À l’heure actuelle, il est souvent demandé aux matériaux d’avoir de bonnes propriétés mécaniques ― limite élastique élevée, bonne résistance à la rupture… ― mais également d’être "intelligents" c’est-à-dire de remplir une fonction d’actionnement et/ou de mesure. Les alliages à mémoire de forme (AMF) classiques du type Nitinol (NiTi) sont de bons candidats. En effet, ils peuvent supporter de fortes contraintes, jusqu’à 600 Mpa, et présenter des déformations importantes disponibles par transition de phase de l’ordre de 6 %. Cependant les temps de réponse de ces alliages (malgré l’utilisation de l’effet Peltier) sont relativement longs : de l’ordre de la seconde.
• C’est une des raisons pour lesquelles le laboratoire de Mécanique appliquée R. Chaléat de l’université de Franche-Comté a commencé des études sur les alliages à mémoire de forme ferromagnétiques du type Ni-Mn-Ga. D’autres avantages sont à retenir : – la déformation disponible est beaucoup plus importante que celle des matériaux piézoélectriques et magnétostrictifs, tel que le Terfénol D. Elle est en effet du même ordre que celle des AMF classiques (soit environ 6 %) – l’établissement du champ magnétique dans le matériau est beaucoup plus rapide que celui du champ de température désiré ; le matériau est donc plus réactif avec des temps de réponse de l’ordre de la dizaine de millisecondes.
• Ce comportement particulier correspond au mécanisme de réorientation des plaquettes de martensite sous l’effet du champ magnétique. À partir d’une structure où aucune des variantes de martensite n’est privilégiée (elles sont toutes présentes dans une même proportion), un simple champ magnétique ou une simple contrainte de compression appliquée développe les variantes favorablement orientées au détriment des autres. Tout se passe comme si ces plaquettes (ou variantes) de martensite tournaient pour parvenir à une configuration moins coûteuse en énergie. Cela s’accompagne toujours d’une grande déformation.
• Cependant, pour être actionnés par le champ magnétique, ces alliages du type Ni-Mn-Ga subissent un traitement thermique qui les rend très fragiles et très sensibles aux faibles contraintes mécaniques (de l’ordre du MPa).
• Le travail a porté dans un premier temps sur l’étude d’un monocristal de ce type d’alliage, comprenant : – la détermination de son orientation par rayon X par rapport à son support afin d’en extraire des échantillons de forme adéquate – l’étude cristallographique de la transformation de phase. Si la structure cristallographique de l’austénite A est bien connue (cubique centrée), celle de la martensite M peut être tétragonale, orthorhombique… – la mise au point de montages expérimentaux en vue de la réalisation d’essais magnéto-mécaniques sur ces AMF magnétiques.
• Enfin, dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles, une modélisation magnéto-thermo-mécanique a été ébauchée. Les variables de commande sont évidemment la contrainte et le champ magnétique, et dans une moindre importance, la température. Une grande attention est portée à l’évolution des variables internes, notamment des fractions volumiques de chaque variante de martensite présentes dans le monocristal. Les réponses du matériau sont logiquement la déformation totale et l’aimantation. Une modélisation des phénomènes à l’échelle pertinente (celle des plaquettes de martensite et des domaines de Weiss) est réalisée, puis un changement d’échelle permet de bien rendre compte du comportement du monocristal d’après les observations tirées de la littérature. Une homogénéisation du même type permettra de prédire le comportement du polycristal à partir de celui du monocristal.
Laurent Hirsinger – Christian LexcellentLaboratoire de Mécanique appliquée Raymond ChaléatUniversité de Franche-ComtéTél. 03 81 66 60 24laurent.hirsinger@univ-fcomte.frchristian.lexcellent@univ-fcomte.fr
