Les alliages à mémoire de forme (AMF) ont pour propriété

remarquable de changer de forme avec la température.

Si l’on déforme un tel alliage dans sa phase basse température,

il reprend sa forme initiale par une transformation de phase en

le chauffant au-dessus d’une température critique.

Effet mémoire de forme

(EMF)

1.Introduction

Découverte entre 1950 -1960

1951 Au - Cd

1956 Cu - Zn restent à l’époque réservés au domaine militaire.

1963 Ni - Ti

1ère application: manchons d’étanchéité pour tubes hydrauliques

des avions F-14.

Dans les années 1980, étudiés pour applications industrielles.

Phénomène basé sur une transformation de phase martensitique

(TPM).

Martensite: phase dans alliages Fe-C obtenue après trempe

de la phase HT « austénite ».

Transformation sans diffusion d’atomes par cisaillement de

groupes d’atomes.

Par extension, on parle pour les tous AMF de phases austénite et

martensite.

L’effet mémoire de forme existe

• dans les alliages: basé sur la transformation

martensitique induite thermiquement ou par contrainte

• dans les céramiques: lié à des transitions

ferroélectriques. L’effet est plus petit mais plus rapide.

• dans les polymères: lié à la transition vitreuse

TPM est une transformation par déplacement atomique sans

diffusion càd

« Un atome a toujours les mêmes voisins, les atomes ne changent

pas leurs places respectives »

→ le déplacement des atomes est inférieur à la distance

interatomique.

Alors que la migration des atomes sur de longues distances

implique une dépendance en temps et en température,

ces transformations dites « displacives » sont indépendantes du

temps.

2.Transformation de phase martensitique

dans les alliages à mémoire de forme

TPM

Phase Haute Température ou Austénite

Phase Basse Température ou Martensite

C’est une transformation du 1er ordre se déroulant par nucléation

et croissance.

Quand la température d’un AMF est abaissée, la nouvelle phase

n’est pas formée à une température précise mais dans un

intervalle de température pour lequel les deux phases coexistent.

La force motrice pour l’apparition d’une nouvelle phase est la

diminution de l’énergie libre de Gibbs.

A T0, GM = GA

Cependant, la transformation ne commence pas à T0 mais à une

température plus basse (MS) Martensitique Start.

Ce surfroidissement est nécessaire pour la nucléation de la

martensite.

Pour que la transformation progresse et que les interfaces se

propagent, il faut de nouveau diminuer la température.

La transformation est terminée à MF (Martensite Finish)

Lors du réchauffement, la transformation Martensite en Austénite

commence à la température AS (Austenite Start) au-dessus de MF et

se termine à la température AF (Austenite Finish)

Présence d’une hystérésis

Les différences de température (Ms - Mf) ou (Af - As)

représentent l’énergie élastique stockée.

Les différences de température (As - Mf) ou (Af - Ms)

représentent l’énergie dissipée responsable de

l’amortissement.

TPM s’accompagne d’un changement de forme basé sur une

déformation de réseau → grande déformation élastique dans la

phase mère autour de la martensite formée.

Pour diminuer cette déformation, deux possibilités:

par glissement

par macles

3.Structure des phases présentes dans les AMF

Exemple de particules de zircone mâclée

Macles dans des plans perpendiculaires

Il existe un plan commun entre les deux phases: plan d’habitat.

C’est un plan qui, d’un point de vue macroscopique, n’est pas

déformé.

Plan ABCD

Alliages à base de cuivre:

Austénite structure cubique centrée, les plans les plus denses

sont {110}. Leur position devient instable vers la T° de

transformation ils bougent et créent une nouvelle structure

où ces plans sont appelés basaux.

Micrographie d’un alliage Cu-Zn-Al

Partie supérieure:

2 variantes martensitiques

croissant dans l’austénite

Partie inférieure:

1 variante martensitique

1. Effet de mémoire de forme: EMF

4. Effets secondaires

(a) forme initiale en phase austénite est imprimée dans sa

« mémoire » par traitement à T° élevées (400 à 600°C)

(b) variantes martensitiques auto-accommodées

(c) et (d) on déforme le matériau (état martensitique) en

appliquant une contrainte. (d) cas du monocristal.

(e) retour en austénite en chauffant et retour à la forme initiale

2. Superélasticité

Il est possible dans un AMF en phase austénite d’induire la

martensite en appliquant une contrainte externe

transformation isotherme sous contrainte

Allongement en traction pour 3 températures

Soit Md, la température à partir de laquelle la contrainte nécessaire

pour générer la phase M > à la contrainte critique de déformation.

Pour T>Md, comportement élastique classique

Pour Af<T<Md, courbe superélastique: E chute à partir de σse1 et on

peut déformer le matériau εse (A M)

A cette T°, M n’est pas stable sans contrainte externe et M A et

retrouve sa forme initiale.

Si T < Mf, déformation pseudoplastique permanente

mais réversible lors d’un échauffement à T > Af

3. Amortissement élevé

Les AMF peuvent dissiper l’énergie d’une excitation mécanique

externe. C’est le frottement interne.

Qtot-1 = Qtr

-1 + Qph-1 + Qtp

-1

Q

5. Méthodes de fabrication

1. Fabrication des alliages

! Contrôle de la composition

« Une variation de 1% atomique d’un des composants peut

modifier la T° de transformation de 100K. »

Schéma général: 3 étapes

1°) Fusion

2°) Mise en forme

3°) Traitement thermique spécifique pour retrouver les

propriétés de mémoire de forme ou de superélasticité

AMF à base de Cu et Ni-Ti:

1°) Fusion

Principale technique:

• fusion par induction dans atmosphère inerte dans creuset C

Autres:

• fusion par faisceau d’électrons sous vide

• fusion par plasma sous Ar

• fusion par décharge sous Ar

2°) Après fusion, mise en forme par

• forgeage

• laminage à haute température (800°C pour Ni-Ti)

3°) Traitement thermique spécifique

Techniques particulières:

Longues bandes très minces (épaisseur 30µm):

• projection de l’alliage fondu sur une roue en rotation

Méthode plus récente: Métallurgie des poudres

• Compression des poudres

• Frittage

Avantage: bon contrôle de la composition

Désavantage: pores

2. Fabrication des couches minces de Ni-Ti

Par PVD:

épaisseurs de quelques centaines de nm à quelques µm

Problème:

• mauvais contrôle de la composition du film (perte de Ti)

ajustement de la composition

• couches sont amorphes

recuisson pour cristalliser ou

réaliser le dépôt sur substrat chauffé

Autre technique originale à partir d’une multicouche de

Ni/Ti…pure.

Traitement thermique pour former les couches intermétalliques

Exemple: Film Ni-Ti d’épaisseur 1.5 µm

Martensite Austénite après échauffement

1. Applications macroscopiques non médicales

Conditions d’utilisation très variables:

• déclenchement d’une action après période inactive.

exemples: déploiement d’une antenne ou de panneaux

solaires d’un satellite

• capacité d’absorption de chocs intenses

exemple: protections antisismiques

• mouvements répétitifs en milieu hostile

exemple: robots sous-marins

6. Applications

1ère application en 1970:

manchons d’accouplement de tubes hydrauliques dans

avions militaires: dilatation du manchon en phase M pour

positionnement sur la jonction de deux tubes en Ti puis après

réchauffement, le manchon se resserre par EMF

raccordement étanche.

Matériau: Ni-Ti-Fe avec Ms << -55°C car cahier des charges

demandait une fixation assurée jusqu ’à -55°C

manipulation dans N2 liquide.

Autre matériau: Ni-Ti-Nb pouvant être assemblé par soudage

Exemple d’anneaux de serrage en AMF

Autre application:

Connectique électrique: vanne actionnée par un ressort en

AMF.

Lorsqu’un liquide froid coule à travers la vanne, ressort A est M et est

comprimé par le ressort élastique B vanne ouverte

Si la T°à T > As, le ressort A tend vers la forme austénite allongée, le ressort

élastique B est comprimé vanne se ferme

Exemples d’application:

• vannes de sécurité contre surchauffe,

• détecteurs d ’incendie

• vannes de régulation pour douches

• systèmes de refroidissement de moteurs

• contrôleur de flux d ’air pour climatisation

Application utilisant la forte capacité d’amortissement du Ni - Ti :

• protection des bâtiments contre les tremblements de terre par des

câbles superélastiques qui pourraient recentrer le bâtiment

Applications très répandues utilisant l’effet superélastique du

Ni - Ti:

• monture de lunettes qui supportent des déformations

importantes sans se casser

• antennes flexibles pour GSM

• lignes de pêche

• fils superélastiques dans des vêtements, chaussures...

2.Microdispositifs

Le déclenchement de mouvement se fait en chauffant des micro -

pompes, microvalves...

3.Applications médicales

Ni - Ti est le seul AMF avec une très bonne biocompatibilité

implants

instruments microchirurgicaux

Exemple

d’endoprothèse

expansible pour traiter

des obstructions

vasculaires

1. Implants

• endoprothèses

• Filtres sanguins

• Orthopédie: réparation de fractures par des plaquettes en

AMF

• Dentisterie: arcs dentaires pour réaligner les dents

2. Instruments chirurgicaux

Microforceps avec articulation superélastique - cheveu tenu par le microforceps

4.Matériaux composites

Principe:

Incorporation des fibres en AMF dans une matrice en exerçant une

traction martensite induite par contrainte externe.

On chauffe en injectant du courant électrique les fibres se

transforment en austénite et se contractent en générant une

contrainte interne modification de la fréquence propre.

Application:

dispositifs pour changer la fréquence de vibration d’un système

comme par exemple certaines parties d’un avion au décollage. Avec

des polymères avec fibres Ti - Ni, la a été déplacée de 50%

7. Conclusion

Les AMF ont mis beaucoup de temps pour se développer

• leurs propriétés étaient mal connues

• d’autres matériaux moins chers satisfaisaient…

Aujourd’hui, ils ont percé dans des créneaux qu’ils sont

seuls à satisfaire (rapport puissance /poids) et ils sont

devenus compétitifs.

Création de banques de données détaillées de ces alliages

Principales applications: microélectroniques et médicales