Analyse et prise en compte des effets de l’hydrogène sur le comportement thermomécanique des AMF à base NiTi - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2021

Analysis and consideration of hydrogen effect on the thermomechanical behavior of NiTi-based SMAs

Analyse et prise en compte des effets de l’hydrogène sur le comportement thermomécanique des AMF à base NiTi

Abstract

Advances in the many fields that form medicine have many origins, one of them being the evolution of the materials used. In particular, the rise of the intelligent materials enables to consider new technical solutions, or to significantly improve existing devices. Shape memory alloys belong to this family of intelligent materials, due to their temperature dependent behavior. Their mechanical behavior is therefore more complex compared to more well-known materials such as steels. This allows, for example, to achieve a level of reversible deformation of the order of several percent. One of the first applications of these materials concerns the field of orthodontics, with the development of orthodontic wire in NiTi shape memory alloy. Its interest is to take advantage of the application of an almost constant force during the treatment. One problem with which dentists are confronted is due to the presence of hydrogen which leads to premature rupture and degradation of NiTi wires mechanical properties during orthodontic treatments. The brittle nature of the rupture is an indication of the multi-physical origin of this issue. This PhD proposal will focus on the analysis of these hydrogen effects on the thermomechanical behavior of Shape Memory Alloys (SMAs) in order to develop a finite element model. For that end, experimental characterizations will be carried out and analysis of obtained results will allow to formulate an adapted coupled chemo-thermo-mechanical constitutive model. This behavior model will be integrated in two special finite elements (2D and 3D) with coupled degrees of freedom (thermal, mechanical and chemical degrees of freedom). These elements will be implemented in the Abaqus code via the subroutine UEL. The obtained numerical tool will allow to analyze the effect of hydrogen diffusion on the performance of SMA-based orthodontic arches. These finite element predictions will be confronted with experimental observations.
Les progrès des nombreux champs qui composent la médecine possèdent de nombreuses origines, l'une d'entre elles étant l'évolution des matériaux utilisés. En particulier, l'essor des matériaux dit intelligents permet d'envisager de nouvelles solutions techniques, ou bien d'améliorer significativement les dispositifs existants ou leur tenue en service. Les alliages à mémoire de forme font partie de cette famille des matériaux intelligents, en raison de leur comportement dépendant de la température. Leur comportement mécanique est par conséquent plus complexe par rapport à des matériaux plus connus comme les aciers. Cela permet par exemple d'atteindre un niveau de déformation réversible de l'ordre de plusieurs pourcents. L'une des premières applications de ces matériaux concerne le domaine de l'orthodontie, avec le développement de fil orthodontique en alliage à mémoire de forme NiTi. Son intérêt est de profiter de l'application d'une force quasi-constante au cours du traitement. Une problématique à laquelle sont confrontés les chirurgiens-dentistes est celle due à la présence d'hydrogène qui conduit à une rupture prématurée et d’une dégradation des propriétés mécaniques de fils en NiTi lors des traitements orthodontiques. Le caractère fragile de la rupture est un indice sur l'origine multi-physique de ce problème. Ce sujet de thèse propose d'analyser ces effets de l'hydrogène sur le comportement pour ensuite prendre en compte les phénomènes prépondérants dans un modèle élément fini. Pour cela, on s'appuiera sur des résultats expérimentaux pour développer un modèle de comportement couplé chimio-thermo-mécanique adapté. Deux éléments finis (2D et 3D) à degrés de liberté chimio-thermo-mécanique seront formulés en considérant la loi de comportement développée. Ils seront ensuite implémentés dans Abaqus via une UEL pour étudier les effets de la diffusion de l'hydrogène et son absorption sur le comportement ainsi que ses répercussions, par exemple sur le piégeage de martensite. Les prédictions par éléments finis des effets de l'hydrogène sur les performances des arches dentaires en AMF NiTi seront confrontées aux observations expérimentales.
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tel-03703546 , version 1 (24-06-2022)

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  • HAL Id : tel-03703546 , version 1

Cite

Nicolas Ulff. Analyse et prise en compte des effets de l’hydrogène sur le comportement thermomécanique des AMF à base NiTi. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Université de Lorraine, 2021. Français. ⟨NNT : 2021LORR0308⟩. ⟨tel-03703546⟩
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