Alliages métalliques pour l’étalon de masse de la balance du watt et des références secondaires

Depuis plusieurs décennies, l’unité de longueur a abandonné la règle de platine pour définir le mètre. Ce dernier est désormais défini par rapport à la vitesse de la lumière. Le kilogramme reste donc, à l’heure actuelle, la dernière des 7 unités du système international à être matérialisée. Sa définition est la suivante :

« Le kilogramme (kg) est l’unité de masse. Il est égal à la masse du prototype international du kilogramme »

Le prototype international du kilogramme est détenu par le BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) à Sèvres (FR). Il consiste en un cylindre de 39 mm de hauteur et de 39 mm de diamètre, constitué de 90% de platine et de 10% d’iridium, et a été réalisé en 1879 par Johnson Matthey. Il est conservé dans l’air à pression atmosphérique sous 3 cloches de verre. De par cette définition, l’unité de masse est supposée constante. Cependant, la dernière vérification des étalons internationaux par rapport au prototype international en 1989 montre bien qu’il existe une dérive de la masse des étalons en platine iridié, par rapport au prototype international, pouvant aller jusqu’à 2 µg par an. Il est donc probable que la masse du prototype international a aussi évolué depuis 1879. Afin d’améliorer la stabilité de l’unité de masse et de pouvoir définir le kilogramme avec une incertitude de 10⁻⁸, la dématérialisation du kilogramme monopolise l’attention de la communauté des métrologues. Des programmes de recherches importants sont en cours pour espérer proposer à la Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) de 2011 une nouvelle définition de l’unité de mesure de masse.

Le passage de la définition actuelle à une nouvelle définition nécessite la réalisation d’expériences dont la plus prometteuse à l’heure actuelle baptisée l’expérience de la « balance du watt », nécessite de disposer d’un étalon de masse raccordé au Prototype International actuel. Cet étalon doit présenter des caractéristiques très précises et être utilisé dans le vide. Cet étalon est à définir et à réaliser. En parallèle, pour profiter de l’amélioration attendue de la conservation de l’unité de masse et assurer son transfert aux multiples et sous-multiples du kilogramme, il faut améliorer la stabilité des étalons de référence utilisés par les laboratoires de métrologie. En effet, l’amélioration de la définition de l’unité de masse ne fera pas disparaître la nécessité de disposer d’étalons matérialisés de masse. La seule méthode qui permet encore aujourd’hui la dissémination pratique de la grandeur masse, avec une très grande précision, est la comparaison des forces de gravité engendrées sur des étalons de masse. Une meilleure définition à terme de la grandeur masse ne peut que renforcer l’utilisation d’étalons de masse et la nécessité de mieux maîtriser leurs caractéristiques et leur tenue dans le temps.

Historique du kilogramme

« Qu’il n’y ait plus sur le territoire deux poids et deux mesures »

Voilà la réclamation la plus fréquemment rencontrée dans les cahiers de doléances mis à la disposition du peuple par Louis XVI. Il faut attendre l’abolition de la royauté et la loi de l’Assemblée du 1er août 1793, pour que s’établisse l’uniformité des poids et mesures sur le territoire de la République [Guedj2000]. Dans le nouveau système des poids et mesures, l’unité de masse est reliée au mètre. Il reste à déterminer la matière qui permettra de peser un certain volume. L’eau fut choisie comme référence, car elle se trouve partout sur le globe, est aisément purifiable et qu’un liquide offre une grande homogénéité ce qui facilite le pesage. Cependant, comme tous les corps, l’eau se dilate avec la chaleur et se condense avec le froid. Pour éviter toute référence à la température, la définition de l’unité de masse est définie de la façon suivante : « l’unité de masse est le poids du décimètre cube d’eau distillée à son maximum de densité. » Ce maximum de densité est atteint à la température de 4°C [Davis2003]. En parallèle, des étalons courants du kilogramme sont établis en platine. Ce métal a été choisi parce qu’il est « le moins dilatable par la chaleur, le moins condensable par le froid, bref le moins susceptible de s’altérer d’aucune sorte » [Guedj2000]. Le kilogramme prototype en platine a été réalisé par Fortin. Le 22 juin 1799, les étalons prototypes du mètre et du kilogramme en platine sont présentés au corps législatif et déposés le jour même aux Archives de France. Ils sont toujours connus sous les noms de Mètre et Kilogramme des Archives. La Commission Internationale du Mètre, qui tint sa première réunion au mois d’août 1870, aborda rapidement les problèmes liés au kilogramme car on savait que la masse du Kilogramme des Archives n’était pas exactement égale à la masse d’un décimètre cube d’eau pure à son maximum de densité (ce n’est qu’en 1898 que Thiesen vérifia la formule acceptée de l’expansion thermique de l’eau et trouva une erreur [Guedj2000]). Cependant, des copies du Kilogramme et du Mètre des Archives avaient été distribuées aux différents pays ayant adopté le système métrique. La décision fut prise par la majorité de la Commission d’adopter un étalon international du kilogramme constitué par un étalon matériel ayant la même masse que le Kilogramme des Archives. Depuis de nombreuses années, les membres de la Section française, avec en chef de file le métallurgiste Sainte-Claire Deville, s’étaient longuement penchés sur les éventuels candidats à la réalisation d’un nouvel étalon. Leurs choix s’étaient restreints aux métaux et aux alliages de métaux. Le fer et l’argent furent immédiatement éliminés en raison de leur rapide altération. De même, l’acier était considéré comme instable, le cuivre trop mou, le laiton et le bronze ayant un coefficient de dilatation trop différent de celui du platine. Enfin, l’iridium fut écarté à cause des difficultés pour le fondre et éviter les bulles d’air.

Au moment de leur fabrication, les étalons des Archives représentaient le dernier cri de la métallurgie (le platine ayant été découvert en 1735 en Colombie). Cependant, le platine pur était considéré comme trop mou et déformable. Ses alliages furent toutefois étudiés car la métallurgie du platine avait fait d’importants progrès depuis Janetty. Les alliages de platine avec le cuivre, l’or et l’argent furent éliminés parce qu’ils se stratifiaient en raison des différences de masse volumique [Plassa1996]. En 1875, la Commission Internationale du Mètre fut dissoute pour donner naissance à la Convention du Mètre [Davis2003]. Cette Convention créait le Comité International des Poids et Mesures (CIPM) et le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). Le CIPM assure l’unification des unités de poids et mesures en agissant directement ou en soumettant des propositions à la Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM). Il faudra attendre la 11ème CGPM en 1960 pour adopter le Système International d’unités (SI), définissant sept grandeurs de base, par rapport auxquelles toutes les autres unités sont reliées [BIPM1998]. Rapidement, Sainte Claire Deville et Debray parvinrent à élaborer un alliage de platine avec 10% en masse d’iridium, qui présentait une dureté supérieure au platine pur et qui conservait les autres propriétés requises (résistance à la corrosion, forte densité, bonnes conductivités thermique et électrique, faible susceptibilité magnétique). Cet alliage fut définitivement adopté grâce au succès de la société Johnson Matthey dans la reproduction du procédé d’élaboration de Sainte-Claire Deville à l’échelle industrielle [McDonald1960].

Le prototype international du kilogramme et la nécessité de redéfinir l’unité de masse 

En 1878, une commande pour la fabrication de trois cylindres d’alliage pur de 90 % en masse de platine et de 10 % en masse d’iridium fut passée à la Société Johnson, Matthey and Co. Une Commission Mixte (comprenant des membres de la Section française et des représentants du CIPM) fut créée pour surveiller la fabrication et comparer les trois étalons avec le Kilogramme des Archives. Après contrôle de la pureté de l’alliage par Sainte-Claire Deville et Stas qui avaient mis au point une méthode complexe pour déterminer leur contenu en Pt, Ir, Rh, Ru, Fe, ils furent livrés en 1880 et appelés KI, KII et KIII. Leur masse volumique ayant été déterminée afin de vérifier l’absence de cavités, ils furent encore martelés dans une virole en acier au moyen d’une puissante presse à balancier pour accroître leur densité. Ils furent ensuite polis et ajustés par le fabricant de poids et balances Collot [Plassa1996]. En premier lieu, ces étalons furent comparés à l’observatoire de Paris, avant et après nettoyage, au Kilogramme des Archives, à l’aide d’une balance spécialement conçue par Collot [Broch1885]. La Commission Mixte conclut que le poids dans le vide de KIII était identique à celui du Kilogramme des Archives, dans les limites dues à l’incertitude avec laquelle le volume de ce dernier était connu. La finition de surface a été décrite comme étant « plutôt jolie mais pas spéculaire » [Thiesen1893]. Le prototype international du kilogramme K (KIII, grand K dans toutes les langues) « remplace » donc le Kilogramme des Archives en 1889. Il consiste en un cylindre de 39 mm de hauteur et de 39 mm de diamètre, constitué de 90% de platine et de 10% d’iridium. Il est conservé au BIPM à Sèvres (France) dans l’air à pression atmosphérique sous une triple cloche de verre .

Table des matières

INTRODUCTION
I. CONTEXTE DE L’ETUDE
I.1. Historique du kilogramme
I.2. Le prototype international du kilogramme et la nécessité de redéfinir l’unité de masse
I.3. Les voies pour la redéfinition du kilogramme
I.3.1. Introduction
I.3.2. Vers une métrologie électrique quantique ?
I.3.2.1. Introduction
I.3.2.2. Etalon de tension par l’effet Josephson
I.3.2.3. Etalon de résistance par l’effet Hall quantique
I.3.2.4. Triangle de la métrologie quantique
I.3.3. Les mesures électriques
I.3.3.1. La lévitation magnétique
I.3.3.2. La balance du volt
I.3.4. Le comptage d’atomes
I.3.4.1. Le projet Avogadro – la sphère de silicium
I.3.4.2. L’accumulation d’ions
I.4. La balance du watt
I.4.1. Principe
I.4.1.1. Phase statique
I.4.1.2. Phase dynamique
I.4.2. Définition du kilogramme basée sur la constante de Planck
I.4.3. Les expériences de balance du watt actuelles
I.4.4. La balance du watt du Laboratoire National de Métrologie et d’Essais
I.4.5. L’étalon de masse pour la balance du watt française
I.5. Les étalons secondaires
I.6. Références
II. TECHNIQUES EXPERIMENTALES
II.1. Observations et analyses
II.1.1. Polissage
II.1.2. Microscopie optique
II.1.3. Microscopie électronique à balayage
II.1.4. Microscopie électronique en transmission
II.1.4.1. Préparation des lames minces
II.1.4.2. Méthode des jets
II.1.4.3. Amincissement ionique
II.1.4.4. Observations et analyses
II.1.5. Microscopie en champ proche
II.2. Analyses thermiques
II.2.1. Thermodésorption
II.2.2. Thermogravimétrie
II.3. Analyses chimiques
II.3.1. Microanalyse X
II.3.2. Diffraction de rayons X (DRX)
II.3.3. Spectrométrie de photoélectrons X (XPS)
II.4. Mesure de la dureté
II.5. Mesure de la susceptibilité magnétique
II.5.1. Matériel
II.5.2. Principe de fonctionnement
II.6. Mesure de la masse volumique d’un alliage
II.7. Comparaisons de masse
II.8. Nettoyage des étalons de masse
II.8.1. Nettoyage/lavage du BIPM
II.8.2. Autres méthodes de nettoyage
II.8.3. Synthèse
II.9. Références
III. ETALON DE MASSE POUR L’EXPERIENCE DE LA BALANCE DU WATT
III.1. La référence internationale : le platine iridié Pt-Ir10
III.1.1. Elaboration de l’alliage
III.1.2. Microstructure et homogénéité de l’alliage
III.1.2.1. Echantillon A
III.1.2.2. Echantillon B
III.1.3. Propriétés physiques de l’alliage Pt-Ir10
III.2. Cahier des charges pour l’étalon de masse de la balance du watt
III.3. Alliages dentaires Au-Pt
III.3.1. Propriétés magnétiques des alliages Au-Pt
III.3.2. Composition des alliages dentaires Au-Pt
III.3.3. Elaboration des nouveaux alliages dentaires Au-Pt
III.3.4. Microstructure des nouveaux alliages dentaires Au-Pt
III.3.5. Synthèse
III.4. Etude des alliages Au-Pt du CECM
III.4.1. Introduction
III.4.2. Faisabilité d’un alliage homogène
III.4.3. Homogénéisation de la microstructure et durcissement de l’alliage
III.4.3.1. Etude de l’écrouissage
III.4.3.2. Etude de la recristallisation
III.4.3.3. Etude de l’adoucissement
III.4.4. Synthèse
III.5. Alliages d’or PX Group
III.5.1. Introduction
III.5.2. Alliage Au-Pt29
III.5.3. Alliages Au-Pt15 + additif
III.5.3.1. Au-Pt15-B
III.5.3.2. Au-Pt15-Ga
III.5.3.3. Au-Pt15-Ti
III.5.4. Alliages Au-Ag-Cu-Pt
III.5.4.1. Au75-Ag12-Cu9-Pt4
III.5.4.2. Au75-Ag9-Cu12-Pt4
III.5.5. Propriétés physiques des alliages PX Group
III.5.6. Synthèse
III.6. Autres candidats
III.6.1. Le silicium
III.6.2. L’iridium
III.7. Synthèse
III.8. Références
IV. DEFINITION D’UN NOUVEL ALLIAGE METALLIQUE POUR LA REALISATION D’ETALONS DE MASSE SECONDAIRES
IV.1. Introduction
IV.2. Matériaux actuels
IV.2.1. Les aciers inoxydables
IV.2.1.1. Aciers inoxydables austénitiques
IV.2.1.2. Traitements thermiques
IV.2.1.3. Alliages de l’étude
IV.2.1.4. Stabilité des aciers inoxydables
IV.2.1.4.1. Corrosion et oxydation
IV.2.1.4.2. Les effets de l’humidité et la sorption d’eau
IV.2.1.4.3. Le dégazage sous vide
IV.2.1.4.4. Les effets du nettoyage et la contamination de surface
IV.2.1.5. Synthèse
IV.2.2. L’Alacrite XSH
IV.2.2.1. Introduction
IV.2.2.2. Alliage de l’étude
IV.2.2.3. Stabilité de l’Alacrite XSH
IV.2.2.4. Synthèse
IV.3. Sélection de nouveaux alliages
IV.3.1. Alliages à base de cuivre
IV.3.2. Superalliages a base de nickel
IV.3.2.1. Généralités
IV.3.2.2. Superalliage monocristallin AM1
IV.3.2.3. Superalliages polycristallins
IV.3.2.3.1. PM1500
IV.3.2.3.2. Waspaloy
IV.3.2.3.1. Udimet 720
IV.4. Synthèse
IV.5. Références
CONCLUSION

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