comportement et applications des alliages à mémoire de forme
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1Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Comportement et applicationsdes Alliages
à mémoire de formeEtienne Patoor
Laboratoire de Physique et de Mécanique des MatériauxUMR CNRS 7554
2Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
1. Introduction
2. Différents comportements
3. Exemples d’applications
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10
σ
σ
Strain (%)
σ
σ
s
Af As
f
εAM
Con
train
te (
MPa
)
3Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Classification des transformations de phase
Transformations du premier et du second ordre
Transformations avec et sans diffusion
Premier ordre Second ordreEbullitionCondensationSolidification
Transition vitreuse
Liquide en
TT Tv f
V
Liquide
surfusion
Solide cristallin
Verres
∆
• Propriétés discontinues• Coexistence des 2 phases• Interface
4Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Définition de la transformation martensitique
Transformation du premier ordre
A caractère fortement déviatorique
Sans diffusion
X Y
Matrice
(a)
X
Matrice
Y
Matrice
(b)
A
B
C
D
5Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
II. Comportement des AMF1. Superélasticité
2. Effet mémoire
3. Mémoire double sens
4. Autres propriétés
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10
σ
σ
Strain (%)
σ
σ
s
Af As
f
εAM
6Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
II.1. SuperélasticitéObservée pour la première fois sur un alliage Cu-Zn en 1952
Température
(°C)-19-37
σs
σs2
σs1
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10
T = 19°C
T = - 37 °C
Déformation (%)
εAM
σs1
σf
Con
train
te (M
Pa) σs2
Formation de la variantela mieux orientée
par rapport à la contrainteappliquée
7Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Comportement Superthermique
Température
(°C)
137
187
σs (MPa)
MsMsσ1 σ2
Asσ
εAM
0
2
4
6
8
10
Déf
orm
atio
n (%
)
-25 -20 -15 -10 -5 0
Température (°C)5 10
137 MPa187 MPa
AfσM s
σ
M fσ
Formation de la variantela mieux orientée
par rapport à la contrainteappliquée
8Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Influence de la microstructure
0
50
100
150
200
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Con
train
te (M
Pa)
Déformation (%)
0
2
4
6
8
10
0 50 100 150 200 250
εTrm
axim
ale
(%)
Contrainte (MPa)
Monocristal
Polycristal
Comportement superélastiqueà température ambiante d’un alliage polycristallinCu-Zn-Al-Ni (Ms = -18°C)
Evolution de la déformation maximale de transformation en fonction de la contrainte appliquée au refroidissement pour un monocristal et un polycristal de CuAlBede même composition
9Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Influence de la microstructure
T
σ
Ms
Martensite
Austenite
Mf
10Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
II.2. Effet mémoireRefroidissement sans contrainte
Formation d’une microstructureautoaccommodante
AM 1
M 2
Mobilité des interfaces martensite/martensite
AM 1
M 2
M 1
M 2
σ = 0 T = 0
σ > 0T < 0
.
. .
11Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Mémoire de forme simple sensσ
εB
C
D
Τ < Μf
σ
M Af f
Martensite
Austénite
C
DBA
E
T EA
Refroidissement A-B sans contrainte Martensite autoaccommodée
Déformation B-C en phase basse température Réorientation des variantes de martensite
Chauffage D-E sous contrainte nulle Retour en austénite et reprise de forme
La recouvrance de forme se réalise uniquement au chauffage
12Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Application : Retour contraint
∆L(1)
F (2)
Retour libre
Retour contraint(2)(1)
∆L
A M A A
Ms (°C) Tdéf (°C) ε (%) σ (MPa)
NiTi - 200 - 200 8,0 500 – 900
CuAlNi + 70 + 25 2,0 300 – 400
CuZnAlMn - 40 - 90 3,5 550 - 650
σ
AsT
MA
Engineering aspects of SMA (1990) p. 121
13Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Application : Production de travail(3)(2)(1)
∆L(1)
F (2)(3)
∆L
A M A AA
σ
AsT
MA
Af
14Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
II.3. Mémoire double sensT1
masse
T2 > T1 T1
masse
Austénite
Martensite
Température
f
T1T2
Af
As
Effet obtenu paréducation
15Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Mémoire double sens assistée
mmassem
mm
masse
T2 > T1 T1T1
Austénite
Martensite
Température
f
T1T2
Af
As
Education remplacée par une force de rappel
16Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
II.4. Autres effetsEffet caoutchoutique
ε
σ
Déplacement réversible des interfaces martensite/martensite
T < Mf
Effet observé pour la première fois en 1932 sur un alliage Au-Cd
Amortissement Q-1
TMs
17Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III. Applications des AMF
1. Mémoire simple sens
2. Retour contraint
3. Capteurs-actionneurs
4. Superélasticité
5. Applications biomédicales
6. Microsystèmes
7. Mémoire de forme, formes en mémoire
18Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.1. One way memory
Peu d’applicationindustrielle
Gadget, JouetsTiNi Alloy Company
Two dozen or less: $3.50/each
19Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.2. Retour contraint
Première application industrielle (1969)
Manchon de connectionU.S. Navy F- 14 Tomcat
Raychem
Génère jusqu’à 25 kN d’effort.
TiNi Aerospace, Inc
20Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Couplage
Manchon Cryofit®
Intrinsic Devices, Inc
21Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Cryocon® connectorTinel-Lock®
I n t r i n s i c D e v i c e s I n c o r p o r a t e d
22Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
UniLok® Applications
Intrinsic Devices Inc, 2003
23Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
To mount delicate lensesin holders
Lens and Window MountsZero insertion force connector
Use for munitions, missiles, high amperage buss connections and bulkhead feedthroughs
Accelerometer Assembly
Clamp mass elements and piezoelectric materialagainst the center post of shear type accelerometers.Provide easy assembly, consistent performance, and insensitivity to temperature extremes.
24Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Axial PreloadPreloadof Threaded Fasteners
Locking Nuts Hermetic Seal
Blind Assembly
25Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
TiNi Aerospace, Inc, 2001
26Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.3. Activateurs3 types d’activateur en AMF
Activateur thermiqueActivateur électriqueActivateur différentiel
Ressort de précontrainte AMF antagonistesGravité
Exemples d’activateur
27Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Domotique
Valve thermostatée
Pour éviter l’arrivée d’eau brûlante au début de l’écoulementles débits d’eau chaude et d’eau froide sont contrôléspar l’action d’un ressort en alliage à mémoire de forme .
Furukawa Techno Material Co., 2000
28Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Application aérospatiales
TélescopeHUBBLE, 1990
Ce dispositif permet d’assurer le verrouillage des panneaux solairespendant la phase de lancement et de leur déverrouillage une foisle télescope en orbite.Un chauffage à 115°C de l’élément en NiTi permet ce déverrouillage.
@mt Advanced Materials and Technologies, Belgium
29Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Mars Pathfinder« Material adhesion
Expériments »
Dynalloy
30Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.4. Superélasticité
Monture superélastiqueAMF CuAlBe Monocristallin
Aspex Technologies, Brevet LPMM
31Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Courbes de Manson-Coffin pour des AMF poly et monocristallins
10 100 1000 104 105 1060.01
0.1
1
CuAlBe, single crystal, 293 KCuAlBe polycrystal, 293 KNi-Ti, 308 KNi-Ti, 323 K
Nombre de cycles à rupture
AMF Monocristallins
NiTi
CuAlBeMonocristalCuAlBe
Polycristal
Nathalie Siredey, LPMM
32Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Applications dans l’habillement
Furukawa Techno Material Co.2000
33Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.5. Applications biomédicales
PolymerMembrane
TiNi Ribbon(closed) +
- Housing
Fluid In
ControlPressure
ValveBiasSpring
SMA actuated microvalvemanufactured by TiNi Alloy Company
Fil guide
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Fil orthodontique
Furukawa
Test de flexion à 90 degréspour plusieurs matériaux
Grikin Advanced Materials Co., Ltd
Alliages Déformation permanente Déviation standard
TiNi suprélastique 0 0
NiTi écroui 1.34 0.20
Alliage Co-Cr A 25.4 0.66
Alliage Co-Cr B 38.8 1.88
Acier inoxydable A 10.3 0.50
Acier inoxydable B 34.0 0.55
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StentMemry Corporation
TUBULAR LASER CUT STENTS
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Agraphes d'ostéosynthèse à mémoire de forme
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38Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
39Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Support mobilepour caméra endoscopique
Dr. Harald Fischer, Forschungszentrum Karlsruhe, PDG ENDOSMART GmbH
40Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Instrumentation chirurgicale
Neurochirurgie
Chirurgie vasculaire
Dr. Harald Fischer, Forschungszentrum Karlsruhe, PDG ENDOSMART GmbH
41Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Forceps intelligents
Traumatisme possiblesi la pression est trop forte
La première greffe de rein au Japona échoué suite à un traumatisme Lié à l’emploi des forceps
AMF superélastique
Tohoku University Biomedical Engineering Research Organization
42Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Medical devicesfor laroscopic surgery
Articulating scissors, dissectors, retractors
Specimen retrieval bag
Memry Corporation
43Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Microrobotic for genetic
Photo IGBMC-LGIPM
Photo Genetic Microsystems
Metz University
L.P.M.M.
• Large scale integration• Drop size ~ 100µm• High productivity
SMA Activator
Objective : DNA hybridizationdensity greaterto 3600 samples/cm2.
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III.6. MicrosystèmesMicropinceEPFL Lausanne
MicropinceIZT Karlsruhe
Moteur électrique+ Réducteur
Moteur hydraulique
Moteurpneumatique Moteur
thermique
Turbineà gaz
AMF
10-2 10-1 1 10 102 103 1041
102
103
104
Masse [kg]
Puis
sanc
e / M
asse
[Wat
t / k
g]
10
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46Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Micro robotics applications and nanotechnology
MondoTronics
Innovation On Demand, Inc
Wireless SMA actuators
Laser beamSEM beam
Construction or controlof medical devices.
Manipulation of proteinand genetic components
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TiNi Thin Film Actuators
Built on a 5.1 x 8.1 mm silicon chip. Eight ribbons of thin film 4 µm thick, 250 µm wide and 2.15 mm long. Can lift 30-40 grams for a distance of 100 to 400 µm. 60-80 mA (~2.4volts) are necessary to operate.
TiNi Alloy Company
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Micropositionneur différentiel AMF
100 µm• Précontrainte
• Chauffage partie droite
• Chauffage partie gauche
L.P.M.M.
A. Hautcoeur
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Micropositionneur différentiel AMF
50Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Simulation par éléments finisSimulation par éléments finisABAQUS, UMAT
Micropince (Kohl et al. 2002)
Thèse Bertrand PeultierLPMM – ENSAM -2005
51Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Simulation : du nano au macro
Structures cristallines Microstructure en domaine
Simulation numérique Structure polycristalline
52Séminaire Matériaux IN2P3 – 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.7. Mémoire de formeForme en mémoire
Etienne Krähenbühl (gauche) et Rolf Gotthardt (droite).
"Onibaba".
"Single way to Bethlehem"