Super-elastic Behavior of Shape Memory Alloys under Proportional Cyclic Loadings

WOSInternational audienceThis paper is concerned with the super-elastic behavior of shape memory alloys under cyclic loads. Particular attention is paid to ratchetting (i.e., evolution of residual strain with the number of cycles). First, a series of uni-axial tensile tests on Cu–Al–Be wires is presented. Then, a macroscopic model is proposed and its parameters are identified from experimental results

A 3D Super-elastic Model for Shape Memory Alloys Taking into account Progressive strain under Cyclic Loadings

WOSInternational audienceThis paper concerns the mechanical behavior of super-elastic polycrystalline shape memory alloys under cyclic loadings. Sometimes, as shown by many experimental observations, a permanent inelastic strain occurs and increases with the number of cycles. A series of cyclic tests has been carried out and used to develop a 3D macroscopic model for the super-elasticity of SMAs able to describe the evolution of permanent inelastic strain during cycles

Equivalent transformation strain and its relation with martensite volume fraction for isotropic and anisotropic shape memory alloys.

International audienceThe present paper deals with the superelastic behavior of both isotropic and anisotropic shape memory alloys (SMA). Recently, a macroscopic model, which permits to simulate the superelasticity of SMA under complex multi-axial loading, has been proposed by Bouvet et al. [Bouvet, C., Calloch, S., Lexcellent, C., 2004. A phenomenological model for pseudoelasticity of shape memory alloys under multi-axial proportional and non-proportional loadings. Eur. J. Mech. A Solids 23, 37-61]. In this model, a conjecture concerning the proportionality of the equivalent transformation strain with the martensite volume fraction has been adopted. The main goal of this study is to show the validity of this conjecture when the stress state is multi-axial. In a first part, the case of isotropic SMA is considered. An equivalent stress and an equivalent transformation strain are introduced. In the second section, the case of anisotropic SMA is considered. The previous equivalent stress and equivalent transformation strain are generalized to take into account the anisotropy of the material. The relation between the equivalent transformation strain and the martensite volume fraction is discussed by using, on one hand, experimental results under proportional tension-torsion loadings and, on the other hand, a polycrystalline model

Modélisation de la superélasticité des alliages à mémoire de forme sous chargement cyclique

Cette étude concerne la superélasticité des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) sous chargement cyclique. Une attention toute particulière a été portée sur l'évolution de la déformation résiduelle en fonction du nombre de cycles (similaire à de l'effet rochet en plasticité cyclique des métaux classiques). Pour étudier le comportement cyclique et identifier l'origine de l'apparition de la déformation résiduelle, un essais de traction uniaxiale sur un alliage à base de cuivre a été réalisé. Un modèle macroscopique décrivant le comportement cyclique des AMF superélastiques est proposé. Les particularités de ce modèle sont d'un côté la définition d'un domaine d'élasticité particulier lorsque le matériau est dans un état biphasé, et de l'autre, la description d'une cinétique ad hoc de déformation de transformation prenant en compte l'évolution de la déformation résiduelle. Le modèle proposé a été identifié à partir de l'essai réalisé et utilisé pour simuler un chargement multiaxial cyclique

Relation between the martensite volume fraction and the equivalent transformation strain in shape memory alloys

International audienceThis study concerns the pseudoelasticity of shape memory alloys. A series of tests under multiaxial loadings and a micro-macro model are used to show the validity of a conjecture concerning the relation between the volume fraction of martensite and the equivalent transformation strain

Modélisation du comportement thermo-mécanique cyclique des alliages à mémoire de forme

La plupart des applications en AMF subissent des chargements cycliques. Afin de dimensionner ces applications, un modèle macroscopique du comportement thermo-mécanique des AMF a été développé. Basé sur un modèle développé précédemment [1,2], il prend en compte la présence de martensite bloquée observée lors des essais, ce qui permet de simuler l'apparition de la déformation résiduelle sous chargements cycliques. Les paramètres du modèle ont ensuite été identifiés et son comportement validé à partir de résultats expérimentaux de chargements thermo-mécaniques cycliques

ETUDE DE LA FATIGUE A FROID D'UN ACIER iTRIP 304L

Les aciers iTRIP sont réputés par la transformation martensitique induite par une déformation plastique. Cette transformation de phase est accentuée sous l'effet de la température. La fatigue de ce type de matériaux, présentant souvent une microstructure très hétérogène à cause de la mise en forme. constitue un enjeu majeur pour l'industrie de transport et de stockage de gaz naturel liquifié (GNL) réalisés à des températures cryogéniques proches de -170°C.  Cette étude a pour objectif l'étude de la fatigue d'un acier inoxydable de type 304L à basses températures en consédérant des états matériaux standard et non standards. En effet l'influence de la transformation se manifeste via une pré-déformation plastique et/ ou par la présence d'une fraction volumique initiale de martensite.  Pour ce faire, l'utilisation de la méthode rapide de caractérisation par auto-échauffement a été utilisée à différentes températures. Il a été question de mettre en place un protocole expérimental permettant de réaliser ce type d'essais dans un environnement thermiquement controlé (de la tempéarture ambiante jusqu'à -160°C).  Les résultats expérimentaux ont montré un effet net de la température sur la tenue en fatigue du matériau et sur sa limite d'endurance. Afin de comprendre les mécanismes régissant ce phénomène, des essais de fatigue ont été réalisés sur différents états initiaux non standards de matière, en particulier des états pré-écrouis à différents niveaux de déformation plastique et des états initiaux à différentes fractions volumiques de martensite réalisés à différentes températures mais avec le même niveau de pré-dformation plastique. L'objectif étant didentifier la part de contribution de la martensite sur la tenue en fatigue du matériau.  La deuxième étape de ce travail a été consacré à la description de la fatigue du matériau via un modèle probabiliste à deux échelles proposé par [DOUDARD et al. 2005] afin de prédir sa tenue et décrire les courbes de Wöhler en prenant en compte l'effet de la transformation de phase. La comparaison des résultats de modélisation et les essais expérimentaux montre une bonne description du comportement en fatigue de ce type de matériaux et une bonne prédiction de leur durée de vie à différentes températures. Des résultats très encourageants, pour une première, sur ce type d'essais avec la méthode d'auto-échauffement à basses températures

Relation entre la fraction volumique de Martensite et la déformation de transformation en pseudoélasticité proportionnelle et non proportionnelle

La pseudoélasticité est l'une des propriétés des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) les plus utilisées. Récemment, un modèle macroscopique isotrope a été proposé par Bouvet et al. (2004) permettant de modéliser la pseudoélasticité des AMF sous chargements multiaxiaux complexes. Dans ce modèle, une hypothèse est faite concernant l'existence d'une relation linéaire entre la déformation équivalente de transformation et la fraction volumique de martensite. L'objectif est ici de montrer la validité de cette hypothèse dans le cas des chargements multiaxiaux proportionnels et non proportionnels. Comme l'AMF utilisé s'est révélé anisotrope, une extension de la définition de la contrainte équivalente et de la déformation de transformation équivalente ont été proposées pour les AMF anisotropes. Des essais de tractiontorsion sur un AMF de type Cu-Al-Be, sous chargement proportionnels et non proportionnels, permettent de vérifier la relation entre la fraction volumique de martensite et la déformation de transformation équivalente

Multiaxial Shape Memory Effect and Superelasticity

WOSInternational audienceThe specific behaviour of shape memory alloys (SMA) is due to a martensitic transformation. This transformation consists mainly in a shear without volume change and is activated either by stress or temperature. The superelastic behaviour and the one-way shape memory effect are both due to the partition between austenite and martensite. The superelastic effect is obtained for fully austenitic SMA: loaded up to 5% strain, a sample recovers its initial shape after unloading with a hysteretic loop. The oneway shape memory effect is obtained when a martensitic SMA, plastically deformed, recovers its initial shape by simple heating. Superelasticity and one-way shape memory effect are useful for several three-dimensional applications. Despite all these phenomena are well known and modelled in 1D, the 3D behaviour, and especially the one-way shape memory effect, remains quite unexplored. Actually, the development of complex 3D applications requires time-consuming iterations and expensive prototypes. Predictive phenomenological models are consequently crucial objectives for the design and dimensioning of SMA structures. Therefore, a series of 2D proportional and non-proportional, isothermal and non-isothermal tests have been performed. This database will be used to build a phenomenological model within the framework of irreversible processes

Experimental comparison of classical pid and model-free control: position control of a shape memory alloy active spring

WOSInternational audienceShape memory alloys (sma) are more and more integrated in engineering applications. These materials with their shape memory effect permit to simplify mechanisms and to reduce the size of actuators. sma parts can easily be activated by Joule effect but their modelling and consequently their control remains difficult, it is principally due to their hysteretic thermomechanical behaviour. Most of successful control strategy applied to sma actuator are not often suitable for industrial applications: they are particularly heavy and use the Preisach model or neural networks to model the hysteretic behaviour of these material; this kind of models are difficult to identify and to use in real time. That is why this paper deals with an application of the new framework of model-free control (mfc) to a sma spring based actuator. This control strategy is based on new results on fast derivatives estimation of noisy sig- nals, its main advantages are: its simplicity and its robustness. Experimental results and comparisons with pi control are exposed that demonstrate the efficiency of this new control strategy. Key words: Nonlinear control, Model-free control, Shape memory alloy, Derivative estimation, Nonphysical modelling