Matériaux métalliques : quelles propriétés pour quelles applications ?

L’imaginaire collectif nous fait souvent penser, à tort, que les solides, contrairement aux gaz et aux liquides, sont inactifs. Au niveau atomique, les solides sont constitués d’atomes empilés en structures cristallographiques. Cette disposition permet de minimiser l’énergie engendrée par une telle structure et d’en augmenter la stabilité. 

Cependant, cette structure peut présenter différentes variations spatiales, selon les atomes mis en jeu, et la procédure utilisée pour mettre en forme l’objet désiré. En découlent des propriétés différentes, qui vont intéresser l’industrie.

Combiner les propriétés des métaux grâce aux alliages

En ce qui concerne les matériaux métalliques industriels, ces derniers sont souvent utilisés sous forme d’alliages, pour augmenter leur résistance. En effet, le fait de mélanger deux métaux permet de combiner leurs propriétés, et d’améliorer la résistance de l’alliage résultant, par rapport à l’usage de métaux purs.

Historiquement, trois familles d’alliages métalliques sont très utilisées dans l’industrie :

• les alliages à base de fer ;
• les alliages à base de cuivre ;
• les alliages à base d’aluminium.

Mais des alliages innovants sont également obtenus à partir du mélange d’un métal, avec un autre matériau non métallique, comme le carbone par exemple. Pour pouvoir fabriquer un alliage, il est indispensable que les deux métaux soient miscibles entre eux,  ce qui n’est jamais le cas de manière totale : ainsi, les alliages ne sont pas composés de deux métaux en quantités égales : l’évolution des proportions de l’un ou de l’autre va modifier le comportement physique du matériau, et ses propriétés.

Trouver la formule magique pour développer des alliages innovants

Bien sûr, les alliages aujourd’hui développés doivent répondre à des critères extrêmement stricts, qui vont être définis selon la fonction de l’objet dont sera composé le matériau. 

Pour les secteurs comme l’aéronautique, l’aérospatial ou l’automobile par exemple, les enjeux sont importants : résistance des matériaux aux chocs, aux températures, poids, recyclabilité, coût, prix des ressources. Tous ces facteurs sont pris en compte, également dans d’autres secteurs industriels, testés et améliorés afin de développer de nouveaux alliages, en faisant varier leur composition ou leur température de refroidissement, par exemple. 

La plupart des métaux sont ductiles, c’est-à-dire qu’ils ont la capacité de se déformer de manière élastique. Cela confère aux industriels la possibilité de développer des objets complexes, utilisant des procédés de mise en forme extrêmement variés : extrusion, laminage, forgeage, matriçage, tréfilage… Cette propriété est en grande partie responsable du succès industriel des métaux, depuis le début de l’ère industrielle.

Aussi, les matériaux métalliques sont très tenaces. Concrètement, l’énergie nécessaire pour aboutir au déchirement de la structure est très importante. Cette propriété a depuis longtemps fait des métaux la base des alliages développés pour les objets métalliques subissant des contraintes continues ou répétées.

Ces objets sont très nombreux dans les industries aéronautiques et automobiles par exemple. 

Dans le secteur de l’aviation par exemple, les très nombreux éléments composant un réacteur par exemple, sont soumis à des contraintes mécaniques et de températures très importantes. De nombreux alliages sont développés et testés pour intégrer à la structure des réacteurs des matériaux toujours plus performants dans le temps. 

La mise en place d’outils de modélisation de la microstructure des matériaux permet aujourd’hui d’observer et de simuler le comportement de ces alliages à des échelles de l’ordre du micron. 

Ces outils de modélisation, rouages essentiels pour développer des programmes de recherches et développement moins onéreux – en remplaçant une partie des tests expérimentaux par de la simulation – sont aujourd’hui un enjeu de compétitivité important. Et une voie pour développer des matériaux toujours plus performants et fiables.