Alliage métallique amorphe - Définition

Introduction

Alliage métallique amorphe.

Un alliage métallique amorphe, appelé aussi « métal amorphe », est un alliage métallique solide doté d'une structure amorphe plutôt que cristalline. Ces matériaux peuvent être obtenus par refroidissement très rapide depuis l'état fondu de l'alliage, ou par d'autres méthodes. On parle de « verre métallique » sans que cela n'exclut les autres appellations lorsque le solide est obtenu à partir de l'alliage fondu, par analogie avec le verre de silice.

Les verres métalliques sont des matériaux relativement récents, produits depuis 1960 sous forme de rubans d’épaisseur environ 0,1 mm par trempe sur roue (melt spinning en anglais) puis depuis environ 20 ans sous forme massive, c’est-à-dire dont la plus petite dimension est de l’ordre du centimètre. Ces matériaux présentent des caractéristiques uniques, liées à leur structure amorphe, et font l’objet d’intenses recherches, aussi bien par des approches théoriques qu’expérimentales.

Histoire

Les verres métalliques fabriqués à partir de l’état fondu par trempe rapide ont été découverts en 1960. En raison de leur haute vitesse critique de trempe (10⁴ à 10⁶ K/s), seuls des rubans d’une épaisseur maximale d’environ 0,1 mm ont pu tout d’abord être élaborés.

Plus récemment, on a découvert que certains alliages amorphes pouvaient être élaborés avec des vitesses critiques inférieures à 10³ K/s, dans les systèmes Pd-Ni-P et Pd-Cu-Si pour lesquels des diamètres critiques de 0,3 et 3 mm, respectivement, par trempe à eau ont pu être obtenus. À partir de l’année 1988, un nombre croissant de systèmes amorphisables sous forme massive a été découvert. Tout d’abord dans les systèmes base magnésium puis base zirconium, base fer, base cobalt, etc.

Pour un système Pd-Ni-Cu-P l’épaisseur maximale vitrifiable est de 72 mm. Pour les systèmes base Zr, entre 25 et 30 mm selon leur composition. Pour ces derniers systèmes, les vitesses critiques de trempe sont de l’ordre de 0,1 K/s.

Les règles permettant de repousser la cristallisation, donc d’obtenir une grande aptitude au formage, suivent principalement deux critères :

• suppression de la germination en augmentant l’énergie d’interface liquide-solide,
• suppression de la croissance cristalline en rendant difficile les réarrangements à longue distance (diffusion) des atomes.

Les alliages amorphes dotés d’une grande aptitude à la vitrification (GFA, Glass Forming Ability) obéissent à des règles semi-empiriques :

1. plusieurs composants (au moins 3 éléments et très souvent 5) sont requis ;
2. différence de tailles atomiques d’au moins 12% entre les constituants principaux de l'alliage ;
3. eutectiques profonds dans les diagrammes de phase des alliages afin de freiner les mouvements atomiques ;
4. énergie de mélange négative entre les principaux éléments.

Les verres formés selon ces règles possèdent un DT = T_X −T_g important (où T_X est la température de début de cristallisation et T_g la température de transition vitreuse), ce qui va autoriser l’étude des propriétés mécaniques à chaud.

La capacité d’un système à former un amorphe massif est extrêmement sensible à la composition. Par exemple, dans un système ZrTiAlHfCuNi, une variation de composition de 2% en aluminium peut empêcher la formation de l’amorphe.