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Since the 1990s, endodontic tools used by dentists have evolved from steel to NiTi to exploit the superelastic properties of this shape memory alloy. These very thin tools are quickly damaged and out of order by complex cyclic stresses (tensile/compression fatigue, torsion, wear, etc.). Currently, these tools are manufactured by machining drawn wires (diameter 0.1 to 2 mm) causing a large number of rejects and limiting the freedom on the manufactured geometries. Selective laser melting process (SLM) on a metal powder bed is an advanced process allowing the fabrication of complex geometries with micrometric dimensions and could be suitable to manufacture such tools, by bringing more liberty in their design. This thesis will focus on understanding the relationships between SLM process parameters, microstructure and mechanical properties of as-cast NiTi-SLM sample, in order to identify optimal manufacturing parameters. An "acceptable" melting range, described by volume energy density, was identified using detailed analyses of grain size, microbath depths and porosity rate in the material. An analytical approach considering thermal conduction of heat is used to estimate the depth of these baths and predict the optimal melting parameters. The influence of the manufacturing parameters on the phases, phase transformations and precipitations present in the material is also studied. It reveals 6 main crystallographic structures: NiTiB2, Ni3Ti > Ni4Ti3, NiTiB19’, Ni3TiO5 et NiTi2. The significant peak broadening in XRD and DSC is explained by the presence of oxides associated with these 6 phases, the generation of thermomechanical distortions/stresses during fabrication, and a chemical composition distribution throughout the material. The laser scanning speed has revealed that it generates a strong distortion on the mesh parameters. Finally, the cyclic tensile mechanical properties of the NiTi-SLM samples are found to be much lower than those of the NiTi-drawn samples. Indeed, the NiTi-SLM microstructure generates a low damping rate and a strong plastic damage by micro shear bands through the sample and leading to a mixed brittle-ductile failure.; Depuis les années 90, les outils endodontiques utilisés par les dentistes ont évolué de l’acier vers le NiTi pour exploiter les propriétés superélastiques de cet alliage à mémoire de forme. Ces outils très fins sont rapidement endommagés et mis hors d'usage par des sollicitations cycliques complexes (fatigue en traction/compression, torsion, usure, etc.). Actuellement, ces outils sont fabriqués par usinage de fils tréfilés (diamètre 0.1 à 2 mm) provoquant un grand nombre de rebuts et limitant la liberté sur les géométries fabriquées. Le procédé de fusion laser (SLM) sur lit de poudre métallique est un procédé avancé permettant de réaliser des géométries complexes aux dimensions micrométriques et pourrait convenir à la fabrication de tels outils, en apportant plus de liberté dans leur conception. Cette thèse s’attache à comprendre les relations entre les paramètres du procédé SLM, la microstructure et les propriétés mécaniques du NiTi-SLM à l'état brut de fabrication, afin d’identifier des paramètres de fabrication optimaux. Un intervalle de fusion dit "acceptable", décrit par des termes d'énergies volumiques, a été identifié à l'aide d'analyses détaillées de la taille des grains, des profondeurs des micro-bains de fusion et du taux de porosité dans le matériau. Une approche analytique considérant la conduction thermique de la chaleur a été utilisée pour estimer la profondeur de ces bains et prédire les paramètres optimaux de fusion. L’influence des paramètres de fabrication sur les phases, les transformations de phases et les précipitations présentes dans le matériau a aussi été étudiée. Elle a mis en évidence 6 structures cristallographiques principales : NiTiB2, Ni3Ti > Ni4Ti3, NiTiB19’, Ni3TiO5 et NiTi2. L'élargissement important des pics en DRX et DSC a été expliqué par la présence d'oxydes associés à ces 6 phases, à la génération de distorsions/contraintes thermomécaniques lors de la fabrication et à une distribution de composition chimique sur l'ensemble du matériau. La vitesse de balayage laser a révélé qu'elle génère une forte distorsion sur les paramètres de maille. Enfin, les propriétés mécaniques en traction cyclique des échantillons NiTi-SLM se sont révélées très inférieures à celles des NiTi-tréfilés. En effet, la microstructure NiTi-SLM engendre un faible taux d'amortissement et un fort endommagement plastique par des microbandes de cisaillement à travers l'échantillon et menant à une rupture mixte fragile-ductile.

Conventional metal alloys are made up of a majority element, such as copper, iron, or nickel, associated with other elements present in smaller quantities. In 2004, Cantor et al. produced an alloy composed of 5 elements with an equiatomic distribution. These high entropy alloys (HEAs) are of growing interest for applications in extreme environments thanks to their good behavior at high temperatures and their high chemical stability. On the other hand, high-temperature shape memory alloys (HT-SMAs) are subject to a short lifetime due to phase precipitation at grain boundaries above 200°C. In this thesis, alloys combining the high temperature strength of HEAs and the high temperature shape memory effect (HT SMAs) have been developed in cold crucible and have been thoroughly investigated in terms of microstructure, metallurgical state and thermomechanical responses. The study of these new materials with high entropy and containing high melting point metals has obliged us to adapt our means of heat treatment and related analysis. The activation temperatures of these alloys as well as the phases present have been identified by coupling temperature bending tests. The lifetime of these new HE&HT-SMAs has been tested in stress bending and temperature fatigue tests. The behavior of the new AHEs is also compared to the behavior of the usual AMFs, in particular the binary alloys NiTi and TiNb. The microstructural evolutions at the origin of the high entropy optimization have been studied by X-ray diffraction, optical and electronic microscopy, DSC and mechanical tests. This work concludes with a study of the Ms temperature estimation for HE-SMAs as a function of the chemical composition of the alloy. The proposed equation is based on the study of the compositions of HE-SMAs from the scientific literature and the alloys produced for this thesis work., Les alliages métalliques conventionnels sont constitués d'un élément majoritaire, comme le cuivre, le fer, ou le nickel, associé à d'autres éléments présents en plus faible quantité. En 2004, Cantor et al. réalisent un alliage composé de 5 éléments dont la répartition est équiatomique. Ces alliages à haute entropie (AHEs) suscitent un intérêt croissant pour les applications en conditions extrêmes grâce à leur bon comportement à haute température et leur grande stabilité chimique. Par ailleurs, les alliages à mémoire de forme à haute température (HT-AMFs) sont sujets à une faible durée de vie liée à la précipitation de phase aux joints de grains au-dessus de 200°C. Dans le cadre de cette thèse, des alliages combinant la résistance à haute température des AHEs et l’effet mémoire de forme à haute température (HT-AMFs) ont été élaborés en creuset froid et ont fait l’objet d’une caractérisation approfondie sur le plan microstructural et thermomécanique. Les moyens de traitements thermiques et d’analyses associés ont dû être adaptés à l’étude de ces nouveaux matériaux à haute entropie et contenant des métaux à haut point de fusion. Les températures d’activations de ces alliages ainsi que les phases en présences ont été identifiées en couplant des essais des flexions en température. La durée de vie de ces nouveaux HE&HT-AMFs a été éprouvée lors d’essais de fatigue en flexion sous contrainte et en température. Le comportement des nouveaux AHEs est aussi comparé aux comportements des AMFs usuels, notamment les alliages binaires NiTi et TiNb. Les évolutions microstructurales à l’origine de l’optimisation de la haute entropie ont été étudiées par diffractions des rayons X, microscopie optique et électronique, DSC et essais mécaniques. Ce travail se conclue par une étude visant l’estimation de la température Ms pour les HE-AMFs en fonction de la composition chimique de l’alliage. L’équation proposée est issue de l’étude des compositions de HE-A MFs de la littérature scientifique et des alliages produits pour ces travaux de thèse.

Small-scale energy harvesting to power self-powered electronic devices is tremendously increasing. In this regard, the ability to combine thermal and mechanical harvesting using smart materials pays more attention. We have presented the feasibility of using P(VDF-TrFE) piezoelectric polymer coupled with NiTi shape memory alloy (SMA) to harvest both mechanical and thermal energy in simple scalable devices. A novel multi-layered SMA-P(VDF-TrFE) composite was fabricated and carried out their electro-thermo-mechanical performance. We have designed and developed an experimental bench to perform the electro-thermomechanical characterization of the composite, allowing us to measure the piezoelectric response when it is subjected to periodic heating and cooling. Furthermore, we performed the finite element analysis of the SMA-Piezoelectric composite and simulated the main properties of SMA such as superelastic behavior, one-way shape memory effect, and two-way shape memory effect, to finally identify the overall effective electro-thermomechanical behavior of the SMA-piezoelectric polymer composite. Finally, in order to efficiently harvest the electric charge generated from the P(VDF-TrFE) film, we have studied and compared two types of integrated converters and determined the conditions for effective energy harvesting. These results are promising, which showing the feasibility of this multilayered composite to power small electronics such as wireless sensors, MEMS and biomedical devices in an autonomous way., La récupération d'énergie à petite échelle pour alimenter les appareils électroniques autoalimentés se développe considérablement. À cet égard, la possibilité de combiner la récolte thermique et mécanique à l'aide de matériaux intelligents fait l'objet d'une plus grande attention. Nous avons présenté la faisabilité de l'utilisation d'un polymère piézoélectrique P(VDF-TrFE) couplé à un alliage à mémoire de forme (AMF) NiTi pour récolter à la fois l'énergie mécanique et thermique dans des dispositifs évolutifs simples. Un composite multicouche AMF-P(VDF-TrFE) a été élaboré et a démontré ses performances électro-thermo-mécaniques. Nous avons conçu un banc expérimental pour effectuer la caractérisation électro-thermomécanique du composite, permettant de mesurer la réponse piézoélectrique lorsqu'il est soumis à un chauffage et un refroidissement périodique. De plus, nous avons réalisé l'analyse par éléments finis du composite AMF/Piézoélectrique et simulé les principales propriétés du SMA telles que le comportement super-élastique, l'effet de mémoire de forme unidirectionnel et l'effet de mémoire de forme bidirectionnel, pour finalement identifier le comportement électro-thermomécanique effectif global du composite AMF-polymère piézoélectrique. Enfin, afin de récolter efficacement la charge électrique générée à partir du film P(VDF-TrFE), nous avons étudié et comparé deux types de convertisseurs élévateurs intégrés, et déterminé les conditions pour une collecte d’énergie effective. Ces résultats sont prometteurs et montrent la faisabilité de ce composite multicouche pour alimenter de manière autonome de petits appareils électroniques tels que des capteurs sans fil, des MEMS et des dispositifs biomédicaux.

Recent enhancements in canal instrumentation area have significantly improved the endodontic treatment making it faster and more efficient. The improvement of endodontic file quality through the instrument geometry, operating motion, and material properties made the endodontic treatment safer and thereby preserving the tooth and the surrounding periodontal tissues. Nevertheless, few research works investigated the possibility of using an alternative shape memory alloy (SMA) to the Nickel-Titanium (NiTi). This PhD work focuses on investigating the possibility of use in endodontic of Cu-based SMA having promising antimicrobial properties I.e. the Copper-Aluminum-Beryllium (Cu-Al-Be) single crystal SMA. The present study is based on an experimental approach using an original testing device able to apply bending and torsion loading in separate or combined way. Such solicitations are mainly induced by the curvature of the dental canal while the mechanical preparation. A numerical approach completes this experimental part by considering a finite element model representative of the file geometry, the thermomechanical behavior of the Cu-based single crystal or NiTi polycrystal SMAs and the bending- torsion loading and boundary conditions. A developed numerical tool allowed to build a parametrized geometry of an endodontic file and mesh it with tetrahedral finite elements in order to numerically analyze its response under combined bending-torsion loading. Based on these two approaches, an experience plan was carried out in order to analyze the influence of geometrical parameters on the response of endodontic files made of Cu-based single crystal SMA. It could be a precious tool for decision aid in choosing endodontic file geometry and its adapted use for root canal preparation.; Les dernières avancées réalisées dans le domaine de l’instrumentation canalaire ont permis de rendre le traitement endodontique plus rapide et plus efficace. L’amélioration des limes endodontiques au travers des géométries instrumentales, mouvement de travail ou propriétés mécaniques du matériau constitutif de l’instrument ont rendu le traitement plus sûr dans la préservation de l’organe dentaire et des tissus parodontaux environnants. Néanmoins, peu de recherches se sont portées sur l’utilisation d’Alliage à Mémoire de Forme (AMF) différents du Nickel-Titane (Ni-Ti). Ce travail se propose d’étudier une potentielle utilisation en endodontie d’un nouvel AMF doté de propriétés antimicrobiennes très prometteuses : le Cuivre-Aluminium-Béryllium (Cu-Al-Be) monocristallin. Cette étude se fait au travers d’une approche expérimentale, au moyen d’un dispositif d’essais innovant, capable d’appliquer des chargements combinés ou séparés de flexion et de torsion. Ces chargements sont les principales sollicitations appliquées aux limes endodontiques lors du traitement canalaire. Une approche numérique vient compléter les études expérimentales, avec un modèle éléments-finis représentatif des chargements appliqués par le dispositif d’essais. Un programme de génération de modèles géométriques de limes endodontiques est développé et permet de représenter les réponses obtenues expérimentalement à l’aide de deux lois de comportement thermomécaniques adaptées aux AMF polycristallins et monocristallins. Enfin, à l’aide de ces deux outils, un plan d’expérience capable de déterminer l’influence des paramètres géométriques d’une lime endodontique sur sa réponse mécanique est réalisé et apporte une aide précieuse à la décision pour le choix d’une géométrie et d’une utilisation adaptée pour ces limes endodontiques en Cu-Al-Be monocristallin.

The main aim of this thesis is to develop advanced and efficient multiscale modeling and simulation techniques for Shape Memory Alloys (SMAs) composite and architected materials. Towards this end, a 3D generic multiscale model for architected SMAs is implemented in ABAQUS, where a thermodynamic model, proposed by Chemisky et al. [1], is adopted to describe the local constitutive behavior of the SMA, and the multiscale finite element method (FE2) to realize the real-time interaction between the microscopic and macroscopic levels. Microscopic fiber instability is also efficiently investigated in this framework by introducing the Asymptotic Numerical Method (ANM) and the Technique of Slowly Variable Fourier Coefficients (TSVFC). To improve the computational efficiency of the concurrent mulitscale approach, in which tremendous microscopic problems are solved online to update macroscopic stress, data-driven multiscale computing methods are proposed for composite structures. Decoupling the correlated scales in concurrent FE2 framework, microscopic problems are solved offline, while the online macroscopic computational cost is significantly reduced. Further, by formulating the data-driven scheme in generalized stress and strain, Structural-Genome-Driven computing is developed for thin-walled composite structures.; L’objectif principal de cette thèse est de développer des techniques de modélisation et de simulation multi-échelles avancées et efficaces pour les matériaux architecturés et composites à base d’Alliages à Mémoire de Forme (AMF). À cette fin, un modèle générique 3D multi-échelles pour les AMF architecturés est implémenté dans ABAQUS, où un modèle thermodynamique, proposé par Chemisky et al. [1], est adopté pour décrire le comportement constitutif local de l’AMF, et la méthode des éléments finis multi-échelles (EF2) pour réaliser l’interaction en temps réel entre le niveau microscopique et le niveau macroscopique. L’instabilité élastique des fibres au niveau microscopique est également étudiée efficacement dans ce cadre en introduisant la Méthode Asymptotique Numérique (MAN) et la Technique des Coefficients de Fourier à Variation Lente (TCFVL). Pour améliorer l’efficacité du calcul de l’approche simultanée à plusieurs échelles, dans laquelle d’énormes problèmes microscopiques sont résolus en ligne pour mettre à jour les contraintes macroscopiques, des méthodes de calcul multi-échelles basées sur les données sont proposées pour les structures composites. En découplant les échelles corrélées dans le cadre FE2, les problèmes microscopiques sont résolus hors ligne, tandis que le coût du calcul macroscopique en ligne est considérablement réduit. De plus, en formulant le schéma data-driven en contrainte et déformation généralisées, le calcul par la technique Structural-Genome-Driven est développé pour les structures composites à parois minces.

The main aim of this thesis is to develop advanced and efficient multiscale modeling and simulation techniques for Shape Memory Alloys (SMAs) composite and architected materials. Towards this end, a 3D generic multiscale model for architected SMAs is implemented in ABAQUS, where a thermodynamic model, proposed by Chemisky et al. [1], is adopted to describe the local constitutive behavior of the SMA, and the multiscale finite element method (FE2) to realize the real-time interaction between the microscopic and macroscopic levels. Microscopic fiber instability is also efficiently investigated in this framework by introducing the Asymptotic Numerical Method (ANM) and the Technique of Slowly Variable Fourier Coefficients (TSVFC). To improve the computational efficiency of the concurrent mulitscale approach, in which tremendous microscopic problems are solved online to update macroscopic stress, data-driven multiscale computing methods are proposed for composite structures. Decoupling the correlated scales in concurrent FE2 framework, microscopic problems are solved offline, while the online macroscopic computational cost is significantly reduced. Further, by formulating the data-driven scheme in generalized stress and strain, Structural-Genome-Driven computing is developed for thin-walled composite structures.; L’objectif principal de cette thèse est de développer des techniques de modélisation et de simulation multi-échelles avancées et efficaces pour les matériaux architecturés et composites à base d’Alliages à Mémoire de Forme (AMF). À cette fin, un modèle générique 3D multi-échelles pour les AMF architecturés est implémenté dans ABAQUS, où un modèle thermodynamique, proposé par Chemisky et al. [1], est adopté pour décrire le comportement constitutif local de l’AMF, et la méthode des éléments finis multi-échelles (EF2) pour réaliser l’interaction en temps réel entre le niveau microscopique et le niveau macroscopique. L’instabilité élastique des fibres au niveau microscopique est également étudiée efficacement dans ce cadre en introduisant la Méthode Asymptotique Numérique (MAN) et la Technique des Coefficients de Fourier à Variation Lente (TCFVL). Pour améliorer l’efficacité du calcul de l’approche simultanée à plusieurs échelles, dans laquelle d’énormes problèmes microscopiques sont résolus en ligne pour mettre à jour les contraintes macroscopiques, des méthodes de calcul multi-échelles basées sur les données sont proposées pour les structures composites. En découplant les échelles corrélées dans le cadre FE2, les problèmes microscopiques sont résolus hors ligne, tandis que le coût du calcul macroscopique en ligne est considérablement réduit. De plus, en formulant le schéma data-driven en contrainte et déformation généralisées, le calcul par la technique Structural-Genome-Driven est développé pour les structures composites à parois minces.

The initial goal of the thesis is to investigate the manipulation of magnetic anisotropy of a ferromagnetic thin layer through strain by means of shape memory effect in NiTi/ferromagnetic bilayer. First, the structural features and paramagnetic nature of NiTi are broadly studied. Then, magnetoelastic coupling in NiTi/Ni bilayer is investigated. In the first part, paramagnetic features of a freestanding 20µm thick NiTi polycrystalline samples grown by magnetron sputtering are studied with commercial magnetometers, as a function of a magnetic field, temperature, crystal structure, and mechanical strain. NiTi structure is characterized by X-ray diffraction, particularly in relation with its strain state. The samples are deformed in tension in the broad range of deformation magnitudes, the strain distribution is characterized by digital image correlation technique. Magnetometry is demonstrated to be an efficient technique for probing of shape memory alloys transition and strain state. Variations of NiTi magnetic susceptibility are explained based on considerations that NiTi is Pauli paramagnetic material by comparing experimental data with ab-initio calculations. It is found that magnetic susceptibility depends on particular trends in NiTi lattice parameters induced by tensile strain. In the second part, we prove that shape memory effect in freestanding NiTi is viable to induce and reversibly switch by 90° a uniaxial magnetic anisotropy of the Ni layer deposited on top of it. Switching is accomplished by thermal cycling between 300K and 400K. The magnitude of magnetic anisotropy change during a thermal cycle is shown to be dependent on the pre-strain value, that is tunable. The interface quality of the bilayer is investigated with transmission electron microscopy (TEM) technique. Consistent strain transmission rate to Ni from NiTi is independently estimated from strain distribution in NiTi, from Ni magnetic anisotropy magnitude and verified by TEM.; L'objectif initial de la thèse est d'étudier la manipulation de l'anisotropie magnétique d'une couche mince ferromagnétique par déformation par couplage élastique avec un alliage à mémoire de forme NiTi. Premièrement, les caractéristiques structurales et la nature paramagnétique du NiTi sont étudiées en détails. Ensuite, le couplage magnétoélastique dans une bicouche NiTi / Ni est étudié. Dans la première partie, les caractéristiques paramagnétiques d'un échantillon polycristallin de NiTi autoporté de 20 µm d'épaisseur, fabriqué par pulvérisation cathodique magnétron, sont étudiées à l'aide de magnétomètres, en fonction du champ magnétique, de la température, de la structure cristalline et des contraintes mécaniques. La structure en NiTi est caractérisée par la diffraction des rayons X, notamment en relation avec son état de déformation. Les échantillons sont déformés en tension dans la large gamme de magnitudes de déformation, la distribution des contraintes est caractérisée par une technique numérique de corrélation d'images. Nous montrons que la magnétométrie est une technique efficace pour sonder les états de transition et de déformation des alliages à mémoire de forme. Les variations de la susceptibilité magnétique de NiTi sont expliquées sur la base de la théorie du paramagnétique de Pauli, en comparant les données expérimentales à des calculs ab-initio. La relation entre susceptibilité, densité d’état au niveau de Fermi et paramètres de maille est mise en lumière via les variations induites par les contraintes de traction. Dans la deuxième partie, nous montrons que, dans la bicouche NiTi/Ni, l’effet de mémoire de forme dans le film NiTi libre permet d’induire et de commuter de manière réversible à 90° l’anisotropie magnétique uniaxiale induite dans la couche de Ni. La commutation est réalisée par un cycle thermique entre 300K et 400K. L’amplitude du changement d'anisotropie magnétique au cours d'un cycle thermique est dépendante de la valeur de pré-contrainte, qui est réglable. La qualité de l'interface de la bicouche est étudiée à l'aide de la technique de microscopie électronique à transmission (TEM). Le taux de transmission de la contrainte de NiTi à Ni est estimée indépendamment à partir de la distribution de la contrainte dans NiTi, de l'amplitude de l'anisotropie magnétique du Ni et vérifié par TEM.

The initial goal of the thesis is to investigate the manipulation of magnetic anisotropy of a ferromagnetic thin layer through strain by means of shape memory effect in NiTi/ferromagnetic bilayer. First, the structural features and paramagnetic nature of NiTi are broadly studied. Then, magnetoelastic coupling in NiTi/Ni bilayer is investigated. In the first part, paramagnetic features of a freestanding 20µm thick NiTi polycrystalline samples grown by magnetron sputtering are studied with commercial magnetometers, as a function of a magnetic field, temperature, crystal structure, and mechanical strain. NiTi structure is characterized by X-ray diffraction, particularly in relation with its strain state. The samples are deformed in tension in the broad range of deformation magnitudes, the strain distribution is characterized by digital image correlation technique. Magnetometry is demonstrated to be an efficient technique for probing of shape memory alloys transition and strain state. Variations of NiTi magnetic susceptibility are explained based on considerations that NiTi is Pauli paramagnetic material by comparing experimental data with ab-initio calculations. It is found that magnetic susceptibility depends on particular trends in NiTi lattice parameters induced by tensile strain. In the second part, we prove that shape memory effect in freestanding NiTi is viable to induce and reversibly switch by 90° a uniaxial magnetic anisotropy of the Ni layer deposited on top of it. Switching is accomplished by thermal cycling between 300K and 400K. The magnitude of magnetic anisotropy change during a thermal cycle is shown to be dependent on the pre-strain value, that is tunable. The interface quality of the bilayer is investigated with transmission electron microscopy (TEM) technique. Consistent strain transmission rate to Ni from NiTi is independently estimated from strain distribution in NiTi, from Ni magnetic anisotropy magnitude and verified by TEM., L'objectif initial de la thèse est d'étudier la manipulation de l'anisotropie magnétique d'une couche mince ferromagnétique par déformation par couplage élastique avec un alliage à mémoire de forme NiTi. Premièrement, les caractéristiques structurales et la nature paramagnétique du NiTi sont étudiées en détails. Ensuite, le couplage magnétoélastique dans une bicouche NiTi / Ni est étudié. Dans la première partie, les caractéristiques paramagnétiques d'un échantillon polycristallin de NiTi autoporté de 20 µm d'épaisseur, fabriqué par pulvérisation cathodique magnétron, sont étudiées à l'aide de magnétomètres, en fonction du champ magnétique, de la température, de la structure cristalline et des contraintes mécaniques. La structure en NiTi est caractérisée par la diffraction des rayons X, notamment en relation avec son état de déformation. Les échantillons sont déformés en tension dans la large gamme de magnitudes de déformation, la distribution des contraintes est caractérisée par une technique numérique de corrélation d'images. Nous montrons que la magnétométrie est une technique efficace pour sonder les états de transition et de déformation des alliages à mémoire de forme. Les variations de la susceptibilité magnétique de NiTi sont expliquées sur la base de la théorie du paramagnétique de Pauli, en comparant les données expérimentales à des calculs ab-initio. La relation entre susceptibilité, densité d’état au niveau de Fermi et paramètres de maille est mise en lumière via les variations induites par les contraintes de traction. Dans la deuxième partie, nous montrons que, dans la bicouche NiTi/Ni, l’effet de mémoire de forme dans le film NiTi libre permet d’induire et de commuter de manière réversible à 90° l’anisotropie magnétique uniaxiale induite dans la couche de Ni. La commutation est réalisée par un cycle thermique entre 300K et 400K. L’amplitude du changement d'anisotropie magnétique au cours d'un cycle thermique est dépendante de la valeur de pré-contrainte, qui est réglable. La qualité de l'interface de la bicouche est étudiée à l'aide de la technique de microscopie électronique à transmission (TEM). Le taux de transmission de la contrainte de NiTi à Ni est estimée indépendamment à partir de la distribution de la contrainte dans NiTi, de l'amplitude de l'anisotropie magnétique du Ni et vérifié par TEM.

The surprising thermomechanical properties of shape memory alloys (SMA) are harnessed in many engineering fields. This material is able to set a structure in motion upon a temperature change. Today, contemporary building facades must adapt to variable climate conditions as well as to evolving building use and occupancy. In particular, they must regulate light and thermal energy passing through the facade, with motorized systems, for example. We explore the potential of SMA wires for putting in motion solar shading devices in facades. The modelling of the mechanical coupling induced by the introduction of such materials in a structure has received little attention as of now. The SMA acts on the structure which in return modifies the SMA behavior. The first step of this work is a contribution to modelling the thermomechanical behavior of this material through the choice of a free energy, a dissipation potential and internal variables. We propose two one-dimensional models: a first monocrystalline model reproduces the material behavior in a simplified way, and a second polycrystalline model offers a more accurate description of it. An original temperature-controlled testing apparatus was developed in parallel. This led to a reliable characterization of Nickel-Titanium wires and the identification of the model parameters. In a second stage, these models allowed to solve elementary coupling cases (SMA wire + Spring, Elastic plate + Embedded SMA wire) for simple thermomechanical loadings and we established analytical solutions. The models were then numerically implemented via a user-material script (UMAT) for the finite elements software ABAQUS, by using a constrained optimization algorithm. This enables the simulation of the coupled response of, in principle, any structural system including SMA wires, connected or embedded in the structure. Finally, we designed, fabricated and tested different actuators in the context of sunlight control in facades. The working principle lies in using a temperature cycle which allows the SMA to deform the structure, and then allows the elastic strain energy in the structure to ensure the return to the original shape. The real behavior of these actuators have been compared to analytical and finite element calculations. We also performed cyclic tests; Les propriétés thermomécaniques étonnantes des alliages à mémoire de forme (AMF) sont mises à profit dans de nombreux domaines. Ce matériau est capable de mettre en mouvement une structure suite à un changement de température. Or les façades de bâtiments contemporains, pour s’adapter à des conditions climatiques variables, doivent réguler le passage de la lumière et de l’énergie thermique, par exemple au moyen de systèmes motorisés. Le potentiel de fils AMF pour l’actionnement de protections solaires en façade est exploré ici. La modélisation du couplage mécanique induit par l’introduction de tels matériaux dans une structure a été peu étudiée : l’AMF agit sur la structure qui en retour modifie le comportement de l’AMF. La première étape de ce travail a consisté en une contribution à la modélisation du comportement thermomécanique de ce matériau reposant sur le choix d’une énergie libre, d’un potentiel de dissipation et de plusieurs variables internes. Deux modèles unidimensionnels ont été proposés : un premier modèle monocristallin reproduit de façon simplifiée le comportement du matériau, et un second modèle polycristallin propose une description plus fidèle. En parallèle un dispositif d’essai original à température contrôlée a été développé, il a permis une caractérisation fiable de fils Nickel-Titane et l’identification des paramètres des modèles. Dans un second temps ces modèles ont permis de résoudre des cas de couplage élémentaires (fil AMF + ressort, lame élastique + fil AMF noyé) pour des chargements thermomécaniques simples, et des solutions analytiques ont été établies. Les modèles ont été implémentés numériquement via un script matériau utilisateur (UMAT) pour le logiciel éléments finis ABAQUS et au moyen d’un algorithme d’optimisation sous contraintes. Ceci permet de simuler la réponse couplée de systèmes structuraux a priori quelconques intégrant des AMF, connectés à ou noyés dans, une structure. Dans un troisième temps, divers actionneurs ont été conçus, réalisés et testés dans le cadre de l’occultation solaire des façades. Le principe est d’utiliser un cycle de température permettant à l’AMF de déformer la structure, puis à l’énergie élastique de déformation de la structure d’assurer le retour à la forme originale. Le comportement réel de ces actionneurs a été comparé aux calculs analytiques et éléments finis. Des tests cycliques ont également été réalisés

The surprising thermomechanical properties of shape memory alloys (SMA) are harnessed in many engineering fields. This material is able to set a structure in motion upon a temperature change. Today, contemporary building facades must adapt to variable climate conditions as well as to evolving building use and occupancy. In particular, they must regulate light and thermal energy passing through the facade, with motorized systems, for example. We explore the potential of SMA wires for putting in motion solar shading devices in facades. The modelling of the mechanical coupling induced by the introduction of such materials in a structure has received little attention as of now. The SMA acts on the structure which in return modifies the SMA behavior. The first step of this work is a contribution to modelling the thermomechanical behavior of this material through the choice of a free energy, a dissipation potential and internal variables. We propose two one-dimensional models: a first monocrystalline model reproduces the material behavior in a simplified way, and a second polycrystalline model offers a more accurate description of it. An original temperature-controlled testing apparatus was developed in parallel. This led to a reliable characterization of Nickel-Titanium wires and the identification of the model parameters. In a second stage, these models allowed to solve elementary coupling cases (SMA wire + Spring, Elastic plate + Embedded SMA wire) for simple thermomechanical loadings and we established analytical solutions. The models were then numerically implemented via a user-material script (UMAT) for the finite elements software ABAQUS, by using a constrained optimization algorithm. This enables the simulation of the coupled response of, in principle, any structural system including SMA wires, connected or embedded in the structure. Finally, we designed, fabricated and tested different actuators in the context of sunlight control in facades. The working principle lies in using a temperature cycle which allows the SMA to deform the structure, and then allows the elastic strain energy in the structure to ensure the return to the original shape. The real behavior of these actuators have been compared to analytical and finite element calculations. We also performed cyclic tests; Les propriétés thermomécaniques étonnantes des alliages à mémoire de forme (AMF) sont mises à profit dans de nombreux domaines. Ce matériau est capable de mettre en mouvement une structure suite à un changement de température. Or les façades de bâtiments contemporains, pour s’adapter à des conditions climatiques variables, doivent réguler le passage de la lumière et de l’énergie thermique, par exemple au moyen de systèmes motorisés. Le potentiel de fils AMF pour l’actionnement de protections solaires en façade est exploré ici. La modélisation du couplage mécanique induit par l’introduction de tels matériaux dans une structure a été peu étudiée : l’AMF agit sur la structure qui en retour modifie le comportement de l’AMF. La première étape de ce travail a consisté en une contribution à la modélisation du comportement thermomécanique de ce matériau reposant sur le choix d’une énergie libre, d’un potentiel de dissipation et de plusieurs variables internes. Deux modèles unidimensionnels ont été proposés : un premier modèle monocristallin reproduit de façon simplifiée le comportement du matériau, et un second modèle polycristallin propose une description plus fidèle. En parallèle un dispositif d’essai original à température contrôlée a été développé, il a permis une caractérisation fiable de fils Nickel-Titane et l’identification des paramètres des modèles. Dans un second temps ces modèles ont permis de résoudre des cas de couplage élémentaires (fil AMF + ressort, lame élastique + fil AMF noyé) pour des chargements thermomécaniques simples, et des solutions analytiques ont été établies. Les modèles ont été implémentés numériquement via un script matériau utilisateur (UMAT) pour le logiciel éléments finis ABAQUS et au moyen d’un algorithme d’optimisation sous contraintes. Ceci permet de simuler la réponse couplée de systèmes structuraux a priori quelconques intégrant des AMF, connectés à ou noyés dans, une structure. Dans un troisième temps, divers actionneurs ont été conçus, réalisés et testés dans le cadre de l’occultation solaire des façades. Le principe est d’utiliser un cycle de température permettant à l’AMF de déformer la structure, puis à l’énergie élastique de déformation de la structure d’assurer le retour à la forme originale. Le comportement réel de ces actionneurs a été comparé aux calculs analytiques et éléments finis. Des tests cycliques ont également été réalisés

In this article the structural fatigue performance of superelastic NiTi wires is assessed using hourglass-shaped samples. This non-traditional geometry of NiTi fatigue test samples permits to avoid the random deformation localization processes upon wire deflection, which makes it difficult to interpret correctly S-N and Srain-N curves. Force controlled fatigue tests were performed at different temperatures and were complemented by self-heating measurements. The obtained results aims to shed light on the role of the phase transformations of the material into R-phase and B19' in the cyclic damaging of NiTi wires subjected to repetitive loadings., Dans cette étude, les performances en fatigue structurelle de fils de NiTi est estimée en utilisant des éprouvettes en diabolo. Cette forme d'éprouvette, non-traditionnelle pour des essais de fatigue du NiTi, permet d'éviter une localisation aléatoire de la déformation au cours de l'allongement qui rend difficile l'étude de la fatigue. Des essais de fatigues pilotés e force ont étés réalisés à différentes températures et ont été complétés par des mesures d'auto-échauffement. Les résultats obtenus permettent de mettre en évidence le rôle des transformations de phase du matériau en R-phase et martensite sur la fatigue des fils de NiTi.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont utilisés dans de diverses industries telles que l'automobile, l'aérospatial, le génie civil et la bioingénierie. Dans la plupart de ces applications, l'alliage subit un chargement thermomécanique cyclique et est donc susceptible de rompre en fatigue. La fatigue des AMF est donc un problème clé qui doit être étudié pour encourager les applications techniques et l'utilisation plus efficace de leurs propriétés spécifiques d'effet mémoire de forme et de super-élasticité. Si un AMF est soumis à un chargement thermomécanique cyclique, une déformation inélastique apparaît et croit jusqu'à saturation après un certain nombre de cycles. Ce phénomène est à l'origine de la fatigue dans les AMF en entraînant une déformation résiduelle qui évolue avec les cycles [1]. L'origine de cette déformation résiduelle au cours d'un chargement cyclique est l'un des plus grands problèmes pour la modélisation du comportement cyclique et en fatigue des AMF. Pour améliorer la fiabilité des systèmes à base d'AMF, il est donc important de prédire convenablement son évolution avec des modèles adaptés, et de proposer des critères de ruine adaptés. Ces critères doivent être basés sur des indicateurs de la déformation résiduelle cumulée. En particulier, deux interprétations micro-mécaniques sont abordées dans la littérature. L'une basée sur des contraintes résiduelles dues au développement de dislocations induites par le matériau au cours des cycles [2]. L'autre, sur de la martensite résiduelle accumulée pendant l'éducation [3]. La première interprétation considère que le changement progressif de la réponse de l'AMF sous chargement cyclique est due à la présence de contraintes résiduelles orientées qui apparaissent pendant l'arrangement des dislocations. La nucléation et la croissance de variantes de martensites préférentielles sont favorisées par ces contraintes résiduelles qui tendent à se relâcher pendant un changement de forme. De plus puisque la création de dislocations est strictement liée au développement de la plasticité, on peut en déduire que les effets de l'éducation sont connectés à de la déformation plastique résiduelle. La seconde interprétation est basée sur l'augmentation progressive de variantes de martensite orientée résiduelle qui apparaissent à cause de l'arrangement de dislocations. La présence de ces dislocations ne permet pas une transformation martensite-austénite complète au cours d'une décharge ou d'une chauffe. De plus, les petites plaquettes de martensite résiduelle croissent au cours des cycles suivants. Dans cette étude, basée sur des observations et l'utilisation de mesures telles que la variation de résistance électrique, l'origine de la déformation résiduelle et l'augmentation progressive de la déformation résiduelle avec les cycles sont analysées. Une attention spéciale est portée à l'effet mémoire double sens obtenu après des chargements cycliques, et à sa relation avec le développement de la déformation résiduelle. [1] Lagoudas, Dimitris C., et Steven G. Shu. « Residual deformation of active structures with SMA actuators ». International Journal of Mechanical Sciences 41, no 6 (1 juin 1999): 595?619. [2] Paradis, A., P. Terriault, et V. Brailovski. « Modeling of residual strain accumulation of NiTi shape memory alloys under uniaxial cyclic loading ». Computational Materials Science 47, no 2 (décembre 2009): 373?83. [3] Saint-Sulpice, Luc, Shabnam Arbab-Chirani, et Sylvain Calloch. « Thermomechanical cyclic behavior modeling of Cu-Al-Be SMA materials and structures ». International Journal of Solids and Structures 49, no 9 (1 mai 2012): 1088?1102.

A degradation of the mechanical properties of NiTi-based shape memory alloys superelastic archs, used in orthodontic treatments, was observed after hydrogen absorption. The effect of hydrogen was first investigated on the global behaviour of archs using tensile tests and secondly on the local behaviour using nanoindentation tests. A first approach to model the behavior of AMFs after hydrogen absorption has been proposed, by introducing the dependence of martensitic transformation parameters on the average hydrogen concentration, observed in the stress-strain curves obtained, in an existing dedicated model to SMA. A second approach is to propose a coupled thermomechanical model. A new thermodynamic potential is defined by introducing the chemical strain due to the presence of hydrogen and the interaction of the latter with martensite variants. Thermodynamic forces are deduced from this potential and balanced by involving mechanical, thermal and chemical dissipative phenomena. The exploitation of the proposed model required the development of a special finite element adopting the hydrogen concentration as an additional degree of freedom that takes into account the thermomechanical coupling and the proposed formulation of the thermal and chemical equilibrium; Une dégradation des propriétés mécaniques des arcs surperélastiques en alliages à mémoire de forme à base NiTi, utilisés dans les traitements orthodontiques, a été observée après absorption d'hydrogène. L’effet de l’hydrogène a été étudié, dans un premier temps, sur le comportement global des arcs à l’aide des essais de traction et dans un deuxième temps, sur le comportement local à l’aide des essais de nanoindentation. Pour modéliser le comportement des AMFs après absorption d'hydrogène, une première approche a été proposée, en introduisant la dépendance des paramètres de la transformation martensitique à la concentration moyenne d'hydrogène, observée dans les courbes contrainte-déformation obtenues, dans un modèle existant dédié aux AMFs. Une deuxième approche consiste à proposer un modèle thermomécanochimique couplé. Pour ce faire, un nouveau potentiel thermodynamique est défini en introduisant la déformation chimique due à la présence de l'hydrogène et l'interaction de ce dernier avec les variantes de martensite. Des forces thermodynamiques sont déduites de ce potentiel et équilibrées en faisant intervenir les phénomènes dissipatifs : mécanique, thermique et chimique. L'exploitation du modèle proposé a nécessité le développement d'un élément fini spécifique adoptant la concentration d'hydrogène comme un degré de liberté supplémentaire qui prend en compte le couplage complet et la formulation proposée de l'équilibre thermique et chimique

A degradation of the mechanical properties of NiTi-based shape memory alloys superelastic archs, used in orthodontic treatments, was observed after hydrogen absorption. The effect of hydrogen was first investigated on the global behaviour of archs using tensile tests and secondly on the local behaviour using nanoindentation tests. A first approach to model the behavior of AMFs after hydrogen absorption has been proposed, by introducing the dependence of martensitic transformation parameters on the average hydrogen concentration, observed in the stress-strain curves obtained, in an existing dedicated model to SMA. A second approach is to propose a coupled thermomechanical model. A new thermodynamic potential is defined by introducing the chemical strain due to the presence of hydrogen and the interaction of the latter with martensite variants. Thermodynamic forces are deduced from this potential and balanced by involving mechanical, thermal and chemical dissipative phenomena. The exploitation of the proposed model required the development of a special finite element adopting the hydrogen concentration as an additional degree of freedom that takes into account the thermomechanical coupling and the proposed formulation of the thermal and chemical equilibrium; Une dégradation des propriétés mécaniques des arcs surperélastiques en alliages à mémoire de forme à base NiTi, utilisés dans les traitements orthodontiques, a été observée après absorption d'hydrogène. L’effet de l’hydrogène a été étudié, dans un premier temps, sur le comportement global des arcs à l’aide des essais de traction et dans un deuxième temps, sur le comportement local à l’aide des essais de nanoindentation. Pour modéliser le comportement des AMFs après absorption d'hydrogène, une première approche a été proposée, en introduisant la dépendance des paramètres de la transformation martensitique à la concentration moyenne d'hydrogène, observée dans les courbes contrainte-déformation obtenues, dans un modèle existant dédié aux AMFs. Une deuxième approche consiste à proposer un modèle thermomécanochimique couplé. Pour ce faire, un nouveau potentiel thermodynamique est défini en introduisant la déformation chimique due à la présence de l'hydrogène et l'interaction de ce dernier avec les variantes de martensite. Des forces thermodynamiques sont déduites de ce potentiel et équilibrées en faisant intervenir les phénomènes dissipatifs : mécanique, thermique et chimique. L'exploitation du modèle proposé a nécessité le développement d'un élément fini spécifique adoptant la concentration d'hydrogène comme un degré de liberté supplémentaire qui prend en compte le couplage complet et la formulation proposée de l'équilibre thermique et chimique

Many advances have been made in terms of instrumental geometry, working motion and manufacturing processes of endodontic files. However, since the discovery of Nickel-Titanium (NiTi) shape memory alloys (SMA), few research has been carried out on new SMAs. In this context, this work aims to develop an endodontic instrument machined from a new SMA with very promising mechanical and antimicrobial properties: the single crystal CuAlBe. Following a finite element analysis in order to determine adequate geometric parameters for a single crystal CuAlBe SMA endodontic instrument, prototypes were machined and tested following a continuous rotation penetration / removal (P/R) protocol in artificial canals. Endodontic files made of NiTi SMA, already commercialized, were also tested with the same protocol. The aim of this researches is to show that CuAlBe endodontic instruments could lead equivalent mechanical performances to NiTi instruments in addition of their antimicrobial properties, De nombreuses avancées ont été réalisées en termes de géométries instrumentales, mouvements de travail et procédés de fabrication des limes endodontiques. Cependant, peu de recherches se sont tournées vers l’utilisation d’alliages à mémoire de forme (AMF) autres que le Nickel-Titane (NiTi). Ce travail se propose de développer un instrument endodontique constitué d’un nouvel AMF aux propriétés mécaniques et antimicrobiennes très prometteuses : le CuAlBe monocristallin. Après une première analyse par éléments finis des paramètres géométriques adéquats pour une lime endodontique en AMF monocristallin à base de CuAlBe, plusieurs prototypes ont été fabriqués puis testés en rotation continue selon un protocole de pénétration / retrait (P/R) dans des canaux artificiels. Des limes endodontiques en NiTi, déjà commercialisées, ont été également testées avec le même protocole. L’objectif de ces recherches était de montrer que les instruments endodontiques en CuAlBe monocristallin présentaient des performances mécaniques équivalentes à ceux en NiTi, en plus de leurs propriétés antimicrobiennes

Shape Memory Alloy (SMA) is a typical smart material having many applications from aerospace industry, mechanical and civil engineering, to biomedical devices, where the material’s fatigue is a big concern. One of the challenging issues in studying the fatigue behaviors of SMA polycrystals is the interaction between the material damage and the martensitic phase transformation which takes place in a macroscopic homogeneous mode or a heterogeneous mode (forming macroscopic patterns (Lüders-like bands) due to the localized deformations and localized heating/cooling). Such pattern formation and evolution imply the governing physical mechanisms in the material system such as the fatigue process, but there is still no fatigue study of SMAs by tracing the macro-band patterns and the local material responses. To bridge this gap, systematic tensile fatigue experiments are conducted on pseudoelastic NiTi polycrystalline strips by in-situ optical observation on the band-pattern evolutions and by tracing the deformation history of the cyclic phase transformation zones where fatigue failure occurs. These experimental results help to better understand the stress- and frequency-dependent fatigue behaviors. Particularly, it is found that the local residual strain rather than the structural nominal/global residual strain is a good indicator on the material’s damage leading to the fatigue failure, which is important for understanding and modeling the fatigue process in SMAs., L’Alliage à Mémoire de Forme (AMF) est un matériau intelligent ayant de nombreuses applications dans l'industrie aérospatiale, le génie civil, ainsi que dans le domaine biomédical. Dans toutes ces applications, le matériau est soumis à un chargement cyclique ce qui le rend vulnérable vis-à-vis du phénomène de la fatigue. Une des questions importantes dans l'étude de la fatigue de l’AMF polycristallin est l'interaction entre l’endommagement local et la transformation de phase martensitique; cette transformation se déroule dans un mode homogène macroscopique ou un mode hétérogène se traduisant par la formation de bandes de Lüders en raison de la localisation de la déformation et du changement de phase. La formation et l'évolution de ces bandes influence fortement les mécanismes physiques de déformation ainsi que l’endommagement par fatigue du matériau. Dans la littérature, on ne trouve pas d’études permettant de faire le lien entre la formation et l’évolution des bandes de localisation et la fatigue du matériau. Dans cette thèse, des expériences systématiques de fatigue en traction sont réalisées sur les éprouvettes pseudo-élastiques du Nickel-Titane avec des observations optiques in-situ de l’évolution des macro-bandes. Ces observations ont permis de retracer l'histoire de la déformation locale dans les zones où la rupture se produit. Ces résultats expérimentaux permettent de mieux comprendre le comportement de fatigue ainsi que sa dépendance par rapport à la contrainte appliquée ainsi que la fréquence du chargement. En particulier, il a été prouvé que la déformation locale résiduelle représente un meilleur indicateur de l’endommagement du matériau que la déformation résiduelle nominale/globale de la structure.

Ni-Mn-In based alloys have attracted considerable attention due to their multifunctional properties since its discovery in 2004, such as metamagnetic shape memory effect (MMSME), magnetocaloric effect (MCE) and magnetoresistance (MR) effect. However, some fundenmental knowledge on these alloys is still missing until now, such as crystal structure of martensite, crystallographic features of microstructure and magnetostructural transition. In this dissertation, the crystallographic features, mechanical behaviors and magnetic properties of Ni-Mn-In based alloys were studied theoretically and experimentally. First, the crystal structures of Ni-Mn-In alloys were accurately determined by Rietveld method in the frame of superspace theory (Chapter 3). Then, the microstructure of martensite (Chapter 4), such as variant organization and interface structure, and the crystallographic features of martensitic transformation, such as orientation relationship (OR), transformation strain path and geometrical compatibility between austenite and martensite, were systematically studied (Chapter 5). Finally, with this fundamental knowledge on Ni-Mn-In alloys, the behaviors and mechanisms of martensite variant rearrangement/ selection under two kinds of mechanical loading strategies, i.e. loading at martensite state and loading across the structural transition, and the effects of annealing on MCE and its related hysteresis loss were explored (Chapter 6). The main results are as follows. The modulated martensite has an incommensurate 6M crystal structure with superspace group I2/m(α0γ)00 that can be approximated by a three-fold superstructure model in the three-dimensional space. The microstructure of martensite is in plate shape and self-organized in colonies. Each colony has four distinct orientation variants. The maximum of 6 distinct colonies and 24 variants can be generated within one austenite grain. Although as many as 14 kinds of twin relations are suggested in the frame of crystallographic theories of martensitic transformation, only three types of twin relations are generally detected, i.e. type-I, type-II and compound twin. Variant interfaces are defined by their corresponding twinning plane K1 at mesoscopic scale. However, at atomic scale, the type-I twin has a coherent interface, whereas type-II and compound twins have “stepped” interfaces. Both the K-S and Pitsch ORs are appropriate to describe the lattice correspondence between austenite and martensite in Ni-Mn-In alloys. However, the strain path related to the Pitsch relation is evidenced to be the effective for the structural distortion. With the determined transformation path, the underlying mechanism of variant organization is revealed. Across the martensitic transformation, despite the existence of a relative wide stressed layer (around 20 nm), the habit plane is bordered by single martensite variant with austenite rather than the generally observed “sandwich-like” structure, implying a relative good geometrical compatibility between the corresponding phases. For compressive loading at martensite, variant arrangement is realized by the detwinning process. It is evidenced that a single variant state in some colonies can be obtained when the loading orientation is located in the common positive Schmid factor (SF) zone of the three detwinning systems. For loading across the structural transition, the prestrain is obtained by variant selection in which the number of colonies is significantly reduced and the variant organization within colony is greatly changed. The SF for transformation strain path is introduced to evaluate the possible selection of variants. Heat treatment can significantly enhance the magnetic entropy change ΔSM but simultaneously increase the magnetic hysteresis loss. For ΔSM, the chemical ordered degree should play a prominent role [...]; Les alliages à base de Ni-Mn-In ont attiré une attention considérable en raison de leurs propriétés multifonctionnelles depuis leur découverte en 2004, telles que l’effet de mémoire de forme métamagnétique (Metamagnetic shape memory effect MMSME), l'effet magnétocalorique (MCE) et l'effet de magnétorésistance (MR). Cependant, certaines connaissances fondamentales sur ces alliages manquent toujours jusqu'à présent, telles que la structure cristalline de la martensite, les caractéristiques cristallographiques de microstructure et de transition magnétostructurale. Dans cette thèse, les caractéristiques cristallographiques, les comportements mécaniques et les propriétés magnétiques des alliages Ni-Mn-In base ont été étudiés théoriquement et expérimentalement. Tout d'abord, les structures cristallines des alliages Ni-Mn-In ont été déterminées avec précision par la méthode de Rietveld dans le cadre de la théorie du superespace. Ensuite, la microstructure de la martensite, notamment l'organisation et l'interface des variantes, ainsi que les caractéristiques cristallographiques de la transformation martensitique, telles que les relations d'orientation (OR), le chemin de déformation de la transformation et la compatibilité géométrique entre l'austénite et la martensite, ont été systématiquement étudiés. Enfin, avec cette connaissance fondamentale sur les alliages Ni-Mn-In, les comportements et les mécanismes de sélection /réarrangement des variantes de martensite sous deux types de stratégies de chargement mécanique, à savoir le chargement à l'état martensitique et le chargement durant la transition structurelle, et les effets du recuit sur l'effet MCE et les pertes d'hystérésis associées ont été explorées. Les principaux résultats sont les suivants. La martensite modulé a une structure cristalline incommensurable avec la structure cristalline 6M et le groupe de superespace I2/m(α0γ)00 qui peut être approximée par un modèle de superstructure de multiplicité 3 dans l'espace à tridimensionnel. La microstructure de martensite est en forme de plaques et auto-organisée en colonies. Chaque colonie a quatre variantes d'orientations distinctes. Le maximum de 6 colonies distinctes et 24 variantes peut être généré à l'intérieur d'un grain austénitique. Bien que jusqu'à 14 types de relations de maclage sont proposées dans le cadre des théories cristallographiques de transformation martensitique, seuls trois types de relations de maclage sont généralement observés, à savoir des macles de type I, type II et composées. Les interfaces des variantes sont définies à l'échelle mésoscopique par leur plan de maclage K1 correspondant. Cependant, à l'échelle atomique, la macle de type I a une interface cohérente, alors que celles de type-II et les macles composées ont des interfaces étagées. Les deux relations d'orientations K-S et Pitsch sont appropriés pour décrire la correspondance de réseau entre austénite et martensite dans les alliages Ni-Mn-In. Cependant, le chemin de déformation lié à la relation de Pitsch est mis en évidence pour être efficace pour la déformation de la structure. Avec le chemin de transformation déterminé, le mécanisme sous-jacent de l'organisation des variantes est révélé. À travers la transformation martensitique, en dépit de l'existence d'une relativement large couche contrainte (de l'ordre de 20 nm), le plan d'habitat est bordé par une variante de martensite simple avec l'austénite plutôt que la structure généralement observée "en sandwich", ce qui suggère une relativement bonne compatibilité géométrique entre les phases correspondantes. Pour le chargement en compression à l'état martensitique, l'arrangement des variantes est réalisé par des processus de démaclage. Il est démontré que l'état de variante unique dans certaines colonies pourrait être obtenu lorsque l'orientation de chargement est située dans la zone de Facteur de Schmid (SF) positif commune pour les trois systèmes de démaclage. [...]

Acute urinary retention is the major complication of benign prostatic hyperplasia. Today, the first line treatment consists in emergency catheterization, which often leads to urinary infection. This thesis aimed at developing an innovative nitinol based stent as a alternative treatment for acute urinary retention. Using a combination of NiTi wires and tubes, this stent is given two distinct shape memories during heating. The stent components are mostly loaded under pure bending during the stent activation. A pure bending apparatus allowing large deformations on slender specimens was thus designed. This device gave access to the NiTi wires and tubes behaviour under pure bending, and also provided information about localization phenomena during pure bending experiment. A numerical method able to identify the shear-stress shear-strain function from experimental pure torsion tests, and the stress strain function under compressive load from experimental uni-axial tensile and pure bending tests was also eveloped. This method was applied using afore-obtained numerical results to identify the NiTi wires and tubes behaviour under uni-axial compressive load., La rétention aiguë d’urine est la complication la plus grave de l’hyperplasie bénigne de la prostate. Elle est aujourd’hui traitée en urgence par cathétérisation, ce qui expose le patient à un important risque infectieux. Dans le cadre de cette thèse, un stent urétral innovant a été développé afin de remplacer la cathétérisation. Ce stent utilise des échantillons filiformes d’alliage à mémoire de forme Nickel-Titane, lui conférant deux mémoires deforme distinctes au chauffage, et permettant ainsi une pose et une ablation simplifiées. Afin de convenablement dimensionner les éléments constitutifs de ce stent, un dispositif permettant la réalisation d’essais de flexion pure à haute déformation sur des échantillons de géométrie filiforme a été conçu. Ce dispositif a permis la caractérisation de fils et tubes de NiTi en flexion pure, ainsi que l’étude du phénomène de localisation qui est survenue lors de ces essais. Une méthode numérique permettant l’identification des lois de comportement matériau à partir d’essais expérimentaux à champ de contrainte non uniforme a été développée. Cette méthode a notamment permis d’identifier le comportement en compression uni-axiale de fils et tubes de NiTi, à partir de résultats expérimentaux obtenus en flexion pure et en traction uni-axiale.

Many medical procedures use needles. A solution is proposed to control and modifyneedle trajectory during its insertion. This steerable needle must be able to avoid anobstacle and reach the target with more accuracy. The solution uses Nickel Titanium(NiTi) shape memory alloy. A new experimental method is proposed to characterize NiTiwires. This method is based on experimental device wich allows to perform DynamicMechanical Analysis (DMA) during a tensile test or during a temperature sweep understress. DMA measurements can detect many phenomena : elasticity, phase transformation,reorientation, plasticity. Results for a commercial NiTi wire are presented and analyzed.Storage modulus evolution analysis shows multistage phase transformations for which thestress-temperature diagram has been established. Values of elastic modulus are determinedfor austenite, martensite and R phase. Estimation models are proposed to determinestorage modulus evolution during tensile test with DMA and temperature sweep understress with DMA. The last part of this work studies the effect of heat treatment on acold worked Niti wire. A range of heat treatments was performed. Thermomechanicaltreatment effects were investigated both with tensile tests and temperature sweeps understress with DMA., De nombreux gestes médicaux utilisent des aiguilles. Il est proposé une solution de principe pour contrôler la trajectoire d’une aiguille lors son insertion. Ce contrôle de trajectoire permet d’éviter des obstacles et atteindre une cible avec plus de précision. La solution de principe proposée repose sur l’utilisation des alliages à mémoires de forme de type Nickel-Titane (NiTi) et des traitements thermiques localisés. Une méthode expérimentale originale pour caractériser les alliages NiTi est développée. Cette méthode repose sur l’utilisation d’un dispositif expérimental permettant de faire des mesures et analyses mécaniques dynamiques (DMA) lors d’un essai de traction ou au cours d’un balayage en température sous contrainte. Ces mesures DMA ont permis de détecter les nombreux phénomènes présents dans ces alliages : élasticité, transformation de phase, réorientation,localisation, plasticité. Les résultats des mesures effectuées sur un fil commercial de NiTi sont présentés et analysés. L’analyse de l’évolution du module de conservation a permis de mettre en évidence les différentes séquences de transformation et de définir les domaines d’existence des phases en fonction de la contrainte et de la température. Des valeurs de modules d’élasticité de l’austénite, de la martensite et de la phase R sont proposées. Enfin,des modèles d’évolution du module de conservation lors d’un essai de traction et d’un balayage en température sous contrainte sont proposés. Une dernière partie concerne l’étude des effets des traitements thermiques sur un fil NiTi étiré à froid. Une gamme de traitements thermiques a été réalisée sur un fil NiTi. Les propriétés thermomécaniques ont été investiguées à la fois par des essais de traction isothermes et des mesures DMA en balayage en température sous contrainte.

International audience; L'étude porte sur l'utilisation de fils en alliage à mémoire de forme (AMF) pour créer des systèmes mécaniques actifs. Il s'agit en pratique de contrôler l'état de contrainte ou de déformation d'une structure par activation thermique de l'effet mémoire de fils AMF connectés à la structure. Un point clé consiste à n'utiliser que des fils AMF classiques, i.e. à effet mémoire simple-sens, pour créer une activation à double-sens de la structure. Trois dispositifs sont développés et étudiés. Dans un premier temps, le cas simple de deux fils AMF placés en série est considéré. Le chauffage des fils est assuré par effet Joule. Ce dispositif permet d'analyser comment deux fils à effet mémoire simple-sens peuvent interagir pour permettre le pilotage double-sens d'un déplacement. Le cas d'une poutre console équipée de fils AMF est ensuite considéré. Il est montré qu'il est possible de contrôler en temps réel la flèche de la poutre par un chauffage sélectif des fils. Enfin, le cas d'une poutrelle sur deux appuis et soumise à une charge mobile est étudié. Une limitation en temps réel de la valeur de la flèche a été possible en utilisant un unique fil AMF précontraint. Cette étude montre que des AMF peuvent être utilisés pour contrôler l'état de déformation d'une structure ou d'adapter un état de précontrainte en fonction d'une variation de charge.

International audience; Ce travail propose une étude par éléments finis de l'évolution des propriétés d'un alliage à mémoire de forme à base Nickel-Titane en présence de porosité. Le but final est de remonter au comportement homogène équivalent. L'influence de la porosité est étudiée en réalisant des simulations avec des conditions périodiques en déplacement sur des motifs ayant une fraction de vide jusqu'à 20%. Le matériau est modélisé avec une loi d'élasto-hystérésis. L'évolution des propriétés macroscopiques est obtenue par une analyse graphique directe des moyennes des champs de contrainte et de déformation.

Nickel-Titane shape memory alloys are widely used in many fields (aerospace, biomedical) and the combination of their outstanding properties in designed structures, namely architecture materials, has been considered in last decade. Recent studies successfully fabricated cellular structures, in particular honey combs, by thermo-mechanical processing from tubes or bars but the properties of the bonds created between the components need to be carefully investigated.This work is dedicated to the study of the bonds between NiTi near-equatomic alloy (Nitinol) elements, which are created by sintering together tubes or wires and by welding tubes under load. These bonds are characterized from metallurgical, microstructural and mechanical points of view. The obtained results led to the following conclusions.To provide a reasonably strong bond between wires and between tubes, sintering should be operated at least at 1200°C during one hour under the maximal load allowed by the experimental device, 3.5 N. However, this treatment causes intense compositional changes inside the material. A subsequent aging treatment at 900oC can help in homogenizing the material but prejudicial TiNi2O phase still exists. Besides, the interdiffusion between Nitinol elements and alumina tools at 1200°C perturbs sintering experiments. The sintering route has thus found to be inadequate unless the used device allows applying a higher load, so that the temperature can be set down.Tube welding has been more successful in terms on bond strength and NiTi phase conservation, although important microstructure changes have been observed. Three zones have been identified after welding, the weld zone, with large and long grains, the heat-affected zone, with smaller, spherical grains, and the non-affected zone. The extent of these zones is estimated from local hardness measurement. The tensile resistance of the bonds is about 12 and 50 N/mm for tubes having 0.12 and 0.3 mm thickness, respectively. A standard aging treatment does not significantly change these values although it allows material homogenization. The parameters that mainly influence the resistance and the microstructure of the bond are the weld energy, the rate of release of this energy and the load. Achieving successive welding steps is not clearly beneficial.; Le SMA Nitinol est largement utilisé dans de nombreux domaines de recherche récemment ( astronautes, biomédical ) et la combinaison de leurs propriétés dans la structure de conception désirée, en particulier les matériaux de l'architecture, est développé dans la dernière décennie. Des études récentes fabriqués avec succès la structure cellulaire, en particulier nid d'abeil, par processus thermomécanique à partir de tubes ou de barres mais les caractères de la liaison entre les éléments constitutifs ne sont pas clarifiées.Ce travail est consacré à l'étude de la liaison entre NiTi alliage quasi- équatomic qui est créé par le processus frittage des tubes ou des fils et par le procédé de soudage de tubes. Les liaisons obtenues des deux méthodes semblent forts et ils sont analysés par les essais de métallurgique et mécanique. Les résultats ont conduit aux conclusions suivantes :Pour les processus de frittage, les liaisons pour les des fils et des tubes semblent être forte quand ils sont chauffés à 1200oC pendant 1 heure avec les fils et 2 heures avec les tubes, respectivement. Cependant, le traitement entraîne le changement de la composition dans le matière. Le traitement à 900oC peut aider l'homogénéisation de la liaison, mais la phase inattendu TiNi2O est existé. En outre, la diffusion entre le Nitinol et Al2O3 est commencé quand ils sont chauffés à 1200oC.Pour le procédé de soudage, les liaisons entre tubes soudés sont forts avec seulement la phase TiNi mais la microstructure a changé. Il ya 2 nouvelles zones existantes à l'intérieur de la liaison de soudure: la zone de soudage, la zone affectée thermique. Les résistances de traction de la liaison de soudge une fois sont 12N/mm et 50N/mm pour tubes ayant la paroi 0,12 mm et la paroi 0,3 mm, respectivement. L'optimisation des paramètres de soudage montre que l'énergie de soudure a un effet fortement sur la création et la résistance de la liaison. La liaison est amilioré si l'énergie augmente. Charge de soudage a un rôle important pour améliorer la résistance de la liaison, et la charge de soudage est adapté pour le tube est 100N. Le deuxième fois de soudage peuvent améliorer la résistance de la liaison de la paroi du tube de 0,3 mm, mais il diminue après le troixième fois de soudage. En plus, l'addition de fois de soudage sous pression plus que de 100N conduit à la réduction de la résistance de la liaison. Ainsi, les paramètres de soudage doivent être tout d'abord examiné base de l'épaisseur de paroi du tube, puis l' énergie de soudage, la pression de soudure et la soudure fois.

This thesis experimentally studies the possibility of thermal energy harvesting using coupled shape memory alloy (SMA)and pyro-/piezoelectric material. This method is promising for harvesting slow & small temperature variations. First prototypes of energy harvesters were fabricated and their ability to produce a considerable amount of specific energy was shown. Technologies of Ti-Ni-Cu SMA thin layer deposition & patterning were developed. This work will serve as a base for future fabrication of chip-scale thermal energy harvesters exploiting SMAs., Cette thèse étudie expérimentalement la possibilité de récupérer l'énergie thermique en utilisant un alliage à mémoire de forme (AMF) couplé à un matériau pyro-/piézoélectrique. Cette méthode est prometteuse pour récupérer les variations lentes et petites de température. Les premiers prototypes de récupérateurs d'énergie ont été fabriqués et ont démontré pouvoir produire une énergie spécifique intéressante. Les technologies de dépôt de couches d'AMF Ti-Ni-Cu micro-structurées ont été développées. Ce travail servira de base pour la future fabrication de micro-récupérateurs d'énergie thermique exploitant des AMFs.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Avec leur architecture légère et leurs propriétés mécaniques potentiellement exceptionnelles, les matériaux poreux en alliages à mémoire de forme NiTi se positionnent comme des solutions intéressantes pour un large spectre d'applications, e.g. prothèses biomédicales, systèmes absorbeurs de chocs... Aujourd'hui, la plupart de ces matériaux sont produits par frittage de poudres (naturel ou SPS). Cependant, leurs propriétés mécaniques sont bien loin d’être aussi bonnes qu'attendues (peu ou pas de superélasticité ou d’effet mémoire) : ceci est en grande partie dû aux grandes difficultés pour induire des microstructures appropriées lors du frittage. Pour contourner ces problèmes, nous proposons un procédé de fabrication alternatif et original, basé sur l'auto-enchevêtrement d'un fil de NiTi, sans frittage. D’une part, les mésostructures des pelotes ainsi produites, caractérisées par microtomographie RX, sont relativement homogènes ; elles peuvent être architecturées à façon en adaptant les conditions de mise en forme. D’autre part, les propriétés thermomécaniques des pelotes peuvent être pilotées simplement par des traitements thermiques. Ces deux atouts procurent à ces matériaux de grandes possibilités. Par exemples, le comportement superélastique des pelotes en compression simple est excellent et étonnant : il combine (i) très grandes déformations recouvrables en décharge (30 à 40%), (ii) niveaux de contraintes raisonnables (5 à 10 MPa), peu dépendants de la température (0.05MPa/K) et (iii) variations de volume importantes avec des séquences complexes de consolidation et de dilatance. Le comportement ferroélastique est quant à lui très proche de celui des milieux fibreux élastoplastiques, avec un écrouissage notable en charge et une forte déformation rémanente en décharge (de l’ordre de 20%). Enfin, un simple chauffage à charge nulle permet de recouvrir totalement cette déformation par effet mémoire de forme.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) présentent des propriétés mécaniques remarquables telles que la pseudo-élasticité et l’effet mémoire qui peuvent satisfaire des besoins émergents dans de nombreux domaines de l’ingénierie. Cette étude porte sur l’utilisation de fils en AMF pour créer des structures actives, capables d’adapter leur forme à des conditions de chargement variables. Il s’agit de modifier la géométrie d’une structure par simple variation de température. Deux approches : expérimentation et modélisation sont réalisées. Dans la partie expérimentale, un démonstrateur est conçu pour permettre de modifier la flèche d’une poutre métallique à l’aide de quatre fils en AMF en type Nikel-Titane. Chaque fil en AMF est pré-étiré et peut être activé indépendamment par modification de sa température et retour à température ambiante afin de créer un déplacement attendu de la poutre. Il s’agit de réaliser plusieurs cycles de chargement thermique et de mesurer la réponse de la structure. Les résultats expérimentaux confirment une possibilité de la création de déplacements des structures grâce à l’AMF. Dans la partie de modélisation, un modèle analytique est développé pour analyser les interactions complexes entre les fils en AMF et la structure sous diverses hypothèses de fonctionnement. Les résultats obtenus dans cette étude ouvrent des perspectives vers les structures actives à base d’AMF dans le champ d’applications pour la mobilité.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF), sont d’excellents candidats pour être utilisés dans les structures amortissantes. En effet, la transformation martensitique permet à ces matériaux de récupérer des déformations réversibles de l’ordre de 10% et leur comportement hystérétique montre qu’ils sont susceptibles de dissiper l’énergie mécanique. L’état de l’art montre qu’un certain nombre de travaux expérimentaux ont été menés pour caractériser le comportement dynamique des structures en AMF. En revanche il n’existe que peu d’études sur la modélisation du comportement dynamique des structures en AMF et donc une confrontation entre des résultats expérimentaux, analytique voire numérique. 1. Une première étape vise à étudier expérimentalement le comportement en compression du ressort et de la rondelle. Un comportement non linéaire hystérétique (donc dissipatif) est justement mis en évidence. L’influence du déplacement maximal, du cyclage et de la vitesse de sollicitation est étudiée. 2. A partir de ces courbes expérimentales, une modélisation par éléments finis permet des simuler l’essai de compression pour chaque structure. Un modèle de comportement phénoménologique macroscopique implémenté dans le code de calcul Abaqus est utilisé. Après l’identification des paramètres matériaux, un test de convergence numérique permet de corroborer les résultats expérimentaux. 3. La modélisation du comportement dynamique se fait en déterminant la raideur complexe équivalente de chaque structure, à partir des courbes précédentes. Il s'agit d'une extension de l’outil module d’Young complexe. Ainsi, pour chaque niveau de sollicitation, on obtient une raideur équivalente et un facteur de perte, image du pouvoir amortissant de la structure. 4. L’équation de vibration à un degré de liberté est résolue dans cette dernière étape en tenant compte de la raideur complexe de la structure. L’analyse modale numérique permet de mettre en évidence le comportement dynamique non linéaire de la structure à travers les diagrammes de Bode et Nyquist. Ainsi, la prédiction du comportement dynamique de deux structures en AMF à été menée. Une modélisation originale par extension du concept de module d’Young complexe permet d’évaluer le pouvoir amortissant de ces deux structures en fonction du niveau de sollicitation.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; La recherche de la miniaturisation des applications dans les secteurs industriels multiplie la conception de microcomposants ou de microsytèmes taillés dans des couches minces d'alliage à mémoire de forme (AMF). Ces structures minces sont souvent le siège de phénomènes d'instabilité tels que la localisation de la déformation et sa propagation à contrainte constante, observés durant la transformation de phase directe ou inverse. Afin de décrire ces phénomènes particuliers, un modèle phénoménologique non local basé sur l'extension d'un modèle local existant est proposé dans ce travail. Ce modèle initialement, développé dans le cadre de la thèse d'Arnaud Duval (2009) est enrichi par la description de deux types de comportements : le comportement hystérétique lors de la décharge superélastique et le comportement thermique à contrainte constante. Implanté dans le code de calculs par éléments finis Abaqus, le modèle proposé est utilisé pour étudier l'influence de paramètres matériau et géométriques sur le phénomène de localisation.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont des matériaux capables de recouvrer une grande déformation élastique (jusqu'à 8%) sous chargement thermomécanique. Le mécanisme de déformation à l’origine de cette capacité est un changement de phase solide/solide du type martensitique. Cet alliage est utilisé pour des applications biomédicales ou dans le domaine du transport. Les AMF sont notamment utilisés pour la réalisation d’instrument endodontique. Ils sont utilisés par les dentistes pour réaliser certaines opérations sur les canaux des racines de dents. La propriété super-élastique du Nickel-titane (NiTi) permet aux instruments de s’adapter parfaitement aux géométries des racines de dents. Le comportement thermomécanique de ces alliages est étudié depuis quelques années et plusieurs modèles ont été développés pour décrire ce comportement. En revanche les propriétés en fatigue restent un domaine peu exploré. En effet actuellement lors de la phase de conception de structure utilisant cet alliage, la fatigue n’est pas considérée. Or les dentistes rencontrent des problèmes de rupture en fatigue qui peuvent compliquer la suite de l’opération. Cette étude commence par la réalisation d’essais de fatigue en traction sur éprouvette à faible et à grand nombre de cycles. Ainsi nous obtenons des courbes de fatigue classique (amplitude de chargement en fonction du nombre de cycles à rupture). En parallèle nous utilisons une technique dite rapide appelée essais d’auto-échauffement sous sollicitation cyclique pour déterminer les propriétés de tenue à la fatigue de ces matériaux. Ainsi nous pouvons valider la méthode rapide à l’aide d’essais classiques dans l’optique d’étudier l’influence de différents paramètres du procédé de fabrication sur les propriétés en fatigue des instruments. Pour se rapprocher du chargement vu par les instruments en utilisation des essais de fatigue en flexion rotative sont également réalisés.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les Alliages à Mémoire de Forme, ou AMF, sont déjà utilisés dans de nombreux domaines industriels. Les différentes applications mettent en jeu les propriétés singulières des AMF. Afin de concevoir, dimensionner et assurer la fiabilité de ces systèmes, il est essentiel de disposer de modèles phénoménologiques robustes, aptes à représenter au mieux le comportement très complexe de ces matériaux. La compréhension des mécanismes d’endommagement régissant le comportement cyclique et menant à la ruine de la structure est une étape cruciale. L'objectif de cette étude est donc d'identifier, dans un premier temps, les mécanismes de déformation se développant lors du cyclage, puis dans un second temps de mieux comprendre leur mise en place. Pour ce faire, trois essais de fatigue oligocyclique ont été réalisés et stoppés à un stade spécifique du cyclage. Le premier essai a été arrêté après le premier cycle, le second au 40ème cycle, ce qui est le début de la stabilisation du comportement cyclique, et le dernier a été mené jusqu'à la rupture qui intervient à 3324 cycles. Deux mécanismes de déformation ont clairement été mis en évidence par Microscopie Électronique en Transmission : il s'agit du maclage et du glissement de dislocations avec leur interaction avec les précipités. Ces deux mécanismes évoluent simultanément et indépendamment durant les 100 premiers cycles. Une fois le comportement cyclique stabilisé, les densités de dislocations et de macles n’évoluent que très peu. Par contre, le cisaillement progressif des précipités par les dislocations au cours du cyclage entraîne une profonde réorganisation spatiale des précipités.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; La déformation des voilures aéronautiques et son incidence sur les écoulements aérodynamiques ont toujours fait l’objet de nombreuses études tant théoriques qu’expérimentales. Les progrès récents réalisés dans le domaine des matériaux intelligents offrent un grand nombre de perspectives nouvelles dans cette discipline. L’utilisation de ces matériaux innovants, peut potentiellement réduire de façon significative le poids et le coût des aéronefs, en supprimant les actionneurs actuels lourds et encombrants. Dans ce travail, nous présenterons la conception, la caractérisation ainsi que la mise en soufflerie d’un prototype de voilure déformable. Ce prototype se distingue par son mode d’actionnement. En effet, l’utilisation simultanée d’actionneur comme les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) et les céramiques Piézoélectriques (PZT) permettent d’agir sur des échelles de déformation différentes à des fréquences d’actionnement distinctes. Les AMF étudiés sont des alliages métalliques (Ti-Ni) qui se définissent par un couplage thermomécanique. Ainsi, une variation de température provoque un changement des propriétés mécaniques du matériau résultant d’un changement de phase cristalline. L'effet mémoire de forme est dû à réversibilité de ce processus. Ce type d’actionneur permet de produire de grandes déformations (cm) par rapport aux contraintes exercées. Les AMF sont donc un candidat idéal pour des actionneurs de structures intelligentes. La fréquence d'actionnement étant limitée par l’effet thermique, les fréquences sont de l’ordre du Hz. Les actionneurs piézoélectriques, d'autre part, sont capables d'atteindre des fréquences d'actionnement importantes (100Hz-1kHz). Ces matériaux sont définis par un couplage électromécanique. Comme les AMF, ils sont aussi capables de fortes contraintes, mais leur déformation reste limitée (µm). Deux mécanismes d'actionnement ont été mis au point afin de démontrer les possibilités de chaque technologie. Le mécanisme d'actionnement, basé sur les AMF avec des déformations de l’ordre de 10% de la corde à une fréquence de 0.1 Hz, est apte à contrôler le vol, alors que le mécanisme piézoélectrique peut agir directement sur la couche limite de l’écoulement (déplacements de l’ordre du mm pour des fréquences de 50 Hz).

NiTi shape memory alloys have amazing properties due to a reversible martensitictransformation and are widely used by biomedical industries and as actuators. The firstpart of this study deals is a thermomechanical analysis of the material, based on kinematical(with digital image correlation) and thermal (with infrared camera) field measurements.An important part of this work deals with the improvement of the heat sources estimationfrom thermal fields. For this, thermal heat capacities and conductivities of austeniteand martensite were estimated with several experimental methods. Then, the heat sourceestimation method was validated from virtual data obtained numerically and from experimentaldata obtained during a martensitic transformation induced by natural cooling.This first part is concluded with the use of this technique to study shear tests. The secondpart of this study is a contribution to the realization of architectured materials composedof linked stacked tubes. Our study deals with the realization and the characterization ofthe NiTi link, realized by resistance welding.; Les alliages à mémoire de forme Nickel Titane sont des matériaux aux propriétés remarquablesdues à une transformation martensitique réversible et sont largement utiliséspar l’industrie biomédicale et dans des dispositifs de type actionneurs. La première partiede cette étude porte sur une analyse de leur comportement thermomécanique basée surla réalisation de mesures de champs cinématiques (par corrélation d’images visibles) etthermiques (par caméra infrarouge). Une part importante du travail présenté concernel’amélioration des calculs de sources de chaleur à partir des champs de température. Pource faire, les capacités et conductivités thermiques des phases austénitique et martensitiqueont été estimées par différentes méthodes expérimentales. Ensuite, la méthode de calcul desource a été validée sur des données virtuelles obtenues numériquement et sur des donnéesexpérimentales obtenues lors d’une transformation martensitique induite par un refroidissementnaturel. Cette première partie se conclut par l’application des développements àdes mesures réalisées lors d’un essai de cisaillement. La seconde partie est une contributionà la réalisation de matériaux architecturés constitués d’empilement de tubes de NiTi liésentre eux ; notre étude concerne la réalisation et la caractérisation de liaisons de tubes deNiTi par soudage résistif.

NiTi shape memory alloys have amazing properties due to a reversible martensitictransformation and are widely used by biomedical industries and as actuators. The firstpart of this study deals is a thermomechanical analysis of the material, based on kinematical(with digital image correlation) and thermal (with infrared camera) field measurements.An important part of this work deals with the improvement of the heat sources estimationfrom thermal fields. For this, thermal heat capacities and conductivities of austeniteand martensite were estimated with several experimental methods. Then, the heat sourceestimation method was validated from virtual data obtained numerically and from experimentaldata obtained during a martensitic transformation induced by natural cooling.This first part is concluded with the use of this technique to study shear tests. The secondpart of this study is a contribution to the realization of architectured materials composedof linked stacked tubes. Our study deals with the realization and the characterization ofthe NiTi link, realized by resistance welding., Les alliages à mémoire de forme Nickel Titane sont des matériaux aux propriétés remarquablesdues à une transformation martensitique réversible et sont largement utiliséspar l’industrie biomédicale et dans des dispositifs de type actionneurs. La première partiede cette étude porte sur une analyse de leur comportement thermomécanique basée surla réalisation de mesures de champs cinématiques (par corrélation d’images visibles) etthermiques (par caméra infrarouge). Une part importante du travail présenté concernel’amélioration des calculs de sources de chaleur à partir des champs de température. Pource faire, les capacités et conductivités thermiques des phases austénitique et martensitiqueont été estimées par différentes méthodes expérimentales. Ensuite, la méthode de calcul desource a été validée sur des données virtuelles obtenues numériquement et sur des donnéesexpérimentales obtenues lors d’une transformation martensitique induite par un refroidissementnaturel. Cette première partie se conclut par l’application des développements àdes mesures réalisées lors d’un essai de cisaillement. La seconde partie est une contributionà la réalisation de matériaux architecturés constitués d’empilement de tubes de NiTi liésentre eux ; notre étude concerne la réalisation et la caractérisation de liaisons de tubes deNiTi par soudage résistif.

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.

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.

Titanium alloys have always overtopped by their excellent biocompatibility. Nowadays, Ti-6Al-4V alloy (Ti 64) is widely used as a bone substitute (hip or knee prosthesis) and the amazing properties of Ni-Ti alloys (superelastic or shape memory effect) are used to design functional devices (stents, orthodontic wires, shape memory clips, etc.) Yet, Ti64's modulus of elasticity is too high compared to bone, that limits osseointegration and decreases service life of prosthesis. Moreover, the additive elements, such as aluminum, vanadium and nickel, are known to be cytotoxic. Metastable beta titanium alloys can be elaborated with biocompatible elements only (tantalum, niobium) and can exhibit a low modulus of elasticity and superelasticity or shape memory effect. Six compositions based on the Ti 25-xNb scheme were elaborated, using the cold crucible levitation technique. The aim of this thesis consisted in establishing a relationship between the microstructures and the mechanical properties of these alloys. Depending on the niobium content, these alloys exhibit an alpha'' martensitic microstructure (associated with a shape memory effect) or a beta grain microstructure (associated with a superelastic effect). All these properties were characterized by numerous techniques including microscopy, X-ray diffraction, tensile tests and dynamic mechanical analysis. The plastic deformation mechanisms that explain their excellent cold-workability were studied by electron backscatterering diffraction and transmission electron microscopy. Two twinning systems, {112} and {332}, were highlighted and the competition between them was assessed, based on a Schmid factor analysis.; Les alliages de titane se sont toujours distingués par leur excellente biocompatibilité. De nos jours, l'alliage Ti 6Al 4V est très utilisé comme substitut osseux (prothèses de hanches, de genou, etc.) et les propriétés exceptionnelles des alliages Ni-Ti (effets superélastique ou mémoire de forme) servent à fabriquer de nombreux dispositifs fonctionnels (stents, fils orthodontiques, agrafes à mémoire de forme, etc.). Cependant, le module d'élasticité du Ti 6Al 4V est trop élevé en comparaison à celui de l'os, ce qui réduit l'ostéointégration et limite la durée de vie des prothèses. De plus, les éléments d'addition utilisés (aluminium, vanadium, nickel) sont reconnus comme étant cytotoxiques. Les alliages de titane beta métastables offrent la possibilité d'élaborer uniquement à partir d'éléments biocompatibles (tantale, niobium) des alliages à bas module d'élasticité et présentant des propriétés superélastiques à mémoire de forme. Six compositions du type Ti 25Ta xNb (mass%) ont été élaborées à l'aide d'un four à induction en semi-lévitation magnétique. Le travail de cette thèse a consisté à établir une relation entre les microstructures obtenues et les propriétés mécaniques de ces alliages. Selon la teneur en niobium, ces alliages passent d'une microstructure composée de martensite alpha'' (avec un effet mémoire de forme) à une microstructure composée de grains beta (avec un effet superélastique). Toutes ces propriétés ont été caractérisées par de nombreuses techniques : microscopie, diffraction des rayons X, essais de traction, analyse mécanique dynamique, etc. Les mécanismes de déformation plastique qui expliquent leur très bonne capacité à être travaillés à froid (glissement, maclage) ont été étudiés par diffraction des électrons rétrodiffusés et microscopie en transmission. Deux systèmes de maclage, {112} et {332}, ont été mis en évidence et un analyse basée sur le critère de Schmid a permis d'évaluer la compétition entre ces deux systèmes.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les propriétés des AMF sont dues à une transformation de phase solide solide réversible qui peut être 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 de ces géométries locales et de la comparaison des énergies par variante, nous proposons un modèle polycristallin multiaxial qui rend compte du fort couplage thermomécanique. Des essais quasi statiques permettent de le valider.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; National audience; Cette étude décrit la phase d'amorçage et la phase de propagation de fissures pour un alliage à mémoire de forme de type TiNi. Soumis à un chargement cyclique, l'alliage présente un comportement classique pseudoélastique. Deux types de sites d'amorçage ont été mis en évidence : l'un aux interfaces martensite-martensite et/ou martensite-austénite et l'autre au niveau des joints de grains. La phase de propagation, quant à elle, résulte de la coalescence de plusieurs microfissures. Ces deux phases sont très explicitement discernables et représentent moins de 20% de la durée de vie du matériau.

Macroscopic modeling of shape memory alloys - Application to composite materials; La modélisation du comportement des alliages à mémoire de forme présente un intérêt majeur pour la conception de dispositifs qui tirent profit des comportements spécifiques à ce matériau. En particulier, l'association de ces alliages avec d'autres matériaux permet de créer des matériaux composites adaptatifs. Une demande croissante de ce type de matériau nécessite le développement des outils de conception adaptés, notamment au niveau du calcul de structures. Cette thèse présente un modèle de comportement des alliages à mémoire de forme, en partant de la définition de l'énergie interne du matériau jusqu'à l'implémentation numérique dans un code de calcul industriel. Des exemples de modélisation de matériaux composites à base d'alliages à mémoire de forme sont développés, à des échelles tant macroscopique et microscopique.

Macroscopic modeling of shape memory alloys - Application to composite materials, La modélisation du comportement des alliages à mémoire de forme présente un intérêt majeur pour la conception de dispositifs qui tirent profit des comportements spécifiques à ce matériau. En particulier, l'association de ces alliages avec d'autres matériaux permet de créer des matériaux composites adaptatifs. Une demande croissante de ce type de matériau nécessite le développement des outils de conception adaptés, notamment au niveau du calcul de structures. Cette thèse présente un modèle de comportement des alliages à mémoire de forme, en partant de la définition de l'énergie interne du matériau jusqu'à l'implémentation numérique dans un code de calcul industriel. Des exemples de modélisation de matériaux composites à base d'alliages à mémoire de forme sont développés, à des échelles tant macroscopique et microscopique.

In order to understand the microstructure-properties relationship and describe the principal mechanisms at the origin of the various classes of materials behavior, several multi-scales models have been proposed. These approaches establish the generation of a very strong heterogeneity of the stress field on the material during the mechanical loading. On the polycrystals materials this heterogeneity exists even in the case of the uniaxial loading. This work contributed to develop an original experimental protocol making it possible to achieve internal stresses analyzes on the grain scale in the polycrystal. Suggested approach combines various analyzes techniques: microstructural observations, in situ mechanical characterization, stresses analyzes by x-rays diffraction (XRD). This work has been applied on the Cu-Al-Be superelastic Shape Memory Alloy (SMA). Several original results were obtained. Some allowed refining the stresses analysis techniques in two-phase materials and to propose classifications of the transformation modes in the Cu-Al-Be SMA, but the majority contributed to better understand the variants martensite selection mechanisms in the shape memory alloys or to highlight the role of some parameters as grain size, elastic anisotropy or the effect of a mechanical cycling., Les relations microstructure-propriétés sont au coeur de l'utilisation des matériaux modernes. Pour comprendre ces relations, des efforts considérables ont été réalisés au cours de ces dernières décennies pour identifier et décrire les principaux mécanismes à l'origine des différentes classes de comportement des matériaux. Les approches multiéchelles établissent la formation d'une très forte hétérogénéité du champ de contrainte à l'intérieur du matériau et cela même dans le cas de sollicitations imposées simples (traction uniaxiale) appliqués sur des matériaux macrohomogènes (polycristaux). Ce travail de thèse a contribué à mettre au point une méthodologie expérimentale originale permettant d'accéder à des informations de contraintes locales à l'échelle du grain dans le polycristal. L'approche proposée, combine différentes techniques d'analyses: observations microstructurales, caractérisation mécanique in situ, analyse de contrainte par diffraction des rayons X (DRX). Le travail a été réalisé sur un Alliage à Mémoire de Forme (AMF) superélastique de type Cu-Al-Be. De nombreux résultats tout à fait originaux ont été obtenus. Certains ont permis d proposer des classifications des modes de transformation et ont conduit à affiner les techniques d'analyse de contrainte dans les matériaux biphasés, mais la plupart ont permis de mieux comprendre les mécanismes de sélection des variantes de martensite dans les alliages à mémoire de forme ou ont mis en évidence l'importance de paramètre comme la taille de grain, l'anisotropie élastique ou encore l'effet d'un cyclage mécanique.

In order to understand the microstructure-properties relationship and describe the principal mechanisms at the origin of the various classes of materials behavior, several multi-scales models have been proposed. These approaches establish the generation of a very strong heterogeneity of the stress field on the material during the mechanical loading. On the polycrystals materials this heterogeneity exists even in the case of the uniaxial loading. This work contributed to develop an original experimental protocol making it possible to achieve internal stresses analyzes on the grain scale in the polycrystal. Suggested approach combines various analyzes techniques: microstructural observations, in situ mechanical characterization, stresses analyzes by x-rays diffraction (XRD). This work has been applied on the Cu-Al-Be superelastic Shape Memory Alloy (SMA). Several original results were obtained. Some allowed refining the stresses analysis techniques in two-phase materials and to propose classifications of the transformation modes in the Cu-Al-Be SMA, but the majority contributed to better understand the variants martensite selection mechanisms in the shape memory alloys or to highlight the role of some parameters as grain size, elastic anisotropy or the effect of a mechanical cycling., Les relations microstructure-propriétés sont au coeur de l'utilisation des matériaux modernes. Pour comprendre ces relations, des efforts considérables ont été réalisés au cours de ces dernières décennies pour identifier et décrire les principaux mécanismes à l'origine des différentes classes de comportement des matériaux. Les approches multiéchelles établissent la formation d'une très forte hétérogénéité du champ de contrainte à l'intérieur du matériau et cela même dans le cas de sollicitations imposées simples (traction uniaxiale) appliqués sur des matériaux macrohomogènes (polycristaux). Ce travail de thèse a contribué à mettre au point une méthodologie expérimentale originale permettant d'accéder à des informations de contraintes locales à l'échelle du grain dans le polycristal. L'approche proposée, combine différentes techniques d'analyses: observations microstructurales, caractérisation mécanique in situ, analyse de contrainte par diffraction des rayons X (DRX). Le travail a été réalisé sur un Alliage à Mémoire de Forme (AMF) superélastique de type Cu-Al-Be. De nombreux résultats tout à fait originaux ont été obtenus. Certains ont permis d proposer des classifications des modes de transformation et ont conduit à affiner les techniques d'analyse de contrainte dans les matériaux biphasés, mais la plupart ont permis de mieux comprendre les mécanismes de sélection des variantes de martensite dans les alliages à mémoire de forme ou ont mis en évidence l'importance de paramètre comme la taille de grain, l'anisotropie élastique ou encore l'effet d'un cyclage mécanique.

International audience

The development of new adaptive lead-free composite solder has been prompted by the growing awareness of environmental concerns and the necessity to increase reliability. In that way micronic NiTi shape memory alloy particles have been incorporated in a Sn-3.8Ag-0.7Cu matrix in order to develop composite solder. Microstructural and mechanical characterisation of the lead-free matrix have been performed. An homogeneous copper coating is chemically applied onto NiTi particles in order to improve the wettability between the reinforcement and the lead-free matrix. Chemical and microstructural analysis of the NiTi particles surface during the different steps of the coating process have been performed. Finally thermomechanical fatigue properties have been assessed to show the influence of the shape memory alloy reinforcement.; La modélisation, l'élaboration et la caractérisation de nouvelles brasures composites sans plomb à propriétés adaptatives est encouragée par les menaces d'interdiction du plomb dans l'industrie électronique ainsi que par la demande incessante de fiabilité accrue. Dans ce contexte, des joints de brasure composite à matrice Sn-3,8Ag-0,7Cu et renfort particulaire en alliage à mémoire de forme NiTi sont développés. Une caractérisation microstructurale et mécanique de la matrice sans plomb est effectuée. Les évolutions de la chimie et de la microstructure de la surface des particules de NiTi au cours des différentes étapes du procédé de dépôt d'un agent mouillant sur leur surface sont étudiées. Finalement la tenue à la fatigue thermomécanique de ces nouveaux matériaux est évaluée et met en évidence l'influence du renfort en alliage à mémoire de forme.