comportement et applications des alliages à mémoire · l.p.m.m. séminaire matériaux in2p3 ......

1Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554

Comportement et applicationsdes Alliages

mmoire de formeEtienne Patoor

Laboratoire de Physique et de Mcanique des MatriauxUMR CNRS 7554


1. Introduction

2. Diffrents comportements

3. Exemples dapplications

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10

Strain (%)

s

Af As

f

AM

Con

train

te (

MPa

)


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

Proprits discontinues Coexistence des 2 phases Interface


Dfinition de la transformation martensitique

Transformation du premier ordre

A caractre fortement dviatorique

Sans diffusion

X Y

Matrice

(a)

X

Matrice

Y

Matrice

(b)

A

B

C

D


II. Comportement des AMF1. Superlasticit

2. Effet mmoire

3. Mmoire double sens

4. Autres proprits

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10

Strain (%)

s

Af As

f

AM


II.1. SuperlasticitObserve pour la premire fois sur un alliage Cu-Zn en 1952

Temprature

(C)-19-37

s

s2

s1

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10

T = 19C

T = - 37 C

Dformation (%)

AM

s1f

Con

train

te (M

Pa) s2

Formation de la variantela mieux oriente

par rapport la contrainteapplique


Comportement Superthermique

Temprature

(C)

137

187

s (MPa)

MsMs1 2

As

AM

0

2

4

6

8

10

Df

orm

atio

n (%

)

-25 -20 -15 -10 -5 0

Temprature (C)5 10

137 MPa187 MPa

AfM s

M f

Formation de la variantela mieux oriente

par rapport la contrainteapplique


Influence de la microstructure

0

50

100

150

200

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Con

train

te (M

Pa)

Dformation (%)

0

2

4

6

8

10

0 50 100 150 200 250

Tr

max

imal

e (%

)

Contrainte (MPa)

Monocristal

Polycristal

Comportement superlastique temprature ambiante dun alliage polycristallinCu-Zn-Al-Ni (Ms = -18C)

Evolution de la dformation maximale de transformation en fonction de la contrainte applique au refroidissement pour un monocristal et un polycristal de CuAlBede mme composition


Influence de la microstructure

T

Ms

Martensite

Austenite

Mf


II.2. Effet mmoireRefroidissement sans contrainte

Formation dune microstructureautoaccommodante

AM 1

M 2

Mobilit des interfaces martensite/martensite

AM 1

M 2

M 1

M 2

= 0 T = 0

> 0T < 0

.

. .


Mmoire de forme simple sens

B

C

D

< f

M Af f

Martensite

Austnite

C

DBA

E

T EA

Refroidissement A-B sans contrainte Martensite autoaccommode

Dformation B-C en phase basse temprature Rorientation des variantes de martensite

Chauffage D-E sous contrainte nulle Retour en austnite et reprise de forme

La recouvrance de forme se ralise uniquement au chauffage


Application : Retour contraint

L(1)

F (2)

Retour libre

Retour contraint(2)(1)

L

A M A A

Ms (C) Tdf (C) (%) (MPa)

NiTi - 200 - 200 8,0 500 900

CuAlNi + 70 + 25 2,0 300 400

CuZnAlMn - 40 - 90 3,5 550 - 650

As T

MA

Engineering aspects of SMA (1990) p. 121


Application : Production de travail(3)(2)(1)

L(1)

F (2)(3)

L

A M A AA

As T

MA

Af


II.3. Mmoire double sensT1

masse

T2 > T1 T1

masse

Austnite

Martensite

Temprature

f

T1 T2Af

As

Effet obtenu parducation


Mmoire double sens assiste

mmassem

mm

masse

T2 > T1 T1T1

Austnite

Martensite

Temprature

f

T1 T2Af

As

Education remplace par une force de rappel


II.4. Autres effetsEffet caoutchoutique

Dplacement rversible des interfaces martensite/martensite

T < Mf

Effet observ pour la premire fois en 1932 sur un alliage Au-Cd

Amortissement Q-1

TMs


III. Applications des AMF

1. Mmoire simple sens

2. Retour contraint

3. Capteurs-actionneurs

4. Superlasticit

5. Applications biomdicales

6. Microsystmes

7. Mmoire de forme, formes en mmoire


III.1. One way memory

Peu dapplicationindustrielle

Gadget, JouetsTiNi Alloy Company

Two dozen or less: $3.50/each


III.2. Retour contraint

Premire application industrielle (1969)

Manchon de connectionU.S. Navy F- 14 Tomcat

Raychem

Gnre jusqu 25 kN deffort.

TiNi Aerospace, Inc

http://www.tiniaerospace.com/frangibolt.html


Couplage

Manchon Cryofit

Intrinsic Devices, Inc


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


UniLok Applications

Intrinsic Devices Inc, 2003


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.


Axial PreloadPreloadof Threaded Fasteners

Locking Nuts Hermetic Seal

Blind Assembly


TiNi Aerospace, Inc, 2001

http://www.tiniaerospace.com/frangibolt.html


III.3. Activateurs3 types dactivateur en AMF

Activateur thermiqueActivateur lectriqueActivateur diffrentiel

Ressort de prcontrainte AMF antagonistesGravit

Exemples dactivateur


Domotique

Valve thermostate

Pour viter larrive deau brlante au dbut de lcoulementles dbits deau chaude et deau froide sont contrlspar laction dun ressort en alliage mmoire de forme .

Furukawa Techno Material Co., 2000


Application arospatiales

TlescopeHUBBLE, 1990

Ce dispositif permet dassurer le verrouillage des panneaux solairespendant la phase de lancement et de leur dverrouillage une foisle tlescope en orbite.Un chauffage 115C de llment en NiTi permet ce dverrouillage.

@mt Advanced Materials and Technologies, Belgium


Mars Pathfinder Material adhesion

Expriments

Dynalloy


III.4. Superlasticit

Monture superlastiqueAMF CuAlBe Monocristallin

Aspex Technologies, Brevet LPMM


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 rupture

AMF Monocristallins

NiTi

CuAlBeMonocristalCuAlBe

Polycristal

Nathalie Siredey, LPMM


Applications dans lhabillement

Furukawa Techno Material Co.2000


III.5. Applications biomdicales

PolymerMembrane

TiNi Ribbon(closed) +

- Housing

Fluid In

ControlPressure

ValveBiasSpring

SMA actuated microvalvemanufactured by TiNi Alloy Company

Fil guide


Fil orthodontique

Furukawa

Test de flexion 90 degrspour plusieurs matriaux

Grikin Advanced Materials Co., Ltd

Alliages Dformation permanente Dviation standard

TiNi suprlastique 0 0

NiTi croui 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


StentMemry Corporation

TUBULAR LASER CUT STENTS


Agraphes d'ostosynthse mmoire de forme


Support mobilepour camra endoscopique

Dr. Harald Fischer, Forschungszentrum Karlsruhe, PDG ENDOSMART GmbH


Instrumentation chirurgicale

Neurochirurgie

Chirurgie vasculaire

Dr. Harald Fischer, Forschungszentrum Karlsruhe, PDG ENDOSMART GmbH


Forceps intelligents

Traumatisme possiblesi la pression est trop forte

La premire greffe de rein au Japona chou suite un traumatisme Li lemploi des forceps

AMF superlastique

Tohoku University Biomedical Engineering Research Organization


Medical devicesfor laroscopic surgery

Articulating scissors, dissectors, retractors

Specimen retrieval bag

Memry Corporation


Microrobotic for genetic

Photo IGBMC-LGIPM

Photo Genetic Microsystems

Metz University

L.P.M.M.

Large scale integration Drop size ~ 100m High productivity

SMA Activator

Objective : DNA hybridizationdensity greaterto 3600 samples/cm2.


III.6. MicrosystmesMicropinceEPFL Lausanne

MicropinceIZT Karlsruhe

Moteur lectrique+ Rducteur

Moteur hydraulique

Moteurpneumatique Moteurthermique

Turbine 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


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


TiNi Thin Film Actuators

Built on a 5.1 x 8.1 mm silicon chip. Eight ribbons of thin film 4 m thick, 250 m wide and 2.15 mm long. Can lift 30-40 grams for a distance of 100 to 400 m. 60-80 mA (~2.4volts) are necessary to operate.

TiNi Alloy Company


Micropositionneur diffrentiel AMF

100 m Prcontrainte

Chauffage partie droite

Chauffage partie gauche

L.P.M.M.

A. Hautcoeur


Micropositionneur diffrentiel AMF


Simulation par lments finisSimulation par lments finisABAQUS, UMAT

Micropince (Kohl et al. 2002)

Thse Bertrand PeultierLPMM ENSAM -2005


Simulation : du nano au macro

Structures cristallines Microstructure en domaine

Simulation numrique Structure polycristalline


III.7. Mmoire de formeForme en mmoire

Etienne Krhenbhl (gauche) et Rolf Gotthardt (droite).

"Onibaba".

"Single way to Bethlehem"

http://dpwww.epfl.ch/Gotthardt/ART/Onibaba.htmlhttp://dpwww.epfl.ch/Gotthardt/ART/Bethlehem.htmlhttp://dpwww.epfl.ch/Gotthardt/ART/Onibaba.html

II.1. SuperlasticitComportement SuperthermiqueInfluence de la microstructureII.2. Effet mmoireApplication : Retour contraintApplication : Production de travailII.3. Mmoire double sensMmoire double sens assisteII.4. Autres effetsIII.1. One way memoryIII.2. Retour contraintIII.3. ActivateursIII.4. SuperlasticitIII.5. Applications biomdicalesIII.6. Microsystmes

comportement et applications des alliages à mémoire · l.p.m.m. séminaire matériaux in2p3 ......

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