Invar - Famille d'alliages fonctionnels

Dans la nature, aussi bien que dans les réalisations faites par l'homme, on constate que les matériaux, qu'il s'agisse des roches, verres, bois, bétons, eau, matières plastiques, métaux et alliages, etc., ont, sous l'effet de variations thermiques liées soit au climat, soit au fonctionnement des installations, une propension à changer de longueur ; ainsi, ils se dilatent si la température augmente ou se contractent si elle diminue. Un exemple remarquable est le mercure dont la dilatation thermique élevée (0,18 10^–3/ ^oC) a permis la fabrication des premiers thermomètres. Dans les matériaux solides, ces variations dimensionnelles provoquent des déformations temporaires, voire définitives, qui peuvent avoir des conséquences fâcheuses. Dans certains cas, on pallie ces conséquences à l'aide de joints ou de soufflets de dilatation, suivant les secteurs considérés. De même que les chercheurs sont en quête de matériaux non-corrodables (dans un milieu donné), ils ont depuis longtemps souhaité mettre au point des matériaux non dilatables (au moins sur une certaine plage de température). Cet objectif a pris toute son importance en métrologie quand il a fallu disposer d'étalons de longueur et, en particulier, d'étalons secondaires. La découverte de l'alliage de fer à 36 % de nickel, dit Invar®, a permis de répondre à cet objectif. Ce nom d'Invar lui a été donné à cause de son très faible coefficient de dilatation linéique sur une assez large plage de température, ce qui lui confère une invariance dimensionnelle.

Le nom d'Invar évoque une belle histoire métallurgique ; dans cette appellation sont confondus l'alliage Fe-Ni 36 et l'effet physique qui confère à l'alliage sa stabilité dimensionnelle. En fait, la découverte de l'Invar, due au hasard selon certains historiens des sciences, n'aurait pas été possible sans le travail persévérant et rigoureux d'un physicien et métrologue, Charles-Édouard Guillaume, qui a su associer, de façon harmonieuse et complémentaire science et industrie (cf. Aperçu historique, § 1). En effet si, selon Pierre Chevenard, « il serait vain de méconnaître le rôle du hasard, ce grand pourvoyeur des inventions », il fallait ensuite assurer le développement fécond de cette découverte de l'Invar. La mise en évidence du coefficient de dilatation très faible (voisin de 10^–6/ ^oC à 20 ^oC) permettait de réaliser le rêve de tout métrologue : l'obtention d'un étalon de mesure de longueur à un prix bien moindre que celui de l'étalon en platine à 10 % d'iridium. Si ce dernier était convenable pour l'obtention du mètre-étalon de longueur, dit primaire, il ne pouvait convenir pour celle d'étalons secondaires à fabriquer en grand nombre.

Après le hasard, il fallait donc laisser place à l'étude pour comprendre la physique qui était derrière cette anomalie dilatométrique de l'alliage Invar ou d'alliages de compositions voisines à 30 % de nickel. L'idée était de donner une solution à un problème donné, à savoir l'invariance dimensionnelle, en s'appuyant, selon E. Lambret (cf. [Doc. N 2 750]), sur « les éléments que l'on a amassé lors des recherches antérieures, ce qui implique de bâtir des connaissances de plus en plus riches et précises ». Cette méthodologie, qui vise à répondre à une demande claire du client, est à l'origine de l'essor, grâce à Pierre Chevenard, de la métallurgie dite de précision, expression souvent utilisée pour l'Invar et ses alliages apparentés, métallurgie qui a été et est encore l'apanage de la Société Imphy (sous ses différents vocables).

L'effet Invar : le comprendre pour le maîtriser, tel était l'objectif. Depuis la découverte en 1896 faite par Charles-Édouard Guillaume, de nombreux travaux ont été effectués en physique du solide, ce qui a montré, s'il en était besoin, le lien étroit qui existe entre cette science et la métallurgie ; cette dernière vise à préparer de façon éclairée et contrôlée des alliages dotés d'un ensemble de propriétés physiques, mécaniques et chimiques, ce qui oblige en pratique à procéder à des ajustements, voire parfois de recourir à une démarche d'optimisation. Il est intéressant de remarquer que l'alliage Invar a, dans cet esprit, donné naissance à des matériaux apparentés aux propriétés bien ciblées et donc à de nombreux secteurs d'applications. C'est en plaçant la recherche au cœur de l'industrie qu'une telle richesse a pu s'exprimer et porter tous ses fruits.

Parler de l'Invar c'est une occasion de rendre hommage à de grands métallurgistes et en particulier ici à ceux qui ont été les premiers promoteurs de la métallurgie des alliages de fer et de nickel comme Charles-Édouard Guillaume et Pierre Chevenard, déjà cités, et Henri Fayol. L'héritage métallurgique qu'ils ont transmis à leurs successeurs a été non seulement respecté mais aussi développé puisque d'autres alliages ont été mis au point avec succès en élargissant le champ des applications avec un dynamisme industriel qui se poursuit.