FERROÉLASTIQUES

FERROÉLASTIQUES

FERROÉLASTIQUES

La ferroélasticité est une propriété mécanique de certains matériaux cristallins. Ces matériaux ont la particularité de pouvoir être placés dans différents états physiques distincts, tous également stables, au moyen de l’application temporaire d’une contrainte mécanique d’orientation judicieuse. Une illustration de principe de cette situation est représentée sur la figure ci-dessous.

On a indiqué schématiquement la maille (1) d’un cristal «rectangulaire» qui ne diffère d’un cristal de maille «carrée» que par une légère dilatation de la maille dans la direction verticale et par une légère contraction dans la direction horizontale. L’identité des propriétés du cristal carré de référence dans les directions horizontale et verticale implique l’existence d’un second état rectangulaire ((2)), aussi stable que le premier, et correspondant à l’échange des directions de dilatation et de contraction. Bien qu’ils soient tout à fait semblables, les états (1) et (2) peuvent être distingués physiquement par leur orientation spatiale différente. Si la dilatation horizontale de l’état (1) est d’amplitude suffisamment faible, elle peut être annulée par l’application d’une contrainte mécanique de compression parallèle à la direction de dilatation. Une compression plus élevée produira même une maille rectangulaire allongée dans la direction verticale. Une suppression de laisse alors le cristal évoluer vers son état stable le plus proche qui est l’état (2). Ainsi, l’application temporaire d’une compression mécanique verticale ou horizontale permet de placer le cristal dans l’état (1) ou dans l’état (2), qui diffèrent par leur déformation relativement à l’état de référence «carré». Le cristal considéré est ferroélastique.

La ferroélasticité est la transposition aux propriétés mécaniques des cristaux de phénomènes rencontrés dans l’étude du ferromagnétisme. Ainsi, lorsqu’ils coexistent au sein d’un même échantillon, les différents états ferroélastiques constituent-ils des «domaines» analogues aux domaines de Weiss ferromagnétiques. Ces domaines ferroélastiques sont toujours séparés par des «parois» planes. La déformation globale de l’échantillon est la résultante des déformations (par exemple la dilatation de la figure) des différents domaines. De façon similaire au cas des aimants, une contrainte mécanique produira une évolution de la structure en domaines et une variation de la déformation globale marquée par un «cycle d’hystérésis» déformation-contrainte.

L’analogie s’étend à l’existence d’une «température de Curie» au-dessus de laquelle les propriétés ferroélastiques disparaissent. Cette température sépare deux phases cristallines de structures légèrement différentes. Certaines constantes d’élasticité y prennent des valeurs très faibles. Ainsi, le cristal «carré» représenté sur la figure y deviendrait-il très facilement déformable vis-à-vis de contraintes d’orientation .

Plusieurs dizaines de substances ferroélastiques sont connues. Certaines sont des isolants minéraux comme les oxydes de formule LaP⁵¹⁴ (pentaphosphate de lanthane), Ba²NaNb⁵¹⁵ (niobate de baryum et de sodium), ou Gd²(MoO⁴)³ (molybdate de gadolinium). D’autres sont des isolants organiques comme le benzyle C⁶H⁵COCOC⁶H⁵. D’autres encore sont des métaux comme l’alliage Nb³Sn. Dans ces substances les contraintes mécaniques nécessaires pour passer d’un état ferroélastique à un autre peuvent être inférieures au kilogramme par centimètre carré ou être supérieures à plusieurs centaines de kilogrammes par centimètre carré.

Le mérite de l’identification, en 1969, de cette propriété et la reconnaissance de son analogie avec le ferromagnétisme reviennent au physicien théoricien japonais Keitsiro Aizu. Certaines manifestations du comportement ferroélastique (domaines, action d’une contrainte mécanique) avaient cependant déjà été identifiées à la fin du XIX^e siècle par lord Kelvin.

Encyclopédie Universelle. 2012.