Comportement thermomécanique des alliages métalliques

Le cahier de charges d’une pièce mécanique exprime les fonctions à remplir, le rôle à jouer : être léger, « résister » à la déformation, à la température, avoir des surfaces adaptées à un bon contact, à la résistance à la corrosion…

La connaissance des matériaux, rendue objective par des modèles et des caractéristiques de comportement, est une étape nécessaire préalable à tout problème de choix. Elle nécessite de prendre en considération trois champs : la composition et la microstructure, les propriétés, et les aptitudes des matériaux ; et de relier ces champs de façon rationnelle : la science des matériaux s’intéresse aux liens entre les deux premiers, le génie des matériaux cherche à rendre compte des aptitudes à partir des propriétés.

Cet article a pour objectif de montrer comment la nature métallique et la microstructure des matériaux métalliques sont responsables de leur comportement thermomécanique, c’est-à-dire de leur réponse en déformation et en rupture lorsqu’ils sont soumis à l’action de contraintes et de la température.

Bien que s’adressant plutôt à des lecteurs à culture mécanicienne, fortement marquée par la mécanique des milieux continus, et le plus souvent homogènes, l’article comporte une approche microscopiste assez importante.

En effet, ce serait un peu un faux débat d’opposer macroscopique et microscopique, dans la mesure où les lois de comportement — reliant contrainte, déformation, vitesse de déformation, température… — ne peuvent être exprimées correctement qu’en prenant en compte l’hétérogénéité microscopique du matériau métallique.

Les progrès dans ce domaine ont été considérables depuis une génération, et la formation initiale des techniciens et ingénieurs est de plus en plus ouverte à cette double démarche.

On pourrait objecter avec humour, comme le fait un expert en corrosion, que « les premiers hommes ne savaient rien des phénomènes physiques ou chimiques, qu’ils utilisaient de la sorte implicitement, et qu’ils étaient parfaitement à même d’en juger ». Et il ajoute, après avoir rappelé l’évolution de la connaissance, et le désir de « tout comprendre » jusqu’aux niveaux les plus fins, que « si cette évolution satisfait la curiosité de l’esprit, il n’est pas sûr pour autant qu’elle améliore les processus de choix des matériaux ». Il serait facile de faire remarquer que l’inverse n’est pas non plus sûr. Et un sociologue fournit une piste en précisant : « L’homme ne vit pas d’informations, mais de communication, et celle-ci ne se fait pas sans intermédiaire. »

Dans cet article, on se propose plutôt de faire une revue simple et large du « fonctionnement » des matériaux métalliques. On évitera donc de renvoyer à des références bibliographiques précises, on évitera des démonstrations lourdes. Et on renverra in fine à une documentation récente et en français autant que possible, pour ceux qui souhaitent « en savoir plus ». Le but est d’abord de rendre le dialogue plus facile entre les acteurs concernés, ce qui n’est pas nuisible à la curiosité de l’esprit, surtout sur des matériaux que l’on est amené à mettre en œuvre.

Enfin, s’intéressant aux matériaux métalliques, n’oublions pas qu’ils ne sont pas les seuls : les matériaux polymères, les matériaux composites à matrice polymère, les matériaux céramiques, se présentent comme des concurrents, avec des atouts différents. Pour situer quelques grandes différences, on se contentera de proposer dans le tableau 1 les ordres de grandeur de quelques propriétés.