Elaboration et caractérisation de composites intelligents NiTi/ époxyde : effets de la transformation martensitique sur le comportement mécanique et sur la décohésion interfaciale

Elaboration and characterization of NiTi/epoxy smart composite : effects of martensitic transformation on mechanical behavior and interface debonding

• Auteur / Autrice : Yousef Payandeh
• Direction : Fodil Meraghni, Etienne Patoor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et matériaux
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transformations martensitiques

Alliages à mémoire de forme

Composites à fibres

Résumé

Ce travail est consacré à l'élaboration et l'analyse de comportement thermomécanique d'un composite constitué d'une matrice en résine époxyde renforcée par des fils en alliage à mémoire de forme (AMF). Le fil, en NiTi écroui a été soumis à trois traitements thermiques afin d'obtenir des caractéristiques de transformation différentes. Trois types d'échantillons, nommés : pull-out, traction simple et éprouvettes à géométrie complexe ont été réalisés. Les composites ont été fabriqués par moulage suivi d'une une cuisson et d'une post-cuisson. Les tests ont été effectués à trois températures (20, 80 et 90 ° C) et à vitesse de chargement constante. Des échantillons mono-filaments ont été réalisés et soumis à un essai d'arrachement afin d'étudier l'effet de la transformation martensitique sur l'initiation et la propagation de la décohésion. D'après les observations in situ, la décohésion commence à partir du point d'entré des fils et continue vers la fin de la longueur noyée. Il a été constaté expérimentalement que, la transformation martensitique dans le fil diminue la vitesse de propagation de la décohésion interfaciale et augmente la résistance de l'interface au cisellement. Le comportement mécanique de la matrice, l'effet de la température d'essai et de la fraction volumique de fil ont été déterminés en utilisant le test de traction simple. Les essais ont été conduits à trois températures. Il est constaté que la transformation martensitique se produisant dans le fil influe de manière significative le comportement mécanique des échantillons composites. L'augmentation de la contrainte de transformation améliore la résistance du composite à la traction. Ceci est réalisé soit en augmentant la température d'essai ou en faisant un traitement thermique à une température plus basse. Il est proposé que dans le composite la transformation se produit simultanément en plusieurs points. On observe alors, une intermittence de zones décollées et non décollées. Dans ce travail, les échantillons à géométrie complexe ont été conçus et fabriqués afin d'estimer les propriétés élastiques du matériau composite dans deux directions (parallèle et transverse à l'axe du fil). Des spécimens avec un mouchetis aléatoire ont été soumis à un chargement simple. Les champs hétérogènes de déplacement/ de déformation générés grâce à la géométrie complexe des échantillons composites ont été mesurées. Une méthode inverse a été développée et les paramètres du matériau ont été identifiés. Les résultats ont ensuite été comparés aux résultats obtenus par la méthode de Mori-Tanaka. Le champ de déformation obtenu numériquement, à partir des paramètres identifiés a été comparé à ceux obtenus expérimentalement. Une bonne corrélation a été trouvée dans les deux cas.

In this work a near equiatomic NiTi shape memory wire epoxy matrix composite is studied. The NiTi wire in as drawn condition was subjected to three heat treatments in order to prepare the wires with different transformation characteristics. Three metallic moulds were designed for different types of samples, namely pull-out, tensile and heterogeneous test specimens. The composite specimens were elaborated by casting followed by curing and post curing process. The tests were conducted at three temperatures (20, 80 and 90 °C) and at a constant cross-head speed. The single NiTi wire specimens with a long embedded length were subjected to the pull-out test in order to study the effect of martensitic transformation/reorientation on the debonding initiation and also on the debonding propagation. From in-situ observations, the debonding begins from wire entry point and proceeds to the embedded end. It was observed that when no phase transformation occurs in the wire, the debonding propagates rapidly whilst it is slow when there is wire phase transformation or martensitic reorientation. It was found that the debonding rate depends on the displacement rate as well as the length change during phase transformation. It has been experimentally found that, the interfacial shear strength increases when the martensitic transformation takes place. The mechanical behavior of the resin matrix and the effect of test temperature, wire volume fraction have been determined using standard tensile test. The tests have been conduced at three temperatures. It is found that the martensitic transformation occurring in the wire affect the mechanical behavior of the composite specimens. In this way, using the wire with larger transformation stress enhances the composite tensile strength. This is achieved either by increasing the test temperature or by using the wires heat treated at lower temperatures. The tensile strength increases also by increasing the volume fraction of wires. It is proposed that in the composite, the transformation occurs simultaneously at several points that result in intermittent debonded and bonded zones. In this work the samples with complex geometry were designed and fabricated in order to estimate the elastic properties of the composite material in two directions (perpendicular and parallel to the wire axis). The specimens with random speckle were then subjected to the simple loading. The heterogeneous displacement/strain fields generated due to the complex geometry of the composite samples were measured. An inverse method was established in this work and the material parameters were identified. The results were then compared to the results obtained by Mori-Tanaka method. Moreover, the numerical strain fields obtained using the identification parameters was compared to the experimental ones. A good correlation was found in both cases.