Les verres métalliques massifs : matériaux à faible ou à fort coefficient d’amortissement ?^*

Bulk metallic glasses: materials with a low or a high damping coefficient?

Université de Lyon, MATEIS, UMR CNRS, INSA-Lyon, Bât. B. Pascal, 69621 Villeurbanne Cedex, France
e-mail : Jean-marc.pelletier@insa-lyon.fr

Reçu : 25 Octobre 2010
Accepté : 7 Novembre 2011

Résumé

Les verres métalliques présentent des caractéristiques très intéressantes, en particulier leurs propriétés élastiques, combinées avec une relative facilité de mise en œuvre à température pas trop élevée. C’est ce qui conduit à leur utilisation comme matériau pour des composants en micro-mécanique, des matériels sportifs, des boitiers pour la téléphonie ou l’informatique. Mais pour de nombreuses applications une autre caractéristique mécanique peut être essentielle : leur coefficient d’amortissement. Si par exemple pour certaines pièces mécaniques un rendu optimal de l’énergie est requis (cas par exemple d’une raquette de tennis de haute performance), une forte capacité d’amortissement peut en revanche être indispensable pour d’autres composants mécaniques. Le coefficient d’amortissement dépend pour un matériau donné, notamment de la fréquence de sollicitation et de la température. Pour les verres métalliques, il apparaît schématiquement deux domaines : – À basse température, c’est-à-dire par exemple à la température ambiante pour les verres métalliques massifs base zirconium, palladium ou cuivre, le coefficient d’amortissement est très faible, de l’ordre de quelques 10^-6, une valeur proche de celle observée dans la silice de très haute pureté. Combinée au caractère conducteur du matériau, ceci permet d’envisager l’application de ces matériaux pour la réalisation d’éléments de résonateurs. Un exemple, celui d’un résonateur hémisphérique pour application gyroscopique est présenté en détail. Il est montré dans ce cas que des traitements thermiques appropriés peuvent conduire à l’amélioration des caractéristiques recherchées. – À haute température, c’est-à-dire au voisinage de la température de transition vitreuse. Celle-ci se situe pour les matériaux considérés (base Zr, base Pd ou base Cu) aux alentours de 400 °C. À l’instar de tous les autres matériaux amorphes, le coefficient d’amortissement devient alors très grand et des valeurs du facteur de perte supérieures à 1 sont fréquemment observées. Ceci résulte de la mobilité atomique ou moléculaire qui devient alors très importante, entrainant une dissipation d’énergie importante lors de toute sollicitation mécanique. Dans ces conditions l’effet de la fréquence devient très net. Ces différents résultats, obtenus lors d’essais mécaniques dynamiques, sont corroborés par des essais de caractérisation de la microstructure du matériau, notamment par diffraction des rayons X in-situ. Différents modèles physiques permettant de comprendre le comportement mécanique en lien avec la nature du matériau sont présentés.

Abstract

Bulk metallic glasses exhibit attractive features, especially their elastic properties, combined with a good process ability at a not too high temperature. Therefore, they can be used for applications such as material for components in micromechanics, sports equipment, telephony and information technology. However, for many applications another mechanical characteristic can be critical: their damping coefficient. For example, if for some mechanical parts the energy loss must be minimized (for example, for a high-performance tennis racket), high damping capacity may, however, be necessary for other mechanical components. The damping coefficient depends for a given material on a lot of factors, including frequency and temperature. For metallic glasses, there are schematically two ranges. – At low  temperatures,  that  is  to  say,  at  room  temperature,   for  example, for  zirconium-, palladium- or copper-based bulk metallic glasses, the damping coefficient is very low, in the order of 10–6, a value close to that observed in high-purity silica. Combined with the conductive character of the material, the application of these materials for the production of elements of resonators can be investigated. The example of a hemispherical resonator in a gyroscope is presented in detail. It is shown in this case that appropriate heat treatment can lead to improved characteristics, close to pure silica. – At high temperatures, that is to say, near the glass transition temperature, around 400 °C for the investigated materials (Zr- or Pd-based bulk metallic glasses), as in all other amorphous materials, the damping coefficient becomes very high and values of the loss factor higher than 1 are frequently observed. This results from the atomic or molecular mobility, which becomes very significant, leading to a dissipation of energy when a significant mechanical stress is applied. In such conditions the effect of the frequency becomes very clear. These results, obtained in dynamic mechanical analysis, are discussed in relation to microstructure information, obtained by various techniques, especially by in situ X-ray diffraction. Different physical models allowing understanding of the mechanical behavior in relation to the nature of the material are presented.