Alliage à mémoire de forme

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Un alliage à mémoire de forme (AMF) est un alliage possédant plusieurs propriétés inédites parmi les matériaux métalliques : la capacité de garder en mémoire une forme initiale et d'y retourner même après une déformation, la possibilité d'alterner entre deux formes préalablement mémorisées lorsque sa température varie autour d'une température critique, et un comportement superélastique permettant des allongements sans déformation permanente supérieurs à ceux des autres métaux. Parmi les principaux alliages à mémoire de forme, on retrouve toute une variété d'alliages de nickel et de titane comme constituants principaux, en proportions presque égales. Bien que « nitinol » ne soit en fait que le nom de l'un de ces « alliages quasi-équiatomiques nickel-titane », cette appellation est devenue couramment utilisée dans la littérature pour désigner l'ensemble de ces alliages, qui ont des propriétés fort semblables. Afin d'alléger le texte, il en sera fait ici le même usage. Dans une moindre mesure, le laiton et certains alliages cuivre-aluminium possèdent également des propriétés de mémoire de forme. Ces alliages à base de cuivre ont été mis au point par M.Clément et M.Mutel au sein du centre de recherche métallurgique de Tréfimétaux^[1].

Historique

Le phénomène qui donne son nom aux alliages à mémoire de forme n'a été observé pour la première fois que dans les années 1930 par le chercheur suédois Arne Ölander, qui avait noté la capacité de l'alliage or-cadmium (Au-Cd) de retrouver une forme connue après avoir été déformée^[2], observation qui fut aussi faite par Chang et Read vers la même époque. Peu de temps après, en 1938, Greninger et Mooradian, et parallèlement Kurdyumov, constatèrent l'existence du même phénomène dans le laiton (alliage cuivre-zinc). L'effet mémoire de forme fut trouvé pendant les années qui suivirent dans plusieurs alliages : les systèmes fer-platine, indium-cadmium, fer-nickel, nickel-aluminium et dans l'acier inoxydable.

Ce n'est cependant qu'en 1962, à la découverte d'un effet mémoire de forme dans un intermétallique d'un alliage de nickel-titane par Buehler et Wiley du Naval Ordnance Laboratory (d'où le nom « nitinol » est tiré : nickel-titane Naval Ordnance Laboratory), que l'intérêt pour la recherche et le potentiel commercial des AMF prit réellement son envol. Depuis, en plus des alliages quasi-équiatomiques nickel-titane, certains autres alliages montrant des caractéristiques de mémoire de forme furent développés, les plus populaires commercialement étant certains alliages contenant du cuivre, Cu-Al-Ni et Cu-Al-Zn^[3],[4].

Le couplage des propriétés magnétiques et thermiques a été récemment démontré dans le Ni-Mn-Ga. La transformation martensitique est toujours sous contrôle thermo-élastique, mais les variantes de martensites obtenues peuvent être orientées par l'application d'un champ magnétique, ouvrant ainsi la voie à une contrôle magnétique des AMF^{[5],[6],[7],[8]}.

Parmi les usages grands public des matériaux à mémoire de forme, citons certains pare-chocs de voiture.

Description

Les caractéristiques des AMF proviennent du fait qu'ils ont deux phases cristallographiques, appelées par analogie aux aciers phase martensitique et phase austénitique. Le passage d'une phase à une autre se fait soit par changement de température, soit par application d'une contrainte. L'intérêt des AMF est que la transformation de phase est displacive (faibles déplacements globaux d'atomes, donc pas de changement même local de la composition chimique) plutôt que diffusive, et surtout qu'elle se fait à volume constant et donc qu'elle est réversible.

Ce phénomène fait appel aux notions de réaction martensitique-austénitique et de trempe.

Les alliages suivants possèdent des propriétés de mémoire de formes : le laiton, le titane-nickel, certains alliages cuivre-aluminium.

Effets

Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) regroupent un ensemble d'alliages métalliques présentant diverses propriétés :

• La superélasticité : l'alliage est capable de se déformer énormément (jusqu'à 10%) de manière réversible sous l'effet d'une contrainte ;

• L'effet mémoire simple sens : l'alliage est capable de retrouver par chauffage sa forme initiale après une déformation mécanique ;

• L'effet mémoire double sens : l'alliage est capable après « apprentissage » d'avoir deux positions stables, l'une au-dessus d'une température dite critique et l'autre en dessous ;

• L'effet caoutchoutique : l'alliage (sous forme matensitique auto-accommodée) subissant une déformation conserve au relâchement une déformation résiduelle ; si le matériau est à nouveau contraint puis déchargé, cette déformation résiduelle augmente ;

• L'effet amortissant : l'alliage est capable d'amortir des chocs ou d'atténuer des vibrations mécaniques. En effet la super-élasticité ou même simplement l'élasticité de la phase martensitique présentent un phénomène d'Hystérésis qui entraîne une dissipation de l'énergie.

Applications

Les propriétés particulières du nitinol et des autres AMF eurent vite fait d'intéresser les ingénieurs et chercheurs, et plusieurs applications ont été imaginées pour ce nouveau matériau. Pour en donner une idée, en février 1990, la liste des brevets demandés pour des applications impliquant des alliages à mémoire de forme était aussi longue que variée : nettoyeur à vide, appareil pour endormir, nouvelle méthode pour la fabrication des chaussures, tissus à mémoire de forme, couches, bateau-jouet, cravate, valve de refroidisseur d'huile, méthode de fabrication du béton^[9]... Si les idées sont nombreuses, les applications réelles le sont bien moins et les succès commerciaux se font encore plus rares. Voici quelques exemples.

Mémoire de forme :

• Capteur de température (type bilame mais mono-matériau), par exemple dans des friteuses.
• Actionneurs en robotique.
• Manchons d'accouplement.
• Agrafes pour fractures osseuses.

Super-élasticité :

• Stents.
• Outils dentaires.
• Fils d'orthodontie.
• Pince chirurgicale.
• Monture de lunettes.
• Armature de soutiens-gorges.

Notes

1. ↑ ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME [PDF]
2. ↑ Gilbertson, R. G., Muscle wire project book, Mondo-tronics, San Anselmo, 1994
3. ↑ American society for metals, Metals handbook volume 2: Properties and selection: Nonferrous alloys and special-purpose materials, tenth edition, American society for metals, Metals Park (Ohio), 1990
4. ↑ Note2|McDonald Schetky, L., Des alliages qui conservent la mémoire des formes in Pour la science, no 27, janvier 1980, pp. 96-107.
5. ↑ Ferromagnetic shape memory in the NiMnGa system, Tickle, R. ; James, R.D. ; Shield, T. ; Wuttig, M. ; Kokorin, V.V. , Dept. of Aerosp. Eng. & Mech., Minnesota Univ., Minneapolis, MN; IEEE Transactions on Magnetics; Sep 1999; Volume: 35, Issue: 5, Part 3; pages 4301-4310
6. ↑ Stress-free two-way thermoelastic shape memory and field-enhanced strain in Ni52Mn24Ga24 single crystals; W. H. Wang, G. H. Wu, J. L. Chen, C. H. Yu, S. X. Gao, and W. S. Zhan, State Key Laboratory for Magnetism, Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing, Z. Wang, Z. Y. Gao, Y. F. Zheng, and L. C. Zhao, School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 2000, American Institute of Physics.
7. ↑ Giant magnetic field-induced strains in Heusler alloy NiMnGa with modified composition, G. H. Wu, C. H. Yu, L. Q. Meng, J. L. Chen, F. M. Yang, S. R. Qi, and W. S. Zhan, State Key Laboratory for Magnetism, Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing, Z. Wang, Y. F. Zheng, and L. C. Zhao, School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 1999, American Institute of Physics.
8. ↑ Giant field-induced reversible strain in magnetic shape memoryNiMnGa alloy, Heczko, O. Sozinov, A. Ullakko, K. ,Dept. of Eng. Phys. & Math., Helsinki Univ. of Technol., Espoo; IEEE Transactions on Magnetics, Sep 2000, Volume: 36, Issue: 5, pages 3266-3268
9. ↑ Stoekel, D., The shape memory effect, Phenomenon, Alloys, Applications, Nitinol devices and components inc., Fremont, 1990.