COURS > ACTUALITES > Cours 16 - 17 - 18 octobre 2001 |
DEFORMATION PAR TRANSFORMATION MARTENSITIQUE :
APPLICATIONS AUX ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME
ET AUX ACIERS TRIP
M. Berveiller, E. Gautier, Ch. Lexcellent & E. Patoor
Les dernières décennies ont vu l’émergence de la "Mécanique des Matériaux", discipline au carrefour de la Mécanique des Solides et des Structures, de la Physique des Solides et des Sciences des Matériaux. De par son approche pluridisciplinaire, cette nouvelle science apporte son appui à la conception de matériaux qui ont un comportement intrinsèque plus complexe, car réagissant aux sollicitations thermomécaniques habituelles et à des sollicitations physiques non classiques : matériaux électro et magnétostrictifs, piézo et ferro-électriques, etc. De "passifs", certains matériaux sont devenus actifs et adaptatifs, capables d’augmenter considérablement la fonctionnalité des systèmes et structures mécaniques.
Pour la plupart de ces "nouveaux" matériaux, les mécanismes physiques responsables des propriétés macroscopiques sont, outre les petites déformations thermo-élastiques classiques, reliés à des mécanismes de formation ou de réorientation de domaines dans lesquels une ou des déformations libres additionnelles importantes peuvent apparaître. Dans le cas des alliages à mémoire de forme (AMF) et des aciers TRIP, le mécanisme correspond à une transformation de phase à l’état solide appelée Transformation Martensitique.
Le cours a pour objectifs de :
présenter la transformation martensitique sous ses différents aspects : cristallographiques, cinématiques, microstructuraux, thermodynamiques ;
relier quantitativement ces mécanismes aux différents comportements thermomécaniques d’un élément de volume en élaborant les outils de micromécanique en présence de frontières mobiles et en utilisant les techniques modernes de transition d’échelle ;
décrire les lois de comportements macroscopiques dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles ;
présenter diverses applications utilisant ces matériaux et les modèles de calcul des structures correspondants.
Une formation classique en mécanique des solides et en sciences des matériaux est nécessaire pour suivre avec profit cet enseignement, qui s'adresse à des ingénieurs ou assimilés, chargés de conception (B.E.) ou de R.&D. sur les Matériaux, les Produits et les Procédés.
Marcel Berveiller – responsable pédagogique de cette session – est professeur des universités à l'Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM, Centre de Metz) et enseigne dans différentes écoles et universités. Il anime un groupe de recherche au Laboratoire de Physique et Mécanique des Matériaux (LPMM) qui se préoccupe principalement des différentes classes de comportement des matériaux en liaison avec leur microstructure et les mécanismes physiques de déformation. Il a dirigé plus d'une trentaine de thèses et anime un partenariat de recherche avec le groupe Usinor. Lauréat du Prix des Sciences de l'Ingénieur décerné en 1999 par l'Académie des sciences, il a été membre du comité national du CNRS.
Elisabeth Gautier est Directeur de Recherches CNRS au Laboratoire de Science et Génie des Matériaux et de Métallurgie de l'Ecole des Mines de Nancy (UMR CNRS-INPL). Elle anime le groupe "Thermique, Mécanique et Microstructures" dont les thèmes de recherches portent sur les études et la prévision des microstructures et des contraintes internes dans différentes familles de matériaux.
Christian Lexcellent est professeur à l'Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques de Besançon, où il enseigne la mécanique des matériaux et en particulier le comportement des alliages à mémoire de forme. Au sein du Laboratoire de Mécanique Appliquée, il anime un groupe de recherche sur le comportement thermomécanique des AMF : modélisation des chargements proportionnels et non proportionnels, conception et réalisation d'actionneurs à base d'AMF.
Etienne Patoor est professeur des universités au Centre de Metz de l'ENSAM et dirige depuis 1999 le LPMM (UMR CNRS 7554). Il travaille sur la modélisation micromécanique des alliages à mémoire de forme et, en partenariat avec des entreprises, développe des applications industrielles mettant en œuvre ces matériaux. Il est auteur et co-auteur de plusieurs ouvrages et publications sur ce thème.
MARDI 16 OCTOBRE 2001 |
1. La transformation martensitique (EG)
Définition, recouvrabilité, classes d'alliages.
Cristallographie, déformation de transformation.
Microstructures et morphologies.
Propriétés thermophysiques des phases.
2. Réponses des AMF à différents chargements thermomécaniques (MB)
Le diagramme T - s.
Pseudo-élasticité et réponse à un refroidissement sous contrainte constante.
Effet mémoire simple sens et réorientation des variantes. Education et effet mémoire double sens.
Capacité d'amortissement des AMF.
3. Réponses des aciers TRIP à différents chargements thermomécaniques (EG)
Diagramme T - s - ep
Transformation aidée par la contrainte.
Transformation assistée par la déformation (plastique).
Effet Greenwood-Johnson. Effet Maggee.
Résistance et ductilité des aciers TRIP.
4. Analyse des équations de champs associées aux mécanismes inélastiques (MB)
Différentes schématisations de la transformation martensitique dans un VER.
Analyse micro-thermodynamique de l'énergie libre.
Forces motrices.
Problèmes de frontières mobiles. Couplages entre mécanismes.
MERCREDI 17 OCTOBRE 2001 |
5. Modélisation phénoménologique macroscopique du comportement des AMF (CL)
Fondements du modèle.
Expression de l'énergie libre d'Helmholtz et inégalité de Clausius-Duhem.
Cinétique des transformations de phase.
Comportement thermomécanique macroscopique.
6. Détermination du comportement global par transition d'échelle (EP)
Modélisation du comportement du monocristal.
Equation intégrale thermomécanique.
Approximation auto-cohérente.
Applications aux différentes familles d'AMF sous sollicitations uniaxiales.
7. Extension du modèle phénoménologique aux sollicitations multiaxiales (CL)
Prise en compte de la dissymétrie en traction-compression.
Chargements bi-axiaux proportionnels.
Exemples de chargements non proportionnels.
Extensions vers une modélisation du comportement anisotherme.
8. Influence des paramètres microstructuraux sur le comportement global (EP)
Réponse d'un polycristal à des sollicitations multiaxiales.
Hétérogénéité de transformation et contraintes internes dans le polycristal.
Surfaces de transformation pour les alliages CuZnAl et NiTi.
Influence de la texture cristallographique.
JEUDI 18 OCTOBRE 2001 |
9. Comportement des aciers TRIP à partir des transitions d'échelles (MB)
Cinématique de la transformation en présence de plasticité (par dislocation).
Description de la transformation par un mécanisme de croissance instantanée de plaquette.
Synthèse des mécanismes et de leur évolution au niveau d'un monocristal.
Comportement des aciers TRIP polycristallins.
10. Dimensionnement d'éléments fonctionnels en AMF par RdM et MEF (CL)
Calculs en RdM de poutres sollicitées en flexion ou torsion.
Application à des actionneurs.
Poutre à moment quadratique variable.
Module W Peltier.
11. Etude de cas (CL & EP)
Dimensionnement d'une lame superélastique en flexion.
Comportement d'un composite avec des fibres en AMF, systèmes hybrides.
12. Principales applications des AMF et fonctions nouvelles (EP)
Capteurs-actionneurs. Fonctions couplage, serrage, étanchéité.
Applications en pseudo-élasticité.
Applications biomédicales.
Films minces et micro-systèmes.
Fonctions nouvelles résultant de l'emploi de systèmes adaptatifs.