Les alliages à mémoire de forme (AMF) présentent une réponse de déformation caractéristique aux sollicitations thermomécaniques. Ces sollicitations proviennent de températures élevées, de déplacements chimiques, de transformations solides-solides, etc. (la phase d'ordre élevé à haute température est appelée austénite, et la phase d'ordre faible à basse température, martensite). Les transitions de phase cycliques répétées entraînent une augmentation progressive des dislocations. Les zones non transformées réduisent alors la fonctionnalité de l'AMF (phénomène appelé fatigue fonctionnelle) et génèrent des microfissures, qui, lorsqu'elles sont suffisamment nombreuses, peuvent conduire à une rupture. De toute évidence, la compréhension du comportement en fatigue de ces alliages, la résolution du problème des rebuts coûteux et la réduction du cycle de développement des matériaux et de conception des produits engendreront d'importantes pressions économiques.
La fatigue thermomécanique a été peu étudiée, notamment la propagation des fissures de fatigue sous cycles thermomécaniques. Lors des premières applications des alliages à mémoire de forme (AMF) en biomédecine, les recherches sur la fatigue se concentraient sur la durée de vie totale d'échantillons « sans défaut » soumis à des charges mécaniques cycliques. Dans les applications avec des AMF de petite taille, la propagation des fissures de fatigue a peu d'impact sur la durée de vie ; la recherche s'oriente donc vers la prévention de l'amorçage des fissures plutôt que vers le contrôle de leur propagation. En revanche, dans les applications de motorisation, de réduction des vibrations et d'absorption d'énergie, il est essentiel d'obtenir rapidement de la puissance. Les composants en AMF sont généralement suffisamment grands pour permettre une propagation significative des fissures avant rupture. Par conséquent, pour satisfaire aux exigences de fiabilité et de sécurité, il est nécessaire de comprendre et de quantifier précisément le comportement de la propagation des fissures de fatigue par la méthode de tolérance aux dommages. L'application des méthodes de tolérance aux dommages, basées sur les concepts de la mécanique de la rupture, aux AMF est complexe. Comparée aux métaux structuraux traditionnels, l'existence d'une transition de phase réversible et d'un couplage thermomécanique pose de nouveaux défis pour la description efficace de la rupture par fatigue et surcharge des AMF.
Des chercheurs de l'Université Texas A&M aux États-Unis ont mené pour la première fois des expériences de propagation de fissures de fatigue, sous contrainte mécanique pure et sous contrainte mécanique, dans le superalliage Ni50,3Ti29,7Hf20. Ils ont proposé une expression de type loi de puissance de Paris, basée sur une intégrale, permettant de modéliser la vitesse de propagation des fissures de fatigue à l'aide d'un seul paramètre. Il en ressort que la relation empirique avec la vitesse de propagation des fissures peut être établie pour différentes conditions de chargement et configurations géométriques, et pourrait servir de descripteur unifié de la propagation des fissures de déformation dans les alliages à mémoire de forme. L'article correspondant a été publié dans la revue Acta Materialia sous le titre « Description unifiée de la propagation des fissures de fatigue sous contrainte mécanique et sous contrainte mécanique dans les alliages à mémoire de forme ».
Lien vers le document :
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117155
L'étude a révélé que lors d'un essai de traction uniaxiale à 180 °C sur un alliage Ni50,3Ti29,7Hf20, l'austénite subit principalement une déformation élastique sous faible contrainte pendant la phase de chargement, avec un module d'Young d'environ 90 GPa. Lorsque la contrainte atteint environ 300 MPa, l'austénite se transforme en martensite induite par contrainte (CI). Lors du déchargement, la CI subit principalement une déformation élastique, avec un module d'Young d'environ 60 GPa, avant de se retransformer en austénite. Par intégration, la vitesse de propagation des fissures de fatigue des matériaux structuraux a été modélisée par une loi de puissance de type Paris.
Figure 1 : Image BSE de l'alliage à mémoire de forme haute température Ni50,3Ti29,7Hf20 et distribution granulométrique des particules d'oxyde
Figure 2. Image MET de l'alliage à mémoire de forme haute température Ni50,3Ti29,7Hf20 après traitement thermique à 550 °C pendant 3 h.
Fig. 3 Relation entre J et da/dN de la propagation des fissures de fatigue mécanique d'un échantillon NiTiHf DCT à 180 °C
Les expériences décrites dans cet article démontrent que cette formule permet de modéliser les données de vitesse de propagation des fissures de fatigue issues de toutes les expériences, et ce, avec un même ensemble de paramètres. L'exposant m de la loi de puissance est d'environ 2,2. L'analyse de la rupture par fatigue révèle que la propagation des fissures, qu'elle soit mécanique ou induite par l'action de la force motrice, correspond à une rupture par quasi-clivage. La présence fréquente d'oxyde d'hafnium en surface accroît la résistance à la propagation des fissures. Les résultats obtenus montrent qu'une expression empirique unique, basée sur une loi de puissance, permet d'atteindre la similarité requise pour une large gamme de conditions de chargement et de configurations géométriques. Elle offre ainsi une description unifiée de la fatigue thermomécanique des alliages à mémoire de forme et permet d'estimer la force motrice.
Figure 4. Image MEB de la fracture d'un échantillon NiTiHf DCT après un essai de propagation de fissure par fatigue mécanique à 180 °C.
Figure 5 Image MEB de la fracture d'un échantillon NiTiHf DCT après un essai de propagation de fissure de fatigue sous une charge de polarisation constante de 250 N
En résumé, cet article présente pour la première fois des expériences de propagation de fissures de fatigue, sous contrainte mécanique pure et sous contrainte mécanique, sur des alliages à mémoire de forme haute température NiTiHf riches en nickel. À partir d'une intégration cyclique, une expression de propagation de fissure de type loi de puissance de Paris est proposée pour modéliser la vitesse de propagation des fissures de fatigue de chaque expérience, pour un seul paramètre.
Date de publication : 7 septembre 2021