Utilisation des Courants de Foucault pour la Caractérisation de la Taille des Grains dans un
Acier au Carbone C10
DEHINA Hocine, ALLAOUI Omar Laboratoire de Génie des Procédés – Université Amar
Telidji de Laghouat, Laghouat, Algeria Hocine.dehina@gmail.com
o.allaoui@lagh-univ.dz
HELIFA Bachir
Laboratoire de Physique des Matériaux – Université Amar Telidji de Laghouat,
Laghouat, Algeria helifa@yahoo.fr
Résume— Le présent travail concerne l’utilisation des courants de Foucault comme moyen non destructif pour l’évaluation et la caractérisation microstructurale des aciers au carbone.
Des échantillons en acier au carbone C10 (XC10) sont traités thermiquement avec des températures d’austénitisation et des durées de maintiens variables avec un refroidissement lent, ce qui permet d’obtenir des microstructures ayants des tailles de grains bien distinctes.
L’impédance normalisée d’un capteur à courants de Foucault (CF) est prélevée sur ces échantillons pour trouver une relation entre les différentes tailles de grains issues des traitements thermiques réalisés et l’impédance du capteur CF.
Les résultats obtenus montrent que les signaux courants de Foucault sont sensibles aux changements microstructuraux produits par les différents traitements thermiques. Ainsi, nous pouvons dire que l’impédance mesurée est une grandeur liée directement à la microstructure de l’acier au carbone.
Ainsi, nous pouvons prédire la taille moyenne des grains d’un acier au carbone d’une manière non destructive à travers l’analyse de réponse magnétique (CF) de l’acier.
Mots clés— Courants de Foucault, taille des grains, microstructure, caractérisation, impédance normalisée.
I. INTRODUCTION
Actuellement, l'utilisation des moyens de Contrôle Non Destructif (CND) n'est plus limitée à la détection de défauts et de fissures dans les matériaux et les structures. En effet, au cours des dernières années plusieurs recherches ont été focalisées sur la détermination non destructive des propriétés mécaniques et physiques des matériaux pour substituer les méthodes destructives [1].
Ces techniques et méthodes permettent un gain de temps et d’énergie important, ainsi qu’un contrôle de qualité très fiable qui peut être intégré même dans les lignes de production.
Parmi les différentes méthodes de CND, la technique des courants de Foucault présente des avantages particuliers (bonne sensibilité à la composition chimique des matériaux et aux microstructures, une sensibilité aux propriétés mécaniques et aux états de contraintes résiduelles,…), ce qui fait d’elle une
alternative très fiable aux méthodes destructives classiques.
[2,3].
Les courants de Foucault sont des courants induits qui prennent naissance, par exemple, dans un conducteur en mouvement dans un champ magnétique constant, ou encore dans un solide métallique immobile soumis à une variation de champ magnétique.
Toute variation de flux magnétique traversant la masse métallique produit des courants de Foucault. Cette propriété peut être exploitée pour évaluer les transformations et les changements dans les matériaux conducteurs.
Les variations induites dépendent des courants de Foucault qui à leur tour sont fonction de la conductivité électrique, la perméabilité magnétique du matériau et de la fréquence utilisée, ainsi que le lift-off (distance entre la bobine et l’échantillon).
La méthode consiste à soumettre la pièce testée à un champ magnétique variable dans le temps, et ainsi générer des courants induits à l’intérieur de celle-ci (courants de Foucault).
Le détecteur est constitué d’une bobine parcourue par un courant sinusoïdal, qui génère des courants induits qui créent un flux magnétique qui s’oppose au flux générateur, ce qui modifie l’impédance de la bobine.
Konoplyuk et al. [4] ont établi une relation entre la dureté d’une fonte ductile et les tensions primaire et secondaire du signal courants de Foucault.
Uchimoto et al. [5] et Čech [6] ont constaté l’existence d’une relation entre les propriétés mécaniques d’une fonte grise et le signal courants de Foucault émis par la fonte lorsqu’elle est excitée. Ils ont réussi à établir des relations directes entre la résistance à la traction, la dureté et l’allongement de la fonte ductile et le signal courants de Foucault.
Dans une autre étude, Mercier et al. [7] ont exploité le signal de courants Foucault comme une nouvelle alternative pour l’estimation de la profondeur de décarburation des aciers lors des traitements thermiques. L’analyse des résultats obtenus a permis de relier la décomposition harmonique du signal courants de Foucault à la durée du traitement thermique et/ou à
la profondeur totale de décarburation et, par conséquent, les propriétés mécaniques.
Rumiche et al. [8] ont réussi à établir des relations systématiques entre les caractéristiques métallurgiques des aciers au carbone et de leurs propriétés magnétiques mesurés avec un capteur électromagnétique.
D’autres chercheurs [9,10], ont étudié l’effet de la taille des grains sur les propriétés magnétiques des aciers au carbone et du fer pur et ont réussi à établir une relation entre la variation de la taille des grains et les courants de Foucault liés à ces microstructures.
Dans la présente étude nous allons essayer de prédire la taille moyenne des grains dans acier au carbone type C10 d’une manière non destructive à travers l’analyse du signal courants de Foucault.
II. PROCÉDURES ET TECHNIQUES EXPÉRIMENTALES Pour pouvoir déterminer la taille des grains dans un acier au carbone avec précision, nous avons choisi de travailler sur un acier C10 à faible teneur en carbone ayant une structure ferritique. Les échantillons utilisés ont une forme cylindrique de 5 cm de diamètre et 0,80 cm d’épaisseur découpés dans le sens perpendiculaire au sens du filage.
La composition chimique en pourcentage massique (determinnée par spectroscopie de masse) de l’acier utilisé est donnée dans le tableau I.
TABLEAU I. COMPOSITION CHIMIQUE DE L’ACIER C10 UTILISE
Afin de préserver les échantillons destinés au prélevément des signaux courants de Foucault, nous avons utilisé des échantillons supplémentaires de forme cubique de 8,00 mm de coté pour l’observation métallographique et les mesures de dureté. Bien sur, ces échantillons sont traités dans les mêmes conditions que celles des éprouvettes réservées aux tests de courant de Foucault.
Les traitements thermiques appliqués dans ce travail afin d’avoir différentes tailles de gains consistent à un recuit d’adoucissement. Le cycle thermique du recuit appliqué est constitué de :
Chauffage jusqu’à 920 °C
Maintien à la température 920 °C
Refroidissement à l’air libre
Les différentes durées de maintien du recuit appliqué sont rassemblées dans le tableau 2.
TABLEAU II. DUREES DE MAINTIEN DU RECUIT APPLIQUE DANS CE TRAVAIL
Température 920 °C
Durée (heures) 0,5 1 1,5 2 2,5 6 8 10 16 20 26
Vu le nombre élevé des échantillons qui ont subi le recuit à différentes durées de maintien, on a limité l’exploitation des données à cinq échantillons uniquement. Les échantillons choisis correspondent à des tailles de grains bien distinctes qui
peuvent être facilement différenciés. Ces échantillons concernent les durées de maintien de 0,50, 6, 8, 16 et 20 heures.
Les courants de Foucault ont été mesurés à l’aide d’un RLC mètre (LCR 821) qui permet d’avoir l’inductance (L), la résistance (R) et la capacité (C) des bobines de contrôle lorsqu’elles sont posées sur la surface des échantillons.
Trois différents types de sondes (bobines à air de 120 et 800 tours ainsi qu’une bobine à noyau ferritique) ont été utilisées avec des fréquences de 1, 10 et 100 KHz.
III. RÉSULTATS ET DISCUSSIONS
Les microstructures des échantillons traités obtenues par microscopie optique (Figures 1 à 3) montrent clairement la structure ferritique dominante dans l’acier C10. La différence de taille des grains de la ferrite en fonction de la durée de maintien est bien apparente.
Fig. 1. Microstructure métallographique de l’acier C10 après une durée de
maintien de 8h
Fig. 2. Microstructure métallographique de l’acier C10 après une durée de
maintien de 16h
Fig. 3. Microstructure métallographique de l’acier C 10 après une durée de
maintien de 20h
Elément C Si Mn P S Cr Mo Fe
Quantité 0.0656 0.281 0.401 0.0010 0.0578 0.104 0.0514 Balance
Les résultats obtenus pour les différents échantillons en utilisant les trois bobines avec les trois fréquences ont montré tous une bonne réponse des courants de Foucault en fonction de la microstructure étudiée.
Selon la littérature [1,12], lorsque la surface d’un échantillon est excitée, la réponse du signal courants de Foucault est influencée par deux facteurs importants, à savoir la microstructure de l’échantillon et ses contraintes résiduelles.
D’une manière générale, dans les aciers, la microstructure du recuit correspond à un état d’équilibre où le maximum de contraintes résiduelles est relaxé. Donc, on peut considérer l’effet des contraintes résiduelles comme négligeable dans cette étude. Seul l’effet du changement microstructurale sur la réponse du signal de courants Foucault sera pris en charge.
Dans notre travail, nous avons utilisé l’impédance normalisé de la bobine définie par
Zn=Z/Z0
Tel que Z est l’impédance de la bobine en présence de l’échantillon et Z0 est l’impédance à vide de la bobine.
Par la suite, les réponses courants de Foucault obtenues ont été présentées sous forme de courbes donnant l’impédance normalisée Zn en fonction du temps de maintien. Bien sur, chaque temps de maintien correspond à une microstructure qui est, elle aussi, est caractérisée par sa taille de grains.
L’ajustement des courbes de la variation de l’impédance normalisée en fonction de la durée de maintien par la méthode des moindres carrées avec le logiciel MATLAB, nous a permis de montrer que ces courbes ont une forme linéaire et peuvent être décrites par une équation du type :
y = ax + b
Les Figures 4, 5 et 6 représentent des courbes typiques de la variation de l’impédance normalisée en fonction de la durée de maintien.
Sur ces courbes on peut facilement constater la relation linéaire entre la réponse des signaux de courant de Foucault et les durées de maintien qui sont en relation directe avec la taille des grains.
Fig. 4. Relation entre l’impédance normalisée et la durée de maintien avec une bobine de 120 tours à 100 KHz
Fig. 5.Relation entre l’impédance normalisée et la durée de maintien avec une bobine de 800 tours à 100 KHz
Fig. 6. Relation entre l’impédance normalisée et la durée de maintien avec une bobine à noyau de ferrite à 10 KHz
La fig 7 représente la dureté HV en fonction de la durée de maintien.
Fig. 7. Dureté HV en fonction de la durée de maintien La relation entre la taille des grains dans la microstructure de l’acier et le signal courants de Foucault peut être expliquée par le mouvement des parois de domaines de Weiss (DW’s) pendant l’excitation. En effet, lors de l’application d’un champ magnétique dans une microstructure donnée, un champ s’opposant au mouvement des domaines de Weiss est généré dans le matériau. L’opposition du champ produit par les joints de grains réduit l’impédance mesurée.
Les joints de grains affectent le mouvement des parois de domaines de Weiss par deux mécanismes :
Un mécanisme externe lié à la ségrégation et à la précipitation des inclusions dans les grains
Un mécanisme interne provenant de l’énergie magnétique statique liée à l’orientation des joints de grains adjacents [10].
Pour que nos résultats soient plus significatifs, nous avons rapporté toutes les valeurs des durées de maintien des différents échantillons en Nombre ASTM [11]. Les valeurs des nombres ASTM ainsi que les surfaces moyennes des grains correspondants en fonction des durées de maintien sont rassemblées dans Tableau IV.
TABLEAU IV. Nombre ASTM et Taille moyenne des grains en fonction de traitement effectue
Durée de maintien de
traitement
Nombre ASTM par mm2
Surface moyenne du grain (mm2)
0,5h 1595,73 6,26. 10-4
6h 797,86 12. 10-4
8h 564,17 17. 10-4
16h 398,93 25. 10-4
20h 282,08 35.10-4
Les résultats obtenus indiquent que plus les durées de maintien sont importantes, les impédances normalisées correspondantes sont importantes aussi, alors que les nombres ASTM sont plus faibles. Cela, nous laisse dire que les résultats obtenus dans ce travail sont en accord avec la théorie de mouvement des domaines (DW’s).
La courbe représente la dureté en fonction de durée de maintien (fig7) montre presque une stabilité de dureté qu’on augmente la durée de maintien, y’a une faible sensibilité de mesure de dureté de cinq échantillons corresponde des différents taille des grains.
IV.CONCLUSIONS
Suite aux résultats et aux discussions avancés dans ce travail, les conclusions et les remarques suivantes peuvent être avancées :
Les mesures de l’impédance sont des grandeurs liées directement à la microstructure de l’acier étudié Taille des grains).
La méthode du courant de Foucault peut être utilisée comme un moyen non destructif efficace pour la prédiction des tailles moyennes des grains dans l’acier au carbone XC10.
Les résultats obtenus dans ce travail sont en accord avec la théorie du mouvement des domaines de Weiss (DW’s).
REFERENCES
[1] S. kahrobaee, M. kashefi, et M. H. Nateq, “Quantitative Measuring of Pearlite in Carbon Steels Using Electromagnetic Sensor,” International Journal of ISSI. Iran, 2010, Vol. 7, pp.
29–32.
[2] D. E. Bray and R.K. Stanley, “Non destructive evaluation: a tool design, manufacturing and service”, CRC Press, Boca Raton FL, (1997), 415.
[3] D. J. Hagemair, “Fundamentals of Eddy Current Testing”, ASNT, (1990), 270.
[4] S. Konoplyuk, T. Abe, T. Uchimoto, T. Takagi, and M.
Kurosawa, “Characterization of Ductile Cast Iron by Eddy Current Method,” NDT&E International, Vol. 38, Avril 2005, pp. 623–626.
[5] T. Uchimoto, T. Takagi, S. konoplyuk, T. Abe, H. Huang and M. Kurosawa, “Eddy current evaluation of cast irons for material characterization”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2003, Vol. 258–259, pp. 493-496.
[6] J. Čech, “Measuring the mechanical properties of cast irons by NDT methods”, NDT International, 1990, Vol. 23, Issue 2, pp.
93-102.
[7] D. Mercier, J. Lesage, X. Decoopman, D. Chicot, NDT & E International, “Eddy currents and hardness testing for evaluation of steel decarburizing”, 206, Vol. 39, Issue 8, pp. 652-660.
[8] F. Rumiche, J. E. Indacochea M.L. Wang, “Assessment of the Effect of Microstructure on the Magnetic Behavior of Structural Carbon Steels Using an Electromagnetic Sensor”, Journal of Materials Engineering and Performance, 2008, Vol. 17, pp. 586–
593.
[9] M. Kashefi, S. Kahrobaee, “On the Application of Non Destructive Eddy Current Method for Quality Control of Heat Treated Parts”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
Japan, pp. 258–496, 2003.
[10] J. Degauque, B. Astie, J.L. Porteseil, R. Vergne, “Influence of the Grain Size on the Magnetic and Magnetomechanical Properties of High-Purity Iron”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials. France, 1982, Vol. 26, pp. 261–263.
[11] British Standard, “Steels – Micrographic determination of the apparent grain size”, BS EN ISO 643: 2003, 44 pages.
[12] M. Kashefi, S. Kahrobaee, M. H. Nateq, “On the Relationship of Magnetic Response to Microstructure in Cast Iron and Steel Parts”, Journal of Materials Engineering and Performance, 2012, Vol. 21, Issue 7, pp. 1520-1525.
