Nitinol
Le nickel-titane, connu aussi sous le nom de Nitinol est un alliage de nickel et de titane, dans lequel ces deux éléments sont approximativement présents dans les mêmes pourcentages.
| Nitinol | |
| |
| Fil de nitinol | |
| Identification | |
|---|---|
| Apparence | solide |
| Propriétés chimiques | |
| Formule | Ni14Ti11 |
| Cristallographie | |
| Système cristallin | austénitique et martensitique |
| Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire. | |
Cet alliage possède deux propriétés bien spécifiques : la mémoire de forme[1] et une super-élasticité (connue également sous le nom de pseudo-élasticité). La mémoire de forme correspond à la capacité du nitinol à retrouver sa forme originale après avoir enduré une déformation, ainsi que celle d’alterner entre deux formes autour d’une température de transformation critique. La super-élasticité apparaît dans une échelle de températures juste au-dessus de la température de transformation. Dans ce cas, aucun chauffage n’est nécessaire pour déformer le matériau, et celui-ci présente une élasticité exceptionnelle, 10 à 30 fois plus qu’un métal ordinaire.
Histoire
Le terme Nitinol dérive de sa composition et du lieu de sa découverte (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory). William J. Buehler ainsi que Frederick Wang découvrirent ses propriétés lors de recherches au Naval Ordnance Laboratory en 1962. Tandis que les applications potentielles du nitinol furent très vite envisagées, les efforts de commercialisation de l’alliage n’eurent lieu que dix ans plus tard. Ce retard est lié à la difficulté de mise en place du procédé de fabrication de l’alliage. Malgré des aides financières, il n’y eut pas vraiment de résultats avant les années 1990, durant lesquelles les difficultés pratiques furent enfin résolues.
La découverte de la mémoire de forme date de 1932, avec les premières observations du chercheur suédois Arne Ölander concernant les propriétés des alliages d’or et de cadmium. Le même effet fut observé sur l’alliage de cuivre et zinc au début des années 1950.
Mécanisme
La spécificité du nitinol dérive de ses propriétés de transformation réversible à l’état solide, connue sous le nom de transformation martensitique (en).
À haute température, le nitinol possède une structure primitive de cube cristallin, qui constitue sa structure « parentale », encore appelée état austénitique. À basse température, le nitinol se transforme spontanément en une structure plus complexe de cristal, appelée état martensitique.
La température à laquelle se produit le changement de structure est appelée température de transformation. Plus précisément, il existe quatre températures de transformation. Quand l’alliage se refroidit en phase austénitique, la structure martensitique commence à se former quand la température atteint le point martensitique, ou température Ms. La température à laquelle la transformation est complète est notée température Mf. Quand l’alliage est totalement à l’état martensitique et qu’il est sujet à un chauffage, l’état austénitique commence à se former à la température As, et la transformation se termine à la température Af.
Il existe différents aspects essentiels dans la phase de transformation du nitinol :
- premièrement, la transformation est réversible, ce qui signifie qu’un chauffage au-dessus de la température de transformation fera repasser la structure cristalline à une simple structure austénitique ;
- le second point clé est que la transformation est instantanée, dans un sens comme dans l’autre.
Notes et références
Bibliographie
- (en) M. Chinaud, A. Boussaid, J. F. Rouchon, E. Duhayon, E. Deri, D. Harribey et M. Braza (septembre 2012) « Thermo-mechanical coupling in Nitinol. Application to an electro-morphing plate » dans XXth International Conference on Electrical Machines : 2580-2584 p., IEEE (DOI:10.1109/icelmach.2012.6350249).
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