Partage Célébrale: Alliage à mémoire de forme (AMF) / Shape Memory Alloys (SMAs)

Alliage à mémoire de forme

CE MATÉRIAU EST INTELLIGENT ! (nitinol)

Les alliages à mémoire de forme (AMF ou Shape Memory Alloys SMAs) sont des métaux qui, après être déformés, à une certaine température reviennent à leur forme originale. Un changement dans leur structure cristalline au-dessus de leur température de transformation cause leur retour à leur forme initiale. Ils présentent deux propriétés très unique :

La pseudo-élasticité et l'effet mémoire de forme.

L’effet mémoire de forme a été premièrement découvert par le physicien suédois Arne Olander en 1932, qui a utilisé un alliage d’or (Au) et du cadmium (Cd), mais pas avant les années 60, que les recherches avancées sérieuses sont faites dans la direction des alliages à mémoire de forme. Dans les débuts des années 60, des chercheurs de U.S. Naval Ordnance Laboratory ont découvert l’effet mémoire de forme dans l’alliage titane (Ti) nickel (Ni) et ils l’ont nommé Nitinol (un acronyme pour Nickel Titanium naval Ordnance Laboratory). Encore, pas avant les débuts des années 70 que quelques produits commercial actifs apparaissent qui mettaient en œuvre des alliages à mémoire de forme. Les plus efficients et largement utilisés des alliages à mémoires de forme inclurent (nickel-titane), CuZnAl, et CuAlNi. Des alliages à mémoire de forme (AMF) présentent aussi un comportement pseudo-élastique, lequel est le nom générique pour le comportement du caoutchouc et de la super élasticité. L’effet mémoire et la pseudo-élasticité, tous les deux sont principalement provoqués par transformation de phase à l'état solide du matériau. Il y a deux phases stables dans les alliages à mémoire de forme.

- Martensite à basse température et austénite à haute température.

La Martensite (selon le scientifique Allemand Martens) était originalement utilisée pour concevoir des micros constituants durs formés dans les tiges trempées d’aciers. Maintenant c’est utilisé dans un large contexte applicable à des produits de transformation martensitique. Certaines transformations ont lieu dans des solides cristallins par des déplacements coordonnés d’atomes où molécules à travers des distances plus petites que des distances interatomiques dans les phases parentales. Pour cette raison les transformations sont décrites comme être sans diffusion.

L’Austénite était le nom originalement donné la structure Crystal cubique face centrée du fer. Il est aujourd’hui utilisé dans un large contexte pour d’autres métaux, des alliages avec des structures cubiques.

En général, un AMF commence la transformation martensitique à une température Ms pendant le refroidissement. La transformation est complète quand la température basse Mf est atteinte, où le matériau est dit être dans l’état martensitique. Au-dessus d'une certaine température As, le matériau commence la transformation de retour à l’austénite et la transformation est complète à haute température, Af.

Figure 1 : Schematic sketch of NiTi microstructure. (a) Austenite; (b) martensite (twined).

Une illustration schématique des deux phases de nitinol, lequel est un typique AMF qui contient un proche mixte de nickel (55 wt.%) et titane, comme montré sur la Figure 1. Si aucune force n’est appliquée pendant le chauffage ou le refroidissement, la microstructure de l’alliage changera sans changement remarquable forme macroscopique. Dans la condition martensite, un alliage peut être facilement déformé dans une nouvelle forme par des mécaniques atomiques non conventionnelles. L’alliage restera dans une nouvelle forme autant que la température est gardée constante. Le chauffage causera la transformation retour de la phase austénite du matériau et restaurera ces formes originales. L’effet de restauration est appelé l’effet mémoire de forme Figure 2.

Figure 2 : Schematic microstructure diagram of the shape memory effect.

Dans des cas, l’effet mémoire est un chemin, qui signifie que, au-dessus du refroidissement, un AMF ne subir pas un changement de forme, même si la structure revient à la martensite. Quand la martensite est déformée à quelque pour cent, cependant, cette déformation est conservée avant que le matériau est encore chauffer, à quel temps la restauration de forme se produit. Au-dessus du refroidissement, le matériau ne change pas spontanément de forme, mais doit être délibérément déformé si la restauration de forme est désirée. C’est possible dans certain AMF de provoquer deux chemin de mémoire de forme. C’est-à-dire, le changement de forme se produit au-dessus des deux, chauffage et refroidissement. La quantité de changement de forme est toujours moins signifiante que celui obtenu avec un chemin d’effet de mémoire de forme, et une très petite contrainte peut être exercée par l’alliage comme s’il essaie d’encaisser ca forme à température basse. Le changement de forme au chauffage peut encore exercer très grande force, comme avec la mémoire dans un chemin.

L’AMF présente aussi un comportement pseudo-élastique. Contrairement à l’effet mémoire de forme, la pseudo-élasticité se produit sans un changement de température. Dans les conditions austénite, un AMF subi une transformation de phase de l’austénite à la déformé martensite (ou contrainte induit martensite) quand une contrainte est appliqué. Une fois la contrainte est réalisé, le matériau retourne à l’état austénite, ce qui signifie ca forme est restauré. Ceci est appelé super élasticité. Une courbe contrainte déformation est montré dans la Figure 3.

Figure 3 : Schematic stress-strain curve of a NiTi alloy loaded above Ms temperature and then unloaded. Stress-induced martensite (SIM) is formed during loading, which disappears upon unloading.

Figure 4 : Load diagram of the superelastic effect above Af temperature.

Tandis la courbe chargement température de la figure montre la procédure de transformation pendant un cycle chargement et déchargement.

Ce comportement caoutchouteux a été observé en 1932 par Olander, qui étudiait un alliage Au-Cd. Ce phénomène a été trouvé dans quelque système AMF comme Cu-Al-Ni, Cu-Au-Zn, et Cu-Zn. Considérant l’alliage Au-Cd, il est intéressant de remarqué que le comportement caoutchouteux est trouvé seulement après que la martensite est affinée à température ambiante à la fin de quelque heure. Récemment des éprouvettes transformées présentaient l’effet mémoire de forme et des barres pliées ne retourneront pas en ressort à leur forme originale sans affinage. Le comportement caoutchouteux constitue aussi un type mécanique de mémoire de forme comme le fait le procédé de superplasticité, et en effet, ces deux phénomènes ne peuvent être distingués sur les courbes basiques de contrainte déformation seulement. Mais le comportement caoutchouteux est caractéristique d’une structure martensitique, tandis que le comportement super élastique est associé avec la formation de martensite de la phase parentale sous la contrainte. Ces deux types de comportement collectivement tombent dans la catégorie pseudo élasticité. L’AMF commercial la plus valide est l’alliage NiTi et l’alliage à base de cuivre. Des propriétés des deux systèmes sont un peu différentes. L’alliage NiTi a une meilleure déformation de mémoire de forme (supérieur à 10% contre 4 à 5% pour l’alliage à base de cuivre), tendant à être plus stable thermiquement, et a une excellente résistance à la corrosion, et a une grande ductilité. D’autre part, l’alliage à base de cuivre est moins chère, peut être mélangé et extrudé dans l’air avec facilité, et a un large domaine de température de transformation potentiel. Les deux systèmes d’alliages qui ont des avantages et des désavantages qui doit être considérer dans des applications particulières.

E.A. Avallone, T. Baumeister, A.M. Sadegh, Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, McGraw-Hill Education, 2006.

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Application

Nitinol Glasses