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Réarrangement de la structure martensitique par le champ magnétique

Chapitre I : Alliages magnétiques à mémoire de

II. Alliages Magnétiques à Mémoire de Forme

II.1. Réarrangement de la structure martensitique par le champ magnétique

L’effet mémoire de forme magnétique est un Réarrangement de la martensite maclée Induit

Magnétiquement (RIM). Les phases martensites des AMMF possèdent un axe de facile

aimantation du fait de leur anisotropie magnétocristalline. En l’absence de champ magnétique

extérieur, les moments magnétiques de chaque variante pointent en direction de l’axe de facile

aimantation de la maille martensitique (axe c). Lorsqu’un champ magnétique est appliqué au

système, les moments magnétiques tendent à s’aligner dans la direction du champ magnétique

afin de réduire l’énergie magnétique du système. L’alignement se réalise par la croissance de

la variante la plus favorablement orientée par mouvement des plans de macle (figure I.5). Les

plans de macle commencent à se mouvoir lorsque le champ magnétique dépasse une valeur

critique pour laquelle la différence d’énergie Zeeman entre deux variantes dépasse l’énergie

mécanique nécessaire au déplacement collectif des atomes au voisinage du plan de macle

[Ullakko et al., 1996]. Cet aspect est développé dans les paragraphes II.1.3 et III.2.3.

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Figure I.5. Représentation schématique du réarrangement de la martensite maclée par application

d’un champ magnétique extérieur. Le schéma présente l’exemple d’une martensite pseudo-orthorhombique, le petit axe c est l’axe de facile aimantation.

L’activation de ce processus nécessite deux conditions : une forte anisotropie

magnétocristalline et une faible contrainte de réarrangement. La première condition assure le

blocage des moments de chaque variante selon l’axe de facile aimantation. La seconde

condition, corrélée à la première, assure que le mouvement des plans de macle se réalise dans

un champ modéré, bien inférieur au champ nécessaire à aligner les moments dans la direction

du champ par simple rotation. De plus, il a été démontré que le mouvement des plans de

macle se réalise en l’absence de mouvement des parois des domaines magnétiques.

L’augmentation de l’aimantation dans les variantes dont l’axe de facile aimantation est

quasiment perpendiculaire au champ, se réalise uniquement par rotation des moments

magnétiques pendant le mouvement des plans de macle [Lai et al., 2007].

II.1.2. Déformations géantes induites par le champ magnétique

Comme décrit précédemment, un processus de démaclage se produit lorsque les variantes de

martensite sont soumises à l’application d’un champ magnétique extérieur. Une variante croît

au détriment de l’autre et ce phénomène est accompagné d’une déformation macroscopique.

L’optimisation de cet effet a conduit à l’observation de déformations de 9.5%, induites par un

champ magnétique inférieur au tesla, dans une martensite monocristalline [Sozinov et al.,

2002]. Le mécanisme pour obtenir de telles déformations est décrit en figure I.6.

L’échantillon est d’abord soumis à une contrainte mécanique pour obtenir un état où une

variante unique de martensite (variante A de la figure I.6) occupe tout le volume de

H H = 0

a a a

c

c

a a

c

c

c

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l’échantillon. La variante cristallise dans une maille pseudo-orthorhombique avec une

tétragonalité inférieure à un (c/a<1). Les structures cristallographiques des différentes phases

martensites des alliages Ni-Mn-Ga sont détaillées au paragraphe III.1. Son axe de facile

aimantation est orienté le long du petit axe c. Lorsqu’un champ magnétique perpendiculaire à

l’axe de facile aimantation de la structure est appliqué, la variante dont l’axe de facile

aimantation est très proche de la direction du champ (variante B de la figure I.6) nuclée dans

la variante initiale (variante A de la figure I.6) pour réduire l’énergie magnétique du système.

Les nouvelles variantes sont maclées avec les variantes initiales. Lorsque le champ

magnétique appliqué dépasse une valeur critique, les nouvelles variantes croissent par

mouvement des plans de macle. Finalement, la structure de l’échantillon est uniquement

composée de la nouvelle variante. L’intensité de la déformation dépend de la tétragonalité de

la phase martensite. Elle peut atteindre 10% [Sozinov et al., 2002], une valeur deux ordres de

grandeur supérieure aux déformations observées dans les matériaux piézoélectriques [Park et

Shrout, 1997, Li et al., 2008] et magnétostrictifs [Pasquale, 2003] (voir paragraphe II.3.2).

Figure I.6. A partir d’un état variante unique, l’application d’un champ magnétique perpendiculaire

à la direction de facile aimantation de la variante initiale transforme les variantes A en variantes B et induit une élongation ∆l ≈ l(a/c-1) dans la direction perpendiculaire au champ magnétique appliqué.

Le processus de réarrangement conduit également à une augmentation abrupte de

l’aimantation [Heczko et al., 2002 ; Heczko, 2005 ; Wilson et al., 2007]. La figure I.7

représente le cycle d’aimantation typique ainsi que l’évolution de la déformation avec le

champ magnétique pour un monocristal Ni-Mn-Ga. Avant les mesures d’aimantation,

l’échantillon est soumis à une contrainte mécanique pour obtenir un état possédant une unique

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variante. La croissance de la nouvelle variante résulte en une augmentation abrupte de

l’aimantation en raison du grand degré d’alignement de l’aimantation des nouvelles variantes

par rapport au champ. Comme le montre la figure I.7, une hausse de l’aimantation (∆M)

d’environ 50% de l’aimantation à saturation est induite pendant le réarrangement structural.

Ce processus est accompagné d’une déformation macroscopique d’environ 5,5%. Le procédé

de désaimantation ne suit pas le même chemin que le procédé d’aimantation, indiquant que le

matériau conserve la déformation après le réarrangement. L’application d’un champ

magnétique inverse aligne les moments magnétiques dans la direction du champ mais ne

permet pas de retrouver la structure initiale.

Figure I.7. Cycle d’aimantation (en haut) et déformation en fonction du champ (en bas) d’un

monocristal Ni-Mn-Ga présentant un effet RIM. Les mailles de la variante initiale (I) et de la variante générée par le champ (II), sont représentées sur la figure [Heczko et al., 2002].

II.1.3. Réversibilité de la déformation lors de la suppression du champ magnétique

Afin d’obtenir une déformation complètement réversible lors de la suppression du champ

magnétique, une contrainte de compression peut être appliquée perpendiculairement à la

direction du champ appliqué [Heczko, 2005]. Une telle contrainte peut faire nucléer la

variante initiale dans la variante générée par le champ lors de la cessation de ce dernier,

donnant lieu au retour à la forme initiale accompagné d’une chute abrupte de l’aimantation.

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L’intensité de la contrainte doit être supérieure à la contrainte de réarrangement mais

inférieure à la contrainte exercée par le champ magnétique. Si la contrainte appliquée est plus

faible que la contrainte de réarrangement, le réarrangement inverse est partiel et l’échantillon

contient les deux types de variantes lorsque le champ est supprimé. Si la contrainte appliquée

est plus élevée que la contrainte exercée par le champ, le processus de RIM est supprimé. Les

trois cas sont illustrés en figure I.8. La figure I.8 révèle que, même dans le cas du

réarrangement réversible, une hystérésis des champs d’activation est observée entre les

procédés d’aimantation et de désaimantation.

Figure I.8. Cycle d’aimantation (en haut) et déformation en fonction du champ (en bas) d’un

monocristal Ni-Mn-Ga sous différentes contraintes de compression appliquées perpendiculairement à la direction du champ magnétique. L’échantillon montre un réarrangement partiellement réversible, un réarrangement réversible et l’absence de réarrangement pour des contraintes mécaniques appliquées de 0,6 MPa, 1.4 MPa et 3 MPa, respectivement. Le sens d’application et de suppression du champ magnétique est indiqué par des flèches [Heczko, 2005].

La présence d’un comportement hystérétique peut être expliquée par les inégalités

ci-dessous :

extérieure mec ent réarrangem mec ent réarrangem mag

σ σ

σ ≥ +

Equation (I.3.) ent réarrangem mec inverse ent réarrangem mag extérieure mec

σ σ

σ ≥

+

Equation (I.4.)

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Dans les inégalités précédentes, σ

magréarrangement

et σ

magréarrangementinverse

correspondent aux contraintes

exercées par le champ magnétique lors du réarrangement et du réarrangement inverse. Ces

contraintes sont proportionnelles à l’intensité du champ magnétique appliqué.σ

mecréarrangement

et

extérieure mec

σ représentent respectivement la contrainte mécanique de réarrangement (plateau de la

figure I.3.) et la contrainte mécanique extérieure appliquée à l’échantillon. Ces contraintes ne

dépendent pas du champ magnétique.

L’inégalité (I.3.) décrit la première partie du cycle, où la force induite magnétiquement doit

être suffisante pour dépasser la contrainte de réarrangement et la contrainte extérieure.

L’inégalité (I.4.) représente le processus de réarrangement inverse, pour lequel une grande

contrainte extérieure est nécessaire pour nucléer et faire croître les variantes initiales. Les

inégalités précédentes peuvent être réécrites sous la forme :

ent réarrangem mec extérieure mec ent réarrangem mag

σ σ

σ ≥ +

Equation (I.5.) ent réarrangem mec extérieure mec inverse ent réarrangem mag

σ σ

σ

≥ −

Equation (I.6.)

Il apparait alors que σ

magréarrangementinverse

est inférieure àσ

magréarrangement

. Cette situation indique que le

processus de réarrangement inverse se produit pour une intensité de champ magnétique plus

faible que le réarrangement induit lors de l’application du champ magnétique, expliquant la

présence d’une hystérésis entre les deux processus.

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