Quels impacts ont-elles sur les matériaux métalliques ?

Une météorite qui s’est écrasée sur terre il y a environ 35 millions d’années a produit ce que l’on pense être la température la plus chaude jamais apparue naturellement sur notre planète. Les scientifiques estiment qu’une température de 2 370 °C a été atteinte lors de cet impact d’un élément extraterrestre, soit près de la moitié de la température de la surface du soleil.

À l’extrême opposé, la température naturelle la plus basse jamais enregistrée sur terre au niveau du sol est de -89,2 °C à la Station soviétique de Vostok, en Antarctique, le 21 juillet 1983.

TENDRE VERS LE « ZÉRO ABSOLU »

Alors que les températures mentionnées plus haut se produisent naturellement, les températures auxquelles sont soumis les métaux dans les applications industrielles approchent parfois ces valeurs, ce qui représente de véritables défis. Prenons par exemple un réacteur : sa température peut atteindre 900 °C, tandis que les fours industriels vont jusqu’à 1 200 °C. A l’extrême inverse, la cryogénie peut impliquer des températures de -196 °C ou même de -269 °C. Pour ceux qui se souviennent de leurs cours de physique au lycée, c’est juste au-dessus du « zéro absolu » qui est de -273 °C, la plus basse température possible — rien ne peut être plus froid, aucune énergie thermique ne subsiste dans la matière à cette température.

C’est pour cela que lors de la conception d’équipements destinés à toute application impliquant de très basses ou de très hautes températures, ou de grands écarts de températures, il est vraiment important de prendre en compte les effets que ces températures auront sur les métaux utilisés. Il existe des dizaines d’applications de boulonnage et de fixations qui impliquent des températures extrêmes.

La science de la métallurgie étudie la manière dont divers métaux se comportent sur de larges plages de températures et comment des métaux ou des combinaisons de métaux spécifiques peuvent aider à diminuer d’éventuels effets négatifs. Ainsi, les alliages d’acier ou d’autres métaux peuvent être conçus spécialement de manière à satisfaire aux exigences d’une application soumise à des températures extrêmes.

LES DÉFIS POSÉS PAR LES BASSES TEMPÉRATURES

Les effets négatifs primaires causés par les basses températures sont la perte de ductilité (faculté de résister à une déformation plastique avant rupture) et une fragilisation croissante du matériau alors que la température baisse en dessous de ce que l’on appelle la température de transition ductile-fragile ou DBTT (en anglais).

« Un matériau ductile commence par se déformer avant de se rompre, » explique Alexandre Fleurentin, expert en métallurgie, en traitements thermiques et de surface, et fondateur de la société Métallo Corner en France, « tandis qu’un matériau fragile a tendance à se rompre immédiatement lorsqu’une charge dépasse sa limite élastique. »

Alors que la température baisse, de nombreux matériaux passent de ductile à fragile à la température DBTT. Manifestement, l’éclatement aura des conséquences plus négatives que la déformation et à températures très basses, les aciers sont généralement plus sensibles aux impacts, avec un risque de se rompre en cas de pliure ou de choc soudain. Cette caractéristique est proche de la résilience et est évaluée dans un test d’impact.

D’un autre côté, une température basse favorise fréquemment la résistance mécanique à la traction d’un métal et diminue l’allongement à la rupture. Pour obtenir une résistance à la traction élevée et obtenir un matériau moins fragile, on préfère souvent des aciers inoxydables austénitiques avec une teneur élevée en nickel et en azote.

LES TEMPÉRATURES ÉLEVÉES SONT ENCORE PLUS COMPLEXES

À des températures extrêmement élevées, des phénomènes réversibles et des phénomènes permanents se produisent. Les réversibles, qui régressent si la température retourne à un niveau considéré comme normal, entraînent une perte temporaire de résistance mécanique à la traction et un changement de ductilité.

Quant aux phénomènes permanents, les processus de vieillissement et de traitement thermique apparaissant à des températures élevées peuvent provoquer un sur-revenu qui entraîne une moindre résistance à la fatigue. La température de service doit donc rester en dessous de la température de recuit ou de trempe de l’acier.

Pour ce qui est des aciers inoxydables, les températures élevées peuvent entraîner une perte ou une diminution de la couche de passivation protectrice, de sorte qu’à ces températures, le concepteur doit veiller aux facteurs ambiants, tels que l’humidité et certains éléments de l’atmosphère. « Même les fluides, qui ont des impacts indirects sur la performance des métaux peuvent être influencés, » poursuit M. Fleurentin. Par exemple, certains lubrifiants comme le disulfure de molybdène (MoS2) changent de propriétés à températures élevées et perdent complètement leur faculté de lubrifiant (le MoS2 devient du MoS3 = trisulfure de molybdène), entraînant divers problèmes. »

LE FLUAGE ET LA RELAXATION PEUVENT AUSSI ÊTRE ACTIVÉS PAR LA CHALEUR

Les phénomènes importants, et souvent néfastes, de fluage et de relaxation peuvent aussi être activés à hautes températures. Le fluage se définit comme la déformation lente et permanente d’un matériau lorsqu’il est soumis à une contrainte mécanique constante, même si celle-ci se situe en dessous de la limite élastique du matériau. On parle de relaxation lorsqu’un matériau, même s’il est au départ soumis à une charge inférieure à sa limite élastique, relâche la contrainte lorsqu’il est exposé à un effort fixe, en transformant une partie de sa déformation élastique en déformation plastique.

Les métaux sont plus facilement sujets au fluage comme à la relaxation s’ils sont soumis à des températures élevées, même avant que les charges ou les déformations ne dépassent la limite élastique du matériau. L’ampleur du fluage ou de la relaxation dépend de la quantité de contrainte, de la température et du temps d’exposition. Ces phénomènes peuvent être activés à partir de 200 °C environ pour les aciers et à une température à peine supérieure à 100 °C pour certains alliages légers et aciers inoxydables. Pour les applications vraiment sensibles, les designers peuvent choisir des alliages résistants au fluage à base de nickel ou de cobalt. Il convient de garder à l’esprit que le fluage et la relaxation modifient en permanence les pièces en termes de déformation et de relâchement des contraintes.

LE COEFFICIENT DE DILATATION THERMIQUE VARIE SUR UNE LARGE PLAGE DE TEMPÉRATURES

Autre conséquence des températures extrêmes, un matériau se dilate ou se contracte en proportion de la température, du fait de ses propriétés physiques. Lorsque la température augmente dans une structure en acier, les atomes commencent à vibrer de plus en plus. Cette agitation thermique conduit à son tour à une augmentation des distances interatomiques et entraîne ainsi une dilatation du matériau.

Cette dilatation effective, qui intervient lorsque la température augmente, est décrite par ce que l’on appelle le coefficient de dilatation ou d’expansion thermique linéaire (CET Coefficient d’expansion thermique) qui est normalement défini à 20 °C pour divers matériaux. Il est généralement constant sur une plage de températures définie, disons de 0 à 100 °C. « Néanmoins, constate M. Fleurentin, le CET pour un matériau donné n’est pas toujours constant sur une large plage de températures, de sorte qu’on l’actualise tous les 100 °C. »

« Outre le fait que le CET lui-même varie avec la température, le designer doit aussi tenir compte du vieillissement et des changements de propriétés des matériaux durant le temps de service. Ces deux points sont extrêmement importants pour tout type d’équipement ou pour les solutions de boulonnage et de fixation qui seront soumis à des températures extrêmes. »