HAL Id: jpa-00234407
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Sur les modifications de la perméabilité magnétique des aciers au carbone, et du fer pur sous l’action des contraintes de traction pure dans un champ alternatif
d’amplitude constante
André Langevin
To cite this version:
André Langevin. Sur les modifications de la perméabilité magnétique des aciers au carbone, et du fer pur sous l’action des contraintes de traction pure dans un champ alternatif d’amplitude constante. J.
Phys. Radium, 1951, 12 (3), pp.476-481. �10.1051/jphysrad:01951001203047600�. �jpa-00234407�
SUR LES MODIFICATIONS
DE LA
PERMÉABILITÉ MAGNÉTIQUE
DES ACIERS AUCARBONE,
ET DU FER PURSOUS L’ACTION DES CONTRAINTES DE TRACTION PURE DANS UN CHAMP ALTERNATIF D’AMPLITUDE CONSTANTE
Par ANDRÉ LANGEVIN.
École
Supérieure
dePhysique
et de Chimie Industrielles. Paris.Sommaire. 2014 Dans ce travail, nous avons appliqué les méthodes de mesure d’inductance par pont d’impédance, à l’examen des phénomènes qui se produisent lorsqu’on exerce des contraintes de tractions variables sur des pièces d’aciers ordinaires au carbone sans traitement thermique particulier.
Nous avons orienté tout particulièrement nos observations vers les modifications des propriétés magnétiques constatées lors de l’application de contraintes de valeurs élevées, notamment au voisi- nage des limites d’élasticité physique, d’écoulement et de fatigue.
Les deux principaux résultats qui semblent ressortir de cette étude préliminaire sont les suivants :
1° Sur un acier soumis à des tractions statiques croissantes, des mesures simultanées, mécaniques et électriques, révèlent un domaine intermédiaire, caractérisé par des allongements permanents de l’ordre
de 10-4 à 10-6 en valeur relative.
Ce domaine est situé entre la limite de réversibilité magnétique qui coïnciderait avec la limite d’élasticité physique et la limite d’élasticité apparente ou d’écoulement du métal.
2° On trace un réseau des courbes perméabilité-effort de traction simp le, répétées entre zéro et des ampli-
tudes maxima progressivement croissantes. La pente de la partie ascendante des courbes commence par croître. La charge maxima qui a précédé la courbe à pente maxima semble coïncider avec la limite de
fatigue de l’acier,
JOURNAL PHYSIQUE 1~, i95t,
r. ~ -- Introduction.
S’il est vrai que l’on trouve de nombreux travaux
sur le
comportement magnétique
du nickel et desferro-nickels
lorsqu’ils
sont soumis à descontraintes,
travaux bien connus desspécialistes
dumagnétisme,
il est curieux de constater que les
publications
sur le
comportement
des aciers ordinaires et du fer pur soumis a de semblables contraintes sontbeaucoup
moins nombreuses
malgré
l’intérêtpratique
et théo-rique
queprésente
l’étude de cesphénomènes.
C’est à Villari
[1]
que l’on doit en 1865 la décou- verte de l’eff et inverse de lamagnétostriction.
Villari a montré que la
perméabilité magnétique
du fer
augmente
par suite del’application
d’unecontrainte de traction
tant’ que
la forcemagnéto-
motrice ne
dépasse
pas une certaine valeur(point critique
deVillari)
au-delà delaquelle
une tractionproduit
au contraire une décroissance. ,Au
point
de Villari la traction n’aplus
aucuneff et sur la
perméabilité magnétique.
Ensuite
plusieurs
auteurs ont contribué àpréciser
les
phénomènes, parmi
ceux-ci on doit citer H. Tom-linson
[2]
enAngleterre,
Fraichet[3]
en France,W. Thomson et
Ewing [4]
enAmérique.
Fraichet a fait un travail
important
sur laquestion qui
a duré de 1902 à1032.
Il visait à étudier « les déformations moléculaires d’un barreau d’acier soumis à une contrainte de traction par la variation de son aimantation au cours de l’essai ~.Fraichet a eu le mérite
apparemment
d’être lepremier
acomprendre
l’intérêtpratique
de l’étudede la modification des
propriétés magnétiques
des ,aciers soumis à des contraintes de traction.
Il étudiait les modifications de réluctance d’un barreau d’acier avec l’intensité de la contrainte de traction
appliquée
dans les conditions suivantes :L’éprouvette
à étudier étaitprise
dans les mor-daches d’une machine de traction et soumis a un
eff ort
qui
croissaitproportionnellement
autemps.
Pour mesurer les variations de la réluctance de
l’éprouvette,
Fraichet l’utilisait comme noyau d’une bobinecomprenant
deux enroulementssuperposés.
Un des circuits est directement alimenté par
une
pile,
alors que le deuxième circuit est connectéaux bornes d’un
galvanomètre
ordinaire(voir fig. i).
Il étudie la force électromotrice induite dans le
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:01951001203047600
477 secondaire
qui
estproportionnelle
à la dérivée duflux par
rapport
autemps.
Cette force électromotricese trouve être
également proportionnelle
à la varia-tion de
perméabilité magnétique
du barreau si les conditions sont tellesqu’on puisse négliger
lesvariations des dimensions de
l’éprouvette;
ceci estvrai si l’on reste dans le domaine des déformations
élastiques. Fraichet,
sans doute à cause de la méthodequ’il utilisait,
n’obtient que des résultats peu nets.Fig. I. - Dispositif expérimental utilisé par Fraichet
pour l’essai magnétique des aciers.
Malgré
ce manque de netteté dans les accidents descourbes,
il considère que tous leschangements
d’allure dans la variation de la déviation du
galva-
nomètre
correspondent
a des sortes depoints critiques
de
l’équilibre
moléculaire. Il estime que toute modification moléculaire du métalproduit
unevariation
correspondante
de saperméabilité magné- tique
doncqu’on
doitpouvoir
déceler ainsi le début desallongements permanent
ou limite d’élasticité vraie.Cette limite d’élasticité vraie
correspondrait d’après
Fraichet à lapremière inflexion,
ou tout aumoins au maximum de la déviation
galvanométrique,
alors que la limite
élastique apparente
ou conven-tionnelle se traduirait par une chute
brusque
dela déviation du
galvanomètre.
Plus tard R. Cazaud
[5]
a utilisé la même méthode pour étudier lecomportement
de l’acier en torsion.Plus récemment en en U. R. S.
S.,
Richer[6]
a étudié le
comportement
desferromagnétiques présentant
unemagnétostriction positive (en parti-
culier les fers doux et
aciers)
soumis à de faiblestensions
élastiques.
Il a étudié l’influence d’une traction suivant les différents axes cristallins dans le cas d’un monocristal et lecomportement
d’unpolycristal
dans le cas ou le corps n’a pas de directionsprivilégiées.
Il y a seulement deux ans deux italiens F. Baratta et A. Milone
[7]
ontrepris
l’étude ducomportement magnétique
d’un fil de fer pur soumis a un effort de traction en cherchant àpréciser
lesphénomènes
au
voisinage
de larupture
du fil.Ils ont montré
qu’au
moment même où le filva rompre, on constate une
augmentation
de saperméabilité magnétique, phénomène qui
était restépréalablement inaperçu.
Enfin,
toutrécemment,
M.Lliboutry [81
a étudiéles variations d’aimantation par choc sur des bar-
reaux
d’acier;
il a ainsi vérifiéquantitativement
les effets
prévus
par la théorie donnée par Sears[9]
et W. F. Brovn
[10].
Mais les méthodes de mesures
qui
ont été utiliséespour ces diverses
déterminations
sont detype
pure- mentclassique.
Les mesures deperméabilité
sontgénéralement
faites par l’intermédiaire des déviations d’ungalvanomètre balistique
etl’analyse
desphé-
nomènes
n’est,
dans cesconditions,
pas très fine.C’est pour cette
raison,
et parce que l’étude de cesphénomènes
nousparaissait présenter
un intérêtpratique considérable,
que nous avonsrepris
cetteétude avec une méthode de mesure
plus moderne, qui
consiste aplacer
l’échantillon dans unchamp
alternatif de
fréquence
fixe.II. -
Étude
des modifications de laperméabilité,
dans un
champ magnétique alternatif,
des fers doux et aciers au carbone soumis à des contraintes par l’inter- médiaire de la mesure de l’inductance d’un solénoïde bobiné sur la
pièce
àétudier.
Méthode de mesure. - Dans nos mesures le mode
opératoire
était le suivant : on utilise un échantillon du métal à étudierportant
un solénoïded’une centaine de
spires.
Fig. 2. - Schéma du pont d’impédance utilisé.
Les mesures d’inductance de l’enroulement ont été faites avec un
pont d’impédance
pour bobines à noyaux de fer avecmontage symétrique.
Nous avons utilisé un
pont
universelpermettant
des mesures de
self, capacité
etrésistance,
alimentésà i ooo
périodes.
Il
s’agit
d’unpont
entièrementsymétrique :
dansun des bras du
pont
estplacée
la bobine de l’échan-tillon à étudier et dans un autre bras la
bobine,
comportant
le même nombre despires,
d’uneéprou-
vette témoin de même nature non soumise à des contraintes :
L’appareil
estgradué
en pour ioo et donne la différence entre les self-inductances de l’échantillon témoin et celle del’éprouvette expérimentée (voir fig. 2).
Les variations de la self-inductance et de la résis- tance
équivalente
du solénoïde de lapièce
étudiéepeuvent exprimer
les variations deperméabilité magnétique
del’éprouvette.
Ceci est sans doute à peu
près
vraijusqu’à l’appa-
rition d’une modification
appréciable
de la section(striction
entraction).
Il faut remarquer toutefois que la
proportionnalité
de la self-inductance à la
perméabilité magnétique
n’est pas
théoriquement rigoureuse,
enparticulier
à. cause du flux de fuite du circuit
magnétique,mais
ce fluxde fuite est forcément faible car la tension
appliquée
aux bornes des bobines ne
dépassait jamais
o,7 V environ cequi correspond,
vu le nombre faible despires
parcentimètre,
à deschamps qui
sonttoujours
restés inférieurs à 8 gauss.
10 ESSAIS EN TRACTION PURE. - Avec la colla- boration de MM. M. Reimbert et E.
Paul,
nousavons tout d’abord étudié l’influence d’une contrainte de traction pure sur des
éprouvettes
d’acier dediverses teneurs en carbone et sur des
éprouvettes
de fer pur
(Armco).
’Les
éprouvettes
leplus généralement
utiliséesétaient des
éprouvettes
de modèle standard dont la section utile avait78,5
mm2(1 o
mm dediamètre).
Le solenoïde
comportait
engénéral
100spires réparties
uniformément sur 3 cm environ delongueur.
Iae nombre limité
d’éprouvettes
dont nous dis-posions
et lalongue
durée de laplupart
des essaisnous ont seulement
permis d’ébaucher
une étudecomplète
desphénomènes.
Nous avons pu toutefois nettement caractériser l’allure desphénomènes.
Les
allongements
consécutifs àl’application
descontraintes ont été mesurés à l’aide d’un exten- somètre
micrométrique Mercier-Lepetit.
Toutes les mesures d’inductance ont été faites
en pour ioo de variation de l’inductance et non pas
en valeur absolue parce que nous avons
pensé qu’il
était
plus avantageux
de faire des mesures en valeursrelatives.
S’il est vrai que les valeurs absolues des inductances des bobines
dépendent
directement de l’étatphy- sique
de leur noyau, lapente
des courbesqui représente
les variations de l’inductance tracéesavec une ordonnée en valeurs absolues ne mesure
pas
directement
comme dans le cas de lareprésen-
tation des variations en pour 100 la sensibilité de
l’éprouvette.
Il y a lieu de remarquer que dans les conditionsqui
ont été réalisées lors de nos mesures,(tension d’alimentation du
point
variant à i ooo p :s)
ce n’est pas la section totale de la
pièce
examinéequi
intervient dans nos mesures, mais une zonesuperficielle
dontl’épaisseur dépend
de lafréquence
de la tension d’alimentation du
pont.
Or en
principe
les fibressuperficielles
tendent àtravailler à un taux
plus
élevé que les fibres internes.Cette
propriété particulière
à la méthode que nousavons utilisée de limiter le volume intéressé à la
partie superficielle
del’éprouvette, présente
unintérêt tout
particulier
dans les essais defatigue
car l’amorce de
rupture part
trèsgénéralement
d’un
point
de la surface del’éprouvette.
a. Allure
générale
de la courbe de variation de laperméabilité (*).
--- En l’absence de contrainteappli- quée
surl’éprouvette
celle-ciprésente
une certainevaleur d’inductance
correspondant
à laperméa-
bilité
initiale, qui
estfigurée
par lepoint
O. L’or-donnée de 0
correspond
engénéral
à une différenceplus
ou moinsgrande
entrel’éprouvette
étudiéeet
l’éprouvette
de référence.Lorsqu’on applique
àl’éprouvette
un effort detraction
progressif,
laperméabilité
de l’échantilloncommence par
croitre,
suivant une loiplus
ou moinslinéaire. Ce
phénomène
est traduit par larégion
OAde la courbe.
(voir fig. 3).
Fig. 3. - Forme générale de la courbe de variation de l’induc- tance de l’enroulement en fonction de l’intensité de l’effort de traction sur une pièce d’acier.
Parfois la
portion
croissante se divise enplu-
sieurs
segments
linéairesOA,, -1B.1...tB2’
A
partir
d’une certaine valeur de l’effort de trac- tion la courbe cessebrusquement
de croître pour atteindre unpalier parallèle
à l’axe des efforts(il
faut noter que dans certain cas le
palier
estdoublé).
Si l’on continue à
augmenter
l’effort detraction,
lepalier
cesse àpartir
d’un nouveaupoint anguleux
M caractérisé par le début d’une diminution de l’inductance,
parfois
très brutale. Enaugmentant
la valeur de l’effort au delà de l’abcisse dupoint
NI.la courbe
après
une chutegénéralement rapide,
a un(*) Pour le détail des résultats se rapporter à la référence
[11] de la bibliographie.
479
coefflcient
angulaire négatif jusqu’à
un nouveaupoint plus
ou moinsanguleux
E.Au-delà de cette limite E la courbe fait à nouveau une chute
plus
ou moinsbrusque.
Lepoint
E appa- raîtquelquefois
aussi nettement que la limite M mais il n’en est pastoujours
ainsi.Au-dessus de E la courbe décroît
plus
vitejusqu’à
la
rupture
del’éprouvette
aupoint
R.Il est à remarquer que cette forme
générale
decourbe est
également
valable pour lePermalloy
et
l’Anhyster
D.b.
Importance
des variations de laperméabilité.
--Suivant la teneur en carbone des aciers la forme des courbes se modifie et
l’amplitude
de variations de l’inductancechange
d’ordre degrandeur.
La
pente
de lapartie
initiale OA de la courbe varie et l’écart entre les ordonnées de 0 et de Aégalement.
Avec le fer doux
(fer Armco)
lapente
est de l’ordrede
2,25
pour i oo :kg :
mm2 alors que l’écart entre les ordonnées de 0 et cle A estégal
à 20 pour 100 environ.Pour un acier doux VB à o, i pour i oo de carbone
recuit,
acier que nous avons étudié leplus complè-
tement la
pente
moyenne à lapremière
tractionest
égale
à i pour 100 :kg :
mm2environ,
avec un écart entre les ordonnées de 0 et de A de 8 pour T uoen moyenne.
Fig. ~, - Courbe de variation de la pente de la partie OA
de la courbe de première traction en fonction de la teneur en carbone de l’acier étudié.
Pour un acier
plus dur,
acier suédois Sandwickà o,-, pour 100 de
carbone,
lapente
à la pre- mière tractiondiminue;
elle devient de l’ordre de o, 2 :kg :
mm2 avec un écart maxima entre lesordonnées
égal
à J pour i oo environ.Avec un acier encore
plus
dur ào,84
pour 10o decarbone,
on constate unepente
à lapremière
tractionde o,1 pour 100 :
kg :
mm2 avec un écart entre lesordonnées des
points 0
et Aégal à 9
pour oo.Enfin pour la variété d’acier dite « corde à
piano »
on obtient une
pente
à lapremière
traction de0,057
pour 100 :kg : mm2,
avec un écart entre lesordonnées de 9, pour 100 environ.
La
pente
décroît donc trèsrapidement
avec lateneur en carbone la courbe sur la
figure 4)’
c. Dimensions des
paliers
observées. --- Lespaliers présentés
par les courbes de variation deperméabilité
sont
d’importance
très variahle suivant lacomposi-
tion de l’acier.
Avec certains aciers doux on observe des courbes
qui présentent,
un doublepalier
relié par unepartie
linéaire. Avec
l’anhyster
D nous avons constaté laprésence
depaliers multiples.
Au
point
due- vue de leurlongueur,
elle varie entreune
longueur
nulle pour l’acier ào,8h
pour 100 de carbone à unelongueur maxima, présentée
par la variété corde àpiano, correspondant
à une différenced’abcisse de 60
kg :
mm2.Le début du
palier
oupoint
A a uneposition également
variable parrapport
aupoint
M ou à lalimite d’écoulement
E,
il oscillegénéralement
entrela moitié et les deux tiers de l’abcisse de la limite M.
d. Pointes limites
A,
l~ et E. - Lespoints
limitesde la courbe
M,
A et Eparaissent
être lesplus
intéressants au
point
de vuephysique.
Encomparant
la déviation d’un extensômètre
micrométrique
et lacourbe de variation de
perméabilité
onpeut
montrertrès facilement que le
point
Ecorrespond
aupoint anguleux
de la courbeeffort-déformation,
relevéavec un extensomètre
micrométrique,
cequi veut
dire
qu’il correspond
au début desallongements permanents macroscopiques
dont l’ordre degrandeur
devient
rapidement supérieur
au millimètre sur unebase de 10 cm de
longueur
initiale avec les aciersdoux.
L’étude des tractions successives que nous expo-
serons
plus
loin montre que lepoint
Mcorrespond
àla limite de réversibilité
magnétique.
L’abscisse de M est celle de l’effort au-delàduquel
lesphénomènes
ne sont réellement
plus
réversibles ouplus
exactementquasi
réversiblespuisque
certains aciersprésentent
une
hystérésis magnétostrictive
et d’autres effets irré- versibles dans lapartie élastique
des déformations.Cette limite de réversibilité
magnétique
semblecorrespondre
au début del’apparition
d’un allon-gement permanent microscopique
c’est-à-dire de l’ordre d’unepetite
fraction de micron. Elle corres-pond
trèsprobablement
à ce que Frai chetappelait
la limite
élastique
vraie. Il y a en effet toutes les raisons de penserqu’un
accidentpuisse
seproduire
dans les
propriétés magnétiques
du métallorsque
la déformation
permanente
locale ,atteint l’ordre degrandeur
des domaines de Weiss.Ces déformations sont au-dessous de la sensibilité des extensomètres
mécaniques.
Enfin nous n’avonspas réussi
jusqu’à présent
àinterpréter
cequi
seproduit
aupoint A, point correspondant
a uneabcisse à
partir.
delaquelle
laperméabilité qui
variaitquasi
linéairement ne varie absolumentplus
ouvarie’br-Lisquement
suivant une nouvelleloi.
J ,~~ MODIFICATIONS DE LA COURBE DE VARIATION DE LA PERNIÉABILITÉ LORS DE TRACTIONS SUCCESSIVES.
Si l’on exerce sur une
éprouvette
d’aciervierge plusieurs
tractions successives avec un effort maxi-mum
appliqué
constant et nedépassant
pas la limite M, entre lapremière
et la deuxième traction etparfois
au cours deplusieurs tractions,
on constateune baisse de la
pente
de lapartie
linéaire OA de lacourbe. Ensuite les
phénomènes
se stabilisent.Il
s’agit
sans doute d’une « accomodation a~ de l’acier par modification des tensions internes anté- rieures.Fig. 5. - Courbes de pentes et de Woehler. Réseau : inductance-effort.
Lorsqu’on
exerce au contraire sur l’échantillonune succession d’efforts
répétés
àpartir
de zérojusqu’à
des efforts maximaprogressivement
crois-sants,
alors lapente
P dusegment
aA des courbescommence par décroître
pendant
lespremières
tractions
puis
restepratiquement
constante tant que l’effort maximum n’atteint pas la limite M.Lorsque
l’effort maximumdépasse
la limite ::.B1, cettepente
croîtrégulièrement
avec l’effort et passe par un maximum. Le maximum de lapente
P estconsécutif à la
grandeur
de l’effort maximumqui
a été
appliqué précédemment.
Cettegrandeur
maxi-mum
correspond
auplus grand
eff ort de traction de la courbeprécédente.
Celui-ci définit l’abcisse F.Nous
appelons
l’abcisse F : limiteprobable
defatigue,
parcequ’il s’agit
d’unphénomène magnétique qui paraît
coïncider avec lephénomène mécanique
de la limite de
fatigue conventionnelle,
relatif auxefforts
dynamiques.
La
correspondance
entre cesphénomènes
d’ordremagnétique
etmécanique
a été établie de lafaçon
suivante; d’abord l’abcisse Fqui
définit la limiteprobable
defatigue
a été déterminéemagnétique-
ment sur une ou deux
éprouvettes
de chacun des lots. Ensuite la limite defatigue
conventionnellea été déterminée avec les autres
éprouvettes
restéesvierges
au moyen de la méthodeclassique
deWehler. Nous avons ainsi pu observer la concor-
dance entre ces deux limites avec
l’approximation
que
permet
ledegré d’hétérogénéité
deséprouvettes
d’un même lot
woir fig. 5).
1 Fig. 6. - Courbes de principe.
Les tractions successives montren t
qu’entre
et Edes
allongements permanents
seproduisent.
Ilspeuvent
être mis en évidence entraçant
un réseaude courbes
d’allongement
avec des efforts maximasuccessifs
qui
croissent entre les abcisses des deux limites M et E. Les courbes effort-déformation481 obtenues dans ces conditions sont sensiblement
parallèles
mais décalées vers desallongements
rési-duels croissants
(i7oir fig. 6).
Ces résultats montrent
qu’il
semble y avoir un domaine intermédiaire nettement délimité entre l’élasticitéphysique, supposée rigoureuse,
et l’élas-ticité
pratique
ou écoulementmacroscopique
dumétal. Ce domaine intermédiaire concernant des
allongements
résiduels de l’ordre de à envaleur relative est
positivement
délimité. par despoints paraissant anguleux
sur les courbes de variation de l’inductance et de déformation del’éprouvette.
Malgré
lacomplexité
desphénomènes,
noussouhaitons,
enterminant,
que la mise en évidence des discontinuités A et M dans les variations de laperméabilité
du métal soumis à unchamp magnétique
alternatif de
fréquence
fixe contribuera pour unepart
à susciter des travauxthéoriques qui permettront
d’expliquer
lecomportement magnétique
des aciersordinaires.
Demande de M. -
Quelles
sont lesdimensions des
éprouvettes
utilisées ?Réponse
de M.Langevin.
- Leséprouvettes
uti-lisées étaient le
plus
souvent leséprouvettes
standarddes machines de
fatigue
dutype
Lausenhausen. Lalongueur
de lapartie
utile del’éprouvette
est d’en-viron 1 o cm. Mais on
peut
aussi utiliser deséprou-
vettes
plus petites
car les résultats obtenus nedépendent
pas des dimensions. Onpeut
mêmeopérer
avec des fils de moins de i mm de diamètre. Le nombre de
spires peut
d’ailleurs êtrequelconque,
la seule condition à réaiiser est que ce nombre soit suffisant pour éviter de court-circuiter la source de tension de 100o Hz
qui
alimente lepont.
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