comportement et applications des alliages à mémoire · l.p.m.m. séminaire matériaux in2p3 ......
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1Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Comportement et applicationsdes Alliages
mmoire de formeEtienne Patoor
Laboratoire de Physique et de Mcanique des MatriauxUMR CNRS 7554
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2Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
1. Introduction
2. Diffrents comportements
3. Exemples dapplications
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10
Strain (%)
s
Af As
f
AM
Con
train
te (
MPa
)
-
3Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Classification des transformations de phase
Transformations du premier et du second ordre
Transformations avec et sans diffusion
Premier ordre Second ordreEbullitionCondensationSolidification
Transition vitreuse
Liquide en
TT Tv f
V
Liquide
surfusion
Solide cristallin
Verres
Proprits discontinues Coexistence des 2 phases Interface
-
4Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Dfinition de la transformation martensitique
Transformation du premier ordre
A caractre fortement dviatorique
Sans diffusion
X Y
Matrice
(a)
X
Matrice
Y
Matrice
(b)
A
B
C
D
-
5Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
II. Comportement des AMF1. Superlasticit
2. Effet mmoire
3. Mmoire double sens
4. Autres proprits
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10
Strain (%)
s
Af As
f
AM
-
6Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
II.1. SuperlasticitObserve pour la premire fois sur un alliage Cu-Zn en 1952
Temprature
(C)-19-37
s
s2
s1
0
50
100
150
200
250
300
0 2 4 6 8 10
T = 19C
T = - 37 C
Dformation (%)
AM
s1f
Con
train
te (M
Pa) s2
Formation de la variantela mieux oriente
par rapport la contrainteapplique
-
7Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Comportement Superthermique
Temprature
(C)
137
187
s (MPa)
MsMs1 2
As
AM
0
2
4
6
8
10
Df
orm
atio
n (%
)
-25 -20 -15 -10 -5 0
Temprature (C)5 10
137 MPa187 MPa
AfM s
M f
Formation de la variantela mieux oriente
par rapport la contrainteapplique
-
8Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Influence de la microstructure
0
50
100
150
200
0 0,5 1 1,5 2 2,5
Con
train
te (M
Pa)
Dformation (%)
0
2
4
6
8
10
0 50 100 150 200 250
Tr
max
imal
e (%
)
Contrainte (MPa)
Monocristal
Polycristal
Comportement superlastique temprature ambiante dun alliage polycristallinCu-Zn-Al-Ni (Ms = -18C)
Evolution de la dformation maximale de transformation en fonction de la contrainte applique au refroidissement pour un monocristal et un polycristal de CuAlBede mme composition
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9Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Influence de la microstructure
T
Ms
Martensite
Austenite
Mf
-
10Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
II.2. Effet mmoireRefroidissement sans contrainte
Formation dune microstructureautoaccommodante
AM 1
M 2
Mobilit des interfaces martensite/martensite
AM 1
M 2
M 1
M 2
= 0 T = 0
> 0T < 0
.
. .
-
11Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Mmoire de forme simple sens
B
C
D
< f
M Af f
Martensite
Austnite
C
DBA
E
T EA
Refroidissement A-B sans contrainte Martensite autoaccommode
Dformation B-C en phase basse temprature Rorientation des variantes de martensite
Chauffage D-E sous contrainte nulle Retour en austnite et reprise de forme
La recouvrance de forme se ralise uniquement au chauffage
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12Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Application : Retour contraint
L(1)
F (2)
Retour libre
Retour contraint(2)(1)
L
A M A A
Ms (C) Tdf (C) (%) (MPa)
NiTi - 200 - 200 8,0 500 900
CuAlNi + 70 + 25 2,0 300 400
CuZnAlMn - 40 - 90 3,5 550 - 650
As T
MA
Engineering aspects of SMA (1990) p. 121
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13Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Application : Production de travail(3)(2)(1)
L(1)
F (2)(3)
L
A M A AA
As T
MA
Af
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14Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
II.3. Mmoire double sensT1
masse
T2 > T1 T1
masse
Austnite
Martensite
Temprature
f
T1 T2Af
As
Effet obtenu parducation
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15Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Mmoire double sens assiste
mmassem
mm
masse
T2 > T1 T1T1
Austnite
Martensite
Temprature
f
T1 T2Af
As
Education remplace par une force de rappel
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16Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
II.4. Autres effetsEffet caoutchoutique
Dplacement rversible des interfaces martensite/martensite
T < Mf
Effet observ pour la premire fois en 1932 sur un alliage Au-Cd
Amortissement Q-1
TMs
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17Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III. Applications des AMF
1. Mmoire simple sens
2. Retour contraint
3. Capteurs-actionneurs
4. Superlasticit
5. Applications biomdicales
6. Microsystmes
7. Mmoire de forme, formes en mmoire
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18Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.1. One way memory
Peu dapplicationindustrielle
Gadget, JouetsTiNi Alloy Company
Two dozen or less: $3.50/each
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19Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.2. Retour contraint
Premire application industrielle (1969)
Manchon de connectionU.S. Navy F- 14 Tomcat
Raychem
Gnre jusqu 25 kN deffort.
TiNi Aerospace, Inc
http://www.tiniaerospace.com/frangibolt.html
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20Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Couplage
Manchon Cryofit
Intrinsic Devices, Inc
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21Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Cryocon connectorTinel-Lock
I n t r i n s i c D e v i c e s I n c o r p o r a t e d
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22Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
UniLok Applications
Intrinsic Devices Inc, 2003
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23Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
To mount delicate lensesin holders
Lens and Window MountsZero insertion force connector
Use for munitions, missiles, high amperage buss connections and bulkhead feedthroughs
Accelerometer Assembly
Clamp mass elements and piezoelectric materialagainst the center post of shear type accelerometers.Provide easy assembly, consistent performance, and insensitivity to temperature extremes.
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24Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Axial PreloadPreloadof Threaded Fasteners
Locking Nuts Hermetic Seal
Blind Assembly
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25Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
TiNi Aerospace, Inc, 2001
http://www.tiniaerospace.com/frangibolt.html
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26Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.3. Activateurs3 types dactivateur en AMF
Activateur thermiqueActivateur lectriqueActivateur diffrentiel
Ressort de prcontrainte AMF antagonistesGravit
Exemples dactivateur
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27Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Domotique
Valve thermostate
Pour viter larrive deau brlante au dbut de lcoulementles dbits deau chaude et deau froide sont contrlspar laction dun ressort en alliage mmoire de forme .
Furukawa Techno Material Co., 2000
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28Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Application arospatiales
TlescopeHUBBLE, 1990
Ce dispositif permet dassurer le verrouillage des panneaux solairespendant la phase de lancement et de leur dverrouillage une foisle tlescope en orbite.Un chauffage 115C de llment en NiTi permet ce dverrouillage.
@mt Advanced Materials and Technologies, Belgium
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29Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Mars Pathfinder Material adhesion
Expriments
Dynalloy
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30Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.4. Superlasticit
Monture superlastiqueAMF CuAlBe Monocristallin
Aspex Technologies, Brevet LPMM
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31Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Courbes de Manson-Coffin pour des AMF poly et monocristallins
10 100 1000 104 105 1060.01
0.1
1
CuAlBe, single crystal, 293 KCuAlBe polycrystal, 293 KNi-Ti, 308 KNi-Ti, 323 K
Nombre de cycles rupture
AMF Monocristallins
NiTi
CuAlBeMonocristalCuAlBe
Polycristal
Nathalie Siredey, LPMM
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32Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Applications dans lhabillement
Furukawa Techno Material Co.2000
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33Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.5. Applications biomdicales
PolymerMembrane
TiNi Ribbon(closed) +
- Housing
Fluid In
ControlPressure
ValveBiasSpring
SMA actuated microvalvemanufactured by TiNi Alloy Company
Fil guide
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34Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Fil orthodontique
Furukawa
Test de flexion 90 degrspour plusieurs matriaux
Grikin Advanced Materials Co., Ltd
Alliages Dformation permanente Dviation standard
TiNi suprlastique 0 0
NiTi croui 1.34 0.20
Alliage Co-Cr A 25.4 0.66
Alliage Co-Cr B 38.8 1.88
Acier inoxydable A 10.3 0.50
Acier inoxydable B 34.0 0.55
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35Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
StentMemry Corporation
TUBULAR LASER CUT STENTS
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36Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Agraphes d'ostosynthse mmoire de forme
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37Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
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38Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
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39Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Support mobilepour camra endoscopique
Dr. Harald Fischer, Forschungszentrum Karlsruhe, PDG ENDOSMART GmbH
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40Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Instrumentation chirurgicale
Neurochirurgie
Chirurgie vasculaire
Dr. Harald Fischer, Forschungszentrum Karlsruhe, PDG ENDOSMART GmbH
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41Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Forceps intelligents
Traumatisme possiblesi la pression est trop forte
La premire greffe de rein au Japona chou suite un traumatisme Li lemploi des forceps
AMF superlastique
Tohoku University Biomedical Engineering Research Organization
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42Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Medical devicesfor laroscopic surgery
Articulating scissors, dissectors, retractors
Specimen retrieval bag
Memry Corporation
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43Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Microrobotic for genetic
Photo IGBMC-LGIPM
Photo Genetic Microsystems
Metz University
L.P.M.M.
Large scale integration Drop size ~ 100m High productivity
SMA Activator
Objective : DNA hybridizationdensity greaterto 3600 samples/cm2.
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44Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.6. MicrosystmesMicropinceEPFL Lausanne
MicropinceIZT Karlsruhe
Moteur lectrique+ Rducteur
Moteur hydraulique
Moteurpneumatique Moteurthermique
Turbine gaz
AMF
10-2 10-1 1 10 102 103 1041
102
103
104
Masse [kg]
Puis
sanc
e / M
asse
[Wat
t / k
g]
10
-
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46Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Micro robotics applications and nanotechnology
MondoTronics
Innovation On Demand, Inc
Wireless SMA actuators
Laser beamSEM beam
Construction or controlof medical devices.
Manipulation of proteinand genetic components
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TiNi Thin Film Actuators
Built on a 5.1 x 8.1 mm silicon chip. Eight ribbons of thin film 4 m thick, 250 m wide and 2.15 mm long. Can lift 30-40 grams for a distance of 100 to 400 m. 60-80 mA (~2.4volts) are necessary to operate.
TiNi Alloy Company
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48Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Micropositionneur diffrentiel AMF
100 m Prcontrainte
Chauffage partie droite
Chauffage partie gauche
L.P.M.M.
A. Hautcoeur
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49Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Micropositionneur diffrentiel AMF
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50Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Simulation par lments finisSimulation par lments finisABAQUS, UMAT
Micropince (Kohl et al. 2002)
Thse Bertrand PeultierLPMM ENSAM -2005
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51Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
Simulation : du nano au macro
Structures cristallines Microstructure en domaine
Simulation numrique Structure polycristalline
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52Sminaire Matriaux IN2P3 17/10/2006 L.P.M.M.UMR 7554
III.7. Mmoire de formeForme en mmoire
Etienne Krhenbhl (gauche) et Rolf Gotthardt (droite).
"Onibaba".
"Single way to Bethlehem"
http://dpwww.epfl.ch/Gotthardt/ART/Onibaba.htmlhttp://dpwww.epfl.ch/Gotthardt/ART/Bethlehem.htmlhttp://dpwww.epfl.ch/Gotthardt/ART/Onibaba.html
II.1. SuperlasticitComportement SuperthermiqueInfluence de la microstructureII.2. Effet mmoireApplication : Retour contraintApplication : Production de travailII.3. Mmoire double sensMmoire double sens assisteII.4. Autres effetsIII.1. One way memoryIII.2. Retour contraintIII.3. ActivateursIII.4. SuperlasticitIII.5. Applications biomdicalesIII.6. Microsystmes
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