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Forgeage d’un bloc d’alliage de fer à
mémoire de forme ; pour pouvoir le déformer, ce bloc
doit être chauffé à 1150 °C. (Photo: TU
Bergakademie Freiberg, Institut für Metallformung)
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Les
alliages à mémoire de forme (en anglais shape memory
alloy, SMA) retrouvent automatiquement ou par chauffage leur forme
initiale même après de fortes déformations.
Ceci en fait des matériaux intéressants qui, mis
à part les montures de lunettes, sont aussi utilisés
aujourd’hui pour des thermostats, des stents et des
microactuateurs. Mais des applications dans la construction sont
aussi pensables, par exemple pour le renforcement de ponts. |
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Si
l’on arme une poutre de béton avec des barres de SMA
pré-allongées et qu’on les «active»
par chauffage, elles veulent alors se rétracter pour
retrouver leur forme initiale. Mais comme elles sont noyées
dans le béton durci, il se crée une
précontrainte. Cet effet pourrait ainsi s’utiliser, par
exemple, pour mettre en précontrainte des tabliers de ponts
entiers. Il suffirait de chauffer les barres de SMA en y faisant
circuler un courant électrique pour qu’elles se mettent
en précontrainte. Ce qui permet de supprimer les dispositifs
de précontrainte complexes et les gaines de
câbles. |
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Les
alliages de nickel-titane, avec lesquels on fabrique des montures
de lunettes ou des stents, ne sont pas bien adaptés pour le
génie civil. Ce sont ici des alliages à base de fer
qui sont bien plus intéressants car leurs matières
premières ne sont pas seulement beaucoup meilleur
marché mais leur processus de fabrication est lui aussi
moins coûteux. Toutefois jusqu’ici il fallait les
chauffer à des températures atteignant
jusqu’à 400°C pour activer leur effet de
mémoire de forme, ce qui était trop
élevé pour une utilisation dans le béton ou le
mortier ou d’autres matériaux sensibles à la
chaleur. Des chercheurs de l’Empa réunis autour de
Christian Leinenbach du laboratoire «Technologies des
assemblages et corrosion» sont maintenant parvenus à
développer un alliage de fer-manganèse-silicium
d’un type nouveau dont l’activation ne nécessite
que des températures voisines de 160°C supportables pour
le béton. Pour cela, ces scientifiques des matériaux
ont modélisé des alliages virtuels au moyen de
simulations thermodynamiques. Les combinaisons les plus
prometteuses ont ensuite été produites en laboratoire
pour étudier leurs propriétés de
mémoire de forme. Avec succès, puisque plusieurs de
ces nouveaux matériaux satisfaisaient les exigences de leurs
collègues ingénieurs en génie civil; une
étape décisive sur la voie des applications –
à l’échelle industrielle et donc de la tonne
– des aciers à mémoire de forme. |
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Poutre de
béton renforcée à l’aide de deux lamelles
de Fe-SMA: les lamelles ont été chauffées
électriquement pour provoquer leur précontrainte
(seules les bornes en cuivre et les câbles électriques
sont visibles). |
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Le long chemin du laboratoire au produit fini
Christoph Czaderski du laboratoire
«Ingénierie des structures» estime que les SMA
à base de fer ont de bonne chances en génie civil,
cela parce que la précontrainte est plus simple et de ce
fait meilleur marché qu’avec les systèmes de
précontrainte conventionnels. De plus, on peut imaginer des
systèmes difficilement réalisables, voire même
irréalisables, jusqu’ici avec les méthodes de
précontrainte conventionnelles tels que, par exemple, des
bétons précontraints au moyen de fibres courtes, des
enveloppes de piliers, de lamelles insérées par
fraisage et de fers d’armature nervurés. Une
étude de faisabilité financée par la
Commission pour la technologie et l’innovation (CTI) a
démontré récemment que la production de ces
nouveaux alliages n’est pas seulement possible à
l’échelle du kilogramme en laboratoire mais aussi par
tonnes à l’échelle industrielle. Le processus de
fabrication a été développé en
collaboration avec l’Université Leoben en Autriche
ainsi que la TU Bergakademie Freiberg et
l’entreprise G. Rau GmbH en Allemagne. |
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Le
forgeage de lamelles d’environ 2 mm d’épaisseur
à partir de blocs de coulée d’environ 100kg
à des températures dépassant les 1000°C
demande un savoir-faire technique énorme – et un
équipement adéquat. Les processus de formage ont
dû être adaptés et optimisés pour ces
nouveaux alliages. |
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Les lamelles ainsi
produites ont fait leurs preuves dans des essais où ces
lamelles étaient bétonnées dans des rainures
aménagées dans des poutres de béton. |
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Ces
développements de l’Empa ont conduit à la
création en 2012 de la start-up re-Fer AG qui assurera la
production et la distribution pour le génie civil de ces SMA
à base de fer dont le coût devrait se situer au niveau
de celui de l’acier inoxydable. |
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Sources Images: Nr 1, 2 et 3: Institut für
Metallformung, TU Bergakademie Freiberg, Nr 4: Firma G.RAU
GmbH & Co. KG, Pforzheim, D
Les illustrations peuvent être
téléchargées sous https://flic.kr/s/aHsjYpj3FA
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