Improvement of the functional properties of nanostructured Ti-Ni shape memory alloys by means of thermomechanical processing

Résumé

Les méthodes de déformation plastique sévère sont fréquemment employées pour la mise en forme d’alliages à mémoire de forme (AMF) Ti-Ni nanostructurés. Toutefois, ce type de traitement thermomécanique augmente les risques d’endommagement du matériau et a donc pour effet de détériorer leur résistance en fatigue. Conséquemment, l’objectif principal de ce projet est d’étudier l’influence des conditions des traitements thermomécaniques (TMT) sur la microstructure, les propriétés fonctionnelles et l’endommagement des AMF Ti-Ni durant ces traitements. En d’autres mots, il est attendu que l’optimisation des conditions des TMT de ces alliages peut améliorer leurs propriétés en fatigue. Les premiers travaux de cette thèse ont porté sur l’étude de la microstructure et des propriétés en fatigue des AMF Ti-Ni assujettis aux différentes combinaisons de TMT : laminage à froid sévère (CR), laminage à tiède (WR), recuit intermédiaire (IA) et recuit post-déformation (PDA). Les résultats obtenus ont permis de démontrer que tout comme la diminution de l’intensité du CR, l’introduction du WR et du IA au sein des différents TMT a pour effet d’augmenter la durée de vie en fatigue de l’alliage, conséquence d’un endommagement moins important. Une accentuation de la densité d’une texture favorable à la réalisation de l’effet de mémoire de forme (austénite-B2) a également été notée. Néanmoins, les modifications apportées aux TMT (température plus élevée et moins grande intensité de laminage) ont eu pour effet de grossir la microstructure, ayant comme conséquence directe d’affecter négativement la stabilité des propriétés fonctionnelles durant le cyclage thermomécanique. De plus, au terme de ces travaux, il n’était pas possible de séparer l’influence des différentes caractéristiques liées aux TMT sur les propriétés fonctionnelles des alliages Ti-Ni : la taille des grains et sous-grains, la texture et le niveau des défauts induits par le TMT. Dans le but d’isoler la contribution de la taille des grains et sous-grains de la contribution liée à la texture sur les propriétés fonctionnelles des AMF Ti-Ni, la limite théorique cristallographique de déformation récupérable obtenue après différents TMT (menant aux différentes textures) a été calculée et comparée avec les résultats expérimentaux. Cette analyse comparative a permis de démontrer que les facteurs structuraux (la taille des grains et sous-grains) ont prévalence sur la texture. Par conséquent, afin de maximiser les propriétés fonctionnelles des Ti-Ni, il est nécessaire d’avoir une structure exclusivement nanocristalline et donc d’employer les techniques de déformation plastique sévère (SPD) à froid. Enfin, étant donné que la déformation plastique sévère à froid augmente le risque d’apparition des défauts lors de la mise en forme, il a été jugé nécessaire de comparer la tolérance aux dommages des alliages Ti-Ni avec une taille de grain/sous-grains différente, allant de quelques dizaines jusqu’à quelques centaines de nanomètres. À cet effet, une analyse détaillée de l’interaction entre la durée de vie en fatigue des alliages Ti-Ni et leur niveau d’endommagement lors du laminage à froid sévère et/ou à tiède (caractérisé par la taille et la densité des microfissures en bordure des échantillons) a été réalisée. Cette étude a démontré que l’alliage avec une taille nanométrique de grains (structure nanocristalline) offre une meilleure tolérance à la propagation des petites fissures comparativement à son équivalent avec une taille nanométrique de sous-grains, ce qui devrait lui offrir une meilleure performance en fatigue. Aussi, afin de pouvoir obtenir les structures nanocristallines tout en diminuant la quantité de défauts de fabrication, il a été jugé essentiel d’étudier la déformabilité de ces alliages à différentes températures. Afin d’approfondir les connaissances de la déformabilité des AMF Ti-Ni, une étude de sensibilité du taux de déformation a été conduite. Différentes microstructures possédant des grains allant de grossiers à ultrafins ont préalablement été créées à l’aide de la technologie d’extrusion dans les canaux déviés (ECAP). Ces dernières ont ensuite été assujetties à une analyse de sensibilité du taux de déformation. Ces travaux ont prouvé que peu importe la température de déformation, une microstructure à grains ultrafins comparée à une autre à grains grossiers démontre une meilleure déformabilité. Par ailleurs, il a été aussi établi que plus petite est la taille des grains, plus basse est la température et plus élevé est le taux de déformation qui mènent à la superplasticité. En se basant sur ces résultats, une séquence technologique incluant l’ECAP à température élevée, permettant d’affiner la microstructure et donc d’améliorer la déformabilité de l’alliage, suivi par laminage à froid sévère, permettant d’obtenir une structure nanocristalline, a été proposée et validée. Contributions scientifiques Ce projet a contribué à l’avancement des connaissances dans le domaine des alliages àmémoire de forme (AMF) Ti-Ni principalement au niveau de l’interaction entre les traitements thermomécaniques, la structure et les propriétés fonctionnelles de ces alliages. Les conclusions principales de ce projet doctoral peuvent être résumées comme suit : • L’amplitude et la stabilité des propriétés fonctionnelles d’alliages Ti-Ni avec une taille nanométrique de grains (nanocristallins) sont supérieures à celles d’alliages avec une taille nanométrique de sous-grains. Le principal facteur affectant la durée de vie en fatigue d’alliages nanocristallins est leur endommagement lors de la mise en forme. • Lorsque comparée à la texture, la structure d’alliages Ti-Ni joue un rôle plus significatif dans la réalisation de leur potentiel de fonctionnement. • En termes de résistance en fatigue, la structure nanocristalline est moins sensible à la propagation des petites fissures par rapport à celle avec sous-grains de taille nanométrique. • Le raffinement de la taille de grains permet d’améliorer la déformabilité des AMF Ti-Ni et ce, peu importe la température de déformation. • Dans le but de minimiser le risque d’apparition des défauts lors de la mise en forme des AMF Ti-Ni nanostructurés, une nouvelle séquence de traitement thermomécanique à trois étapes est proposée (ECAP+CR+PDA): 1) raffinement des grains par déformation plastique sévère à haute température (ECAP), 2) création d'une structure amorphe par déformation plastique sévère à basse température (CR) et 3) obtention d’une structure nanocristalline par recuit post-déformation (PDA).

Date	4 déc. 2014
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vladimir Brailovski (Directeur(-trice)) & Sergey D. Prokoshkin (Codirecteur(-trice))