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RÉSUMÉ
Un matériau métallique classique soumis à une contrainte mécanique supérieure à son élasticité se déforme de façon permanente. Mais les alliages à mémoire de forme échappent à cette règle. Un échantillon déformé peut rétrouver sa forme initiale par simple chauffage. Cet article décrit les transformations martensitiques à l'origine de cette propriété, appelée mémoire de forme. Puis il présente les alliages à mémoire de forme existants, et leurs applications industrielles.
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Gérard GUÉNIN : Ingénieur INSA (Institut National des Sciences Appliquées) - Docteur ès Sciences - Professeur à l’INSA de Lyon
INTRODUCTION
Habituellement, quand un métal ou alliage est soumis à une contrainte mécanique supérieure à sa limite d’élasticité, il subit une déformation plastique qui subsiste après cessation de la contrainte. Cette déformation n’évolue ensuite pas ou très peu lors de traitements thermiques ultérieurs. Les alliages à mémoire semblent échapper à ce comportement familier aux métallurgistes et aux mécaniciens : un échantillon d’un tel alliage, déformé de façon apparemment plastique à une température donnée, peut récupérer intégralement sa forme initiale par simple chauffage. Cette déformation peut atteindre 8 % en traction. Ce phénomène est appelé mémoire de forme, il est associé à une transformation structurale de type martensitique réversible qui se produit entre la température à laquelle on a déformé l’échantillon et celle à laquelle on l’a réchauffé pour qu’il retrouve sa forme. Cette transformation martensitique est aussi à l’origine d’autres propriétés thermoélastiques inhabituelles telles que la superélasticité. La description de ces propriétés nécessite une connaissance élémentaire des transformations martensitiques.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de oct. 1986 par Gérard GUÉNIN
- Version courante de sept. 2024 par Alain HAUTCOEUR, Étienne PATOOR, André EBERHARDT
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1. Transformations martensitiques
1.1 Caractéristiques générales
Le terme transformation martensitique est, à l’origine, associé à la transformation qui se produit lors de la trempe des aciers : l’austénite formée à haute température se transforme en martensite par refroidissement rapide pour éviter la diffusion. Par extension, le terme transformation martensitique désigne des transitions se produisant dans un certain nombre d’alliages et présentant des caractéristiques analogues décrites par la définition suivante.
La transformation martensitique est une transition structurale displacive du premier ordre présentant une déformation homogène de réseau cristallographique, constituée essentiellement par un cisaillement.
Le terme displacive du premier ordre signifie que la transformation met en jeu des déplacements atomiques petits mais finis (ordre de grandeur du dixième de la distance interatomique) et parfaitement corrélés pour un très grand nombre d’atomes. Il n’existe donc aucune diffusion d’atomes lors de la transition qui peut ainsi se produire à toute température et très rapidement sans changer ni l’ordre atomique ni la composition chimique. Les déplacements sont tels qu’ils engendrent une déformation homogène de la maille cristalline avec un changement de volume faible vis‐à‐vis des composantes de cisaillement.
Contrairement aux transformations avec diffusion (précipitation par exemple), les transformations martensitiques sont insensibles à la vitesse de refroidissement ou de chauffage. Au refroidissement, la transformation commence à la température Ms (température à laquelle l’austénite commence à se transformer en martensite au cours du refroidissement) par nucléation et croissance de la martensite dans la phase mère et se termine à la température Mf . Entre ces deux températures il y a coexistence des deux phases. À température croissante, la transformation inverse débute à la température A s et se termine à la température A f . Il existe une hystérésis en température entre le refroidissement et le chauffage (figure 1). La transformation s’accompagne d’une enthalpie de transformation variant de quelques joules par gramme à quelques centaines de joules par gramme selon les alliages. Suivant l’ampleur de l’hystérésis, les caractéristiques de la transformation...
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