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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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Propriétés des matériaux amorphes2. Stabilité thermique des matériaux amorphes
Les premiers échantillons d’alliages métalliques identifiés comme étant amorphes ont été obtenus par trempe rapide. Les traitements de trempe ont généralement pour but le maintien à basse température d’un état structural stable à plus haute température. Dans le cas des matériaux amorphes on tente de figer l’état structural désordonné du liquide. Lorsque l’on parvient à ce résultat, le matériau est dans un état métastable. Au cours d’un chauffage ultérieur et pour une température suffisante, il retournera à l’état cristallisé par un processus de germination et croissance. Si la température est trop basse ou le temps de maintien trop court, la structure peut évoluer au chauffage tout en restant amorphe. On parle alors de relaxation structurale (A. Chamberod, W. Chambon, J. Hillairet) [2]. Les phénomènes de cristallisation et de relaxation ont été très étudiés en raison des importantes variations de propriétés qui les accompagnent, telles que la fragilisation ou l’amélioration des propriétés magnétiques. La connaissance de ces évolutions est essentielle pour les applications.
Au cours du refroidissement d’un alliage liquide dans les conditions usuelles, le volume massique diminue avec la température et lorsque la solidification intervient, cette transformation s’accompagne d’une chute brutale du volume, de la viscosité, de l’enthalpie et de nombreuses autres propriétés (figure 2, courbe Ι) [5]. Si le refroidissement est suffisamment rapide, l’alliage reste liquide à l’état surfondu, la contraction volumique est linéaire jusqu’à une température Tg dite température de transition vitreuse. En dessous de Tg il y a un changement de pente lié au fait que la mobilité atomique ne peut plus suivre la contraction volumique (figure 2, courbe ΙΙ).
Remarque :Tg n’est pas une caractéristique physique du matériau, elle dépend de la vitesse de refroidissement.
Sur la figure 2, la courbe ΙΙa traduit un refroidissement plus rapide que celui de la courbe ΙΙb et Tga > Tgb . Les deux états correspondent à des répartitions atomiques voisines...
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