Dans ce chapitre, la méthode d’estimation des sources de chaleur a été éprouvée de façon numérique et expérimentale.
D’un point de vue numérique, l’erreur engendrée par la couche de peinture, utilisée pour recouvrir les échantillons et leur donner une haute émissivité, a été étudiée. Cette couche isole légèrement l’échantillon étudié. Négliger la couche de peinture conduit à sur-estimer les sources de chaleur lorsqu’elles sont faibles, alors qu’en prenant en compte la couche de peinture dans les équations, les sources sont légèrement sous estimées. Il est cependant difficile de quantifier de façon générale l’erreur faite sur l’estimation des sources de chaleur, tant elle sera dépendante du cas étudié. De plus, cette étude reste vrai en considérant que les propriétés thermophysiques du revêtement sont bien identifiées.
Une validation expérimentale a ensuite été réalisée à partir de l’observation d’une transformation martensitique induite thermiquement sur des AMF NiTi. Les propriétés thermophysiques mesurées dans le chapitre précédent ont été utilisées pour réaliser les cal-culs de sources. Les modèles et les techniques d’estimation sur des données expérimentales ont été validés dans le cas 0D et dans le cas 1D. Certaines améliorations ont été proposées dans les sections précédentes.
Les propriétés thermophysiques du NiTi étant mieux connues, les modèles proposés et la méthode d’estimation des sources de chaleurs étant validés à partir d’échantillons de NiTi, l’ensemble va maintenant être utilisé pour réaliser des calculs de sources lors d’un essai de cisaillement sur un échantillon de NiTi.
Chapitre
4
Essai de cisaillement
Sommaire
2.1 Introduction . . . . 33 2.2 Analyse des résultats de la littérature sur les propriétés
thermophy-siquesC etk du NiTi . . . . 33 2.3 Techniques d’estimation des propriétés thermophysiques . . . . 36 2.3.1 Estimation de la capacité thermiqueC . . . . 36 2.3.2 Estimation de la conductivité thermiquek . . . . 38 2.4 Estimations des propriétés thermophysiques par mesures de champs
thermiques : méthode TFM. . . . 40 2.4.1 Présentation de la méthode TFM . . . . 41 2.4.2 Validation théorique de la méthode TFM . . . . 46 2.4.3 Validation expérimentale de la méthode TFM . . . . 57 2.4.4 Application de la méthode TFM aux données thermophysiques
du NiTi . . . . 60 2.5 Estimation des propriétés thermophysiques du NiTi par des méthodes
de référence . . . . 65 2.5.1 Estimation de la capacité thermiqueC par DSC . . . . 65 2.5.2 Estimation de la diffusivité thermique . . . . 70 2.5.3 Estimation de la conductivité thermique par la méthode 3ω . . 79 2.6 Bilan . . . . 80
Nous avons dans les deux chapitres précédents déterminé précisément les capacités thermiques et les conductivités des alliages NiTi, puis vérifié la validité de notre méthode d’estimation de sources de chaleur à partir des mesures de champs de température par caméra Infra-Rouge. Nous pouvons ainsi dans ce chapitre étudier le comportement ther-momécanique d’un AMF NiTi lors d’une sollicitation mécanique, en fournissant d’une part les mesures usuelles purement mécaniques (contrainte, déformation), d’autre part les mesures de sources et énergies mises en jeu. Après une description du matériau et des méthodes utilisées, nous présenterons et discuterons les résultats obtenus lors d’essais de cisaillement superélastique réalisés sur des plaques.
4.1 Matériau et méthode
Des mesures de champs cinématiques de déformation et de champs de température ont été effectuées lors d’essais de traction de plaque et tubes d’AMF NiTi dans le cadre de la thèse de Pauline Schlosser [Favieret al., 2007; Schlosser, 2008]. Dans les essais de traction étudiés, des phénomènes de localisation de déformation se produisaient très rapidement, faisant apparaître des zones fortement déformées, avec des déformations locales supérieures à 5%, et des zones peu déformées, avec des déformations locales inférieures à 1%. Ces phénomènes de localisation sont un frein à l’étude du comportement thermomécanique de l’alliage NiTi, car d’une part ils complexifient les calculs de sources de chaleur et entachent les valeurs mesurées par une forte incertitude et d’autre part ils empêchent d’étudier la zone de déformation entre 1 et 5%. Il apparaît ainsi préférable de rechercher un type de sollicitation ne présentant pas de phénomènes de localisation. Une première solution est de solliciter en traction équibiaxiale une plaque de Nickel-Titane ; ceci a été réalisé grâce à des essais de gonflement circulaire (appelé bulge-tests), la pression étant exercée par de l’eau [Grolleauet al., 2011] (voir Annexe D). Cet essai qui a été réalisé en collaboration avec V. Grolleau et G. Rio du LIMATB de Lorient a montré que pour ce type de sollicitation, aucun phénomène de localisation n’apparaissait. Cependant, l’exploitation des champs de température n’est pas aisée, car la plaque soumise à l’essai de gonflement a une surface en contact avec l’air extérieur et l’autre en contact avec l’eau exerçant la pression. Une seconde solution d’essai homogène consiste à appliquer un état de déformation de type cisaillement, soit en réalisant des essais de torsion sur tubes, soit en réalisant des essais de cisaillement sur plaques. Les essais de torsion ont été réalisés par Sun and Li [2002] qui ont montré qu’aucun phénomène de localisation n’apparaissait dans ce cas. Des essais de cisaillement sur plaque ont été réalisés par Manach and Favier [1997], Orgéas and Favier [1998] et Schlosser [2008], qui dans les trois cas ont montré que cet essai était bien homogène pour les alliages NiTi utilisés. L’essai de cisaillement sur plaque a donc été choisi, car permettant du fait de sa géométrie des mesures simultanées de champs cinématiques et thermiques, et du fait des conditions thermiques des estimations de sources, car les deux faces de l’échantillon sont en contact avec l’air ambiant. Les essais de cisaillement présentés ici ont été réalisés à Lorient, au sein du Laboratoire d’Ingénierie des Matériaux de Bretagne (LIMATB), en collaboration avec P.Y. Manach. Le dispositif expérimental utilisé est présenté sur la Fig. 4.1. Il reprend le principe de la platine de cisaillement mise au point par P.Y. Manach [Manach and Favier, 1997], avec une très nette amélioration sur les dispositifs de serrage des échantillons, réalisés par des vérins hydrauliques. De plus, cette nouvelle platine permet l’observation des deux faces des échantillons cisaillés. Par contre, cette platine ne permet pas le contrôle de la température de l’essai. Au cours des essais de cisaillement, réalisés à température ambiante, les champs cinématiques et de températures ont été mesurés avec une caméra visible et une caméra IR disposées de la façon présentée sur les Figs. 4.1.a et 4.1.c. Pour les mesures réalisées dans le visible, une lumière froide éclaire de façon homogène la scène observée (Figs. 4.1.b).
Comme illustré sur la Fig. 4.2, chacune des faces de l’éprouvette est dédiée à une mesure et est préparée de manière spécifique. Un mouchetis noir sur fond blanc a été déposé sur la face avant pour permettre les mesures des champs cinématiques (Fig. 4.2.a) alors que
Figure 4.1: Photographies du dispositif expérimental. a) Vue de devant avec la caméra visible et b) agrandissement de la zone observée. c) Vue de derrière avec la caméra IR.
la face arrière a été recouverte uniformément d’une peinture noire à haute émissivité pour réaliser les mesures de champs thermiques (Fig. 4.2.b). Sur ces images on observe des bandes horizontales, composées de stries verticales, qui correspondent à la zone de serrage de l’éprouvette. Chaque trait vertical correspond à une dent des mors de serrage. Les photos qui ont été prises après l’essai après démontage de l’éprouvette montrent que chaque trait est bien marqué, indiquant que l’éprouvette n’a pas glissé dans les mors lors de l’essai, du fait de la qualité du serrage de la platine du LIMATB.
L’éprouvette a été découpée dans une plaque d’épaisseure0= 0.34 mm. La zone utile observée par la caméra visible et par la caméra IR a les dimensionsL0 xl0 = 55 x 4 mm2, comme présenté sur la Fig. 4.3.a. Dans cette étude, on utilise le matériau en Ti - 50.8 at. % Ni présenté dans le deuxième chapitre (section 2.4.1.1). La mesure par DSC tracée sur la Fig. 2.10.b montre que les températures de début et de fin de transformation directe A-M sont égales à TAs−M =−18◦C etTAf−M =−50◦C. Les températures de début et de fin de transformation inverse M-A sont respectivement Ts
M−A= −40◦C et TMf−A= 5◦C. L’alliage étudié est ainsi complètement austénitique à température ambiante et ne présente
Figure4.2: Éprouvette de cisaillement. a) Face avant permettant la mesure des champs cinématiques. b) Face arrière permettant la mesure des champs thermiques.
pas de phase R. Les chaleurs latentes de transformation associées aux deux transformations mesurés par DSC sont respectivement ∆HA−M = 8.1±1Jg−1 et ∆HM−A= 10.8±1Jg−1. L’éprouvette est chargée de façon cyclique avec une vitesse de déplacement de la traverse égale à ˙uy = 4.10−2mm s−1, ce qui correspond à une vitesse de déformation en cisaillement moyenne ˙γ = u˙y
l0 = 10−2 s−1. Quatre cycles de charges et décharges sont réalisés. Après chaque charge et chaque décharge, le déplacement de la traverse est maintenu constant pendant une durée ta = 30 s comme représenté sur la Fig. 4.3.b. La fin de la charge est définie successivement pour les valeurs de déformation de cisaillement nominale suivantes :
γ = Uy
l0 = 2.5, 5, 10 et 15%, où Uy représente le déplacement axial du mors mobile. La fin des décharges est effectuée à force nulle.
Figure 4.3: a) Schéma représentatif de l’essai de cisaillement. b) Chargement cyclique réalisé.
La caméra visible utilisée acquiert les images à la fréquence d’acquisition fvisible acq = 5 Hz, la caméra IR à la fréquence facqIR = 6.6 Hz. La résolution de la caméra visible permet d’obtenir environ 100 pixels dans la largeur de l’éprouvette, celle de la caméra IR 20 pixels. Les images visibles sont traitées avec le logiciel 7D et les images IR avec la méthode d’estimation de sources de chaleur présentée précédemment.