Thermomechanical modelling of a NiTi SMA sample submitted to displacement-controlled tensile test

AbstractShape Memory Alloys (SMAs) undergo an austenite–martensite solid–solid phase transformation which confers its pseudo-elastic and shape memory behaviours. Phase transformation can be induced either by stress or temperature changes. That indicates a strong thermo-mechanical coupling. Tensile test is one of the most popular mechanical test, allowing an easy observation of this coupling: transformation bands appear and enlarge giving rise to a large amount of heat and strain localisation. We demonstrate that the number of transformation bands is strongly associated with the strain rate. Recent progress in full field measurement techniques have provided accurate observations and consequently a better understanding of strain and heat generation and diffusion in SMAs. These experiments bring us to suggest the creation of a new one-dimensional thermomechanical modelling of the pseudo-elastic behaviour. It is used to simulate the heat rise, strain localisation and thermal evolution of the NiTi SMA sample submitted to tensile loading

Caractérisation de la rigidité et étude de la rupture de plaques en silicium de qualité photovoltaïque

Le travail présenté consiste à caractériser la rigidité et étudier la rupture de plaques en silicium multi-cristallin de qualité photovoltaïque. Les éprouvettes sont obtenues par découpe au laser de wafers de silicium provenant de deux processus de fabrication différents, soit MCSI et RST. En s'appuyant sur des essais de flexion à 4-points, des moyens expérimentaux et numériques sont mis en place en parallèle pour aboutir à une caractérisation du module de Young adéquate. Les comportements à rupture sous flexion, soit le mode de rupture et la cause de l'amorçage, sont étudiés à l'aide d'imagerie rapide et de fractographie

Surfaces seuil de début de transformation : modèle cristallin pour un alliage à mémoire de forme

Les AMF ont des propriétés spécifiques dues à une transformation de phase solide-solide réversible pouvant être induite par la contrainte ou la température. Pour les AMF de type Ni49,75%at-Ti, nous proposons un modèle polycristallin multiaxial basé sur les géométries locales des deux phases (austénite et martensite) et de la comparaison des énergies par variante. Ce modèle est comparé à des essais multiaxiaux en termes de surfaces seuil de début de transformation et de déformation équivalente

Static and Dynamic Thermo Mechanical Characterization of a Bio-Compatible Shape Memory Polymer

International audienceShape memory polymers encounter a growing interest over the past ten years particularly because their eventual bio-compatibility leads to many bio-medical applications. They also present many benefits for the design of micro-adaptive systems for deployment or controlled damping materials. Indeed, the SMPs are polymeric smart materials which have the remarkable ability to recover their primary shape from a temporary one when submitted to an external stimulus. The present study deals with the synthesis and the thermo-mechanical characterization of a thermally-actuated SMP. The polymer considered hereafter is a chemically cross-linked thermoset. It is synthesized via photo polymerization (UV curing) of the monomer tert-butyl acrylate (tBA) with the crosslinking agent poly(ethylene glycol) dimethacrylate (PEGDMA) and the photoinitiator 2,2-dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA). A mechanical characterization has been performed using three kinds of tests: quasi-static tensile tests, tensile dynamic mechanical analysis (DMA) and modal tests. The Young's modulus and the Poisson ratio are determined at ambient temperature using the first technique. The DMA is used to determine the evolution of viscoelastic properties as a function of the temperature and the frequency under harmonic loading. The modal analysis is employed to identify the viscoelastic properties of the material at higher frequency. A comparison of the results obtained by these three experimental methods highlights their complementarity

Modélisation polycristalline du comportement d’un Alliage `a M´emoire de Forme (AMF) de type Ni-Ti sous sollicitations multiaxiales

Les propriétés des AMF sont dues à une transformation de phase solide solide réversible induite par la contrainte ou la température. Pour les AMF de type Ni49,75%at-Ti, c’est une transformation isochore qui, d’une phase cubique (austénite), forme une phase monoclinique (martensite) avec 24 orientations possibles (variantes). A partir des géométries locales et des énergies par variante, nous proposons un modèle polycristallin multiaxial qui rend compte du fort couplage thermomécanique lors de la transformation de phase. Des essais quasi statiques permettent de le valider

Caractérisation thermo-mécanique et modélisation des bandes de transformation dans un alliage à mémoire de forme

Dans les Alliages à Mémoire  de Forme, la transformation martensitique est à l’origine de la pseudoélasticité. C’est ce phénomène, qui se localise sous forme de bandes, que l’on se propose d’observer, de caractériser, et de modéliser. Pour cela, les champs de déplacement par corrélation d’image seront observes puis comparés aux prédictions de différents modèles de localisation. Ensuite, l’analyse des résultats de la thermographie infrarouge permettra d’estimer les champs de sources de chaleur

Thermomechanical modelling of a NiTi SMA sample submitted to displacement-controlled tensile test

Shape Memory Alloys (SMAs) undergo an austenite–martensite solid–solid phase transformation which confers its pseudo-elastic and shape memory behaviours. Phase transformation can be induced either by stress or temperature changes. That indicates a strong thermo-mechanical coupling. Tensile test is one of the most popular mechanical test, allowing an easy observation of this coupling: transformation bands appear and enlarge giving rise to a large amount of heat and strain localisation. We demonstrate that the number of transformation bands is strongly associated with the strain rate. Recent progress in full field measurement techniques have provided accurate observations and consequently a better understanding of strain and heat generation and diffusion in SMAs. These experiments bring us to suggest the creation of a new one-dimensional thermomechanical modelling of the pseudo-elastic behaviour. It is used to simulate the heat rise, strain localisation and thermal evolution of the NiTi SMA sample submitted to tensile loading

Thermo-mechanical description of phase transformation in Ni-Ti Shape Memory Alloy

The pseudo-elasticity of Shape Memory Alloys is due to a change in volumetric fraction between the high temperature phase (Austenite) and the low temperature phase (Martensite) under a mechanical loading. When a tensile loading is considered, transformation bands occur leading to strong localization of the deformation and a strong local heating. The modeling of this strongly coupled phenomenon is discussed for a polycrystalline specimen in a multiaxial mechanical framework. Three different scales are considered: the variant scale (or phase scale), the single-crystal scale and the polycrystalline scale. The free energy of each variant is first computed from the loading and the geometrical lattice transformations associated to each variant. The volumetric fraction of each phase is then defined at the grain scale as function of their free energy. A simple averaging operation allows to estimate the deformation at the grain scale. The polycrystalline scale is not considered at present

Couplages thermomécaniques dans les alliages à mémoire de forme : mesure de champs cinématique et thermique et modélisation multiéchelle

The increasing use of Shape Memory Alloys (SMA) for complex structure, especially for medical applications, requires a better understanding of the phenomena governing their behaviors and particularly the super-elasticity. The strong thermomechanical coupling resulting from the martensitic phase transformation is a key point of this behavior. The thesis is devoted to the study and modeling of this coupling. First, the martensitic phase transformation causes coupled local deformation and heat emission that can locate onto transformation bands when structure undergoes uniaxial stress. A part of this thesis has been devoted to the development of InfraRed Image Correlation (IRIC). This technique permits us to measure by a single analysis, from a single IR film, both kinematic and thermal fields discretized on the same finite element mesh. An application to the analysis of a tensile test on a NiTi type AMF has been made. Superelastic behavior is also discussed from a modeling point of view. A large part of this work has been devoted to the development of multiaxial multiscale model describing the behavior of a RVE from the description of martensitic transformation at the crystal scale. The approach is inspired from multiscale models developed for modeling other multiphysic couplings especially the magneto-elastic coupling. It is based on the comparison of the free energies of each component, without any topological description. A probabilistic comparison is made, using a Boltzmann distribution, to determine the internal variables : the volume fractions. Interfaces are not taken into account. This model allows the simulation of the effect of any thermo-mechanical loading. It well gives account of the superelasticity, including the asymmetry in tension / compression ... The third part of this thesis has been devoted to the development of a one dimensional model for structure under uniaxial tension. In a first step, a 1D thermal model and a phenomenological mechanical model, based on the Clausius Clapeyron diagram have been developed. The simulations account for the diffuse transformation accompanying the elasticity at the very beginning of stress-strain behavior, and localized phase transformation afterthat. The algorithm is capable of handling two-way transformation. This model emphasizes competition both transient phenomena : generation and heat dissipation by the phase transformation and heat exchange with environment. Thus, it is able to reproduce relationship linking the number of nucleated transformation bands to the strain rate and the thermal boundary conditions. A study has been initiated to couple this model to the singlecrystalline multiaxial RVE model detailed in the previous part. It is currently not able to model the localization phenomenon, but the simulations show a tensile hysteresis issued from the thermal losses in the air. Indeed, even if the local multiscale model is written in a reversible way, irreversibility and the localization are primarily structural effects. The thermomechanical coupling is at the origin of the so specific AMF behavior (super elasticity and shape memory effect), it has been studied from various points of view: experimentally, by establishing RVE models, by simulating 1D structures and heat exchange. Developed tools and models have been applied to the study of Ni49, 75at% Ti, but are easily adaptable to other AMF. The approach used for the multi-scale modeling can be extended to other couplings, such as couplings cumulating the thermo-and magneto-mechanical aspect for the study of Magnetic Shape Memory Alloys for example.L’utilisation croissante des Alliages à Mémoire de Forme (AMF) dans des structures de plus en plus complexes, notamment en vue d'applications médicales, rend nécessaire la compréhension des phénomènes régissant leur comportement et plus précisément la pseudo-élasticité. Le fort couplage thermomécanique, résultant de la transformation de phase martensitique, est un point clé de ce comportement. Les travaux de thèse présentés sont consacrés à l’étude et la modélisation de ce couplage. Tout d’abord, la transformation de phase martensitique provoque une déformation et une émission de chaleur couplées qui peuvent se localiser en bandes de transformation sous sollicitation uniaxiale. Une partie de cette thèse a été consacrée au développement de la Corrélation d’Images InfraRouge, qui permet à partir d’un unique film IR de mesurer conjointement, en une seule analyse, les champs cinématiques et thermiques discrétisés sur un même maillage éléments finis. Une application à l’analyse d’un essai de traction sur AMF de type NiTi a été réalisée. Le comportement pseudo-élastique a aussi été abordé d’un point de vue modélisation. Une large part de ce travail de thèse a donc été consacrée à l’élaboration d’un modèle multiéchelle et multiaxial, décrivant le comportement d’un VER à partir de la physique de la transformation martensitique à l’échelle de la maille cristalline. L’approche est inspirée de modèles multiéchelles développés pour la modélisation d’autres couplages multiphysiques et notamment magnéto-élastique. La troisième partie de cette thèse a été consacrée à l’élaboration d’un modèle de structure 1D sous traction uniaxiale. Dans un premier temps un modèle de thermique 1D ainsi qu’un modèle mécanique phénoménologique à seuils ont été développés. Les simulations rendent compte des phénomènes de transformation diffuse accompagnant l’élasticité puis de la transformation localisée. L’algorithme est notamment capable de gérer les deux sens de transformation. Ce modèle met en compétition les deux phénomènes transitoires de génération et évacuation de la chaleur par la transformation de phase et les échanges thermiques avec l’environnement. Ainsi, il est capable de reproduire la relation liant le nombre de bandes de transformation générées à la vitesse de sollicitation et aux conditions aux limites thermiques. Un travail été initié pour coupler ce modèle de structure et de gestion de la thermique au modèle monocristallin multiaxial. Sans encore reproduire la localisation de la transformation en bande, les simulations de traction montrent un hystérésis, issu des pertes thermiques dans l’air ambiant, bien que le modèle de comportement multiéchelle élémentaire soit écrit dans un cadre réversible, l’irréversibilité et la localisation étant avant tout des effets de transferts. Le couplage thermomécanique à la source des comportements si spécifiques des AMF que sont la super élasticité et la mémoire de forme ont donc été étudiés sous divers points de vue : expérimentalement, par l’établissement de modèles de comportement, par la simulation de structures 1D et des échanges thermiques mis en jeu. Les outils et modèles ont été appliqués à l’étude du Ni49,75at%Ti, support de ce travail, mais sont facilement adaptables à tout autre AMF. L’approche utilisée pour la modélisation multi-échelle peut être étendue à d’autres couplages, par exemple en cumulant les couplages thermo- et magnéto- mécaniques en vu de l’étude des Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques par exemple

Couplage thermomécanique dans les Alliages à Mémoire de Forme : mesure de champs cinématiques et thermiques et modélisation multiéchelle

The increasing use of SMA for complex applications, requires a deeper understan- ding of the phenomena governing their behavior. The strong thermomechanical coupling resulting from the martensitic phase transformation is a key point. The work presented herein is devoted to the experimental study and modeling of this coupling. Full field measurements (DIC or IRT) are key tools for studying heterogeneous thermomechanical behavior. The first part is devoted to the development of InfraRed Image Correlation, which measures in a single analysis kinematic and thermal fields discretized on the same finite element mesh, from a single IR record. It is applied to the analysis of a tensile test on NiTi SMA. This tool is relevant for the study of all kinds of phenomena thermomechanically coupled. In a second part, a multiscale and multiaxial model is built, that describes the behavior of a RVE from the physics of martensitic transformation on the scale of the crystal lattice. It is based on the comparison of the free energies of each component, without topological description. A probabilistic comparison is made (Boltzmann distribution) to determine the internal variables : the volume fractions. Interactions at the interfaces are not taken into account. This model simulates of all kinds of thermo-mechanical loading. It gives account of pseudo-elasticity and tension / compression asymmetry. A 1D model of uniaxial tension is finally presented. First, a thermal model and a phenomenological mechanical model has been developed. The simulations account for the diffuse transformation and the localization. It puts in competition the two transients generation and heat dissipation, it reproduces the relationship linking the num- ber of transformation bands to the strain rate and thermal boundary conditions. Work was initiated to couple this thermal model and the monocrystalline multiaxial model.L'utilisation croissante des AMF pour des applications complexes, rend nécessaire la compréhension des phénomènes régissant leur comportement. Le fort couplage thermomécanique, résultant de la transformation de phase martensitique, en est un point clé. Les travaux de thèse présentés sont consacrés à l'étude expérimentale et la modélisation de ce couplage. Les mesures de champs (DIC,TIR) sont des outils privilégiés pour l'étude de comportements thermomécaniques hétérogènes. Une partie de cette thèse est consacrée au développement de la Corrélation d'Images InfraRouge, qui permet à partir d'un film IR de mesurer en une seule analyse, les champs cinématiques et thermiques discrétisés sur un même maillage éléments finis. Elle est appliquée à l'analyse d'un essai de traction sur AMF NiTi . Cet outil est pertinent pour étude de toutes sortes de phénomènes thermomécaniquement couplés. D'autre part, un modèle multiéchelle et multiaxial est construit qui décrit le comportement d'un VER à partir de la physique de la transformation martensitique à l'échelle de la maille cristalline. Il est fondé sur la comparaison des énergies libres de chaque constituant, sans s'attacher à une description topologique. A cet effet, une comparaison probabiliste est réalisée (distribution de Boltzmann) pour déterminer les variables internes : les fractions volumiques. Les interactions aux interfaces ne sont pas prises en compte. Ce modèle permet la simulation de toutes sortes de chargement thermo-mécaniques. Il restitue super-élasticité et dissymétrie en traction/compression. Un modèle 1D de traction uni- axiale est finalement présenté. D'abord un modèle de thermique ainsi qu'un modèle mécanique phénoménologique ont été développés. Les simulations rendent compte des phénomènes de transformation diffuse puis de localisation. Il met en compétition les deux phénomènes transitoires de génération et évacuation de la chaleur, il reproduit la relation liant le nombre de bandes de transformation à la vitesse de sollicitation et aux conditions aux limites thermiques. Un travail été initié pour coupler ce modèle de structure et de gestion de la thermique au modèle monocristallin multiaxial