Analyse de la réponse dynamique à haute fréquence des matériaux à mémoire de forme magnétiques

High frequency magnetic field-induced strain of ferromagnetic shape memory alloys

• Auteur / Autrice : Shaobin Zhang
• Direction : Yongjun He, Ziad Moumni
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 07/09/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles - Institut des Sciences de la mécanique et Applications industrielles / IMSIA - UMR 9219
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Patoor
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Daniel, Olivier Hubert, Tarak Ben Zineb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Haboussi, Günay ANLAş

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux ferromagnétiques

Alliages à mémoire de forme

Mots clés libres

Alliage à mémoire de forme ferromagnétique

Déformation à haute fréquence

Réorientation de la martensite induite par un champ magnétique

Transformation de phase induite par la température

Compatibilité de la microstructure

Couplage thermo-Magnéto-Méca

Ferromagnetic shape memory alloy

High-Frequency strain

Magnetic field-Induced martensite reorientation

Temperature-Induced phase transformation

Microstructure compatibility

Thermo-Magneto-Mechanical coupling

Résumé

Les alliages à mémoire de forme ferromagnétique (FSMAs) possèdent la capacité d’accommoder une large déformation réversible à haute fréquence à l’aide d'une réorientation de la martensite induite par un champ magnétique. Cependant, cette réorientation à haute fréquence induit un frottement au niveau des interfaces entre les variantes de martensite provoquant une dissipation et par suite une élévation significative de la température dans le matériau, ce qui pose des problèmes d'instabilité nuisant à la performance du comportement dynamique des FSMAs. En particulier, l'amplitude de la déformation induite par le champ magnétique est réduite de façon significative lorsque l’augmentation de la température est suffisante pour déclencher la transformation de phase martensite-austénite. Un tel effet thermique sur les réponses dynamiques de FSMA n'a pas encore été étudié dans la littérature où la plupart des expériences dynamiques existantes ont été réalisées sur une courte période de temps (quelques secondes) afin d’éviter la variation de la température.Le but de cette thèse est l’analyse et la modélisation de ce phénomène. Pour ce faire, des analyses expérimentales et théoriques multi-échelles des performances des FSMAs soumis à un champ magnétique de longue durée et à haute fréquence sont réalisées.Tout d’abord, des expériences systématiques d'actionnement magnétique de longue durée (> 100 secondes) sur une éprouvette en monocristal Ni-Mn-Ga sont effectuées à différents niveaux de la fréquence du champ magnétique, de la contrainte de compression initiale et du flux d'air ambiant (échange de chaleur) afin d’étudier leur influence sur la réponse des FSMAs. Par ailleurs, un modèle unidimensionnel de transfert de chaleur a été est développé permettant d’interpréter les nouveaux phénomènes liés aux effets thermiques mises en lumière expérimentalement. Ainsi, les conditions nécessaires à l’obtention d’une réponse dynamique stable ont été déduites. De plus, afin de comprendre la dépendance de la déformation nominale induite par le champ magnétique par rapport aux échanges thermiques à partir d'une analyse microscopique, la distribution/évolution de la déformation locale ainsi que la transformation/réorientation associée parmi les différentes phases/variantes au cours de l'actionnement à haute fréquence sous divers conditions d'échange de chaleur sont analysées via des observations in-situ à l’aide la corrélation d'images numériques (DIC). Un nouveau mécanisme est ainsi révélé : le mouvement des interphases induit par la variation de température (transformation de phase) et le mouvement des variantes de martensite induit par le champ magnétique (réorientation de martensite) peuvent être activés simultanément, sous l'actionnement magnéto-thermique-mécanique (i.e, le champ magnétique à haute fréquence, la force de ressort mécanique et le flux d'air ambiant) dans la mesure où le matériau peut auto-organiser les fractions volumiques des différentes phases/variantes afin de satisfaire toutes les conditions aux limites thermo-magnéto-mécaniques. En outre, la morphologie des bandes de déformations et des différentes phases/variantes auto-organisées est révélée et expliquée à l’échelle microscopique à l’aide des conditions de compatibilité géométrique.

Ferromagnetic Shape Memory Alloys (FSMAs) have ability to provide large high-frequency reversible strain via magnetic field-induced martensite reorientation. But, the high-frequency frictional twin boundary motion of the martensite reorientation can induce a rapid accumulation of dissipation heat and cause a significant temperature rise in the material, which poses instability problems about the dynamic performance of FSMA. Particularly, the output strain amplitude would be reduced significantly when the temperature increases to be high enough to trigger the Martensite-Austenite phase transformation. However, such thermal effect on the dynamic responses of FSMA has not yet been investigated in literature where most existing dynamic experiments were performed only for a short-time period (a few seconds) to avoid the temperature variation. In this thesis, multi-scale experimental and theoretical analyses of the long-time performance of FSMA under high-frequency magnetic actuation are performed. Systematic experiments of the long-time magnetic actuation (> 100 seconds) on a Ni-Mn-Ga single crystal bar are conducted at various levels of magnetic field frequency, initial compressive stress and ambient airflow (ambient heat-exchange efficiency) to investigate their influences on the stable state of the high-frequency FSMA-actuator. A one-dimensional heat-transfer model is developed and the new experimental phenomena of the thermal effects are well understood. Based on the experimental results and theoretical analysis, critical conditions to achieve the large and stable output strain amplitude in the high-frequency actuation are derived. Moreover, to understand the heat-exchange dependence of the output nominal-strain from a microscopic view, the local strain distribution/evolution and the associated transformation/reorientation among the different phases/variants during the high-frequency actuation under various heat-exchange efficiencies are demonstrated via the in-situ Digital Image Correlation observations. A novel mechanism is revealed: the temperature-driven phase boundary motion (phase transformation) and the magnetic field-driven twin boundary motion (martensite reorientation) can be activated at the same time under the magneto-thermal-mechanical actuation (i.e., the high-frequency magnetic field, the mechanical spring force and the varying ambient airflow) as the material can self-organize its volume fractions of the different phases/variants to satisfy all the thermo-magneto-mechanical boundary conditions. Further, the self-organized morphology/pattern composed of various variants and phases during cyclic deformation (with the moving habit plane and twin boundaries) can be explained by microstructure compatibility analyses.