Structural fatigue of superelastic NiTi wires

par Eduardo Augusto Alarcon Tarquino

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Shabnam Arbab Chirani et de Miroslav Karlik.

Soutenue le 30-01-2018

à Brest , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Institut de Recherche Dupuy de Lôme (laboratoire) et de Institute of Physics (République tchèque) (laboratoire) .

Le président du jury était Tarak Ben Zineb.

Le jury était composé de Shabnam Arbab Chirani, Miroslav Karlik, Tarak Ben Zineb, Xavier Balandraud, Michal Landa, Sylvain Calloch, Petr Sittner.

Les rapporteurs étaient Xavier Balandraud, Michal Landa.

  • Titre traduit

    Fatigue structurelle de fils superélastiques de NiTi


  • Résumé

    Ce travail de thèse aborde les conditions et les mécanismes qui conduisent des fils superélastiques de NiTi à la rupture sous chargement mécanique cyclique. Les alliages à mémoire de forme du type NiTi présentent des propriétés thermomécaniques fonctionnelles comme la superélasticité et l’effet de mémoire de forme simple et double, lesquels sont générées grâce aux transformations de phase martensitiques provoquées soit par un changement de la contrainte ou de la température. Ces transformations de phase sont en principe des processus totalement réversibles et sans endommagement. Cependant, lorsque le NiTi est soumis à des transformations de phase induites par des contraintes cycliques, la performance en fatigue de l’alliage chute considérablement par rapport au NiTi non-transformant. La plupart des courbes S-N de fatigue rapportant cette chute ont été mesurées sur des fils NiTi a section constante dans lesquels les transformations martensitiques se développent de façon hétérogene par nucléation et propagation de bandes de cisaillement. De plus, d'après notre expérience, des essais de fatigue sur des échantillons de fils à section constante entrainent la rupture à l'intérieur des mors de la machine d'essai. Par conséquent, les valeurs de contrainte-déformation rapportées dans les courbes S-N ne sont pas nécessairement représentatives des conditions mécaniques critiques qui conduisent le matériau à la rupture. Dans le but de mieux caractériser les performances en fatigue des fils NiTi, nous avons effectué une série de tests de fatigue en traction-traction, tout en utilisant des échantillons sous forme ≪ diabolo ≫. La géométrie de ces échantillons nous a permis de confiner tous les processus de transformation martensitique et de fatigue dans un volume utile bien défini. La caractérisation du comportement thermomécanique de ces échantillons a été réalisée en combinant plusieurs techniques expérimentales et d'analyse telles que la corrélation d'image numérique(DIC), la thermographie infrarouge, la diffraction des rayons X à source synchrotron, la microscopie optique, la microscopie électronique à balayage et l'analyse par éléments finis. Une attention particulière à été portée à la performance de NiTi dans le régime à grand nombre de cycles (HCF) dans laquelle le matériau présente un comportement élastique ou une transformation de phase intermédiaire (appelée R-phase). Les résultats des tests de fatigue nous ont permis de distinguer les étapes de nucléation et de propagation des fissures pendant la durée de vie totale de nos échantillons. Afin de mieux comprendre les mécanismes qui conduisent à la nucléation des fissures, nous avons appliqué la méthode de l’auto-échauffement, qui a démontré son efficacité dans la prédiction de fatigue dans les cas des alliages d'aluminium et des alliages d'acier. Cette méthode corrèle l'élévation de température d'un échantillon soumis à différentes amplitudes de charge cyclique avec des mécanismes de dissipation d'énergie. Ces mécanismes dissipatifs sont après associés à l’accumulation d’endommagement locale dans le matériau. La méthode d'autoéchauffement a été réalisée en utilisant des mesures de champs thermiques des d'échantillons de NiTi sous forme diabolo pendant de chargement cyclique.


  • Résumé

    This Ph.D. dissertation thesis addresses the conditions and mechanisms that lead superelastic NiTi wires to fail under cyclic mechanical loads. NiTi shape memory alloys exhibit functional thermomechanical properties (superelasticity, shape memory effect, thermal actuation) due to martensitic phase transformations caused by a change of the applied stress and temperature. These phase transformations are though as fully reversible damage-free processes, however, when NiTi is subjected to repetitive stress-induced phase transformations its fatigue performance drops drastically in comparison to non-transforming NiTi. Most of fatigue S-N curves reporting this drop were measured on straight NiTi wires in which martensitic transformations proceed heterogeneously through nucleation and propagation of shear bands. Moreover, from our experience fatigue testing straight wire samples results in undesired failure inside the testing machine clamps. Hence, the reported stress-strain values in S-N curves are not necessarily representative of the critical mechanical conditions that lead the material to failure. With the aim of better characterize the fatigue performance of NiTi wires, we started by carrying out a series of pull-pull fatigue tests using hourglass-shaped samples. This sample geometry allowed us to confine all martensitic transformation and related material fatigue processes into a well-defined gauge volume. The samples’ characterization was performed by combining several experimental and analysis techniques such as Digital Image Correlation, Infrared Thermography, Synchrotron-source X-ray diffraction, Optical Microscopy, Scanning Electron Microscopy and Finite Element Analysis. A special attention was paid to the High Cycle Fatigue (HCF) performance of NiTi in which the material shows elastic behavior and/or an intermediate phase transformation (so-called R-phase). The results from HCF tests allowed us to distinguish crack nucleation and crack propagation stages during the total life of our NiTi samples. In order to get a better understanding of the mechanisms that lead to crack nucleation, we applied the nonconventional Self-Heating fatigue assessment method, which has shown efficiency in the case of aluminum and steel alloys. This method correlates the temperature elevation of a sample subjected to different cyclic load amplitudes with energy dissipating mechanisms that contribute to accumulating local damage in the material. The Self-Heating method was performed using full-field thermal measurements of cyclically loaded NiTi hourglass-shaped samples.


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