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Jean BIGOT : Directeur de recherche CNRS-CECM
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Lire l’articleINTRODUCTION
Au cours de ses recherches relatives à l’effet de la vitesse de trempe sur les limites de solubilité des alliages binaires P. Duwez [1] a découvert les matériaux métalliques amorphes. La première publication date de 1960. La matière à l’état amorphe était déjà connue depuis longtemps puisque c’est l’état structural des verres usuels élaborés par refroidissement naturel de mélanges d’oxydes fondus, mais c’était la première fois que l’état amorphe était obtenu par refroidissement de composés essentiellement métalliques comme Au75 Si25 . Les propriétés de ces nouveaux matériaux ont été rapidement identifiées, leur originalité a initié un grand nombre de recherches fondamentales et appliquées.
La production de cette nouvelle classe d’alliage s’est principalement développée à partir des techniques de trempe rapide où les vitesses de refroidissement sont évaluées à quelque 106 oC/s. Dans les premiers temps, le « splat-cooling » fut utilisé. Par cette méthode d’élaboration de nombreuses compositions amorphisables ont été identifiées. La découverte de la méthode de préparation par « melt-spinning », méthode de production en continu, a favorisé le développement des travaux de recherche, en mettant des échantillons à la disposition des laboratoires. Cette méthode de trempe rapide ayant été appliquée à de nombreux alliages, de nouvelles compositions amorphisables, de nouvelles phases, cristallines ou microcristallines ont été identifiées. Les phases icosaédriques ont été découvertes dans les alliages Al-Mn traités par trempe rapide. La phase Fe14 Nd2 B, phase magnétique de la nouvelle génération d’aimants permanents est également issue d’alliages trempés rapidement.
Du fait des propriétés particulièrement séduisantes de certains alliages, les méthodes de production ont été développées à l’échelle pilote puis à l’échelle industrielle. C’est le cas du « melt-spinning » pour la fabrication des renforts pour béton et des alliages pour aimants permanents et du flot planaire pour les alliages magnétiques doux, matériaux concurrents des Fe Si orientés, des Fe Ni et des ferrites. Ces machines sont dotées d’une forte productivité, les rubans défilent à quelque 20 m/s, et assurent la mise en forme directe des bandes à partir de l’état liquide.
Nous nous proposons de rappeler les caractéristiques essentielles de l’état amorphe, de donner les principales compositions d’alliages métalliques amorphes, leurs méthodes d’élaboration, leurs propriétés, leurs applications.
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Stabilité thermique des matériaux amorphes1. Caractérisation structurale de l’état amorphe
Jusqu’à la découverte des verres métalliques, les matériaux amorphes étaient essentiellement les verres obtenus à partir de mélanges de silicates fondus puis refroidis assez lentement, de quelques degrés par seconde. Au cours du refroidissement, les atomes ou les groupes d’atomes gardent la répartition désordonnée qu’ils avaient dans l’état liquide. Les méthodes d’étude les plus courantes de ces états structuraux sont les techniques de diffraction des rayons X, des électrons, des neutrons et des méthodes plus locales comme la spectrométrie Mössbauer et la résonance magnétique nucléaire, l’EXAFS (Ch. Janot, Ph. Mangin) [2]. Par diffraction des rayons X les matériaux cristallins produisent des spectres de raies d’où l’on peut déduire avec précision la position des atomes distribués selon une périodicité tridimensionnelle dans l’espace. Il n’en est pas de même pour les matériaux amorphes où la répartition des atomes n’est pas régulière, et ne présente pas d’ordre à longue distance. Toutefois, l’environnement local est souvent proche de celui trouvé dans les cristaux, il y a un ordre à courte distance. Dans le cas des structures amorphes on utilise le concept de fonction de distribution g (r ) qui correspond à la probabilité de trouver un atome à la distance r de l’atome origine [3]. Pour ces matériaux, l’enregistrement brut des variations d’intensité des rayons X en fonction de l’angle de diffraction présente plusieurs halos d’intensité décroissante. Afin d’avoir des informations plus précises, il convient de faire une première normalisation des courbes, de les tracer en fonction de 4 π sin θ / λ, on obtient la fonction S(Q ) (Q module du vecteur de diffusion, différence entre ceux des vecteurs d’onde incident et diffracté). L’inversion de Fourier donne ensuite la fonction de distribution radiale g (r ) (FDR), r distance à l’atome pris comme origine. On obtient :
avec :
- n :
- nombre d’atomes compris entre r1 et r2
- ρ...
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