Les alliages à mémoire de forme

Les alliages à mémoire de forme sont communément appelés AMF (en anglais SMA pour shape memory alloy). Ils sont, de nos jours, de plus en plus connus et utilisés. Plusieurs applications ont vu le jour au cours des dernières décennies dans plusieurs domaines tels que, le domaine biomédical, l’aérospatiale, la robotique et bien d’autres. Dans tous ces domaines d’application, les AMF sont utilisés soit pour leur propriété de mémoire de forme, soit pour leur propriété superélastique, soit pour leur effet amortissant. Malgré le fait qu’ils soient de plus en plus connus et utilisés, ils demeurent coûteux comparativement aux autres matériaux plus communs. Par contre, dans certaines situations, ils peuvent devenir économiquement rentables puisqu’il est possible de remplacer des dispositifs très complexes par un simple dispositif d’ AMF. L’analyse des besoins est donc une étape très importante.

Historique

Les AMF ont été développés dans les années 30 par la découverte d’un alliage d’orcadmium. Selon Liberman [1], Ame Glander est le père des AMF et il a fait part de sa découverte à la communauté scientifique pour la première fois lors de la conférence de la Swedish Metallographie Society, le 27 mai 1932. Dans la même année, il a publié un article intitulé «An electrochemical investigation of solid cadmium-gold alloys » [2]. À ce moment, les gens pouvaient reconnaître les propriétés des AMF, mais ils ne pouvaient expliquer les phénomènes physiques qui les régissent. Kurdyumov et Khandros [3-5] ont publié certains articles à la fin des années 40 pour décrire le phénomène, mais il a fallu attendre jusqu’en 1951, après la publication de Chang et Read [6], pour comprendre tous les aspects fondamentaux des AMF.

Dans les années qui ont suivi, d’autres alliages ont été découverts, mms leur commercialisation n’était pas encore envisagée à cause des coûts trop élevés et de toutes les autres complications nécessaires à la réalisation de tels matériaux. Ce n’est qu’à partir des années 60, lorsque Buehler et ses collègues de la U.S. Naval Ordnance Laboratory de San Diego ont découvert un alliage equiatomique de titane et de nickel, que l’industrie commença à s’intéresser aux AMF. Cet alliage est maintenant mieux connu sous sont acronyme, le nitinol, donné en l’honneur de leurs fondateurs (Nickel Titane Naval Ordnance Laboratory). Il a dès lors eu quelques succès industriels. En 1969, la compagnie Raychem a développé un manchon de raccordement pour les conduites hydrauliques du célèbre chasseur américain, le F 14.

Selon Jorma Ryhiinen [9], les premiers efforts déployés pour exploiter le potentiel du nitinol comme implants médicaux ont été réalisés par Johnson et Alicandri en 1968 [10]. Dès lors, dans les années 70, il y a eu quelques applications [10-13]. Cependant, le premier succès biomédical a eu lieu au milieu des années 90 avec la réalisation d’un stent en nitinol qui permet de régler les problèmes du aux artères bloquées .

Au commencement, la conception de dispositifs à base d’ AMF était plutôt difficile à réaliser. En effet, les AMF ont un comportement difficile à prédire, il en résulte donc des coûts de conception et/ou de prototypage très élevés. En revanche, avec l’arrivée des ordinateurs dans les années 90, des modèles numériques et d’une compréhension améliorée de la fabrication et des phénomènes physiques qui régissent les AMF, la prédiction du comportement thermomécanique est de plus en plus facile et rend ainsi possible la conception de dispositifs plus complexes. De fait, les expérimentations sont de moins en moins nécessaires, ce qui réduit ainsi les coûts de conception. Finalement, dans les années à venir, les modèles répondront probablement mieux aux comportements des AMF et ces derniers auront beaucoup plus de chances de prendre une place importante dans l’industrie.

D’ailleurs, l’ avancement de la recherche et l’ intérêt de l’ industrie pour les AMF a provoqué la mise sur pied de deux conférences scientifiques d’envergure internationale,  soit la SMST (Shape Memory and Superelastic Technologies) et l’ICOMAT (International Conference On Martensitic Transformation).

Famille d’alliage 

Il existe plusieurs familles d’ AMF. Les plus connues sont les alliages titane-nickel (TiNi) et les alliages cuivreux (Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Cu-Al-Be), car ils possèdent de bonnes propriétés thermomécaniques tout en ayant des prix industriellement compétitifs. À l’opposé, les alliages d’or (Au-Cd, Cu-Au-Zn) et d’argent (Ag-Cd) sont coûteux et n’ont donc que des intérêts scientifiques puisqu’ils ne sont pas commercialisables. Finalement, ils existent des alliages de Fer (Fe-Mn-Cr-Ni-Si, Fe-Cr-Ni-Co-Mn-Si) peu coûteux, mais possédant des propriétés thermomécaniques plutôt limitées. De plus, même avec l’ajout de chrome, ces alliages ne supportent pas bien les milieux corrosifs.

Notions de base 

Les AMF doivent leurs caractéristiques à la présence de deux phases à l’état solide. Comme pour l’ acier, la phase basse température est appelée martensite tandis que la phase haute température, dite phase mère, est appelé austénite. Le changement de phase dans les aciers et les alliages à mémoire de forme est similaire. Selon Cohen, Olson et Clapp [7], on parle de transformation martensitique, en l’honneur du célèbre métallurgiste allemand Adolf Martens, lorsque cette dernière :

1. est sans diffusion, c’est-à-dire que les atomes ne se déplacent pas sur de longues distances,

2. implique une déformation homogène du réseau qui conduit à un changement de forme macroscopique,

3. est caractérisée par une déformation déviatorique, c’est-à-dire sans changement de volume.

Cependant, une analyse détaillée de la transformation des alliages à mémoire de forme révèle qu’il y a un léger changement de volume. Par contre, ce dernier est très faible comparé au changement de forme. La transformation est donc quand même considérée martensitique. Toutefois, contrairement aux aciers, les températures de transformation sont beaucoup plus basses et se situent entre moins 100 et plus 200 degrés Celsius selon l’ alliage utilisé. Ces températures de transition dépendent aussi de l’historique de l’alliage, c’est-à-dire des traitements thermomécaniques ou des procédés de fabrication, ou encore de la combinaison des deux. De plus, il y a quatre températures qui caractérisent les AMF : les températures de début et de fin de transformation inverse, As pour austénite start et Af pour austénite finish, ainsi que les températures de début et de fin de transformation directe, Ms pour martensite start et Mf pour martensite finish. Finalement, ces quatre températures dépendent de la contrainte appliquée, mais heureusement, elles varient linéairement selon la relation de Clausius-Clayperon.