Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
2~3~~Oi
1
La présente invention concerne un alliage
inoxydable à base de fer présentant. un effet dit de
mémoire de forme consistant, après une déformation
mécanique déterminée à froid, en une récupération de
. 5 la forme initiale par échauffement, ledit alliage à
mémoire de forme étant élaboré pour la réalisation
de produits tels que des tôles, des fils, des
profilës utilisés notamment dans des applications
industrielles telles que des raccords de tube, des
manchons, des bagues de serrage et des colliers.
La présente invention a également pour objet
un procédé d'élaboration d'un tel alliage.
Les alliages métalliques à mémoixe de forme
sont connus depuis de nombreuses années et ont été
longtemps considérés uniquement comme des produits
de laboratoixe, leur coût d'élaboration ne permet-
tant pas d'envisager un développement industriel.
Ces dernières années, les alliages à base de
fer, oxydables, présentant un effet de mémoire de
forme et susceptibles d'application industrielle ont
été mis au point.
Afin d'éviter le problème d'oxydation de
tels alliages, des recherches se sont orientées vers
l'obtention d'alliages à mémoire de forme, à base de
fera inoxydables.
On sait que l'effet de mémoire de forme est
un phénomène lié à la modification, dans l'alliage,
d'une phase initiale austénitique ~ en une phase
martensitique ~ , modification générée dans un
~0 intervalle de température déterminée par une défor-
mation mécanique déterminée. Le domaine de temgéxa-
ture dans lequel la phase ~ peut être créëe est
limitée à un intervalle de température ~Ms, MfJ dans
lequel Ms est la température de début de la trans-
20~050~
2
formation martensitique et Mf la température de la
fin de la transformation martensitique, l'intervalle
de tempêrature étant généralement compris entre
+100°C et - 50°C.
La déformation mécanique peut être partiel-
lement ou totalement effacée, après un chauffage de
l'alliage déformé, à une température comprise dans
un domaine de température dans lequel la phase
martensite ~ redevient une phase austénitique ~ ,
~10 domaine de température limité à un intervalle ~As,
Af~ dans lequel As est la température du début de la
réversion de la martensite et Af est la température
de Ia fin de la réversion de la martensite,
intervalle de température compris entre 50°C et
300°C.
L'effet de mémoire de forme est obtenu en
favorisant la formation de la martensite ~. lors de
déformations mécaniques.
Pour cela, il est nécessaire de réduire
t0 l'énergie de faute d'empilement dans une phase
austénitique ~ contenue dans l'alliage avant la
déformation mécanique.
La nécessitë de réduire l'énergie de faute
d'empilement est liée aux structures cristallogra
phiques des phases ~ et ~ . Une faute d'empilement
intrinsëque dans la structure cubique face centrée
de la phases est considérée comme générant une phase
hexagonale ou phase ~" le passage d'une phase ~ en
une ghase ~ étant obtenu par le mouvement d'une
dislocation partielle de Schookley tous les deux
plans cristallins.
Un exemple d'alliage à mêmoire de forme est
donné, en sa composition, par la demande de brevet
japonais n° 60.249957 le EP-A-176 272.
L'alliage est composé de
3
20 à 40% de manganèse,
3,5 à 8% dè silicium,
- un ou plusieurs composants tels que du
chrome, du nickel, du cobalt, dans une
' S teneur inférieure à 10%,
- moins de 2% de molybdène,
- et moins de. 1%a de carbone, d'aluminium et
de cuivre.
I1 est précisé dans cette demande de brevet,
d'une part, que la phase ~ générant l'effet de
mémoire de forme ne peut être induite qu'avec des
teneurs en manganèse supérieures à 20% et qu'au delà
d'une teneur en manganèse de 40%, une phase autre
que la phase ~ prédomine avec une perte de l'effet
de mémoire, et, d'autre part, que le silicium
favorise la création de la phase ~ , les valeurs des
teneurs en silicium supérieures à 8% entraînant des
difficultés d'élaboration de l'alliage et une perte
des qualités d'usinabilité dudit alliage.
Il est également indiqué dans cette demande,
que le chrome, qui améliore l'obtention de la phase
crée âussi des composés intermélliques à,faible
point de fusion, ce qui entraine avec des teneurs
supérieures à 10% une grande difficulté
d'élaboration de 1°alliage. Dans la composition de
l'alliage décrit, les teneurs en chrome restent
inféxieures à 5%.
Bien que l'intervalle de valeur cité des
teneurs en manganèse soit de 20 à 40%, on remarque
que la valeur moyenne des teneurs en manganèse des
alliages étudiées et regroupées dans un tableau
représentant des exemples de composition, est de
l'ordre de 30%. De plus, contrairement â l'ensei-
gnement divulgué, il est également possible
2~~o~u1
4
d'obtenir une phase ~ dans un alliage à base de fer
lorsque la teneur en manganèse est inférieure à 20$
en poids.
L'alliage décrit dans la demande de brevet
japonais n° 60.249957, n'est pas un alliage
inoxydable, et les arguments énoncés au regard des
teneurs données montrent qu'il n'est pas envisagea
ble d'obtenir un alliage inoxydable avec une telle
composition.
~i0 On connait également un alliage inoxydable à
mémoire de forme commercialisé par la société NKK
Corporation, décrit dans la demande de brevet EP-A-
336 157 et dont la composition est 1a suivante
- 13 à 15% de chrome,
- 0 à 15$ de manganèse,
- 0 à 7 % de silicium,
- 0 é 10% de nickel,
- 0 à 15% de cobalt,
- les éléments autres que le chrome étant
p ajustés pour obtenir l'effet de mémoire de forme par
reversion de la phase martensite dans un intervalle
défini de températures compris entre 150°C et 300°C.
Un tel alliage contient une grande propor
tion de nickel et de cobalt qui sont des matériaux
stratégiques, dont les prix, fluctuant, dominent les
co~3ts d'élaboration de cet alliage.
1De plus, le nickel lorsqu' il est ajouté en
teneur supérieure à 5% en poids, augmente l'énergie
de faute d'empilement, alors que les éléments tels
que le, manganèse dans une proportion inférieure à
14,8% et le silicium réduisent nette énergie,
d'autre part l'azote n'est introduit qu'en élément
d°alliage additionnel, dans une proportion corres-
pondant à un ordre ds grandeur d'impureté résiduel-
20~0~01
le.
Un autre alliage mmoire de forme est
dcrit dans la demande de brevet japonais n
63.216946. Dans l'ensemble des compositions dcri-
s tes, une, pouvant tre inoxydable, contient du
chrome, du silicium, 27, 4% de manganse, et confre
l'alliage un taux de rcupration de 60%.
L'invention a pour objet un alliage inoxy-
dable base de fer prsentant un effet ait de
~10 mmoire de forme total consistant, aprs une
dformation mcanique dtermine froid, en une
rcupration de la forme initiale par chauffement,
caractris en ce que sa composition pondrale est
la suivante
45 - 9 13% de chrome,
- 15 25% de manganse,
- 3 6 $ de silicium,
- le reste tant du fer et des impurets
rsiduelles rsultant de la fusion des matires
~p ncessaires l'laboration, les proportions des
lments devant satisfaire la relation
1,43(%Si) + 1(%Cr) < 17.
Selon d'autres caractristiques de 'l'in-
vention
25 - l'alliage contient en plus, dans sa com-
position pondrale, une teneur en azote comprise
entre 0 et 0,3% en poids, les proportions des
lments devant satisfaire la relation
1,43(%Si) + 1(%Cr) < 19,5 ~C 0,66(%Mn) + 29(%N).
30 . - l'alliage contient en plus, dans sa com-
position pondrale, une teneur en lment nickel
x
comprise entre 0 et 5% en poids, les proportions des
lments devront satisfaire la relation
1,43(%Si) + 1(%Cr) ~ 19,5 < 0,66(%Mn)+29(%N)+2,1(%Ni).
~D~~~Oi
6
L'intervalle des teneurs en chrome est
dêterminé pour protéger l'alliage contre la
corrosion, c'est à dire le rendre inoxydable, et le
manganèse est l'élément principal favorisant la
création de la phase martensitique ~ .
Les inégalités se justifient par le fait
qu'il faut limiter la teneur en éléments alphagènes
(Cr, Si) pour éviter l'apparition d'une phase
fragilisante et d'autre part la teneur en éléments
~10 gamagènes doit être suffisante pour conférer à
1°alliage une structure totalement austénitique à la
température d'utilisation.
D'autre part, le silicium réduit l'énergie
de faute d'empilement dans la phase austénitique ô .
'15 De plus, le silicium en présence de chrome améliore
la résistance à la corrosion de l'alliage lorsque sa
teneur est supérieure ou égale à 3~.
L'azote, dont il a été remarqué que la limi
te de solubilité dans l'alliage est d'environ 0,3$,
~O augmente fortement la limite élastique de l'alliage
et favorise ainsi l'apparition de la phase ~ ..La
grande solubilité de l'azote dans l'alliage est liée
à la présence dans ledit alliage d'une teneur
relativement élevée en manganèse.
~5 L'azote présente aussi l'intérêt de retarder
la précipitation de composés intermétalliques telle
que 1a phase ~ , et de permettre 1°ajout de chrome
en teneur suffisante poûr conférer à l'alliage une
bonne résistance à la corrosion.
30 . Enfin, le nickel, substitué au manganèse
dans des proportions inférieures à 5~, n'augmente
pas l'énergie da faute d'empilement et améliore la
ductilité de l'alliage.
L'azote et le nickel limitent la création da
~~~~501
7
la phase 6' fragilisante et rduisent de faon cons-
quente la fragilit de l'alliage, tout en lui con-
servant ses proprits de mmoire de forme.
L'invention, contrairement l'enseignement
donn dans la demande de brevet japonais n
60.249957, permet l'obtention d'un alliage dont la
teneur en chrome est suprieure 6%, la teneur en
chrome comprise entre 9 et 13% confrant l'alliage
un caractre inoxydable.
~10 La prsente invention a galement pour objet
un procd d'laboration d'un tel alliage inoxydable
base de fer prsentant un effet de mmoire de
forme, partir de lingots labors par coule,
caractris en ce que l'on soumet lesdits lingots
q5 diffrentes tapes de transformation physique et
mcanique comprenant
- un forgeage en plats une temprature
comprise entre 1150 et 1250C,
- une rectification pour l'limination des
p dfauts de surface,
- au moins un laminage chaud une
temprature comprise entre 1000 et 1200C avec un
taux d rduction suprieur 70%,
- au moins un recuit une temprature
2g suprieure 900C pendant un temps compris entre 1 -.
et 30 minutes, aprs chaque laminage chaud,
- au moins un laminage froid avec un taux
de rduction suprieur 50%,
- et au moins un recuit une temprature
30 comprise entre 900 et 1100C pendant un temps
compris entre 1 et 30 minutes.
Selon d'autres caractristiques de
l'invention
- le laminage chaud est effectu une
2~a~9~~~.
8
température égale à 1100°C,
- le recuit, après chaque laminage à chaud
est effectué à une température égale à 1000°C
pendant 20 minutes,
- le recuit après chaque laminage à froid,
est effectué à une température égale à 1000°C pen-
dant 20 minutes.
L'invention est décrite ci-après au moyen
d'essais et en regard Ses dessins annéxës, parmi
~10 lesquels
- la Fig. 1 représente une courbe de réver-
sion de la phase ~ mesurée par diffraction X en
fonction de la température dans un exemple de com-
position d'un alliage selon l'invention,
~5 - la Fig. 2 montre un ensemble de deux
courbes de taux de déformation et de récupération de
forme sur plusieurs cycles de déformation et réver-
sion successives, l'une des deux courbes reprësen-
tant les taux cumulés de déformation et récupération .
0 de forme.
L'alliage selon l'invention est un alliage
inoxydable à base de fer, dit à mémoire de forme.
Cet alliage présente un effet de mémoire de forme,
c°est è dire qu'après une déformation mécanique à la
2g température ambiante, l'alliage récupère totalement
ou partiellement sa forme initiale après chauffage à
une température comprise dans un intervalle détermi
né de températures, favorisant la formation de la
phase austénitique Ö , de structure cristalline
30 cubique face centrée.
L'alliage selon l'invention est élaboré à
partir de lingots coulés dont la composition
pondérale est la suivante
- 225 de manganèse,
~(~~~~01
9
- 12$ de chrome,
- 5 $ de silicium.
Ensuite, les lingots subissent selon le
procd de l'invention, un forgeage 1200C en
plats de l5mm x 100mm x longueur. Les plats sont
ensuite rectifis jusqu' l'paisseur de l4mm pour
liminer les dfauts de surface.
Les plats sont soumis aprs forgeage, un
laminage chaud 1100C en quatre tapes dE faon
~10 obtenir des tles de 1,5 mm d'paisseur, puis
un recuit 1000C pendant 20 minutes et enfin un
ou plusieurs laminages froid, suivis respective-
ment d'un recuit 1000C pendant 20 minutes.
La connaissance de temprature des phases
fragilisantes a permis de dterminer un cycle de
traitement des coules adapt de faon obtenir un
alliage malable.
Aprs analyse, on remarque qu' la temp-
rature ambiante, l'alliage selon 1'nvention ne
contient pas de phase ~,.
La phase E, est gnre dans l'alliag~ par
une dformation mcanique de celui-c la
temprture ambiante. La temprature ambiante est
comprise dans l'intervalle de tempratures dans
lequel la phase ~ peut tre cree.
. La figure 1 reprsente une courbe de
rversion de la phase
Pour un premier cycle, la rversion de la
phase ~" est ralise dans l'intervalle CAs, Af
. dans lequel As est la temprature du dbut de la
rversion de la martensite et Af est la temprature
de la fin de la rversion de la martensite.
Cet intervalle est peu diffrent de 100C
avec As trs peu diffrent de 100C et Af trs peu
10
différent de 200°C.
Au refroidissement, la température de début
de la transformation martensitique, Ms très peu
différent de 90°C, et la température de la fin de la
tranformation martensitique Mf est en dessous de la
température ambiante. Après quelques cycles, Ms
diminue (Ms très peu différent de 50°C).
Les éprouvettes réalisées pour la mise en
évidence des déformations dues à l'effet de mémoire
'10 de forme ont les dimensions suivantes
l,5mm x 8mm x 95mm
Une déformation en flexion par cintrage sur
un cylindre ou encore en traction est réalisée sur
chaque éprouvette, et l'éprouvette après déformation
q5 est placée dans des fours dont la tempéraure varie
de 50°C en 50°C entre la température ambiante et
500°C.
A chaque étape, la déformation est calculée
après retour à la température ambiante, et on
i0 constate que la récupération de la forme s'effectue
entre 50 et 250°C.
L'éprouvette est soumise à une série de cy-
cles déformation-montée en témpérature. L'éprouvette
est déformée à la température ambiante avec une
~5 température de déformation constante, puis chauffée
à 1000°C et refroidie fi l'air. En mesurant la
différence entre la déformation initiale et la
déformation finale, on peut déterminer un.
pourcentage de récupération.
30 _ On peut calculer deux taux de récupération
en fonction d'un nombre de cycles variables de
déformation, l'un en prenant pour déformation
initiale la première déformation de l'échantillon
(déformation cumulée RC), l'autre en prenant pour
~o~o~o~
11
déformation initiale celle réalisée après un cycle
quelconque de déformation et récupération (R).
La figure 2 représente une courbe des taux
de déformation et récupération de forme sur
plusieurs cycles successifs (R) et une courbe des
taux de déformation et récupération de forme cumulés '
sur plusieurs cycles (RC).
Pour une déformation initiale de 1,2% après
un premier cycle, les deux taux de récupération sont
'IO proches de 70$. .Au cours des cycles suivants, le w
taux de récupération de forme reste constant et égal
à environ 95%, alors que le taux de récupération de
forme cumulée diminue.
Dès le deuxième cycle, le taux de récupéra
~i5 taon de l'éprouvette étant de 94$, on peut considé
rer que l'effet de mémoire est total. Le taux de
récupération de 94$ est obtenu avec des taux de
déformation initiale compris entre 0,7$ et 3,6$, et
la récupération de la forme initiale s'effectue
2p essentiellement entre la température ambiante et
300°C.
Différents alliages selon l'invention ont
été élaborés. La composition pondérale des
différents lingots est représentée dans le tableau I
~5 ai-dessous.
12
$ en poids
Lingots Mn Cr Si Ni N
1 22 12 3 - -
2 22 12 5 - -
3 18 12 5 2 -
4 15 10 5 4,7 -
5 20 9 5 5 -
~10 6 17 10 6 5 0,1
7 16 12 4 4 0,1
8 22 12 5 - 0,2
9 16 9 5 4 -
10 18 12 - - -
11 22 12 - - -
12 25 8 - - _
13 30 - 5 - _
~ i i
TABLEAU I
~0 Les valeurs caractérisées des alliages à
mémoire de forme sont présentées dans le tableau II
ci-dessous.
2a34~0i
13
Lingots Ms As Df R$ RC$
C , $ aprs 3 aprs 10
~C cycles cycles
1 14 119 3 85 20
2 - 127 3,8 94 35
3 23 136 3 92 33
4 -~ 123 2 78 29
'14 5 20 105 3,5 93 30
6 19 115 3 85 29
7 28 159 3, 88 28
5
8 16 112 2 96 45
9 0 100 3,5 95 40
~15 10 27 93 1 40 5
11 10 79 0,8 60 5
12 0 88 1 30 0
13 25 127 3,5 95 40
=O TABLEAU II
Les lingots 10, 11 et 12 sont donnés à
titre indicatif et mettent en évidence que l'effet de
mémoire est améliorë lorsque le point MS est situé
25 juste en-dessous de la température ambiante.
. La valeur limite de la teneur en manganèse,
soit 25% en poids dans la ; composition pondérale est
définie par le fait qu'au dessus de cette valeur,
avec au moins 9% de chrome et/ou de nickel, il est
30 difficile d'obtenir un effet de mêmoire de forme,
suffisamment important pour être industriellement
exploitable.
Le lingot 13 donné également à titre
indicatif montre qu'une amélioration de l'effet de
2~~~~01
14
mémoire est obtenue par l'ajout de silicium. Cet
effet est matérialisé aussi bien sur le taux des
récupérations, après trois cycles de récupration de
forme (R), qu'après une récupération de forme cumulée
sur dix cycles (RC).
Enfin, on constate que tous les éléments
composant l'alliage, excepté le silicium, diminuent
la température de la transformation martensitique Ms.
Le silicium a pour effet ~3'augmenter la
~10 température de cette transformation, cet effet
particulier du silicium est lié à la présence du
manganèse et au fait que l'on forme de la martensite
avec diminution de l'énergie de faute d'empilement.
Les lingots 3 et 4 montrent que l' on peut
~15 ajouter du nickel en faible quantité, 2 et 4% pour
améliorer la ductilité de l'alliage sans dégrader les
propriétés de l'effet de mémoire.
Le lingot 5 montre l'effet positif de
l'azote sur la récupération de forme dans le cas d'un
y0 cycle de récupération de forme (96%) et dans le cas
de plusieurs cycles de récupération de forme cumulés
(45%).
Le procédé d'élaboration selon l'invention
permet d'obtenir un alliage maléable qui présente un
~5 effet de mémoire de forme total pour une déformation
. d'environ 3% par cycle, comme indiqué dans la colonne
Dêf. du tableau II et qui peut être utilisé
industriellement.
L'alliage à mémoire de forme ainsi élaboré
30 peut être réalisé pour la réalisation de produit tels
que des tôles, des fils ou des profilés utilisés
notamment dans des applications industrielles tels
que des raccords de tubes, des manchons, des bagues
de serrage ou des colliers.
