Alliage à mémoire de forme

Le phénomène qui donne son nom aux alliages à mémoire de forme n'a été observé pour la première fois que dans les années 1930 par le chercheur suédois Arne Ölander, qui avait noté la capacité de l'alliage or-cadmium (Au-Cd) de retrouver une forme connue après avoir été déformée[2], observation qui fut aussi faite par Chang et Read vers la même époque. Peu de temps après, en 1938, Greninger et Mooradian, et parallèlement Kurdyumov, constatèrent l'existence du même phénomène dans certains laitons (alliage cuivre-zinc). L'effet mémoire de forme fut trouvé pendant les années qui suivirent dans plusieurs alliages : les systèmes fer-platine, indium-cadmium, fer-nickel, nickel-aluminium et dans l'acier inoxydable.

Ce n'est cependant qu'en 1962, à la découverte d'un effet mémoire de forme dans un intermétallique d'un alliage de nickel-titane par Buehler et Wiley du Naval Ordnance Laboratory (d'où le nom « nitinol » est tiré : nickel-titane Naval Ordnance Laboratory), que l'intérêt pour la recherche et le potentiel commercial des AMF prit réellement son envol. Depuis, en plus des alliages quasi-équiatomiques nickel-titane, certains autres alliages montrant des caractéristiques de mémoire de forme furent développés, les plus populaires commercialement étant certains alliages contenant du cuivre, Cu-Al-Ni et Cu-Al-Zn[3] - [4].

Le couplage des propriétés magnétiques et thermiques a été récemment démontré dans le Ni-Mn-Ga. La transformation martensitique est toujours sous contrôle thermo-élastique, mais les variantes de martensites obtenues peuvent être orientées par l'application d'un champ magnétique, ouvrant ainsi la voie à un contrôle magnétique des AMF[5] - [6] - [7] - [8].

Parmi les usages grand public des matériaux à mémoire de forme, citons les montures de lunette ainsi que les pare-chocs de voiture (le recours aux AMF n'est bien sûr pas systématique dans ces applications).

Les caractéristiques des AMF proviennent du fait qu'ils ont deux phases cristallographiques, appelées par analogie aux aciers phase martensitique et phase austénitique. Le passage d'une phase à une autre se fait soit par changement de température, soit par application d'une contrainte. L'intérêt des AMF est que la transformation de phase est displacive (faibles déplacements globaux d'atomes, donc pas de changement même local de la composition chimique) plutôt que diffusive, et surtout qu'elle se fait à volume constant et donc qu'elle est réversible.

Ce phénomène fait appel aux notions de réaction martensitique-austénitique et de trempe.

Un AMF à la phase austénitique se transforme en martensite lorsqu’il est refroidi au-dessous d’une température M_s jusqu’à transformation totale à une température M_f. La transformation de phase dans ce sens est dite transformation directe. Inversement, un AMF à la phase martensitique commence à se transformer en austénite lorsqu’il est chauffé au-dessus d’une température A_s jusqu’à transformation totale à une température A_f.  La transformation de phase dans ce sens est dite inverse.

Chaque cristal martensitique est orienté suivant une certaine direction dans l’espace dite variante. Une martensite est dite orientée si elle présente une variante dominante. Dans le cas contraire on dit qu’elle est auto-accommodée. La martensite auto-accommodée se forme lorsque l’austénite est refroidie sans contrainte mécanique. Dans ce cas, l’AMF ne présente pas de déformation macroscopique visible puisque aucune variante n’est privilégiée lors de l’accommodation des variantes[9] - [10].

La martensite orientée se forme lorsqu'une contrainte appliquée à la martensite auto-accommodée dépasse une certaine limite σ_s. Les variantes s’orientent alors suivant la direction d’application de la contrainte résultant à une déformation macroscopique plus importante que la déformation élastique. La réorientation des variantes cesse lorsque la contrainte dépasse un seuil σ_f. La déformation due à la réorientation des variantes n’est pas recouverte lorsque la contrainte mécanique est supprimée. Cette déformation est entièrement récupérée lorsque l’AMF est transformé en austénite par un chauffage sans contrainte au-dessus de la température A_f.

Les alliages suivants possèdent des propriétés de mémoire de formes : certains laitons, le nickel-titane, certains alliages cuivre-aluminium.

Les Alliages à Mémoire de Forme (AMF) regroupent un ensemble d'alliages métalliques présentant diverses propriétés:

Les propriétés particulières du nitinol et des autres AMF eurent vite fait d'intéresser les ingénieurs et chercheurs, et plusieurs applications ont été imaginées pour ce nouveau matériau. Pour en donner une idée, en février 1990, la liste des brevets demandés pour des applications impliquant des alliages à mémoire de forme était aussi longue que variée : nettoyeur à vide, appareil pour endormir, nouvelle méthode pour la fabrication des chaussures, tissus à mémoire de forme, couches, bateau-jouet, cravate, valve de refroidisseur d'huile, méthode de fabrication du béton[11]... Si les idées sont nombreuses, les applications réelles le sont bien moins et les succès commerciaux se font encore plus rares. Voici quelques exemples.

Mémoire de forme :

• Capteur de température (type bilame mais mono-matériau), par exemple dans des friteuses.
• Actionneurs en robotique.
• Manchons d'accouplement.
• Agrafes pour fractures osseuses.
• Stents.
• Récupération de chaleur basse température et conversion en électricité [12]

Super-élasticité :

• Outils dentaires.
• Fils d'orthodontie.
• Pince chirurgicale.
• Monture de lunettes.
• Armature de soutiens-gorge.