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

Abstract

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