Propriétés mécaniques des verres métalliques

Les verres métalliques ont commencé à être produits suivant les méthodes de melt spinning dans les années 1960, et il faut attendre le début des années 1980 pour qu'ils soient élaborés sous forme massive, c'est-à-dire avec une plus petite dimension supérieure au millimètre, par des techniques de creuset froid. Ces alliages se définissent avant tout par leur absence d'ordre à longue distance, qui leur confère des propriétés mécaniques profondément différentes de celles de leurs homologues cristallins. En effet, dans le cas des métaux ordinaires, celles-ci sont essentiellement fixées par les défauts à l'échelle du cristal (dislocations, joints de grains, lacunes, etc.). Dans le cas des verres, en l'absence de réseau cristallin et de symétrie de translation, ces défauts ne peuvent pas être définis. Il s'ensuit, notamment, une élévation importante de la limite élastique à température ambiante, proche de la limite théorique. Par ailleurs, si la structure des verres métalliques les éloigne des métaux ordinaires, elle les rapproche d'autres classes de matériaux : les matériaux amorphes, tels que les polymères ou les verres d'oxydes. De fait, les verres métalliques vont présenter des comportements analogues à ces classes de matériaux. Tout d'abord, on pourra définir deux températures caractéristiques essentielles : la température de transition vitreuse (T_g) et la température de cristallisation (T_x). En termes de propriétés mécaniques, à haute température – proche de la transition vitreuse –, ils présentent une très forte capacité à la déformation plastique que l'on rencontre également dans le cas des polymères et des verres d'oxyde. À température ambiante, en revanche, leur rupture se produit dans des conditions macroscopiquement fragiles (comme pour les verres ordinaires ou des polymères à froid), même si elle est précédée d'une intense activité plastique extrêmement localisée dans des bandes de cisaillement. En outre, à proximité de la transition vitreuse, les verres métalliques présentent un comportement anélastique similaire, voire identique à celui des polymères et des verres d'oxydes. Il ressort de ces rapides observations que les propriétés mécaniques des verres métalliques vont être largement déterminées par la nature amorphe de leur structure.

Le présent article introduit tout d'abord les données essentielles sur la structure des verres métalliques et présente succinctement les modèles de plasticité les plus étudiés actuellement. La deuxième partie s'intéresse plus particulièrement à la déformation homogène des verres métalliques, qui se produit à des températures proches de la transition vitreuse et intéressera essentiellement les étapes de mise en forme. La troisième partie se concentre sur le mode dit hétérogène – rencontré à température ambiante – qui fixe les propriétés d'usage des verres métalliques. Enfin, la dernière partie introduit des aspects plus applicatifs – ou « ingénieur » – tels que les propriétés spécifiques et les technologies, pour lesquels ces matériaux sont d'ores et déjà utilisés, ainsi que des perspectives d'application à plus ou moins long terme.