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Étude de l'influence des traitements thermomécaniques sur les propriétés des alliages à mémoire de formes Ti-50.0at.%Ni et Ti-50.7at.%Ni

Demers, Vincent (2004). Étude de l'influence des traitements thermomécaniques sur les propriétés des alliages à mémoire de formes Ti-50.0at.%Ni et Ti-50.7at.%Ni. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les alliages à mémoire de forme (AMF) sont une catégorie de matériaux présentant des propriétés exceptionnelles telles que la reprise de forme et la capacité de générer une force suite à d'importantes déformations. Ainsi, les AMF sont utilisés dans les applications d'activation mécanique (effet mémoire de forme) et dans les dispositifs biomédicaux (effet superélastique). Les propriétés des AMF sont grandement influencées par les étapes finales de la fabrication soient, la mise en forme à froid et le traitement thermique. Ainsi, le traitement combiné de la mise en forme à froid et d'un traitement thermique offre la possibilité d'améliorer et d'optimiser les propriétés des AMF.

Des essais de caractérisation des propriétés thermiques et électriques (essais DSC et de résistivité électrique), mécaniques (essai de traction) et fonctionnelles (essais de déformation récupérable et de contrainte générée) ont été réalisés. Ces tests sont effectués sur des alliages Ti-50.0at%Ni utilisés respectivement pour leur effet mémoire de forme et l'effet superélastique en plus de proposer de meilleures propriétés fonctionnelles et en fatigue. Ces deux alliages sont sujets à trois niveaux de travail à froid par laminage suivis de huit traitements thermiques post déformation.

Pour les deux alliages, les essais thermiques démontrent que le taux de travail à froid diminue l'enthalpie de transformation seulement pour les basses températures de traitement thermique et présente une influence négligeable sur les températures de transformation de phase. Contrairement à l'alliage équiatomique (Ti-50.0at%Ni), le traitement thermique post déformation influence fortement les températures de transformation pour l'alliage riche en nickel (Ti-50.7at.%Ni).

En ce qui a trait aux essais mécaniques, les sévères taux de travail à froid font en sorte que l'effet superélastique est observé même pour l'alliage Ti-50.0at%Ni. De plus, la contrainte critique et la limite d'écoulement diminuent fortement pendant le processus de relaxation / polygonisation du matériau et se stabilisent pour les températures de recristallisation. Un état faiblement écroui fait en sorte que les températures de transformation austénitiques se décalent fortement (de l'ordre de 30°C) pendant l'essai mécanique.

La caractérisation des propriétés fonctionnelles montre que le taux de travail à froid influence les valeurs de la déformation maximale complètement récupérable (єr max)seulement pour les basses températures de traitement thermique. De plus, єr max varie entre 6 et 9% en fonction du type d'alliage et du taux de travail à froid. La contrainte que peut générer un échantillon Ti-50.0at.%Ni est augmentée par le taux de travail à froid passant de 900 à 1100 MPa pour les faibles et sévères taux de travail à froid. Pour l'alliage équiatomique, la déformation initiale de l'échantillon permettant d'obtenir la contrainte générée maximale se situe entre 6 et 8.5% ce qui inclut la déformation maximale récupérable (6 à 7.5%). Par contre, la contrainte générée est plus importante après un LTMT sévère (σgen max, 0.30 < σgen max, 0.88)tandis que les résultats de la déformation récupérable le sont après un faible LTMT (Єr max, 0.30> Єr max, 0.88).

Finalement, un algorithme basé sur la notion de désirabilité permet de définir un traitement thermomécanique optimisant les propriétés d'un AMF utilisé dans une application donnée.

Titre traduit

Influence of the thermomechanical treatments on the properties of the TI-50.AT.%NI & TI-50.7At.%NI SHAPE MEMORY ALLOYS

Résumé traduit

Shape memory alloys (SMA) are a class of material presenting exceptional properties such as recovery strain and recovery stress. Thus, the SMA are used in the actuator applications ( one-way shape memory effect: SME) and in the superelastic applications (SE devices in bimedical). The properties of the SMA are strongly influenced by the final steps of fabrication which are the cold working (LTMT: low-temperature thermomechanical treatment) as well as the heat treatment (PDA: post-deformation annealing). Thus, the combined treatment LTMT + PDA allows an improvement and an optimization of the SMA properties.

The thermal (DSC and electrical resistivity), mechanical (tensile test) and functionnal experiments (recovery strain ans recovery stress) were performed on Ti-50.0at.%Ni and Ti-50.7at.%Ni shape memory alloys. These two alloys allow to obtain the SME and SE effects respectively as well as to present highest functional and fatigue properties. The alloys were subjected to three levels of cold rolling (LTMT e = 0.30, 0.52 and 0.88) followed by eight temperatures of post-deformation annealing (PDA = 200 to 700°C).

For the two alloys, the thermal experiments show that the cold work decrease the latent heat of transformation only for the low-PDA (200-300°C) and present a negligible influence for the temperature of phase transformation. Contrary to equiatomic alloy, the PDA strongly influences the temperatures of transformation of the Ni-rich alloy.

The mechanical tests showed that the superelastic behaviour was observed after the high-deformation strain (LTMT e = 0.88) even for the Ti-50.0at.%Ni alloy. Moreover, the critical stress and the yield stress decrease during the relaxation / polygonization process and are stabilized after recrystallization. After the low-LTMT, the austenite temperature shifts up during the tensile test.

The level of cold work influences the values of the fully recoverable strain (Єr max) only for the equiatomic alloy and after low-PDA temperatures. Moreover, Єr max varies between 6 and 9% according to the alloy and the LTMT. These values were obtained in the PDA range of 300-500°C. The value of the maximum recoverable stress increases with the LTMT (900 to 1100 MPa) and these results were obtained after PDA = 300-400C. For the equiatomic alloy, the initial deformation allowing the maximum recoverable stress located between 6 and 8.5% (in the range of the fully recoverable
strain: 6 to 7.5%). On the other hand, the recovery stress is more important after high-LTMT (Єr max, 0.30> Єr max, 0.88) while the results of recovery strain are higher after low-LTMT (Єr max,0.30 > Єr max,0.88).

Finally, the desirability function and allow to obtain a optimal combined LTMT + PDA for a given application.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliogr.: f. [238]-244.
Mots-clés libres: Alliage, AMF, Balayage, Calorimetrie, Caracterisation, Chauffage, Choix, Contrainte, Deformation, Differentiel, Electrique, Essai, Forme, Isoterme, Materiau, Memoire, Optimisation, Propriete, Recuperable, Resistivite, Thermomecanique, Ti-50.0at.%NI, TI-50.7at.%Ni, Ti-Ni, Traction, Traitement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Brailovski, Vladimir
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 20 avr. 2011 20:09
Dernière modification: 21 oct. 2016 00:46
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/720

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