Heat Estimation from Infrared Measurement Compared to DSC for Austenite to R Phase Transformation in a NiTi Alloy

International audienceHeat sources estimations from temperature field measurements deduced from infrared imaging are increasingly used to study thermo-mechanical coupling during materials deformation. These estimations are based on approximations of the derivative terms with respect to time and space which are involved in the heat diffusion equation. This paper proposes a first experimental validation of this method by applying it to an experimental uniform air cooling of a NiTi Shape Memory Alloy thin plate. In the studied cooling temperate range, heat sources are due to Austenite to R phase transformation. Transformation temperatures, heat sources and energies are estimated from infrared temperature measurements and compared to differential scanning calorimetry results. The small 2 discrepancies are mainly explained by errors in DSC measurements due to thermal inertia and baseline determination

An original method to estimate local thermophysical properties and latent heat from Thermal Field Measurement (TFM)

International audienceThis paper presents an original method: (i) to estimate thermophysical properties (heat capacity C and thermal condictivity K) and (ii) to experimentally validate heat source estimations. The method, called Thermal Field Measurements (TFM), is based on infrared thermal observations during cooling experiments in a same experimental setup. Results obtained with this method are in good agreement with other resutls published in literature. Only the homogeneous case is presented in this paper but a 1D heterogeneous case will also be presented in the conference

Validation expérimentale d'estimations de sources de chaleur-cas uniforme

Les couplages thermomécaniques sont étudiés depuis plusieurs années en estimant les sources de chaleur à partir de mesures de champs de températures obtenus par imagerie InfraRouge. Ces estimations sont basées sur l'approximation des dérivées temporelle et spatiales impliquées dans l'équation de la chaleur. Les travaux présentés concernent la validation expérimentale de l'estimation grâce à des mesures de refroidissement ou réchauffement naturel impliquant des transformations de phase. Les mesures sont faites sur un AMF NiTi, sur lequel les chaleurs latentes sont pré- estimées par DSC

Specific forward/reverse latent heat and martensite fraction measurement during superelastic deformation of nanostructured NiTi wires

International audienceThis study analyses the thermomechanical tensile behaviour of a cold drawn Ti-50.9at.%Ni wire submitted to heat treatment at 598 K for 30 min, which is below the recrystallization temperature (623 K). Such low temperature heat treatment induces a superelastic loop without a stress "plateau". However, the absence or weakness of peaks on its differential scanning calorimetry prevents the determination of specific latent heat. This is a common effect of nanostructured materials such as superelastic wires. A method using strain and temperature field measurements was developed and used to determine thermal power and thermal energy during superelastic tensile tests through a heat balance. From these results and using a thermodynamic approach, forward and reverse specific latent heat and the martensite fraction are estimated as a function of strain and stress

A new filtering approach dedicated to heat sources computation from thermal field measurements

International audienceThis paper presents a new approach in heat source evaluation from thermal field measurements. A modal projection based on dynamics (Discrete Modal Decomposition) is used to estimate the spatial term of a heat diffusion problem. A numerical example is presented in order to validate this approach and compare it to a more classical spectral decompostion (based on strictly thermal considerations). Results show that the proposed projection basis not only provides closer assessement of the heat sources but is also more stable to measurement noise and side effects

Confirmation de l'asymétrie traction-compression du NiTi à l'aide de bulge tests circulaires sur plaques minces

La disymétrie traction-compression du comportement superélastique d'alliages NiTi polycristallin est étudiée à l'aide d'essais de traction simple et de bulge-test sur des tôles fines. Pour ce dernier test, à partir du chargement en pression et de la mesure du champ de déplacements, on déduit la courbe de traction équibiaxiale au centre de l'échantillon. Le déviateur des contraintes est alors identique à celui de la compression dans l'épaisseur. Un comportement asymétrique tension-compression est alors observé, similaire à ceux déjà relevés dans de précédentes études dans le plan de la plaque

Caractérisation expérimentale et modélisation du comportement mécanique de matériaux architecturés en Nickel-Titane

L'objectif de cette étude s’inscrit dans la perspective de développer une nouvelle classe innovante de matériaux combinant les propriétés remarquables et intrinsèques des alliages à mémoire de forme en Nickel-Titane avec des topologies particulières offertes par les matériaux « architecturés ». Ces structures sont constituées de tubes superélastiques à parois minces soudés par résistance électrique [1], de manière à créer des structures cellulaires régulières. Ces architectures permettent ainsi d’imaginer de nombreuses solutions innovantes pour optimiser les produits, par une démarche de conception de mésostructures. Le comportement superélastique de deux matériaux architecturés simples (démonstrateurs), sur la base de tubes identiques mais avec deux topologies différentes, est modélisé par la méthode des éléments finis. Les grandes transformations sont prises en compte et les comportements prédits sont comparés par simulation numérique des cas de chargements complexes, en explorant l'influence du comportement du matériau constitutif de base sur l'efficacité de certaines propriétés mécaniques des matériaux cellulaires conçus. Les paramètres du modèle de comportement [2] sont identifiés sur la base d’essais de traction effectués sur des échantillons découpés dans les tubes. Les résultats de la modélisation sont comparés avec des essais de compression radiale réalisés sur les deux démonstrateurs fabriqués. Lors du déchargement, pratiquement tous les échantillons ont pu récupérer leur forme initiale dans la plage de charge utilisée. Les courbes force-déplacement présentent un comportement superélastique avec des boucles d’hystérésis, liées à la transformation de phase réversible austénite-martensite. Cette étude révèle que le soudage par résistance est une technique possible de liaison pour obtenir des matériaux architecturés en NiTi avec une faible densité et une grande superélasticité. References [1] Delobelle V., Delobelle P., Liu Y., Favier D., and Louche H., 2013, “Resistance welding of NiTi shape memory alloy tubes,” Journal of Materials Processing Technology, (in press). [2] Auricchio F., and Taylor R. L., 1997, “Shape-memory alloys : modelling and numerical simulations the finite-strain superelastic behavior,” Comp. Meth. Appl. Mech. Eng, 7825(96), pp. 175–194

Quelques exemples d'apport des mesures de champs thermomécaniques dans l'étude du comportement des matériaux

Séminaire Chaire EDF/GDF Durabilité des matériaux et des structures pour l'énergieNational audienc

Analyse par thermographie infrarouge des effets dissipatifs de la localisation dans des aciers

The understanding and modeling of localization mechanisms observed during the sheet forming process represent a major industrial issue. The goal of this work is to study localization phenomena appearing in steels during quasi static monotone tensile tests, through an experimental approach based on heat sources analysis. First, using heat equation and applying image processing to infrared thermal frames (effects) we propose a method able to estimate heat sources (causes) associated to the strain process. Then, we evidence on some mild steels that one or more narrow dissipative band propagate, with constant velocity, through the gauge part of the sample. Compared to this first mode (Lüders bands) where dissipative effects are very sudden, intense and strongly localized, we show that zones of mechanical irreversibility leading to localized necking are more diffuse and progressive. "Energetic localization indicators", proposed to detect the localization show that it can appear before the maximum load is reached, in various parts of the gauge sample. This result involves that the gauge part of a sample must be considered as a structure rather than a homogeneous volume element, which has important consequences on identification methods of constitutive models used, in particular, on theoretical localization approaches. Finally, some experiments performed on other materials highlight energetic manifestations associated with specific localization modes : propagation of phase transformation fronts (stainless steel A301), dissipative effects associated to glide bands (magnetic steel HiBiGO), dissipative effects localized in shear bands (polymer PVC).La compréhension et la modélisation des mécanismes de localisation observés lors de processus d'emboutissage représentent un enjeu industriel important. L'objectif de ce travail est d'étudier, par une approche expérimentale basée sur l'analyse des sources de chaleur, les manifestations de localisation pouvant se produire, sur des aciers, lors d'essais quasi-statiques de traction monotone.A partir d'un traitement d'images thermiques infrarouge (effets) et de l'équation de diffusion de la chaleur, on propose une méthode permettant d'estimer les sources de chaleur (causes) générées par le processus de déformation.Sur certains aciers doux, on met en évidence la propagation à vitesse uniforme d'une ou plusieurs bandes dissipatives étroites à travers la zone utile de l'éprouvette. Comparativement à ce premier mode (bandes de Lüders) où les effets dissipatifs sont soudains, intenses et très localisés, on met en évidence le caractère plus régulier et progressif de la concentration des zones où se développent les irréversibilités mécaniques menant à la striction localisée. Des "indicateurs de localisation énergétiques'' proposés pour détecter la localisation montrent qu'elle peut apparaître avant le maximum de la charge, dans plusieurs zones de l'éprouvette. Ce constat implique que la partie utile d'une éprouvette doit être considérée comme une structure et non comme un élément de volume réagissant de façon homogène, ce qui n'est pas sans conséquences sur les méthodes d'identification des modèles de comportement utilisés, en particulier, dans les approches théoriques de la localisation.Enfin, d'autres expériences ont permis de mettre en évidence des manifestations énergétiques associées à des formes particulières de localisation : propagation de fronts de changement de phase (acier inoxydable A301), effets dissipatifs associés à des bandes de glissement (acier magnétique HiBiGO), effets dissipatifs localisés dans des bandes de cisaillement (polymère PVC)

Estimation de sources de chaleur dans des cas 2D : méthodologie et exemples de validations

Séminaire GDR CNRS 251