HAL Id: jpa-00233807
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00233807
Submitted on 1 Jan 1942
HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of
sci-entific research documents, whether they are
pub-lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d’enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.
Thermoélasticimètre et hystérésigraphe de torsion à
enregistrement photographique - Appareils pour l’étude
thermomécanique des métaux
Pierre Chevenard
To cite this version:
LE
JOURNAL
DE
PHYSIQUE
ETLE
RADIUM
THERMOÉLASTICIMÈTRE
ETHYSTÉRÉSIGRAPHE
DE TORSIONA ENREGISTREMENT
PHOTOGRAPHIQUE
Appareils
pour l’étudethermomécanique
des métauxPar PIERRE CHEVENARD.
Sommaire. 2014 Ces deux
appareils ont été construits et mis en service au laboratoire de la Société de
Commentry-Fourchambault et Decazeville, à Imphy. Un double but était visé : rendre plus faciles, plus rapides et plus précis l’essai thermoélastique des alliages et le contrôle de l’élinvar; mieux connaître les lois de la déformation des métaux, à froid et au delà du seuil des phénomènes visqueux.
Le thermoélasticimètre enregistre un diagramme qui fait saisir d’un coup d’0153il l’allure de la courbe
« module-température » et fournit les données nécessaires au calcul du coefficient thermoélastique;
l’hystérésigraphe permet d’étudier les relations entre le frottement interne, la relaxation visqueuse et la réactivité des métaux.
SÉRIE VIII. - TOME 111. ~’~° 6. JUIN 1942.
1. - THERMOÉLASTICIMÈTRE
ENREGISTREUR.
Étant
donné lesavantages
bien connus desappareils
enregistreurs
dans les laboratoires de science pure comme dans les laboratoiresindustriels,
le
problème
posé
était de tracerdirectement,
surune
plaque
sensible,
undiagramme
représentant
le module
élastique
d’un métal en fonction de latempérature.
1. Choix de la méthode.
Principe
del’appareil.
- On doit à
Ch.-Eug.
Guye
lapremière
étudethermoélastique
d’un ferronickel dans unlarge
intervalle de
température C).
Il a utilisé unpendule
de Coulomb
équipé
pour maintenir le fil desuspen-sion à une
température
uniforme et constante. A toutetempérature
fi,
le module detorsion y
estréciproque
au carré de lapériode : Q
-,, , r", .,
Lesl1.u
B
0 1oscillations étant
isochrones,
il suffit d’encompter
un
grand
nombre pour obtenir une mesure très, .
d
,.j
précise
durapport il
il-oLe
module ,u
donné par cette méthode est lapente
moyenne d’unpetit
cycle
«couple-torsion
»;(1) C.-E. GUYE et H. Vror.Lri.~., Étude sur les variations du deuxième module d’élasticité de l’invar (Extrait des Archives des sciences physiques et naturelles, Genève : juillet-août l go,;).
et cette
pente
caractérise bien l’élasticité du métalquand
lecycle
diffère peu d’une droite parcourue réversiblement. iel est le cas pour lesalliages
sidérurgiques
auxtempératures
basses et moyennes.Mais il n’en est
plus
de même auxtempératures
élevées,
oùl’hystérésis mécanique
est notable. Lapente
moyenne ducycle
n’estplus
fonction seulement de l’élasticitévraie;
elledépend
enparticulier,
comme on le verra
plus
loin,
de la vitesse dedescrip-tion.
La méthode du
pendule
fournit une mesurefacile de
l’hystérésis mécanique d’après
l’amortis-sement des oscillations : à toute
température
~,
on obtient un décrément o. La
rapide
ascensionde la courbe
(0,
fi)
indique
laplus
hautetempé-rature au-dessous de
laquelle
le métalpeut
être assimilé à un solideparfaitement
élastique.
Cettefrontière est
précieuse
à connaître pour lesappli-cations.
’Mais,
à côté de cetavantage
et d’une hautesensi-bilité,
la méthode dupendule
de Coulomb offre de sérieux inconvénientspratiques :
elle estlente,
laborieuse et seprête
mal àl’enregistrement
direct du module en fonction de latempérature.
Lesdispositifs capables
de traduire lapériode
ou lafréquence
d’un oscillateurmécanique
par uneélongation, susceptible
d’êtrecomposée
avec la déviation d’unpyromètre
pour donner undiagramme,
sont peu
précis.
Tous sontexposés
à la dérive aucours des 5 ou 6 h que dure
l’expérience.
Une méthode
statique
est apriori
plus
séduisante.Puisque
la flècheélastique
d’un ressort est en raison inverse dumodule,
ilpeut
sembler suffisantd’enre-gistrer
cette flèche en fonction de latempérature,
lacharge
demeurant constante. Un telproblème
serait facile à résoudre par lesprocédés
de ladilato-métrie. Mais une
technique
aussisimple
estinappli-cable.
Fig. i. - Schéma du thermoélasticimètre enregistreur. En
effet,
la variation de la flèche serait la sommede trois termes : l’effet
thermoélastique
à mesurer, une déformationd’origine visqueuse
et unedéfor-mation
spontanée
due à la relaxation des contraintesmécaniques
internes.Ainsi,
M. Bonzel a montréqu’un
fil se tord habituellement
quand
on le chauffe ausortir de la filière
(2).
Les deux derniers effets sontparfois
assez intenses pour masquer entièrement lepremier.
Il est heureusement facile de les éliminer. Au lieu d’une
charge
constante,
le ressort-échantillonsup-porte
unecharge
oscillant entre deux valeurségales
et de
signes
contraires : la différence des flèchesenregistrées
représente uniquement
l’effetthermo-élastique.
Appliqué
à l’étude du module detorsion,
ce
principe
conduit à une méthoded’essai,
dutype
dynamique
comme celle dupendule,
maisplus
aiséeà mettre en aeuvre. Un fil chauffé lentement
supporte
un
couple
sinusoïdald’amplitude
constante; etl’appareil
enregistre l’angle
maximum de torsion (~) M. BorizEr,, Sur les défolmr.1lions qui acccmpagiientles traitements thermiques des produits écrouis (Revue de
Métal-lurgie, ~g3~, t. XXXIV, p. 3~2).
~n fonction de la
température f)
: cetangle
variem raison inverse du module li..
Avec cette
technique,
lemodule Ij-
est lapente
ie la droitequi,
dans lecycle
«couple-torsion
»,j uint
lespoints
deplus
forteélongation.
Il se confond évidemment avec le module mesuré par lependule
de Coulomb à l’intérieur du domaine detempéra-ture où
l’hystérésis
mécanique
estnégligeable.
Comme on le verra, une
singularité
trèsapparente
de la courbe
enregistrée
marque la frontière de cedomaine,
avec autant de netteté que la croissanceaccélérée du décrément.
2.
Description
du therrr~oélastieimétre(fig.
iet
2).
- Le fil-échantillon F(o,1
mm de diamètreet 2 cm de
longueur)
estsuspendu,
suivant l’axeFig. 2. - Vue du thermoélasticimètre.
d’un four
électrique
àrésistance,
en unerégion
où latempérature
est uniforme àquelques
dixièmesde
degré
près.
Ilsupporte
unéquipage
trèsléger
E,
muni d’un miroir concave M et d’un très
petit
aimant ns au nickel-aluminium. Le
couple
sinusoïdalest créé par l’action sur ns d’un aimant
A,
qui
tourneautour d’un axe vertical par le
jeu
d’unpetit
moteurd’horlogerie.
Le mouvement del’équipage
est renduapériodique
par un amortisseur H àpalettes
En même
temps
qu’il repère
la torsion du filF,
le miroir M s’incline autour de l’axe horizontal XX’ selon les
changements
de latempérature 8,
carle levier L obéit à la dilatation du fil
pyrométrique
Py.
Ce
fil,
enalliage
« pyros) aunickel-chrome-tungstène,
est tendu tout
près
du fil F. Leurs dimensions étantégales
et leurscapacités calorifiques
presque iden--tiques,
les deux filsprennent
la mêmetempérature
à moins d’undegré
près,
quand
la chauffe s’effectueà l’allure normale de 10o
degrés
à l’heure environ.Du double mouvement ainsi
communiqué
aumiroir
résulte
le tracé d’une sorte desinusoïde,
à ondes
rapprochées,
dont les sommets seuls s’ins-crivent nettement sur le cliché. Les deux courbes lieux de ces sommets serapprochent
ou s’écartentquand
latempérature
s’élève,
selon que le moduledu fil étudié croît ou décroît.
Fig. 3. - Schéma montrant
l’inscription des deux courbes Bl, A2
sur la plaque sensible P.
En
réalité,
pouraugmenter
lasensibilité,
on amuni
l’équipage
de deux miroirs -plus
exactement de deux demi-miroirs - décalés entre eux d’unpetit angle
tel que les deux courbes extrêmesA2,
B ~
(fig. 3)
seplacent près
l’une de l’autre sur laplaque
P. A latempérature 0,
l’amplitude
cee estla somme de l’arc E6 lu sur le cliché et d’un arc
constant A
proportionnel
àl’angle
des miroirs.3.
Élaboration
desdiagramrnes. -
Apartir
d’undiagramme
enregistré (fig. 4),
il est aisé de construire la courbethermoélastique (fig. 5) qui
représente,
en fonction de latempérature 0,
lerapport
/-lo.
On a, en effet :poo
Il est non moins facile de calculer le coefficient
thermoélastique vrai ;
= T d’
().
Soient « et x les1.1.0 du
(1) Il est question ici du coefficient thermoélastique brut,
c’est-à-dire non corrigé des effets de la dilatation thermique
sur les dimensions de l’échantillon. Ce coefficient brut est le seul qui intervienne dans les applications.
cordonnées de la courbe
photographique :
a estl’arc A + s et x une fonction connue de la
tempé-rature.
Fig. l~. -
Diagramme enregistré par le thermoélasticimètre
avec un fil d’invar recuit à 475~ au sortir de la filière.
La dérivée
dx
est connued’après
letarage
dupyro-dO
mètre à
dilatation;
la courbeenregistrée,
bien queFig. 5. - Courbe
thermoélastique !::6
de l’invar recuit à (475, P-orestituée à partir du diagramme de la figure 4.
formée de
points
distincts,
est assez nette pourpermettre
la déterminationgraphique précise
de ladérivée da-
·dérivée . ’
°dx
En
pratique,
il est rarement nécessaire d’élaborerd’une
façon
aussicomplète
lediagramme
thermo-élastique enregistré.
La courbephotographique
a,dans son
ensemble,
l’allure de la courbe restituée. Parexemple,
les deuxfigures
4
et5,
relatives àl’invar,
montrent les mêmesparticularités
remar-quables :
croissancethermique
du module au-dessousferromagnétique :
maximum durapporté
àl’ap->o
proche
dupoint
deCurie;
chute accélérée au delàde
4ooo,
coïncidant avec l’accroissement del’hysté-résis
mécanique.
Cette allure d’ensemble
peut
bienéchapper
razl’observation dans le cas d’une forte dérive du
zéro :
ainsi,
une certaine attention est nécessaireFig. 6. -
Diagrammes enregistrés avec un fil d’élinvar.
En haut : tel qu’il sort de la filière; en bas : après un recuit de 2 h à 475°.
pour reconnaître un élinvar
d’après
lepremier
diagramme
de lafigure
6. Mais la dérive n’affecteguère
que la courbe depremière
chauffe d’un filécroui,
et il est aisé de la fairedisparaître
par unrecuit
approprié.
Dans le deuxièmediagramme
dela
figure
6,
leparallélisme
des deux courbes auvoisinage
del’origine
montre à l’évidence uncoeffi-cient
thermoélastique quasi
nul entre 25° et 125°.L’appareil
atteint donc l’un des butsvisés,
qui
estde
simplifier le
contrôle desalliages
dutype
élinvar.Quant
à la construction des courbesdérivées,
elleapporte
l’avantage
bien connu d’accroîtrenota-blement le
pouvoir
de résotutïon des courbesenre-gistrées.
Dessingularités
faibles(fig. 8)
et mêmetrès peu
apparentes (fig. 10)
des courbesprimitives
ressortent clairement des courbes dérivées. Grâce à
l’enregistrement,
la thermoélasticirrtétriepeut
désor-mais
prendre
rangparmi
les méthodesd’analyse
physicothermique
desalliages.
4.
Applications
du thermoélasticimètre.--a. Anomalie
thermoélastique
du nickel aupoint
de Curie. - La transformation du nickel et des solutionssolides riches en nickel
s’accompagne-t-elle
d’uneanomalie
thermoélastique ?
L’existence en est trèsvraisemblable,
mais elle n’ajamais
été constatée aveccertitude.
Le
point
de Curie du nickeldépasse
en effet de 10odegrés
latempérature
derapide
crâissance
du frottement interne. Aux difficultésd’interpréter
lesrésultats,
alors que lescycles
«couple-torsion »
sontdevenus fortement
irréversibles,
s’enajoute
uned’ordre
expérimental quand
le métal est étudié aupendule
de Coulomb : les oscillations étantrapidement
amorties,
on n’enpeut compter
qu’un petit
nombre,
et la mesure de la
période
est peuprécise.
Ladispo-sition des
points expérimentaux
sur lediagramme
«module-température
» construit àpartir
d’obser-vations discontinues n’accuse pas un
changement
de direction net à
l’aplomb
dupoint
de Curie.Fig. 7. - Diagramme enregistré avec un fil de nickel recuit pendant h. à 800°.
Il y
a 25 ans,j’avais
tenté de surmonter ladiffa-culté en
incorporant
au nickel un peu dechrome,
de manière à faire baisser le
point
de Curie et à releverla
température
derapide
ascension du décrément.Mais le chrome
amoindrit,
en mêmetemps,
toutesles anomalies
physicothermiques
liées à la transfor-mationmagnétique
du nickel : faute d’une méthodeassez
sensible,
l’anomaliethermoélastique
recherchée n’avait pu être mise en évidence.109 ,
enregistrés
par le thermoélasticùnètre. Celui du nickel(fig. 7)
montre un coude bien net à365°,
point
de Curie de l’échantillon étudié.L’alliage
nickel-chrome à2,35
pour 100Cr (fig.
8)
présente
Fig. 8. -
Diagramme enregistré avec un fil d’alliage nickel-chrome à 2,35 pour 100 Cr, recuit pendant i h à 800°.
Les courbes dérivées sont tracées en traits et points.
une
singularité analogue,
rendue trèsapparente
par le tracé de la courbe dérivée : lepoint
d’inflexion de celle-ci coïncide exactement avec lepoint
de Curie mesuré authermomagnétomètre.
La courbe du coefficientthermoélastique (fig. 9)
accuse uneanomalie
thermoélastique positive :
on lui attribuera cesigne.
parce que s’accroîtbrusquement,
en valeurabsolue,
lorsque
latempérature
franchit lepoint
de transformation
magnétique.
b. Anomalie
therrnoélastique
de la cémentite. -Comme toutes les substancesferromagnétiques,
la cémentite Fe° Cpossède
une anomalie de dilatation liée à la transformationmagnétique.
Cette anomalienégative
et de forteamplitude,
est trèsanalogue
à celle des ferronickels du groupe de l’invar. Commeces derniers
alliages
ont aussi une forte anomaliethermoélastique
positive,
onpouvait
prévoir
unesemblable
singularité
dans la cémentite et dans lesagrégats
« fer-cémentite ».B
Des
expériences
faites en 1917 aupendule
de Coulomb ont bien montré l’anomalieescomptée.
Mais le peu de sensibilité de la méthode
expéri-mentale n’avait pas
permis d’analyser
le détaildu
phénomène :
le thermoélasticimètre en fournitle moyen. ’
Le
diagramme
de lafigure
10 et lescourbes le
et ygo ’1
de la
figure
11 concernent un acier à1,18
pour 100Cr .
Fig. 9.,- Courbes thermoélastiques du nickel recuit à 8000 et de l’alliage nickel-chrome à 2,35 pour ioo Cr recuit
à 8000.
Les flèches repèrent les points de Curie déterminés au
thermo-magnétomètre. La courbe en traits et points représente le
coemcient thermoélastique Y de l’alliage nickel-chrome.
recuit à
point
de Curie deFe~ C,
onvoit un maximum
aigu
du coefficientthermoélas-Fig. a. -
Diagramme thermoélastique d’un fil d’acier au
carbone à ~, ~ 8 pour ioo C, recuit pendant i h à
75oo.
Les courbes dérivées sont tracées en traits et points.tique y,
exactementsymétrique
du minimum de la ’donc une anomalie
thermoélastique positive,
toutcomme les ferronickels du groupe de l’invar.
Fig. l 1. - Courbe
thermoélastique d’un acier à i, 18 pour o0
recuit à ~5oo, restitué à partir du diagramme de la
figure 10. En traits et points : courbe du coefficien’t
thermo-élastique.
La flèche repère le point de Curie C de la cémentite.
c.
Étude
systématique
d’unalliage
dutype
élinvar.
-L’élinvarprimitif
de Ch.-Ed. Guillaume a étéper-fectionné par
l’incorporation
d’éléments :aluminium,
titane,
glucinium, qui
le rendentapte
audurcisse-ment structural. Les nouveaux
alliages
sont formés à leur état stable à froid d’unagrégat
de deuxconsti-tuants,
qui
se dissolvent l’un dans l’autrequand
on fait croître la
température.
Le traitementdurcis-sant
(calqué
sur latrempe
structurale del’alliage
léger duralumin)
consiste à chaufferl’alliage
aupoint
de l’amener à l’état de solutionsolide,
àstéréotyper
cet état par unehypertrempe, puis
àrestituer
partiellement l’agrégat
stable à froid parun revenu.
Dans la fabrication des
spiraux,
le revenu seconfond avec la chauffe de
fixage
des rubans enroulés dans un barillet. Commel’hypertrempe
et le revenuaffectent considérablement l’anomalie
d’élasticité,
la
composition
del’alliage
et le traitement doiventêtre tels que le revenu
réalise,
à lafois,
lefixage
de laforme,
l’ajustement
du coefficientthermo-élastique,
le durcissement et la stabilitéphysico-chimique
du métal. On saisit la délicatesse d’unetelle fabrication, la nécessité d’en contrôler tous les détails et l’intérêt de
simplifier
latechnique
du contrôle.L’exemple
suivant fera ressortir lesavan-tages
du thermoélasticimètre.Des fils d’un
alliage
fer-nickel-chrome,
additionné d’aluminium et de titane, ont étéhypertrempés
à Iooo°, tréfilés de o, ~ ~ à 0,10 mm sans recuitintermédiaire,
et ils ont subi un revenu de 1 h àdes
températures
échelonnées de4000
à750".
Puis ils ont été
essayés
au thermoélasticimètre.La
figure 12 (à gauche)
groupe lescourbes "’
resti-"0
tuées à
partir
desdiagrammes
enregistrés.
Le réseaud’isothermes dessiné à droite de la même
figure
montre l’influence de la
température
de revenu 5,.sur le coefficient
thermoélastique
vrai à 5oo,Ioo°, ..., 3ooO.
Pour
acquérir
àtempérature
ordinaire lespro-priétés
del’élinvar,
l’alliage
doit subir le revenudans un étroit domaine de
température
autourdu minimum des courbes y. L’étroitesse de ce
minimum,
dont l’abscisse varie selon la compo-sition del’alliage,
prouve la nécessité depréciser
pour chacune des coulées les conditions du traitement le
plus
favorable.Fig. 12. - Influence de la
température 0, de revenu, après hypertrempe et tréfilage, sur la variation thermique du module ’° et sur le coefficient thermoélastique y d’un
110
,
. alliage du tvpe élinvar apte au durcissement structural.
d.
Influence
de la vitesse dedéformation
sur lapente
moyenne descycles
~tcouple-torsion
» des métauxà l’état
visqueux.
-- Apartir
d’une certainetempé-rature, variable selon le métal et son état
physico-;J.Q
chimique,
lacourbe -
s’incurve vers le bas et ce«ôu
changement
de direction marque le début d’une baisse accélérée du module. Le seuil duphénomène
est à
température
d’autantplus
basse que la défor-mation estplus
lente(fig. r 3),
faitqui
reliel’incur-vation aux
phénomènes visqueux.
Les résultatssont évidemment les mêmes que le métal soit
étudié au thermoélasticimètre ou au
pendule
deCoulomb;
mais cette dernière méthode montre lacorrespondance
entre l’incurvation de lacourbe ‘
p’u
et la
rapide
croissance du décrément à( fig.
schém.14).
Il est maintenant bien établi que la fortehystérésis
mécanique
des métaux àtempérature
élevée nefrot-tement
solide,
mais à l’intervention desphénomènes
de
fluage.
Si latechnique
d’essaiimpose
ladéfor-Fig. 13. - Influence de la
période T des cycles ,
couple-torsion » sur la courbe thermoélastique du nickel recuit à 800°.
Courbe 1, période T = 3o
sec; courbe 2, période T = ~I sec; courbe 3, période T = i o
mation,
comme dans la méthode dupendule
deCoulomb,
lecouple
croît moins vite queproportion-nellement à la
torsion,
·t 7 A ..car il se reldche
par-tiellement en même
temps
qu’il
se crée.Si le
couple
estimposé,
comme dans le
ther-moélasticimètre,
unedéformation visqueuse
s’ajoute
à ladéfor-mation
purement
élas-tique.
Dans les deuxcas, le
cycle
«couple-torsion » est
irré-versible. L’enflure
augmente
avec l’in-tensité desphéno-mènes
visqueux,
c’est-à-dire avec la
tempé-rature et avec le
temps
Fig. Correspondance penciani,
entre le seuil de l’incurvation
peuvent
s’exercer : vers 1 bas de la courbeP-o,
d’où la croissance duvers e as e a
cour e iL:’
décrément avec ladéterminée par le pendule de
température
et avecCoulomb, et le pOInt de rapIde
temperature et avec la periode des cycles.
ascension
et décrément
rapide
lapériode
descycles.
ascension du décrément 9. la
perIode
descycles.
Mais par
quel
effet le modulec’est-à-dire la
pente
moyenne d’unpetit
cycle
«couple-torsion o, diminue-t-il au fur et à mesure que
l’hystérésis mécanique augmente?
Lependule
deCoulomb et le thermoélasticimètre établissent le fait
sans donner le moyen de
l’interpréter.
Pour ypar-venir, on doit renoncer aux méthodes
expérimentales
capables
seulement de mesurer lapente
moyenned’un
cycle.
Il fautenregistrer
cecycle
afin d’enanalyser
toutes lesparticularités :
l’hystérésigraphe
de torsion a été construit dans ce but.II. - HYSTÉRÉSIGRAPHE DE TORSION.
1.
Description
del’appareil.
- Le fil étudié F(0,3
mm dediamètre,
i o nxm delongueur)
est tendu verticalement dans le fourélectrique
Fo,
qui
leFig. - Schéma de
I’Iiv,;térésigral)he de torsion.
maintient à
température
uniforme et constante(fig.
I ~ et16).
f,e serre-fil Ti luiimpose
une torsionsuivant une loi sinusoïdale du
temps t :
Ce mouvement est créé par un
excentrique
mupar un
petit
moteurélectrique
à vitesseréglable;
il estcommuniqué
par lalongue
bielle B et par le maneton Ma. Lecouple
créé est transmis par leserre-fil T2 au
barreau-dynamomètre
D et mesuré par la déviation du miroir 1V1. De soncôté,
la déviationdu serre-fil 1B est
communiquée,
fortementréduite,
au
prisme
à réflexion totale P articulé autour de l’axeXX’ ;
l’organe
de liaison est un mince rubanvient converger en S’ sur une
plaque
sensible,
après
réflexion sur leprisme
P et sur le miroir M :quand
le moteurfonctionne,le
point-image
S’ décrit lecycle
«couple-tor-sion ». En réalité la dé-viation du
prisme
estproportionnelle
à la seule déviation Bb du serre-filT,
(fig. 17); il
faut endéfalquer
la dévia-tion bb’ de Ï2 pour obtenir la torsion 7vdu fil F. Mais cette
déviation bb’ est
proportionnelle
aucouple
C,
de tellesorte que le
dia-gramme
représente
bien le
cycle
«cou-ple-torsion
» àcon-dition de mesurer ex
à
partir
de l’axe OC’. Parconstruction,
OC’ a étéréglé
per-pendiculaire
à 0 x afin d’éviter l’in-commodité des axesobliques
Quelques
précau-Fig. r 6. - Vue de
l’hystérési-
t i O n S q U e
l’on graphe due torsion. prenne auxmon-tages,
la torsion dubarreau-dynamo-mètre est
toujours
accompagnée
d’uneiégère
flexion. Pour en neutraliser leseffets,
le miroir M estFig. il. - Schéma montrant la nécessité d’incliner
légè-rement par rapport à l’horizon l’axe XX’ du prisme P
(fig. ~5), afin d’obtenir l’axe des couples 4C.’ normal à l’axe de torsion Oa.
suspendu
par deux fils flexibles à l’intérieur d’un cadreCa,
lesoscillations,
étant étouffées par unamortisseur à huile H. Les courbes
enregistrées
(fig.
18)
sontexemptes
de sinuositésparasites
pourles
périodes
Tutilisées,
qui
varient de 1 à 600 sec.2. Influence de la vitesse de parcours sur la
forme des
cycles
~tcouple-torsion
» d’un métalà l’état
visqueux.
- Les six courbesgroupées
dans la
figure
r 8 concernent un fil de nickelWiggin,
recuit
pendant
8 h au sortir de lafilière,
étudié dansl’hystérésigraphe
à latempérature
de4ooD.
L’amplitude
an de la torsion atteint -i- 15~d’arc;
lapériode
T a pour valeurs successives180,
60, 30,
3 et i,oq sec.Aux courtes
périodes (courbes
5 et6),
lecycle
prend
la forme à sommetspointus
observée à froid.Fig. 18. -
Cycles « couple-torsion » enregistrés par
l’hystéré-sigraphe. Nickel Wiggin recuit à 4ooo, étudié à 400°.
Numéro du cycle... 1 et 2 3 4 5 6
Période T : sec... 180 60 20 3 1, og
Mais la forme arrondie des
cycles
parcourus lente-ment prouve que lecouple,
en mêmetemps
qu’il
secrée,
se relâche enpartie
par l’effet de lavisco-sité. A ses deux
extrémités,
un telcycle
admet unetangente
verticale,
puisque
lecouple
décroît tandis quel’angle
a s’immobilise un instant. Cet effetn’a pas le
temps
de seproduire
aux courtespériodes.
L’aire du
cycle,
qui
mesurel’énergie dissipée
parle frottement
intérieur,
augmente
avec lapériode
T’ conformément auxprévisions.
En même
temps,
on voit lecycle
se coucher deplus
enplus
sur l’axe des torsions : ainsi se trouvent confirmées les conclusions tirées de l’observationu.
des
courbes #
au delà de l’incurvation : cettedimi->o
nution de la
pente
moyenne, au fur et à mesure quel’hystérésis
mécanique
augmente,
est réellement ungros
phénomène, puisqu’un simple
coup d’aeil surles
cycles
de lafigure 18
suffit à le constater. On voitégalement
diminuer lapente
ducycle
auxpoints
une
fonction
uniforme
ducouple :
l’élaboration descycles enregistrés
va donner sur cepoint
despréci-sions
quantitatives.
3.
Élaboration
descycles
enregistrés.
Déter-mination des vitesses de relaxation. - Si lemétal étudié était
parfaitement élastique,
uncycle
Fig. 19. - Courbes dérivées obtenues par élaboration
graphique
des cycles 1, 2, 3 et 6 de la figure r 8.
«
couple-torsion
7> se réduirait à une droite decoeffi-cient
angulaire
K == étant le moduleY.
Fig. 20.
de
Coulomb, 1
lalongueur
du fil et I le momentd’inertie
polaire
de la section droite. Maisle nickel est à la fois
élastique et visqueux :
aussi la courbe depremière
torsion(courbe
1,
fig. 18)
’
Fig. 2 2.
Fig. 20, 2 1 et 22. - Variation de la vitesse de relaxation visqueuse en fonction du couple C ou de la contrainte
au cisaillement ’9.
dont le coefficient
angulaire à
l’origine
estK,
sedétache-t-elle
peu à
peu de satangente
initiale.Connaissant la
pente
vraie,2013
en toutpoint
ducycle,
on
peut
en déduire la vitesse de relaxationf
dudt
couple
C.que la torsion varie de
dy,
l’accroissement dC ducouple
est la somme d’un termeélastique
K da’ etd’un terme
représentant
la relationvisqueuse
dc
dl :of
D’où
La
dérivée .
est facile à calculerd’après
lesdt
dimensions du mécanisme et la durée de la
période
T.à.
est obtenue par dérivationgraphique
descourbes
enregistrées, opération précise
en raison de lavigueur
destracés;
les résultats de cette éla-boration pour lescycles
1, 2,
3 et 6 sontportés
sur le
diagramme
de lafigure
z g.Quant
aucoeffi-cient
K,
ilreprésente,
soit le coefficientangulaire
àl’origine
de la courbe depremière
torsion, soit lapente
à la détorsion d’uncycle
à sommetspointus
décrit assez vite pour être insensible à la relaxation
visqueuse.
Enfait,
comme le montre lafigure
19,les valeurs de K déduites des
cycles
1 et 6 coïncidentavec une excellente
approximation.
Les
figures
20, 21, 22représentent
les résultatsde ce calcul pour les
cycles
1, 2,
3 et 4 dont lespériodes
respectives
sont180,
60 et 20 sec. Elles montrent comment varie la vitesse de relaxation2013
en
fonctiondt
du
couple
Cexprimé
endynes/cm.
On aporté
aussi sur les mêmes axes de cordonnées la contrainte
au cisaillement ’0 des fibres extérieures du fil et la
. dr’, . ,
vitesse Selon
l’usage, ’0
estexprimé
enkgjmm2
(4).
Un des faits les
plus
apparents
mis en évidence par cesdiagrammes
est la variationfortement
irré-dC dZ;
versible de la vitesse
t
ou fonction ducouple
C ,,) t utou de la contraite ’0 : cette vitesse
dépend
nonseulement de la valeur actuelle du
couple
C ou dela contrainte "0, mais de toutes les valeurs antérieures.
4. Influence de la vitesse de parcours des
cycles
sur la vitesse de relaxationvisqueuse.
Intervention de la réactivité. - Les troisdia-grammes des
figures
20, 21 est 22 ont une alluresemblable,
mais des ordonnées trèsinégales
pour (4) L’échelle des contraintes ’l9, portée sur l’axe des abscisses à côté de l’échelle des couples C, est calculée d’après les formules de la résistance des matériaux. Dans le cas où le métal est à la fois élastique et visqueux, elle indique unevaleur trop élevée pour la fatigue au cisaillement des fibres
périphériques, puisque la répartition des contraintes dans la section du fil n’est pas ce qu’elle serait si le métal était
parfaitement élastique. Néanmoins, il a paru avantageux de
porter cette échelle afin de donner aux mécaniciens, avec les unités qui leur sont familières, une valeur approchée des contraintes imposées au métal au cours des expériences
décrites.
une même valeur du
couple
C ou de la contrainte £à.Plus courte est la
période,
en d’autres termesplus
rapide
est le parcours descycles, plus grande
est la vitesse instantanée de
relaxation r»
ou ?.
c)t j 1
Un tel résultat est bien en harmonie avec l’allure connue des
diagrammes
defluage
souscharge
constante : aussitôt
après
la mise encharge,
la courbe «déformation-temps
» tourne sa concavitévers le
bas,
accusant ainsi une baisserapide
de lavitesse de
fluage.
Fig. 23. - Courbes réduites construiLes à
partir des courbes des figures 20, ni i et 22, en rapportant pour chacune les valeurs du couple à la plus grande d’entre elles et les valeurs de la vitesse de relaxation à la plus grande d’entre elles.
La
parenté
d’allure de ces troisdiagrammes
engage à rechercher une relationquantitative
entre leurs coordonnées
respectives.
Si,
pour chacund’eux,
onrapporte
toutes les abscisses C à laplus
grande
d’entre elles Crn et toutes lesordonnées ,
Y
à la
plus grande
d’entre ellesd C ,
les courbes"
dt m
réduites ainsi obtenues se
superposent
avec unebonne
approximation (fig.
23).
Cette coïncidenceest fort intéressante. En
particulier,
il est curieux que lepoint
ducycle
où la vitesse de relaxations’annule,
c’est-à-dire où lapente
a la valeur K del’élasticité
parfaite,
correspond
à une mêmefrac-tion -
0,6 environ - de la
plus
forte contrainte Cou ’&7. i
De nouvelles recherches sont nécessaires pour
vérifier entre
quelles
limites de contraintes et desuper-posables.
Mais,
dèsmaintenant,
il estpossible
d’interpréter
comme unemaniiestation
de la réactivité !J.l’incurvation des courbes
,
c’est-à-dire la tendance:~0
du
cycle
«couple-torsion
» à se coucher sur l’axe 0~ à mesure que l’enflureaugmente.
Fig. 24’ - Schéma illustraW l’intervention de la réactivité.
Soit OABA’B’A un
cycle
semblable aucycle
1 de lafigure
18,
et supposons lepoint figuratif
parvenu en P
après
avoir suivi letrajet
OAP. Unepartie
de la déformation OP est définitivementacquise.
Mais une autre estsubparmanente,
c’est-à-dire tend à se détruirespontanément :
si le filétait libéré du
mécanisme,
il se détordrait souscouple
nul(trajet Pp).
Quand,
par lejeu
del’hystérésigraphe,
lepoint
figuratif
P décrit letronçon
PB ducycle,
la détorsionde réactivité ne
permet
pas aucouple
de croîtreaussi vite que si le métal était en
équilibre
méca-nique
interne. Lapente
aupoint
P va doncapparaître
inférieure à K : d’où
l’angle
formé par latangente
Pq
par
rapport
à la droite Ptparallèle
à OT. Cetangle
croît évidemment avec l’intensité de la
réactivité,
c’est-à-dire avec latempérature,
àpartir
du seuildes
phénomènes visqueux.
Il est, d’autrepart,
d’autantplus
grand
que cette réactivité aplus
letemps
d’exercer son effet, c’est-à-dire que la vitesse de
parcours du
cycle
estplus
faible.5.
Hystérésigraphe
de démonstration. - Lesphénomènes complexes
qui
interviennent dans ladéformation
mécanique
des métaux sont encoreloin d’être
élucidés,
et les résultatsacquis
sont encorepeu connus. Dans le monde des
métallurgistes
et des constructeurs, une limiteélastique.,
endeçà
de
laquelle
le métal serait doué d’élasticitéparfaite,
est encore considérée par
beaucoup
comme une réalitéphysique,
et non comme unparamètre
conventionnel commode pour classer les métaux de construction.Parce que la théorie de la résistance des
matériaux,
fondée sur le schème du solideparfaitement élastique,
suffit à calculer un trèsgrand
nombred’ouvrages,
quelques-uns
attribuent à ce schème une existencevraie. L’étude des
phénomènes
visqueux, imposée
par la hausse continue destempératures
derégime
dans les machinesthermiques,
est abordéedepuis
peu dans les laboratoiresindustriels;
malgré
detrop fréquentes ruptures
defatigue,
le frottementinterne,
la réactivitéapparaissent
encore àquelques-uns comme de
petits
phénomènes,
intéressants pour lephysicien,
maisnégligeahles
pourl’ingénieur.
Fig. 2J. - - Schéma de l’hystérésigraphe de démonstration.
Il y a donc
avantage
àdivulguer
les résultatsacquis
dans leurétude,
soit pour en hâterl’appli-cation,
soit pour provoquer de nouvelles recherches. Onpeut
même désirer voir les notions demécanique
physique pénétrer
dansl’enseignement
secondaire :ne
remplaceraient-elles
pas avecavantage
d’autres notions dont la valeur éducative n’est passupé-rieure et dont la valeur
pratique
est sûrement moindre ? D’où l’intérêt desappareils
dedémons-tration.
L’hystérésigraphe simplifié, représenté
par le schéma de lafigure 26
et laphotographie
de lafigure
~6,permet
de montrer à tout un auditoire l’influence de latempérature
et de la vitesse deparcours sur la forme des
cycles
«couple-torsion
».Il
comprend
les mêmes organes quel’appareil
d’étude
(désignés
par les mêmeslettres,
voirfig.
15)
àl’exception
dufour,
du cadre àsuspendre
le miroiret de l’amortisseur. Le fil F est chauffé par effet
Joule, le courant étant amené par deux rubans très
par un tube de verre non
représenté
sur le schéma.Les éléments utilisés sont un
prisme
delongue-vue,
Fig. 26. - Vue de
l’hystérésigraphe de démonstration.
un miroir de
galvanomètre,
unsupport
debois,
des
fils et destringles
d’acier,
despoulies empruntées
àFig. 2~. -
Photographie du trajet suivi par la tache
lumi-neuse projetée sur un écran parl’hystérésigraphe de
démons-tration. Nickel chauffé au-dessus du point de Curie. A gauche : cycle décrit en 3 min;, à droite : cycle décrit
en 2 sec.
des
jouets
d’enfant,
quelques pièces simples
d’ajus-tage
et de tour en acierdoux,
en laiton ou endura-lumin. Un mécanicien
quelque
peu habilepeut
construire un tel
appareil
endeux jours,
auprix
d’unedépense insignifiante.
Il est
commode,
pourimposer
la torsion dufil,
de
disposer
d’unpetit
moteurélectrique
à vitesseréglable;
mais onpeut
se contenter d’un touret mû àla
main. Un faisceau lumineux émané d’unprojecteur
ordinairevient,
après
réflexion sur leprisme
P et sur le miroirM,
former une tache lumineuse sur un écran àprojection
ou sur untableau noir. Le démonstrateur en suit le
trajet
au fusain ou à lacraie;
onpeut
également
lephotographier
avec unappareil
ordinaire.On voit dans la
figure 27
deuxcycles
ainsienre-gistrés.
Ils concernent un fil en nickel chauffé à unetempérature supérieure
dequelques degrés
aupoint
de
Curie,
résultat contrôlésimplement
au moyend’un
petit
aimant. Lechangement
d’aspect
descycles
selon que le parcours est lent ourapide
ressort avec évidence.
Conclusions.
’
Au fur et à mesure que la
température
s’élève,
un métal passe du
type
à frottement solide autype
visqueux (H. Bouasse).
Ce passages’opère
par transition continue. La déformationvisqueuse,
le
plus
souvent insensible à froid pour les aciers et lesalliages’
deconstruction,
subit une croissancethermique
accélérée,
et tend à devenirprépon-dérante par
rapport
à la déformationélastique
et la déformation à frottement solide
qui
subsistent à toutetempérature.
Le seuil desphénomènes
visqueux apparaît
àtempérature plus
ou moinsélevée suivant la
sensibilité
desprocédés
de mesure :il est révélé avec délicatesse par la
rapide
croissancedu frottement interne et par l’incurvation vers le bas de la courbe
thermoélastique.
,Ce seuil se
déplace
en mêmetemps
que la vitesse dedéformation
varie. Pour une mêmetempérature,
à l’intérieur d’un certain
domaine,
un métalpeut
apparaître
dutype
à frottement solide auxsolli-citations vives et du
type
visqueux
auxsollicitations
lentes :
onpeut
alors le comparergrossièrement
àla
poix
decordonnier,
qui
cède sous l’effort soutenude la
main,
mais se brise sans déformation sous lechoc d’un marteau.
.
Une fois franchi le seuil des
phénomènes visqueux,
un
cycle
«couple-torsion »
embrasse une aire d’autant ’plus
grande,
c’est-à-dire traduit unedissipation
d’énergie
d’autantplus
forte que la vitesse de parcoursest
plus
faible. Ce résultat connudepuis longtemps,
par les mesures au
pendule
de Coulomb enparti-culier,
se trouve confirmé parl’enregistrement
direct descycles
àl’hystérésigraphe.
La
pente
moyenne d’uncycle,
c’est-à-dire le module moyen, se montre d’autantplus
faible quel’hystérésis
estplus
forte : d’où baisse du modulepériode.
Lependule
de Coulomb et lethermoélasti-cimètre
permettent
de constater le fait sans donnerle moyen de
l’interpréter.
L’élaboration desdiagra-grammes «
couple-torsion
n, tracés parl’hystéré-sigraphe,
apermis
de rattacher à la réactivité cette tendance descycles
à se coucher sur l’axe des torsionsau fur et à mesure que leur enflure
augmente.
On est encore bien loin deposséder
une doctrinecohérente de la déformation
mécanique
des métauxaux
températures
élevées;
et même une théoriesimplifiée,
propre à servir de base au calcul demachines,
reste à édifier. Dans le cas decharges
constantes ou lentementvariables,
onpeut
bienadmettre le schème d’un solide doué d’élasticité
et pourvu d’une vitesse de
fluage indépendante
dutemps
et fonction uniforme de lacharge
et de latempérature.
Mais il n’en estplus
de mêmequand
les efforts varient
rapidement, puisque
la vitesse de déformationvisqueuse
ou la vitesse de relaxationsont des fonctions fortement irréversibles de la
charge.
Il reste donc à effectuer une tâcheexpérimentale
considérable en faisant varier la
charge,
latempé-rature, la
vitesse,
la nature dumétal,
son étatstructural et
physicochimique.
Mes collaborateurset moi
espérons
que .les deuxappareils
décrits dansce
Mémoire,
et dont lepremier
s’est révéléprécieux
pour le contrôle de
l’élinvar,
contribueront à faciliterce travail
d’investigations.
Nous serions heureux enfin que
l’hystérésigraphe
de démonstration aidât à
répandre
les notions de lamécanique physique
desmétaux,
si intimement liée aux choses de la vie courante.Manuscrit reçu le 4 mai 1942.
NOUVELLES RECHERCHES SUR L’HYDRATATION DES IONS
Par M. JEAN SWYNGEDAUW.
Sommaire. 2014 L’auteur
a indiqué précédemment une méthode qui permet la mesure expérimentale
séparée des quantités d’eau charriées par les ions d’un sel, en présence de gélatine. Il est apparu que la gélatine s’hydrate également; elle réduit donc l’hydratation des ions. Dans le présent travail, on
montre que l’urée, le glucose, le saccharose réduisent aussi l’hydratation des ions.
Les faits
expérimentaux
exposés
et discutés dansdes
publications
antérieures nous ont amené àrejeter l’hypothèse classique
de Helmholz commebase
d’interprétation
desphénomènes
d’électro-osmose dans les
gels
degélatine.
Les faitsconduisent,
aucontraire,
à attribuer le rôle essentiel àl’hydra-tation des ions dont l’action
spécifique,
trèsinégale
suivantqu’on
s’adresse parexemple
àK, Na, Li,
se conserve
jusqu’à
des dilutions très élevées : pourdes
gels
additionnés dequantités
équivalentes
destrois ions alcalins
K, Na, Li,
sous forme de chlorureou
d’hydroxydes,
tout se passe comme si lacharge
dugel
n’intervenait aucunement dans lephénomène
et comme si les ions charriaient unequantité
d’eauen
rapport
direct avec leur coefficientd’hydratation.
Aux fortes concentrations en
gélatine,
lesquantités
d’eau
déplacées
parchaque
ion sont de l’ordre descoefficients
d’hydratation
ordinairement admis. Au fur et à mesure que la concentration dugel
diminue lesquantités
d’eau charriées par les ionsK, Na,
L,
augm entent
asymptotiquement
etgardent
entrelles un écart considérable. Dans un
gel
à 1,7 pour Too,le nombre de molécules charriées par l’ion K est
de
TL4oo,
par l’ion Na de 1800, par l’ion Li de 2500.Les courbes d’entraînement d’eau en fonction de la concentration du
gel
ont une allurehyperbolique
et sont
parfaitement
continues. Onpeut
donc considérer que toute
augmentation
de concentration dela
gélatine
dans ungel
a pour effet de diminuer laquantité
d’eau entraînée par lesions,
cequi
sembleindiquer
que même pour lesplus
faibles concentra-tions engélatine,
la totalité de l’eau estliée,
soit à lagélatine,
soit auxions,
cequi
est conforme auxconceptions
deEggert
etReitstotter,
qui,
par l’étude de la chaleurd’hydratation
de lagélatine
sont arrivés à la conclusion que toute l’eau est liée dans lesgels
degélatine.
Onpeut
se demander si cettepropriété
de retenir l’eau estgénérale
ets’applique
à toutesubstance dissoute y
compris
lesnon-électrolytes.
Nous nous proposons de montrerqu’un
non-électrolyte
commel’urée,
introduit dans ungel
àconcentrations
croissantes,
réduit dans despropor-tions considérables la
quantité
d’eautransportée
par lesions,
autrementdit,
que les molécules d’urées’approprient,
ellesaussi,
unepartie
de l’eau dugel,
diminuant ainsi à la fois la
part
de lagélatine
etcelle des ions.
La méthode
pondérale
utilisée pour déterminerla
quantité
d’eau entraînée par les ions a été décriteprécédemment (1).
Quatre gels
de go cm3 contenant chacuno, ~ 6 millimol de lithine sont soumis à