Elaboration et cacterisation de nanomatériaux à mémoire de fore par mécano synthèse

Différents aspect de la transformation martensitique

Aspect géométrique

La formation du produit martensitique se manifeste par l’apparition de plaquettes qui sont séparées par une interface plane appelée plan d’habitat ou plan d’accolement(Figure I.2).C’est un plan invariant parce que tout vecteur de ceplan ne subit ni déformation, ni rotation à l’échelle macroscopique [9].Figure I. 2 : Effet produit par l’apparition d’une plaquette de martensite dans un monocristal de phase mère(a) à l’échelle macroscopique,(b) à l’échelle atomique.La transformation se produit par un cisaillement d’un cristal d’austénite, chaque cisaillement est caractérisé par un plan d’habitat, de normale𝒏⃗ et la direction de cisaillement d.A partir d’un monocristal d’austénite (cubique centré), il existe 24 possibilités d’orientation de la martensite (cfc), appelées variantes chacune d’elles caractérisée par un cisaillement (𝒏⃗ , d).Les diverses variantes sont équiprobables et leur déformation se compensent mutuellement de telle façon qu’il n’y a pas déformation macroscopique. Ce phénomène est appelé auto-accommodation . un monocristal d’austénite(a) à l’échelle macroscopique,(b) à l’échelle atomique.

Aspect cristallographique

Il existe des relations cristallographiques entre le réseau cristallin de la martensite et celui de la phase mère [13.14]. Ces relations résultent de l’aspect phénoménologique de la transformation martensitique qui peut être décrit par trois opérations successives [14] :Une déformation homogène du réseau qui assure le passage structurale austénitemartensite.Un cisaillement à réseau invariant qui s’opère par glissement ou par maclage et qui est tel que la transformation garde un plan non distordu.Une petite rotation de corps rigide pour amener le plan non distordu parallèle à sa position initiale.A l’échelle macroscopique, le changement de forme globale est un cisaillement homogène (Figure I.4) qui s’opère parallèlement au plan d’habitat dont la trace sur la surface du matériau est facile à observer au microscope optique. Les plans d’habitat sont des plans de multiplicité élevée, cette multiplicité permet aux plaquettes de se développer selon un nombre important d’orientation différentes au sein d’un même grain austénitique. Ceci est gouverné par l’effet d’accommodation .

Caractéristiques thermiques

Températures de transformation

Lors de la transformation martensitique, de nombreuses propriétés physiques sont modifiées. Ces modifications permettent de déterminer les points de transformation. On utilise principalement la résistivité électrique [16], la calorimétrie différentielle à balayage(DSC) [17], mais également le pouvoir thermoélectrique (PTE) [18], les RX [15], l’émission acoustique (EA) [19], le frottement intérieur [20] et la mesure du module de Young [21].La transformation martensitique est caractérisée par quatre températures :Ms : température au-dessous de laquelle la martensite apparaît (martensite Start)Mf : température au-dessous de laquelle tout l’échantillon est transformé en martensite (martensite finish)As : température au-dessus de laquelle l’austénite apparaît (austénite Start)Af : température au-dessus de laquelle tout l’échantillon est transformé en austénite (austénite finish).La transformation débute au refroidissement à la température Ms. Cette transformation est complète à la température Mf. Entre ces deux températures, il y a coexistence des deux  phases (caractéristique d’une transformation du 1er ordre). Si le refroidissement est interrompu, il n’évolue plus dans la plupart des cas. On montre ainsi qu’elle est théoriquement indépendante du temps.Au retour, à température croissante, la transformation inverse débute à la température As, et se termine à AF qui est plus élevée que Ms. Si l’on trace la fraction volumique de  matériau transformé en fonction de la température, on observe une hystérésis. Ceci est dû à la  Température présence d’une énergie irréversible, correspondant à une dissipation d’énergie mécanique  transformée en chaleur (Figure I.5). Ces températures de transformation sont très sensibles à la composition chimique de  l’alliage ainsi qu’à son histoire thermomécanique.

Aspect cinétique 

La transformation martensitique est la résultante de deux processus fondamentaux :

 Germination

Plusieurs théories tentent d’expliquer cette étape complexe de formation de la  martensite. Certains auteurs supposent la présence dans l’austénite d’embryons de martensite  à partir de boucles de dislocations. Leur croissance se ferait alors par l’apparition de nouvelles  boucles [22, 23]. D’après certains auteurs, des fautes d’empilement comprises entre deux  dislocations dissociées pourraient aussi jouer le rôle d’embryons de martensite[24, 25]. Les  germes de martensite pourraient aussi être préexistants et grandir dans le voisinage d’une  dislocation qui relaxerait le champ de contrainte élastique les entourant [26, 27].Enfin, la  martensite pourrait provenir de zones mécaniquement instables et activées par des défauts de  cisaillement, tels que des dislocations [28, 27].

 Croissance

Les plaquettes de martensite déjà formées croissent presque instantanément avec une vitesse limitée par la propagation des ondes élastiques dans le matériau .Cette croissance s’établit par le mouvement des interfaces austénite-martensite et indépendamment de la température (aucun phénomène d’activation thermique n’est nécessaire) [10].

Les différents types de transformation martensitique

L’étude des positions relatives des points de transformation MS ,Mf ,AS ,Af et de  mécanismes de croissance conduit à distinguer deux types de transformation  martensitique [11, 12]. Les transformations par Burst (avalanche) et les transformations  thermoélastiques. Dans le cas de transformations par Burst, qui se déroulent par avalanche,  elles ne sont généralement pas réversibles et ne peuvent donner lieu à des applications.

La transformation thermo élastique

Ce type de transformation est caractérisé par [29] : Des déformations élastiques, à chaque température comprise entre MS et MF.Un équilibre entre l’effet thermique et l’effet élastique .faible hystérésis (de 5k à 20k) due à sa faible énergie motrice, à l’opposé de la transformation par burst [29].La transformation continue par croissance des plaquettes déjà formées.Au chauffage, la transformation inverse s’effectue par un mouvement de retour des interfaces et la phase mère est totalement restaurée.Si la température est maintenue constante, les interfaces sont stoppées et la croissance des plaquettes s’arrête.La transformation est réversible.On distingue deux types de transformations thermoélastiques (Figure I.6 et I.7).

Aspect thermodynamique 

Si nous partons du fait que la transformation martensitique n’entraine pas un  changement de composition, elle peut être considérée, du point de vu de l’équilibre  thermodynamique, comme un système à un composant. La phase en équilibre est celle dont  l’énergie libre est la plus basse. La figure I.8 montre schématiquement la variation de  Figure I.6 :Transformation thermoélastique  de type I. Les points de transformation  s’échelonnent comme suit : Mf<MS<AS<Af thermoélastique de type II. Les points de  transformation s’échelonnent comme suit :  Mf< AS< MS<Af l’énergie libre chimique des phases austénitique (GA) et martensitique (GM) [30].La  température d’équilibre entre les deux phases, pour laquelle le terme d’énergie chimique  ∆GC (A—M) = GM – GA=0, est notéeT0.Pour T<T0, on a ∆G (A—M) <0 et la transformation peut s’effectuer. En fait, cette  transformation va se produire à une température MS< T0, car il lui faut vaincre la barrière  énergétique due : Au processus de germination de la martensite (énergie chimique) A la création d’interfaces martensite / austénite À la déformation élastique et plastique créée, par la martensite dans la phase mère. Dans le cas des transformations par burst ∆G (A-M) et ∆G (M -A) sont importants, entre  autre du fait du fort changement de volume entre les deux phases, ce qui implique une forte  hystérésis. En général, on considère que [30] : T0= 𝟏𝟐(MS+AS) Par contre, pour les transformations thermo élastiques de type II, la première (respectivement  dernière) plaquette de martensite apparue lors de la transformation directe est la dernière  (respectivement première) à disparaître durant la transformation inverse. On définit alors deux  températures d’équilibre [31.30] : T0= 𝟏 𝟐 (MS+Af) pour le premier volume de martensite T0= 𝟏𝟐(Mf+AS) pour le dernier volume de martensite MS Ga= Gm Austénit eMartensite .