Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Les propriétés physiques, thermiques, mécaniques ou électriques de tous les types de matériaux (isolants, conducteurs,...) dépendent de leur composition chimique, de leur structure cristalline, des interactions au niveau atomiques, etc, et sont fortement influencées par les variations de température. Elles peuvent ainsi varier de plusieurs ordres de grandeur par rapport à leur valeur à température ambiante. La connaissance du comportement de ces matériaux devient donc indispensable si l’on veut, à partir des équations de la physique, prédire le comportement d’un système dans le domaine cryogénique.
Cet article explique les comportements spécifiques des matériaux observés dans le domaine cryogénique et fournit des données chiffrées utiles au dimensionnement.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Bertrand BAUDOUY : Docteur, Ingénieur chercheur au Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) de Saclay au Sein du service des accélérateurs de cryogénie et de magnétisme, France
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Gérard DEFRESNE : Professeur agrégé - Chargé de cours à l'Institut universitaire de technologie d'Orsay (Université de Paris Sud) - Membre du Laboratoire d'Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l'Ingénieur (LIMSI)
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Patxi DUTHIL : Docteur, Ingénieur de recherche du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) au sein de l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay, France
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Jean-Pierre THERMEAU : Ingénieur de recherche du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) au sein de l'Institut de Physique Nucléaire d'Orsay, France
INTRODUCTION
Les techniques de réalisation des matériels cryogéniques et la préparation d'équipements aux basses températures mettent en œuvre des matériaux très variés : matériaux isolants, conducteurs, voire supraconducteurs électriques, matériaux de structure, etc. Par rapport aux conditions d'utilisation à température ambiante, l'ingénieur va se trouver confronté à une situation nouvelle : la très forte dépendance, en général, des propriétés des matériaux avec la température. La connaissance de ces comportements devient donc indispensable et c'est l'objet de cet article d'attirer l'attention du lecteur sur les aspects originaux de ces propriétés. Certaines peuvent apparaître peu favorables à une application technique et l'on doit alors les subir ; c'est aussi l'art de l'ingénieur de suggérer et d'exploiter des applications nouvelles.
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MOTS-CLÉS
Conductivité thermique Conductivité électrique Résistance mécanique Cryogénie matériaux Construction mécanique Transferts thermiques
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Conclusion
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3. Propriétés mécaniques
Les propriétés mécaniques évoluent avec la température. Quel que soit le matériau, il est courant de constater qu'au-dessous d'une certaine température ce matériau devient fragile en opposition avec une certaine ductilité (propriété d'un matériau à se déformer) à chaud. L'apparition de cette fragilité conduit à sélectionner les matériaux en fonction de leurs propriétés mécaniques et d'exclure de la conception d'équipements cryogéniques, les matériaux fragiles à basses températures.
Le comportement à froid des métaux et alliages dépend de leur structure cristalline. Les matériaux cristallisant dans le système cubique à faces centrées (Cu, Ni et alliages, aluminium et ses alliages, aciers inoxydables austénitiques, Ag, Pb, laiton, Au, Pt) restent ductiles jusqu'aux très basses températures grâce à leurs nombreux systèmes de glissement possibles.
Les matériaux ayant des structures hexagonales compactes, (Zn, Be, Zr, Mg, Co, alliage de Ti…), connaissent souvent une transition ductile-fragile, mais, il n'y a pas de règle générale et les variations dans les propriétés mécaniques dépendent beaucoup des composés interstitiels.
Les matériaux à réseaux cubiques centrés (aciers ferritiques, acier au carbone, acier au Ni (< 10 %), Mo, Nb, Va, Cr, NbTi) présentent une transition ductile-fragile lors de la descente aux basses températures. L'apparition de cette transition signifie que le matériau passe directement d'un comportement de type élastique à la rupture. Il ne connaît donc plus de déformation plastique comme à plus haute température. Les matériaux qui perdent leur ductilité à basse température ne sont donc pas utilisés pour des applications structurelles.
Plus connu dans le domaine des hautes températures, le fluage des matériaux soumis à un effort permanent existe aussi à froid, en particulier pour les aciers inoxydables utilisés dans la boulonnerie de serrage ...
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Propriétés mécaniques
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FOURNIÉ (R.) - Les isolants en électrotechniques. - Eyrolles (1986).
-
(2) - KITTEL (C.) - Physique de l'état solide. - Dunod (2013).
-
(3) - ASHCROFT (N.W.), MERMIN (N.D.) - Physique des solides. - EDP sciences (2002).
-
(4) - VAN SCIVER (S.W.) - Helium cryogenics. - Plenum press (2012).
-
(5) - BARRON (T.H.), WHITE (G.K.) - Heat capacity and thermal expansion at low temperature. - Plenum press (1999).
-
(6) - EKIN (J.W.) - Experimental techniques for low-temperature measurements. - Oxford university press (2006).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Cryocomps © Eckels Engineering Inc 1993-2012. Base de données des propriétés thermiques et électriques des matériaux. Logiciel distribué en France par Cryoforum
HAUT DE PAGE2.1 Laboratoires – Bureaux d'études – Écoles – Centres de recherche (liste non exhaustive)
Commissariat à l'énergie atomique CEA http://www.cea.fr
Air liquide http://www.airliquide.com
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