Magneto-mechanical behavoirs of ferromagnetic shape memory alloys - ENSTA Paris - École nationale supérieure de techniques avancées Paris Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

Magneto-mechanical behavoirs of ferromagnetic shape memory alloys

Sur le comportement magnéto-mécanique des alliages à mémoire de forme magnétiques

Xue Chen
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 944006

Résumé

Ferromagnetic Shape Memory Alloys (FSMA) are promising candidates for sensors and actuators for their high-frequency response and large reversible strain. The aim of this dissertation is the analysis of the magneto-mechanical behaviors of FSMA. In this aim, we study, both experimentally and theoretically, the martensite reorientation in FSMA. Firstly, a 2D/3D magneto-mechanical energy analysis is proposed and incorporated into phase diagrams for a graphic study of path-dependent martensite reorientation in FSMA under 3D loadings. Criteria and material requirements for obtaining reversible strain in cyclic loadings are derived. The energy analysis predicts that FSMA in 2D/3D configurations (multi-axial stresses) has much more advantages than in 1D configuration, e.g., higher output stress and more application flexibility. Secondly, to validate the predictions of the energy analysis, 2D experiments are performed on FSMA and results reveal that the intrinsic dissipation and the transformation strain due to martensite reorientation are constant in all tested 2D stress states. Moreover, preliminary results validate that the output stress of FSMA in 2D configuration (magnetic field with biaxial stresses) is larger than in 1D configuration, and the output stress can be increased by increasing the auxiliary stress. Finally, to predict the magneto-mechanical behaviors of FSMA in general multi-axial loadings, a 3D constitutive model is developed within the framework of thermodynamics of irreversible processes. All the martensite variants are considered and the temperature effect is also taken into account. Model simulations agree well with all the existing 1D/2D experiments. The model is further incorporated into finite element analysis for studying the non-linear bending behaviors of FSMA beams. The sample-geometry effect and the material anisotropic effect are systematically investigated.
Les Alliages à Mémoire de Forme Magnétiques (AMFM) sont des matériaux actifs qui présentent des comportements inhabituels par rapport aux matériaux " classiques ". Ils peuvent par exemple présenter de larges déformations réversibles sous l'action d'un champ magnétique ou sous une action mécanique. Ce sont des candidats potentiels pour des applications dans des domaines de pointe (automobile, aéronautique, spatial, etc.). Les AMFM présentent par ailleurs un avantage indéniable par rapport aux matériaux à mémoire de forme " thermique " en raison de leur réponse dynamique à haute fréquence. Il est bien connu que ces comportements sont dus à un couplage magnéto-mécanique et à un phénomène physique lié à l'orientation des variantes de martensite. L'objectif de cette thèse est d'analyser les comportements magnéto-mécaniques des AMFM. Pour ce faire, nous étudions expérimentalement et théoriquement, la réorientation martensitique dans les AMFM. Tout d'abord, une analyse énergétique en 2D/3D est proposée et intégrée dans des diagrammes d'état pour une étude systématique de la réorientation martensitique dans les AMFM sous chargements tridimensionnels quelconques. Ainsi, des critères de large déformation réversible sous des chargements cycliques sont obtenus. L'analyse énergétique montre que les AMFM, sollicités sous chargement multiaxiaux présentent plus d'avantages que ceux sollicités en 1D ; en particulier, on montre que l'état multiaxial permet d'augmenter (d'améliorer) la contrainte fonctionnelle, ce qui augmente le champ d'application des ces matériaux. Ensuite, afin de valider les prédictions de l'analyse énergétique, des expériences bi-axiales ont été effectuées sur des éprouvettes en AMFM. Les résultats révèlent que la dissipation intrinsèque et la déformation de transformation dues à la réorientation martensitique sont constantes dans tous les états de contraintes. De plus, les résultats ont permis de valider nos prédictions théoriques quant à l'augmentation de la contrainte fonctionnelle. Enfin, afin de prédire les comportements magnéto-mécaniques des AMFM sous des chargements multiaxiaux, un modèle tridimensionnel est développé dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles avec liaison interne. Toutes les variantes de martensite ont été considérées et l'effet de température a également été pris en compte. Les simulations numériques montrent un très bon accord (rejoignent/confirment les résultats) avec les résultats expérimentaux existant dans la littérature. Le modèle a ensuite été programmé dans un code de calcul par éléments finis afin d'étudier les comportements non linéaires de flexion des poutres en AMFM. L'effet géométrique et l'effet d'anisotropie du matériau ont été systématiquement pris en compte.
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Dates et versions

pastel-00848630 , version 1 (26-07-2013)

Identifiants

  • HAL Id : pastel-00848630 , version 1

Citer

Xue Chen, Ziad Moumni, Yong Jun He. Magneto-mechanical behavoirs of ferromagnetic shape memory alloys. Solid mechanics [physics.class-ph]. Ecole Polytechnique X, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00848630⟩
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