métallurgie (suite)

Les procédés de soudage

Ces procédés ont évolué aussi bien dans le domaine de la technique proprement dite d’assemblage par fusion locale que dans celui du matériel utilisé, permettant des travaux plus automatiques avec une puissance énergétique accrue. Le soudage à la flamme et le soudage par résistance électrique se sont perfectionnés dans les travaux de grandes séries pour l’exécution de soudures de qualité. De très grands progrès ont été réalisés dans le soudage à l’arc manuel et surtout dans les procédés automatiques de soudage grâce à l’utilisation de sources de courant adaptées (continu, alternatif, puisé), d’électrodes enrobées ou non, dont le rôle est primordial comme métal d’apport et comme élément de flux protecteur et affinant, d’atmosphère inerte ou protectrice (argon, hélium, anhydride carbonique) et de flux pulvérulent projeté sur la région de la soudure. Les plus récents procédés de soudage utilisent de nouvelles sources énergétiques : le faisceau électronique permet l’assemblage de certains alliages sous vide ; le plasma d’arc, parfaitement ponctuel, s’applique aux alliages peu conducteurs de l’électricité ou de très faible épaisseur (de l’ordre de quelques centièmes de millimètre) ; le laser est employé en électronique et en micromécanique.

Métallurgie structurale

Cette partie de la métallurgie étudie les métaux et alliages plus particulièrement dans leur transformation, leur traitement et leurs caractéristiques d’emploi ; elle constitue essentiellement la « métallographie ». Afin de mieux connaître la structure intime des métaux et de leurs alliages, la métallographie a dû s’orienter vers la physique du solide en étudiant les réactions physico-chimiques des différents états des métaux avec les apports de la thermodynamique et de la cinétique chimique. De ce fait, les techniques d’investigation du métallographe de recherche font appel plus fréquemment à la microscopique électronique, à la radiocristallographie (en rayonnement X ou en diffraction électronique), à la microsonde électronique, à la microradiographie, à la chromatographie, à la microgravimétrie, etc. Les méthodes classiques d’étude, d’essai ou de contrôle des produits métalliques se sont perfectionnées dans leur étendue, leur précision, leur reproductibilité et leur automaticité. Ainsi, l’analyse thermique permet de mieux déceler des modifications structurales non seulement entre phases liquide et solide, mais dans le domaine solide ; la dilatométrie différentielle, très sensible, est complétée par la dilatométrie absolue grâce à l’emploi courant des jauges de contraintes et de matériel de mesure électronique. De plus, la sensibilité des appareillages et leur vitesse d’enregistrement permettent de suivre l’évolution des transformations et la cinétique de certaines décompositions structurales (cas de l’austénite dans les traitements isothermes). L’examen micrographique d’une structure à chaud et de ses transformations au cours du refroidissement est pratiqué par l’intermédiaire d’une caméra de télévision branchée sur l’optique d’un microscope. Les essais mécaniques se sont diversifiés et leur utilisation pour certains d’entre eux est passée du laboratoire de recherche, au laboratoire de contrôle de fabrication. Les essais de dureté classiques (Brinell, Vickers, Rockwell, Shore, etc.) ont été complétés par des essais de microdureté sous faible charge et de dureté à chaud sous vide ou sous atmosphère protectrice. L’enregistrement de la courbe de traction est également complété par celui de la courbe rationnelle de traction (représentant les allongements en fonction de la contrainte effective) aussi bien à haute qu’à basse température, à faible vitesse de déformation ou à grande vitesse (traction par choc) sur éprouvettes normales ou sur micro-éprouvettes, certaines machines étant équipées de calculatrices analogiques. D’autres essais mécaniques ont été imaginés, notamment les essais dynamiques : essais de fluage, essais de ralaxation, essais de fatigue (traction, compression, tension, flexion, rotation, vibration). De même, la variété des essais physiques est due aux techniques physiques et électroniques qui ont remplacé les techniques anciennes de mesure et d’enregistrement mécaniques ou optiques. Les méthodes d’examen et de contrôle non destructif des pièces ont progressé dans leurs applications au stade des ateliers et des laboratoires d’inspection, plus particulièrement les méthodes radiographiques, gamma-graphiques, ultrasonores, magnétoscopiques et celles d’induction électromagnétique. Toutes ces méthodes d’étude et de contrôle permettent au métallurgiste de mieux maîtriser les phénomènes parfois complexes des procédés d’élaboration et de transformation, en assurant une qualité régulière et garantie pour l’utilisateur. De même, pour l’expertise des pièces rompues en service, l’examen des cassures, ou fractographie, apporte de précieux renseignements sur l’origine et le processus de la rupture.

Évolution et perspectives d’avenir

Les améliorations des matériaux se poursuivent aussi bien dans les domaines de consommations de masses que dans ceux des applications électriques ou électroniques telles que les électrodes pour piles et accumulateurs de plus longue durée, les électrodes pour piles à combustible, les semi-conducteurs pour transistors, les aimants permanents à plus haute énergie spécifique (aimants d’alliage cobalt-samarium), etc. La mise en forme de certains de ces nouveaux alliages est facilitée par le formage sous haute énergie, les techniques de la métallurgie des poudres et l’étude du domaine possible de superplasticité à chaud. Mais l’évolution la plus spectaculaire est l’étude et l’élaboration de matériaux composites à base métallique. Bien que d’emplois industriels encore restreints en raison de leur prix, ces matériaux possèdent des caractéristiques mécaniques égales parfois à 10 fois celles des matériaux métalliques conventionnels équivalents. Ils sont constitués par une matrice métallique (acier, cupro-alliage, alliage d’aluminium), renforcée par un matériau finement divisé et dispersé (dispersoïde) dont les caractéristiques intrinsèques élevées viennent s’harmoniser avec celles de la matrice. Ces éléments de renforcement de nature variée (carbone, graphite, bore, silice et silicates, carbures de bore ou de silicium, nitrure de bore, alumine) se présentent sous forme de fibres d’un diamètre de quelques microns à 0,10 mm et de longueur très variable, certains étant obtenus en continu. D’autres éléments, les barbes ou « whiskers », sont des fibres monocristallines de 0,5 à 5 μ de diamètre et de quelques millimètres de longueur, dont la structure cristalline possède un haut degré de perfection, ce qui leur confère des caractéristiques mécaniques de 10 à 20 fois celles des matériaux polycristallins classiques. Ces divers éléments composites sont élaborés soit à partir de phase liquide, soit à partir de phase solide par laminage, par coextrusion ou par métallurgie des poudres.