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le poids du couvercle de la boîte de vitesses de la R 5 en passant de l'aluminium coulé sous pression à un polyamide de Rhône-Poulenc armé de verre. Or l’allègement est devenu un objectif prioritaire des constructeurs, car un gain de 100 kg sur une voiture promet une réduction de la consommation d’environ 0,5 litre aux 100 km (0,3 l sur route, 0,9 en ville). De plus, un allègement direct de 1 kg sur une pièce induit un allègement de 0,4 à 0,5 kg sur les organes mécaniques tels que moteurs, structure, suspension, freinage... Il y a donc là un argument... de poids vis-à-vis de l'usager. En revanche, les fournisseurs de matières plastiques ne manquent pas de faire des calculs séduisants : « une réduction de poids de 200 kg (objectif raisonnable d’ici cinq ans environ) représente une économie de carburant d'environ 1 000 litres par véhicule pendant sa durée de vie, ou environ 10 Mtep/an pour l’ensemble du parc européen »*. UN AVION EN RESINE ET FIBRES DE CARBONÉ De plus le constructeur aussi y retrouve son compte : c’est même une exigence de sa part. Sa passion pour l’allègement ne va pas jusqu'à accepter de surcharger son prix de revient. Dans le cas des dessus de boîte de vitesses la pièce en polyamide est 40 % moins chère que celle en aluminium coulé et l'outillage a une durée de vie prolongée. Si l'engouement de l'industrie automobile pour les allégements date de quelques années, il est inhérent aux constructeurs des « plus légers que l'air ». Eux sont prêts à payer cher le gain du moindre kilogramme : 1 500 à 3 500 F selon le type d'appareil, environ 2 000 F (1982) pour l’Airbus (**). L’Airbus A 300 comporte 2 à 3 t de composites mais le A 310 va incorporer 14 % de composites pour gagner une tonne, de même que le Boeing 767 va, grâce à 3 tonnes de composites, aboutir au même allègement. Cas extrême, le Lear Fan américain qui emporte 8 passagers à 600 km/h : son fuselage, sa voilure, son empennage sont en
de revient. Dans le cas des dessus de boîte de vitesses la pièce en polyamide est 40 % moins chère que celle en aluminium coulé et l'outillage a une durée de vie prolongée. Si l'engouement de l'industrie automobile pour les allégements date de quelques années, il est inhérent aux constructeurs des « plus légers que l'air ». Eux sont prêts à payer cher le gain du moindre kilogramme : 1 500 à 3 500 F selon le type d'appareil, environ 2 000 F (1982) pour l’Airbus (**). L’Airbus A 300 comporte 2 à 3 t de composites mais le A 310 va incorporer 14 % de composites pour gagner une tonne, de même que le Boeing 767 va, grâce à 3 tonnes de composites, aboutir au même allègement. Cas extrême, le Lear Fan américain qui emporte 8 passagers à 600 km/h : son fuselage, sa voilure, son empennage sont en résine époxy armée de carbone. ÉCHEC À LA CORROSION La résistance des plastiques à la corrosion est un élément important en faveur de leur pénétration. Il faut se souvenir que la corrosion aurait coûté une dizaine de milliards de dollars aux automobilistes américains en 1975, et 70 milliards à l’ensemble des contribuables des Etats-Unis, soit 4,2 % de leur produit national brut. Or il est frappant de constater que du très économique polyéthylène peut tenir aussi bien qu’un acier évolué ou du titane face à de nombreux agresseurs chimiques. Quant aux plastiques fluorés, qui bravent acides, bases, oxydants, solvants, et qui possèdent en outre de très faibles coefficients de frottement, ils sont présents aussi bien sur les poêles « Tefal » des cuisines, que dans l’industrie chimique comme moyen de protection ou comme pièces massives (corps de pompes). Les propergols des fusées sont transvasés en toute sécurité par une pompe dont les engrenages sont réalisés en PTFE chargé. La tenue à la corrosion, qui favorise la longévité des objets techniques, répond comme le faible contenu énergétique à l’impératif de plus en plus * M. Dubois, responsable automobile Technyl, Rhône-Poulenc, conférence à la Société des ingénieurs de l'automobile, 20 octobre 1982,
des contribuables des Etats-Unis, soit 4,2 % de leur produit national brut. Or il est frappant de constater que du très économique polyéthylène peut tenir aussi bien qu’un acier évolué ou du titane face à de nombreux agresseurs chimiques. Quant aux plastiques fluorés, qui bravent acides, bases, oxydants, solvants, et qui possèdent en outre de très faibles coefficients de frottement, ils sont présents aussi bien sur les poêles « Tefal » des cuisines, que dans l’industrie chimique comme moyen de protection ou comme pièces massives (corps de pompes). Les propergols des fusées sont transvasés en toute sécurité par une pompe dont les engrenages sont réalisés en PTFE chargé. La tenue à la corrosion, qui favorise la longévité des objets techniques, répond comme le faible contenu énergétique à l’impératif de plus en plus * M. Dubois, responsable automobile Technyl, Rhône-Poulenc, conférence à la Société des ingénieurs de l'automobile, 20 octobre 1982, Paris. ** Matériaux composites, Cetim, tome 1, page 143. présent d'épargner les ressources disponibles. Cependant, ces différents avantages (gains en énergie, en poids, en tenue aux agressions) n'auraient pas pu provoquer à eux seuls d'aussi nombreuses substitutions des plastiques aux solutions classiques. LE MATERIEL CHANGE L'OBJET Le changement de matériaux a permis de réaliser des formes impossibles à obtenir économiquement par d'autres moyens et cela constitue un élément souvent déterminant. Au début, naturellement le conformisme technologique étouffant l’innovation, on a essayé de reproduire en plastique les pièces auparavant en métal. Cette attitude n'est pas la plus riche, car, la plupart du temps, la substitution d’un matériau synthétique à un matériau traditionnel ne trouve sa pleine justification économique qu’au travers d’une reconception de la pièce, au besoin par une analyse de la valeur. Là où, en métal, il faut assembler plusieurs éléments fabriqués séparément pour arriver à un ensemble remplissant des fonctions déterminées, en plastique, le même résultat est obtenu en un seul « coup » d’injection de plastique (mais au prix d’un outillage plus sophistiqué). Ainsi, cette vanne de recyclage des gaz de combustion montée sur les voitures Toyota, auparavant en métal, était composée de 14 pièces ; aujourd’hui en
a permis de réaliser des formes impossibles à obtenir économiquement par d'autres moyens et cela constitue un élément souvent déterminant. Au début, naturellement le conformisme technologique étouffant l’innovation, on a essayé de reproduire en plastique les pièces auparavant en métal. Cette attitude n'est pas la plus riche, car, la plupart du temps, la substitution d’un matériau synthétique à un matériau traditionnel ne trouve sa pleine justification économique qu’au travers d’une reconception de la pièce, au besoin par une analyse de la valeur. Là où, en métal, il faut assembler plusieurs éléments fabriqués séparément pour arriver à un ensemble remplissant des fonctions déterminées, en plastique, le même résultat est obtenu en un seul « coup » d’injection de plastique (mais au prix d’un outillage plus sophistiqué). Ainsi, cette vanne de recyclage des gaz de combustion montée sur les voitures Toyota, auparavant en métal, était composée de 14 pièces ; aujourd’hui en PPS (polysulfure de phénylène) elle n’en comporte plus que 4 et pèse 250 g de moins. Le volet arrière de la Citroën BX 1982 est fabriqué par injection de polyester renforcé de fibre de verre : trois pièces contre 27 pour celui en tôle de la Visa. C'est que la nouvelle structure intègre le support de serrure, les charnières, les logements de feux arrière. Sa fabrication en grande série a été rendue possible par la mise au point d'un procédé d'injection de polyester renforcé de verre qui ne "casse" pas les fibres ; il est le fruit de la collaboration de deux sociétés du groupe Saint-Gobain-Pont-à-Mousson : Billion, constructeur de presses, et Vetrotex, producteur de fibres. Des matériaux synthétiques même modestes peuvent rendre quasiment irréversibles leurs conquêtes de marchés, parce qu'ils ont transformé un objet au point de ne le rendre réalisable qu'avec eux. C'est le cas des réservoirs d'essence en polyéthylène haute densité extrudé soufflé. Le bon choix matière-procédé permet de donner au réservoir les formes les plus intriquées pour mieux l'encastrer dans la voiture : irréalisable en tôle. LA RIPOSTE DES MATERIAUX CLASSIQUES L'exemple des plastiques est édifiant mais non exclusif. Leur percée a stimulé la riposte des
nouvelle structure intègre le support de serrure, les charnières, les logements de feux arrière. Sa fabrication en grande série a été rendue possible par la mise au point d'un procédé d'injection de polyester renforcé de verre qui ne "casse" pas les fibres ; il est le fruit de la collaboration de deux sociétés du groupe Saint-Gobain-Pont-à-Mousson : Billion, constructeur de presses, et Vetrotex, producteur de fibres. Des matériaux synthétiques même modestes peuvent rendre quasiment irréversibles leurs conquêtes de marchés, parce qu'ils ont transformé un objet au point de ne le rendre réalisable qu'avec eux. C'est le cas des réservoirs d'essence en polyéthylène haute densité extrudé soufflé. Le bon choix matière-procédé permet de donner au réservoir les formes les plus intriquées pour mieux l'encastrer dans la voiture : irréalisable en tôle. LA RIPOSTE DES MATERIAUX CLASSIQUES L'exemple des plastiques est édifiant mais non exclusif. Leur percée a stimulé la riposte des matériaux plus anciens, créant une compétition acharnée qui aboutit à un équilibre instable entre matériaux, constamment remis en cause par des progrès aux effets antagonistes. L'automobile fournit un autre exemple du bouleversement du paysage des matériaux. Sur un modèle de l'immédiat après-guerre, l'inventaire était vite fait : acier et fonte dominaient sans conteste, suivis de cuivre, verre, tissus, cuir, bois, élastomères. Quelques rares plastiques déjà (isolation des fils électriques, pièces électrotechniques en bakélite...). Aujourd'hui à ces matériaux sont venus s'ajouter des alliages légers (carters, bloc moteur), des tissus synthétiques (garnitures), et surtout toute une cohorte de matières plastiques. En 1960, la première R4 Renault comportait déjà 13 kilos de plastiques soit 2 % du poids total. Cette proportion est passée à 4,6 % avec la R 5 en 1972 et à 8,5 % avec la R 9 lancée en 1982. Quant à la BX présentée par Citroën en 1982, elle en comporte 10 % (soit 90 kg) à comparer au 4 % (50 kg de l'ID 19 de 1956) et au 3 kg de la Traction. En France on prévoit 120 kg de plastique, soit 15 % du poids total des véhicules de 1990. General Motors qui utilisait 6 %
dominaient sans conteste, suivis de cuivre, verre, tissus, cuir, bois, élastomères. Quelques rares plastiques déjà (isolation des fils électriques, pièces électrotechniques en bakélite...). Aujourd'hui à ces matériaux sont venus s'ajouter des alliages légers (carters, bloc moteur), des tissus synthétiques (garnitures), et surtout toute une cohorte de matières plastiques. En 1960, la première R4 Renault comportait déjà 13 kilos de plastiques soit 2 % du poids total. Cette proportion est passée à 4,6 % avec la R 5 en 1972 et à 8,5 % avec la R 9 lancée en 1982. Quant à la BX présentée par Citroën en 1982, elle en comporte 10 % (soit 90 kg) à comparer au 4 % (50 kg de l'ID 19 de 1956) et au 3 kg de la Traction. En France on prévoit 120 kg de plastique, soit 15 % du poids total des véhicules de 1990. General Motors qui utilisait 6 % de plastique en 1980 portera cette proportion à 8 ou 12 % dès 1985. Cela appelle deux remarques : en volume, les plastiques représenteront alors la moitié des matériaux rentrant dans la fabrication des voitures. D'autre part celles-ci seront beaucoup plus légères, 1 200 kg au lieu de 1 500 kg en moyenne aux Etats-Unis. Mais d'autres matériaux progressent à peu près aussi vite que les plastiques : l'aluminium grâce à de nouveaux alliages et aussi des aciers à performances améliorées ; dans le cadre d'une régression inévitable des métaux ferreux, ces nouveaux aciers constituent, si l'on peut dire, le fer de lance de la résistance des métallurgistes. Ceux-ci font d'ailleurs remarquer justement qu'une partie du recul des tonnages d'acier employés sur la plupart des marchés provient des progrès de la métallurgie : une moindre quantité d'acier suffisant, grâce à des performances accrues, à satisfaire les mêmes besoins. Effectivement, au laboratoire comme à l'usine, la métallurgie du fer a fort avancé. En vingt ans, la coulée continue s'est généralisée, réduisant les coûts. Les procédés d'affinage et de brassage en poche, les dégazages sous vide ont considérablement amélioré la propreté des alliages, le contrôle des éléments d'addition permettant aux métallurgistes de
kg en moyenne aux Etats-Unis. Mais d'autres matériaux progressent à peu près aussi vite que les plastiques : l'aluminium grâce à de nouveaux alliages et aussi des aciers à performances améliorées ; dans le cadre d'une régression inévitable des métaux ferreux, ces nouveaux aciers constituent, si l'on peut dire, le fer de lance de la résistance des métallurgistes. Ceux-ci font d'ailleurs remarquer justement qu'une partie du recul des tonnages d'acier employés sur la plupart des marchés provient des progrès de la métallurgie : une moindre quantité d'acier suffisant, grâce à des performances accrues, à satisfaire les mêmes besoins. Effectivement, au laboratoire comme à l'usine, la métallurgie du fer a fort avancé. En vingt ans, la coulée continue s'est généralisée, réduisant les coûts. Les procédés d'affinage et de brassage en poche, les dégazages sous vide ont considérablement amélioré la propreté des alliages, le contrôle des éléments d'addition permettant aux métallurgistes de jouer sur des doses homéopathiques d'ingrédients pour modifier les propriétés des alliages. L'acier a d'ailleurs emprunté à l'industrie du titane la refusion par électrodes consommables sous vide. On a appris aussi à maîtriser la taille et la forme des inclusions, d'où l'apparition dans les années 1970 des aciers à usinabilité améliorée au calcium notamment. Il y a dix ans on distinguait encore aciers calmés et aciers effervescents ; les premiers étant considérés comme nobles parce qu'ils ne subissaient pratiquement pas de vieillissement (dégradation des propriétés mécaniques avec le temps). Actuellement, l'acier fabriqué en coulée continue est systématiquement calmé (par addition d'aluminium qui fixe l'azote) ; presque toute la production est devenue « noble ». Jusqu'aux alentours de 1975, les tôles embouties étaient le domaine des aciers extradoux (résistance mécanique d'une trentaine de mégapascals, MPa). Or quatre familles ont bouleversé les données en réussissant à conjurer deux propriétés contradictoires : une haute résistance en traction avec une aptitude à l'allongement suffisante pour l'emboutissage. Ceux qui ont le plus défrayé la chronique depuis cinq ans sont les aciers biphasés, les « dual phases ». Par une gamme appropriée de traitements mécaniques (laminage) et thermique on réussit à doter des aciers assez ordinaires
améliorée au calcium notamment. Il y a dix ans on distinguait encore aciers calmés et aciers effervescents ; les premiers étant considérés comme nobles parce qu'ils ne subissaient pratiquement pas de vieillissement (dégradation des propriétés mécaniques avec le temps). Actuellement, l'acier fabriqué en coulée continue est systématiquement calmé (par addition d'aluminium qui fixe l'azote) ; presque toute la production est devenue « noble ». Jusqu'aux alentours de 1975, les tôles embouties étaient le domaine des aciers extradoux (résistance mécanique d'une trentaine de mégapascals, MPa). Or quatre familles ont bouleversé les données en réussissant à conjurer deux propriétés contradictoires : une haute résistance en traction avec une aptitude à l'allongement suffisante pour l'emboutissage. Ceux qui ont le plus défrayé la chronique depuis cinq ans sont les aciers biphasés, les « dual phases ». Par une gamme appropriée de traitements mécaniques (laminage) et thermique on réussit à doter des aciers assez ordinaires au carbone et manganèse d'une limite d'élasticité supérieure sans perte notable d'allongement. Cependant, tous les problèmes sont loin d'être résolus. Les Japonais sont avantagés car ils disposent d'installations de laminage et de recuit en continu. Les aciers à dispersoïdes sont l'autre « solution vedette » : des traces de niobium ou d'autres éléments font précipiter finement des carbures ou des nitrures. D'où un durcissement par affinement du grain et par effet de précipitation. Depuis longtemps ils sont utilisés en tôles à haute limite élastique et leur pénétration en carrosserie automobile progresse rapidement. Depuis peu on fabrique grâce à eux pour d'autres applications des barres qui présentent, brutes de forge, des caractéristiques semblables à celles des aciers alliés au chrome et au molybdène, bien plus chers, et qui doivent en outre subir un cycle supplémentaire de traitement thermique. La leçon des biphasés et des aciers à dispersoïdes est claire : dans les deux cas des innovations au niveau du traitement ou de la composition fournissent des propriétés jusque-là réservées à des formules coûteuses : on a remplacé des éléments d'alliage coûteux par de la matière grise. C'est encore le cas des aciers rephosphorés. On savait depuis longtemps que la dissolution de
ou d'autres éléments font précipiter finement des carbures ou des nitrures. D'où un durcissement par affinement du grain et par effet de précipitation. Depuis longtemps ils sont utilisés en tôles à haute limite élastique et leur pénétration en carrosserie automobile progresse rapidement. Depuis peu on fabrique grâce à eux pour d'autres applications des barres qui présentent, brutes de forge, des caractéristiques semblables à celles des aciers alliés au chrome et au molybdène, bien plus chers, et qui doivent en outre subir un cycle supplémentaire de traitement thermique. La leçon des biphasés et des aciers à dispersoïdes est claire : dans les deux cas des innovations au niveau du traitement ou de la composition fournissent des propriétés jusque-là réservées à des formules coûteuses : on a remplacé des éléments d'alliage coûteux par de la matière grise. C'est encore le cas des aciers rephosphorés. On savait depuis longtemps que la dissolution de phosphore dans la phase ferritique d'un acier durcissait celui-ci. Mais par contre l'effet est désastreux sur l'aptitude au soudage. Tout est changé depuis que les aciers sont calmés, qu'ils contiennent moins de soufre et de carbone, que leur homogénéité est améliorée, enfin que l'anisotropie des toiles est élevée par des recuits en bobine (depuis cinq ans on emploie des aciers rephosphorés qui n'ont rien concédé en aptitude à l'emboutissage et au soudage, mais possèdent une résistance fortement accrue). Typiquement, l'ajout de phosphore peut faire passer la résistance de 310 MPa à 400 MPa : l'emboutissage n'est plus l'apanage des toiles en acier très doux ! Et l'on commence à parler de rephosphorés à dispersoïdes. L'industrie automobile française est en voie d'adopter ces mois-ci les rephosphorés pour des ailes ou des portes, avec des gains de poids de 6 à 12 %. Il n'y a pas de problème de changement d'outillage ni de surcoût au niveau des pièces, le bénéfice tiré de l'allègement étant en effet du même ordre que la différence de prix de la matière première. La quatrième famille d'aciers à haute résistance qui lutte pour remplacer les toiles minces est actuellement constituée d'aciers à durcissement différé : il
recuits en bobine (depuis cinq ans on emploie des aciers rephosphorés qui n'ont rien concédé en aptitude à l'emboutissage et au soudage, mais possèdent une résistance fortement accrue). Typiquement, l'ajout de phosphore peut faire passer la résistance de 310 MPa à 400 MPa : l'emboutissage n'est plus l'apanage des toiles en acier très doux ! Et l'on commence à parler de rephosphorés à dispersoïdes. L'industrie automobile française est en voie d'adopter ces mois-ci les rephosphorés pour des ailes ou des portes, avec des gains de poids de 6 à 12 %. Il n'y a pas de problème de changement d'outillage ni de surcoût au niveau des pièces, le bénéfice tiré de l'allègement étant en effet du même ordre que la différence de prix de la matière première. La quatrième famille d'aciers à haute résistance qui lutte pour remplacer les toiles minces est actuellement constituée d'aciers à durcissement différé : il s'agit d'alliages extradoux, donc faciles à former, capables de « vieillir » c'est-à-dire de durcir considérablement après leur mise en forme définitive ; ce vieillissement survient lors d'un recuit qui provoque la précipitation de nitrures ou de carbures. Le recuit pourrait être constitué par la cuisson des peintures appliquées en fin de chaîne. Toutefois ces aciers ne sont pas encore maîtrisés industriellement. D'autres progrès sont en train de préparer encore des bouleversements. Les alliages d'aluminium s'allègent par incorporation de lithium, ils essayent d'obtenir des performances à haute température jusqu'ici réservées au titane ou à l'acier par frittage de poudres refroidies à grande vitesse. Des méthodes de transformation par formage magnétique ou domaine superplastique promettent aux métaux des mises en œuvre aussi économes en énergie que celles des plastiques. L'histoire du pot de terre ou du pot de fer est en train de subir des transformations. Lorsque ni les métaux, ni les matières plastiques y compris les composites, ne suffisent, le bureau d'étude peut désormais se tourner vers des matériaux dont l'entrée en scène est encore plus récente : les céramiques techniques qui savent le cas échéant devenir elles aussi des composites. Les céramiques « vedettes » aujourd'hui — zircone partiellement
fin de chaîne. Toutefois ces aciers ne sont pas encore maîtrisés industriellement. D'autres progrès sont en train de préparer encore des bouleversements. Les alliages d'aluminium s'allègent par incorporation de lithium, ils essayent d'obtenir des performances à haute température jusqu'ici réservées au titane ou à l'acier par frittage de poudres refroidies à grande vitesse. Des méthodes de transformation par formage magnétique ou domaine superplastique promettent aux métaux des mises en œuvre aussi économes en énergie que celles des plastiques. L'histoire du pot de terre ou du pot de fer est en train de subir des transformations. Lorsque ni les métaux, ni les matières plastiques y compris les composites, ne suffisent, le bureau d'étude peut désormais se tourner vers des matériaux dont l'entrée en scène est encore plus récente : les céramiques techniques qui savent le cas échéant devenir elles aussi des composites. Les céramiques « vedettes » aujourd'hui — zircone partiellement stabilisée, carbure de silicium, nitrure de silicium — se caractérisent par une bonne tenue aux chocs thermiques (contrairement à l'alumine), des charges à la rupture (1 000 bars à la température ambiante pour le nitrure de silicium) et des températures de services élevées (bien au-delà de 1 000 °C). Les céramistes du monde entier cherchent aujourd'hui à mieux maîtriser leurs procédés de transformation par frittage, l'usinage étant quasi impossible). Mais les carbures et les nitrures de silicium ne se frittent pas naturellement et nécessitent un apport d'énergie extérieur sous forme de pression ou d'additifs chimiques. L'espoir de pouvoir utiliser ces matériaux dans des moteurs thermiques (turbines, diesel) est leur principale motivation. L'enjeu là encore est d'accroître les rendements en creusant l'écart de température du cycle. Ainsi General Motors et Ford ont fait tourner des turbines terrestres de 200 CV en céramique. En France, SEMT (diesel marin) teste des hauts de chemise en zircone partiellement stabilisée (La-farge Réfractaire). Au Japon, le céramiste Kyocera fait beaucoup de bruit autour d'un moteur comportant de nombreux organes (chemise culasse, têtes de pistons, cames...) qui sont en nitrure de silicium. Grâce aux propriétés d'isolation du matériau le système de refroidissement du moteur est supprimé, d'où