Invar

L'Invar est un alliage de fer et de nickel dont la propriété principale est d'avoir un Cœfficient de dilatation particulièrement faible.



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Évolution du cœfficient de dilatation selon la teneur massique en Nickel dans l'alliage.

L'Invar est un alliage de fer (64 %) et de nickel (36 %) dont la propriété principale est d'avoir un Cœfficient de dilatation particulièrement faible. Cette invention est due au suisse Charles Edouard Guillaume, qui fut récompensé du prix Nobel de physique en 1920 pour l'étude des propriétés de cet alliage.

Le terme Invar est une marque déposée depuis 1907, propriété d'Imphy Alloys, filiale d'ArcelorMittal.

Sa vraie appellation est Fe-Ni36%.

Histoire

Constats inattendus

C'est en l'absence d'une solution entièrement satisfaisante de la règle-étalon de second ordre, que le Comité international des Poids et Mesures décida d'inscrire la question du perfectionnement de ces règles au programme du Bureau international dès 1891. Chargé plus particulièrement de ce travail, Guillaume renonça rapidement à l'emploi des laitons et des bronzes. Il poussa alors ces recherches du côté du nickel et de ses alliages avec le cuivre qui donnèrent des résultats plus encourageants[1].

En 1895, J. R. Benoît, directeur du Bureau international des poids et mesures, examina un alliage de fer-nickel contenant 22% de nickel et 3% de chrome. Cet alliage montra un comportement étonnant : quoique le fer et le nickel soient tous deux des matériaux ferromagnétiques, l'alliage était paramagnétique et son cœfficient d'expansion bien plus élevé que ceux du nickel ou du fer pur. L'étude avait été réalisée à la demande de la Section Technique de l'Artillerie de Paris, et l'alliage avait été apporté par les Aciéries d'Imphy à Nevers, puis la Société de Commentry-Fourchambault[2].

Quelques années plus tôt John Hopkinson avait noté que les alliages fer-nickel peuvent subir une transformation remarquable[2]. L'analyse d'un alliage à 25% de nickel, assez doux et paramagnétique à température ambiante, devient dur et ferromagnétique quand il est réfrigéré à °C. Dans le même temps, le volume augmentait de 2%. À cette époque, la structure cristalline des métaux était peu connue, et on ne savait pas que ces changements étaient dus à une transformation de phase.

Au printemps 1896, la société Imphy livra une barre d'un alliage fer-nickel contenant 30% de nickel. Guillaume nota tandis que son cœfficient de dilatation thermique n'est que d'environ un tiers de celle du platine[1]. Ce résultat remarquable surprit Guillaume qui s'attendait à ce que les propriétés physiques de l'alliage se situent entre celles des deux corps purs le composant - un principe connu sous le nom de la règle des mélanges.

Guillaume reçut alors de son directeur, J. R. Benoît, l'autorisation de poursuivre l'examen de ces phénomènes. Le bureau n'ayant pas de fonds disponibles pour la recherche, Guillaume sollicita l'aide de Henri Fayol, le directeur général de l'aciérie d'Imphy en mai 1896. Les deux alliages déjà étudiés, de 22% et 30% de nickel, lui ayant été envoyés, Fayol lui répondit simplement : «Votre travail est intéressant. Que vous faut-il pour le poursuivre ? Je suis avec vous. [2]». Une collaboration gratuite avec le Bureau International démarrait, qui allait porter sur l'étude de 600 nuances d'alliages différentes.

Découverte des propriétés de l'Invar

La corrélation entre l'expansion thermique et la perméabilité magnétique avait déjà été établie en 1896. Guillaume constate en effet que la composition de l'alliage n'a une influence que sur la l'étendue des modifications des propriétés magnétiques et sur la dilatation thermique.

Dès 1897, Guillaume décrit sa découverte dans la publication Recherches sur les aciers au nickel. Dilatations aux températures élevées; résistance électrique (CR Académie des Sciences 125, 235±238, 1897) où il comparait dix-sept nuances d'alliages différentes.

Invar a une structure cristallographique cubique à faces centrées (cfc) avec des déformations dues à la présence de nickel, qui se place en substitution du fer. Les atomes de fer peuvent y adopter deux configurations électroniques, d'énergie interne proche : l'une est ferromagnétique et l'autre ne l'est pas. La configuration ferromagnétique occupe un volume légèrement plus important que la configuration non ferromagnétique.

Quand la température s'élève, l'alliage adopte progressivement la configuration non ferromagnétique, car elle devient énergiquement la plus favorable. La contraction volumique due au passage de la configuration magnétique à la configuration non ferromagnétique est compensée par l'expansion thermique naturelle du matériau, de sorte que le volume total reste plus ou moins constant. Au-dessus de la température de Curie du matériau, qui est de 280 °C, le ferromagnétisme disparait et le matériau se dilate alors normalement.

Cette faible dilatation thermique, due à une forte magnétostriction en volume positive de l'Invar, se retrouve aussi dans d'autres matériaux (Fe72Pt28[3], Pd3Fe[4], ... ), dont on dit qu'ils présentent aussi un effet Invar.

Le 10 Décembre 1920, Guillaume reçu le Prix Nobel de physique pour ses recherches sur les alliages fer-nickel.

Composition et propriétés

Composition

À l'automne de 1896, Guillaume propose une baisse du cœfficient d'expansion à température ambiante avec un alliage contenant à peu près 36% de nickel. Le cœfficient d'expansion de cet alliage vaut un dixième de celui du fer.

Sur proposition de Marc Thury est défini l'Invar industriel. Dans l'étude, l'influence de la plupart d'additifs est étudiée : le manganèse, le carbone, le chrome et le cuivre.

Étant donné qu'aucune production industrielle de fer-nickel libre de manganèse et de carbone n'était envisageable, C. -E. Guillaume fixa la composition standard à 0, 1% de manganèse et 0, 4% de carbone.

En plus de ces éléments, le chrome et le cuivre sont des additifs envisageables. Le magnésium, le silicium et le cobalt peuvent être ajoutés pour perfectionner les propriétés mécaniques. D'autres éléments peuvent aussi perfectionner certaines caractéristiques : par exemple, l'ajout de plus de carbone, de manganèse et de chrome permet une meilleure résistance à la corrosion de type pitting.

Dilatation thermique

Évolution du cœfficient de dilatation de l'Invar selon la température

La faible dilatation thermique de l'Invar est la propriété la plus connue de l'alliage. Du zéro absolu à 90 °C, elle reste inférieure à 2 x 10-6 K-1, à comparer à 12 x 10-6 K-1 et 13 x 10-6 K-1 pour le fer et le nickel, ses principaux constituants.

L'intérêt de cet alliage est par conséquent évident aux températures cryogéniques, mais son utilisation ne se justifie plus aux températures plus élevées. En effet, quoique le température de Curie se situe à 280 °C pour l'alliage à 36% de Nickel, la stabilité dimensionnelle de l'Invar se dégrade fortement dès qu'on dépasse 130 °C[5].

Cependant on peut repousser cette température en changeant la composition chimique de l'alliage. L'alliage nickel-fer à 50% de nickel présente une température de Curie de 565 °C, ce seuil évoluant avec la teneur en Nickel. Au-delà de 600 °C, aucun alliage de fer-nickel connu ne conserve son effet Invar : le quartz, avec un cœfficient de dilatation thermique de 0, 5 x 10-6 K-1 jusqu'à 300 °C, est alors fréquemment utilisé.

Ferromagnétisme

Évolution du cœfficient de magnétostriction selon le teneur en nickel

Historiquement, le paramagnétisme de certains alliages de fer et de nickel a été la première singularité mise en évidence. La cœxistence, dans des proportions variables avec la température, de deux structures, dont l'une possède un moment magnétique élevé (2, 2 à 2, 5 μB), un plus fort paramètre de maille et est conforme à la règle de Hund, et l'autre ayant un plus faible moment magnétique (0, 8 à 1, 5 μB) et paramètre de maille, induit une variation dimensionnelle de l'alliage quand il est soumis à un champ magnétique variable. Si on veut par conséquent maîtriser la stabilité dimensionnelle de l'Invar, il faut par conséquent éviter de l'exposer à un champ magnétique ou le remplacer par un alliage antiferromagnétique... sachant qu'on ne connait toujours aucun alliage antiferromagnétique présentant un cœfficient de dilatation thermique inférieur[5] à 4 x 10-6 K-1.

Cette sensibilité dimensionnelle des alliages de fer-nickel aux champs magnétiques a fait l'objet de recherches intensives, soit pour tirer profit de cette propriété (actionneurs magnétostrictifs) soit s'en prémunir (la magnétostriction du Permalloy 78 (78% de nickel) est nulle).

Autres propriétés

Strictement parlant, le terme «Invar» ne sert à désigner que l'alliage contenant 36% de nickel, qui a le plus faible cœfficient d'expansion (même si les alliages de nickel à 50% sont quelquefois nommés Invar). On recense, pour cet alliage, à 20 °C[6] :

Résistivité 75-85 µOhmcm
Module d'élasticité 140-150 GPa
Module de cisaillement 57 GPa
Dureté Brinell 160
Allongement à la rupture < 45%
Résilience (à 20 °C) 140-150 J/cm²
Cœfficient de Poisson  ?
Limite à la rupture 450-590 MPa
Densité 8, 125 g·cm-3
Cœfficient de dilatation linéaire (20-90 °C) 1, 2-2, 0 x 10-6 K-1
Conductibilité thermique (à 23 °C) 13 Wm-1K-1
Capacité thermique massique 510 JKg-1K-1


Applications

Grâce à son faible cœfficient de dilatation thermique (environ 2.10-6 K-1 en longueur (certaines nuances ont des cœfficients de dilatation négatifs), il est utilisé pour réaliser des instruments de précision :

  • horlogerie
  • topographie
  • appareils de mesure physique de laboratoire
  • détecteurs d'activité sismique
  • cadres shadow mask
  • soupapes de moteurs
  • moules pour pièces composites dans l'aéronautique

Mais la stabilité aux changement de température permet aussi de réaliser des constructions insensibles au stress thermique : le revêtement intérieur de cuves de méthanier en Invar est la technologie prédominante pour le transport du gaz naturel.

À la différence de certains matériaux possédant aussi des cœfficients de dilatation particulièrement faibles, l'Invar présente des avantages des métaux (conductivité électrique, aptitude à la soudure ou à la brasure, élasticité, ... ). L'iridium, le tantale ou le tungstène présentent les mêmes propriétés, mais sont particulièrement coûteux. L'Invar est par conséquent un candidat parfait pour :

La variation de la teneur en Nickel ou l'association à d'autres matériaux permet, non pas d'obtenir une dilatation nulle, mais précisément semblable à celui des autres matières :

Enfin, d'autres applications ont été développées :

Notes et références

  1. Discours de Guillaume sur [1]. Consulté le 12 septembre 2009.
  2. Discours de Guillaume le dimanche 7 juin 1925 à Paris, salle Hoche. Consulté le 12 septembre 2009.
  3. Publication : Étude sous pression du composé Invar Fe3Pt
  4. Comportement sous pression du composé Invar Pd3Fe
  5. Etienne Du Tremolet de Lacheisserie et Louis Néel (préface de Louis Néel), Magnétisme : Matériaux et applications, t.  2, DP Sciences, coll. «Collection Grenoble sciences», 2000 (ISBN 2.86883.464.7) [lire en ligne] 
  6. Propriétés de l'Invar recensées par ImphyAlloys


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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 09/12/2010.
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