrement, nous étudions 1' évolution des mesures couplées (EMF-RE) durant un faible nombre de cycles thermiques (Nmax=20). Cela caractérise un pré-cyclage du matériau avant les essais de fatigue proprement dits. A partir des résultats obtenus, nous estimons 1' évolution de 1' état de contraintes internes dans le matériau basés sur l'évolution de la température Ms. Deuxièmement, nous étudions la fatigue thermomécanique jusqu'à la rupture complète des fils. Une comparaison entre les performances de cycles thermiques et électriques, vis-à-vis de l'EMF obtenu, est effectuée. L'évolution des boucles déformation-température et des propriétés thermomécaniques est suivie jusqu'à la rupture du matériau. Le mode de rupture est analysé à partir des faciès de rupture. Les conditions qui peuvent favoriser l'apparition d'une striction sont établies. Une étude concernant la transformation ainsi que l'effet du cyclage thermique sur des fils fatigués est présentée et 1' estimation de contraintes internes est validée par ces dernières mesures.