Analyse expérimentale, théorique et numérique des matériaux à mémoire de forme NiTi poreux

Experimental analysis and modeling of porous NiTi shape memory alloys

• Auteur / Autrice : Gülcan Özeri̇m beki̇loğlu
• Direction : Ziad Moumni, Günay Anlaş
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris en cotutelle avec Boǧaziçi üniversitesi (Istanbul)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la mécanique et applications industrielles (Palaiseau, Essonne ; 2015-....) - Institut des sciences de la mécanique et applications industrielles (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne ; 1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Claude Stolz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ziad Moumni, Günay Anlaş, Wael ZAKI, Tarak Ben Zineb, Hilmi LUS, Sertan Alkan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wael ZAKI, Tarak Ben Zineb

Mots clés

Mots clés contrôlés

Porosité

Alliages

Matériaux

Mots clés libres

Porosité

NiTi

Alliages à mémoire de forme

Frittage

Traitement thermique

Pseudoélasticité

Porous

NiTi

Shape memory alloys

Sintering

Heat treatment

Pseudoelasticity

Résumé

Les expériences montrent que la porosité apporte de nouvelles caractéristiques aux alliages à mémoire de forme NiTi, comme une faible rigidité et une faible densité. Le NiTi poreux biocompatible, notamment grâce à son comportement pseudo-élastique, présente un grand potentiel pour les applications d'implants dans le corps humain. Bien que différentes techniques soient fournies dans la littérature pour la fabrication d'échantillons de NiTi, le sujet reste ouvert pour des recherches supplémentaires afin d'optimiser es caractéristiques de mémoire de forme. Sur cette base, l'objectif de la thèse est d'analyser et de modéliser le comportement mécanique des alliages à mémoire de forme poreux en NiTi.Des échantillons poreux en NiTi ont été produits en utilisant le frittage par plasma à étincelle (SPS), et testés sous compression uniaxiale pour observer la pseudoélasticité et l'effet de mémoire de forme. Après le frittage, les échantillons n'ont pas montré le comportement pseudoélastique attendu, et ils ont été soumis à un traitement thermique supplémentaire et à une caractérisation. Une large gamme d'homogénéisation et/ou de vieillissement a été appliquée à différentes températures et durées, et l'effet du traitement thermique sur le comportement pseudoélastique du NiTi a été étudié systématiquement. Le comportement de transformation a été observé parcalorimétrie à balayage différentiel, et la composition des phases a été identifiée par diffraction des rayons X (XRD). Ces caractérisations ont donné un aperçu de la micro-structure des échantillons après traitement thermique. Ensuite, le comportement mécanique des échantillons a été étudié. Une micro-indentation a été réalisée pour mesurer la dureté altérée par le vieillissement. Les échantillons sélectionnés ont été testés sous compression uniaxiale et les différences dans leur comportement pseudo-élastique ont été montrées sur les diagrammes contrainte-déformation. A la fin, une amélioration de la réponse pseudo-élastique des échantillons de NiTi traités par SPS a été observée, et l'effet du traitement thermique a été discuté.Dans la partie modélisation, un modèle phénoménologique à l'échelle macro a été proposé pour le comportement mécanique des AMF poreux en utilisant une approche poro-mécanique. Le nouveau modèle phénoménologique considère le milieu poreux comme un squelette constitué d'une matrice solide et d'un espace poreux connectés. Le modèle a été construit à partir d'un modèle de l'AMF dense (modèle de Zaki-Moumni) dans lequel la porosité a été incluse comme une variable d'état interne. Les déformations pseudo-élastiques et plastiques ont été prises en compte, et le modèle a été implémenté dans Abaqus par le biais d'un sous-programme (UMAT) en utilisant le schéma d'intégration implicite d'Euler. Le modèle phénoménologique a été validé en utilisant les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature, et les résultats numériques obtenus à partir de la technique de cellule unitaire (UC) utilisée dans cette étude. La réponse contrainte-déformation uni-axiale a été capturée dans une large mesure avec une réduction significative du coût numérique par rapport à l'approche UC. Il estIl est démontré que le modèle proposé représente le comportement mécanique des AMF poreux avec une précision raisonnable et pourrait être particulièrement utile dans d'éventuelles applications biomédicales des AMF.

Experiments show that porosity brings new features to NiTi shape memory alloys such as low stiffness and density. The bio-compatible porous NiTi, especially with the pseudoelastic behavior, has a great potential for implant applications in the human body. Although different techniques are provided in the literature for manufacturing NiTi samples, the subject is still open for further investigation to achieve superior shape memory characteristics from the material. Based on this, the aim of the PhD thesis is to analyze and model the mechanical behavior of porous NiTi shape memory alloys.Porous NiTi compacts were produced using spark plasma sintering (SPS), and tested under uniaxial compression to observe the pseudoelasticity and shape memory effect. After sintering, the samples did not show the expected pseudoelastic behavior, and they were subjected to further heat treatment and characterization. A wide range of homogenization and/or aging were applied at different temperatures and duration, and the effect of heat treatment on the pseudoelastic behavior of SPSed NiTi was investigated systematically. Transformation behavior was observed using differential scanningcalorimetry, and phase composition was identified using X-ray diffraction (XRD). These characterizations gave an insight into the micro-structure of the SPSed samples after heat treatment. Then the mechanical behavior of the samples was studied. Instrumented micro-indentation was carried out to measure the hardness altered by aging. Selected samples were tested under uniaxial compression and differences in their pseudoelastic behavior were shown on stress-strain diagrams. At the end, an enhancement in the pseudoelastic response of the SPSed NiTi samples was observed, and the effect ofheat-treatment was discussed.In the modeling part, a macro-scale phenomenological model was proposed for the mechanical behavior of porous SMAs by using a poromechanics approach. The new phenomenological model considers the porous medium as a skeleton consisting of a solid matrix and connected porous space. The model was built starting from a dense SMA model (Zaki-Moumni model) in which the porosity was included as an internal state variable. Both the pseudoelastic and plastic deformations were considered, and the model was implemented into Abaqus through a user-defined material subroutine (UMAT) by using the implicit backward-Euler integration scheme. The phenomenological model was validated using experimental results available in the literature, and the numerical results obtained from the unit cell (UC) technique used in this study. The uni-axial stress-strain response was captured to a great extent with a significant reduction in numerical cost when compared to the UC approach. It isshown that the proposed model represents the mechanical behavior of porous SMAs with reasonable accuracy and could be especially useful in possible biomedical applications of SMAs.