Invar - Définition

Introduction

Évolution du coefficient de dilatation en fonction de 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 Coefficient de dilatation très 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 dénomination 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 spécialement 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.

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 surprenant : bien que le fer et le nickel soient tous deux des matériaux ferromagnétiques, l'alliage était paramagnétique et son coefficient d'expansion beaucoup 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 fourni par les Aciéries d'Imphy à Nevers, puis la Société de Commentry-Fourchambault.

Quelques années plus tôt John Hopkinson avait noté que les alliages fer-nickel peuvent subir une transformation remarquable. L'analyse d'un alliage à 25% de nickel, relativement doux et paramagnétique à température ambiante, devient dur et ferromagnétique lorsqu'il est réfrigéré à 0 °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 alors que son coefficient de dilatation thermique n'est que d'environ un tiers de celle du platine. 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. ». 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 un peu plus important que la configuration non ferromagnétique.

Lorsque 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 également dans d'autres matériaux (Fe₇₂Pt₂₈, Pd₃Fe,...), 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.