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Submitted on 1 Jan 1925
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Appareils de cours pour mettre en évidence les transformations thermiques des aciers et les anomalies
des alliages spéciaux
Pierre Chevenard
To cite this version:
Pierre Chevenard. Appareils de cours pour mettre en évidence les transformations thermiques des
aciers et les anomalies des alliages spéciaux. J. Phys. Radium, 1925, 6 (8), pp.264-272. �10.1051/jphys-
rad:0192500608026400�. �jpa-00205215�
APPAREILS DE COURS POUR METTRE EN ÉVIDENCE LES TRANSFORMATIONS THERMIQUES DES ACIERS ET LES ANOMALIES DES ALLIAGES SPÉCIAUX (1)
par M. PIERRE CHEVENARD,
Professeur à l’Ecole nationale des mines de Saint-Etienne.
Somm ire.
2014Ces appareils ont été créés pour illustrer le cours de métallographie de
l’Ecole des mines de Saint-Etienne.
1° La recalescence des aciers riches en carbone, au cours du refroidissement, est mon- trée par un dispositif différentiel très simple qui accentue le petit accroissement d’éclat d’un échantillon préalablement porté au rouge, au moment où s’opère la transformation.
3° Le dilatomètre à fils permet à un auditoire de suivre le tracé de la courbe dilato- métrique d’un alliage. Cette courbe, décrite sur un écran par une tache lumineuse, admet pour ordonnée la dilatation d’un fil échantillon chauffé électriquement et, pour abscisse, la dilatation d’un fil témoin en baros porté à la mème température. Les transformations
polymorphiques de l’échantillon sont accusées par des singularités bien visibles.
Au moyen de cet appareil on peut analyser qualitativement et même quantitativement
le mécanisme de la trempe des aciers; il sert également à comparer les déformations vis- queuses des alliages aux températures élevées.
3° Le traceur thermomagnetique fait décrire à une tache lumineuse la courbe
«aiman- tation-température
»d’une substance ferro-magnétique, la température étant repérée par la variation de courbure d’une bilame utilisable jusqu’à 600°C.
4° L’oscillometre thermoelastique et le galvanoscope à fils tordus mettent en évidence d’une façon simple et frappante l’anomalie thermoélastique positive de certains ferro- nickels réversibles : en modifiant cette anomalie par des additions convenables, M. Guil-
laume a réalisé l’elinvar.
L’analyse thermique des alliages, c’est-à-dire l’étude attentive de leurs transformations
polymorphiques pour différentes conditions de chauffe et de refroidissement, offre un double intérêt scientifique et industriel. Elle aboutit, en particulier, à classer les aciers ordinaires
spéciaux d’après leur aptitude à la trempe et fait prévoir, pour chacun d’eux, le traitement thermique le plus convenable. D’autre part, les recherches classiques de M. Ch.-Ed. Guillaume,
sur les anomalies qui accompagnent la transformation magnétique des ferronickels, ont doté
la technique d’unc’ série d’alliages, dont. t les plus connus sont et
’
Pour illustrer les leçons sur l’analyse thermique, dans mon cours de mé- tullurgie de l’Ecole des mines de Saint-Etienne, j’ai cherché à instituer quelques expériences de cours, propres à mettre commodément en évidence les trans- formations polyrnorphiques des alliages. Parmi les dispositifs utilisés, quelques-
uns sont inédits ou peu connus. Comme ils donnent des résultats nets, j’ose espérer qu’ils intéresseront quelques lecteurs du JouJ’ual de Physique.
Ces appareils ont été construits au laboratoire des Aciéries cl’Imphy, de
la société CommenLry-Fourchambault-Decazeville, à qui je tiens à exprimer
ma vive gi-atitude.
I. TRANSFORMATIONS POLYMORPHIQUES DES ACIERS.
î ~ :
1. Appareil à récalescence. - Quand on laisse refroidir un fragment
"~
d’acier au carbone porté au-dessus du point de transformation à la chauffe, la
4. marche de la température, d’abord régulière, tend à se ralentir au moment
où l’acier revient à l’état stable à froid. Dans certains cas, la courbe température-temps
(l Communication faite à la Soriélé française de Physique, le i9 décembre 1924.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphysrad:0192500608026400
265 marque un palier : parfois même, elle se relève. Cette récalescence, analogue au réchauf- fagc qui accompagne la fin d’une surfusion, se manifeste quand la chute de température
est rapide, sans que la vitesse de refroidissement suffise à provoquer la trempe.
Pour observer commodément la récalescence, qui n’est jamais très accusée, on utilise
un dispositif différentiel dont le principe a été suggéré par M. Portevin. Le cylindre repré- senté fibure 1 est formé de rondelles empilées, maintenues au contact par une broche axiale : les rondelles impaires sont en ferronickel à 2.’i p. ~100 de Ni, alliage dépourvu de
transformation allotropique, et celles de rang pair sont en acier à 0,9 p. 100 de carbone.
Le cylindre, chauffé à 900°C, est abandonné au refroidissement dans l’obscurité.
Tant que la température excède le point critique de l’acipr au carbone, les deux groupes de rondelles conseT’yent sensiblement la même température et l’éclat du cylindre
est presque uniforme. Mais quand la transformation s’opère, la température de l’acier
tend à croître légèrement, alors que le ferronickel continue de se refroidir. On voit, en effet, les rondelles paires devenir plus brillantes que les autres : cette différence d’éclat
est bien visible grâce au contraste.
2. Dilatomètre à fils.
-Les transformations des alliages ressortent surtout avec
évidence des courbes de dilatation : les changements d’6tat d’un acier sont accusés par des crochets très apparents, Ac, Ar : la sensibilité de
la méthode dépend peu de la rapidité de la
chauffe et du refroidissement. Un appareil très simple, le dilatontètl’e à fils (fig. 2 et 3), per- met à un auditoire de suivre le tracé automa-
tique d’une courbe dilatométrique.
1",riiicipe.
-L’ordonnée de cette courbe
représente la dilatation d’un fil formé de l’acier
étudié, et l’abscisse, la dilatation d’un fil té- moin en baros. Ces fils sont chauffés par un même courant électrique, puis abandonnés
ensemble au refroidissement. Leurs dilatations sont composés opticluement par un seul mi- roir mobile autour d’un point fixe.
Le baros, alliage nickel-chrome à 10 p. 100 de chrome, est très peu oxydable, rigide à chaud, exempt d’anomalie the1 mique. Sa dila-
tation est très régulière, de sorte que les chan-
gements de longueur du fil témoin repèrent
d’une façon indirecte la température du fil d’acier; la mesure directe de cette température, rapidement variable durant l’expérience, pré-
senterait des difficultés expérimentales presque insurmontables.
Sans doute, l’identité de température des deux fils n’est-elle pas rigoureuse ; l’inégalité
est surtout notable au cours de la chauffe, parce que les résistivités des deux alliages
varient avec la température suivant des lois différentes. Malgré ce défaut, la courbe tracée
représente bien, par son allure d’ensemble, la dilatation thermique de l’acier et accuse
nettement les crochets Ac, Ar : ce résultat est déjà satisfaisant pour un appareil de cours.
Mais le dilatoinètre étant réglé pour obtenir des temprratures de chauffe très voisines, l’écart thermique des fils demeure faible pendant leur*refroi(lissement simultané, jusqu’à l’apparition du point Ar : les aciers à leur état stable à chaud et le baros ont, en effet, des capacités calorifiques très voisines. Quand on fait varier les conditions de chauffe et la rapi-
dité du refroidissement, l’appareil accuse donc avec sensibilité les modifications de la trans- . formation Ar. Or, l’étude de ces changements conduit à définir le pouvoir trernpa/lt d’un acier.
1 " 1 g. :2.
266
La commodité et l’uniformité de la chauffe ne sont pas les seuls avantages de l’échan- tillon filiforme. Un fil assez fin se refroidit très vite dans une atmosphère inerte : les vitesses obtenues dépassent aisément celles qu’on observe quand on trempe à l’eau un barreau de quelques centimètres de côté.
De plus, gràce à la conrluctibilité therfieique élevée de l’hydrogéne, on dispose d’un
moyen extrêmement simple d’accélérer le refroidissement: toutes choses égales d’ailleurs, la
chute de température est environ trois fois plus rapide dans l’hydrogène que dans l’azote.
Des mélanges à proportions variables de ces deux gaz fournissent donc une série de vitesses
régulièrement échelonnées. On peut, d’ailleurs, repérer ces vitesses par une interruption périodique du faisceau lumineux réfléchi par le levier optique.
-Le dilatomètre à fils convient donc à l’étude qualitative et même quantitative des phéno-
mène de trempe. La régularité du refroidissement dans les gaz, l’absence de caléfaction rendent cette étude plus commode et plus précise que l’analyse expérimentale d’une trempe
à l’eau ou à l’huile.
’
’
Mécanisme.
-Le fil d’acier et le fil de baros, le premier vertical et l’autre horizontal,
sont tendus par un resssort r (fig. 3) à l’intérieur d’au ca,lre métallique annulaire de 30 cm
"
de diamètre : les fils et le ressort, amarrés aux serre-fils isolés as, az, âg aboutissent à une
étoile E. Le courant électrique, réglé par un rhéostat R, parvient à l’étoile par un souple
ruban d’argent qui double le ressort r, puis se partage entre les fils : on modifie la réparti-
tion en déplaçant le curseur C le long du fil résistant FI F2..
,En man0153uvrant l’interrupteur I, on peut donc chauffer puis laisser refroidir simulta-
nément les deux fils : la position du curseur C correspondra à des températures de chauffes égales, résultat apprécié d’après l’éclat des fils incandescents.
Deux glaces pressées par des étriers contre le cadre mettent les fils à l’abri des courants d’air. Tout le mécanisme se trouve ainsi enfermé dans une boîte étanche, dans laquelle on peut faire circuler un gaz inerte : azote, hydrogène, ou mélange de ces deux gaz.
Les déplacements de l’étoile sont transmis par une articulation sphérique au levier optique L, dont la pointe aiguë repose dans une petite crapaudine creusée dans un bloc fixe B. Le miroir M renvoie sur un écran à projections un faisceau de lumière provenant
d’une lampe « pointolite ». Quand le dilatomètre fonctionne, la tache lumineuse, dont le
,
mouvement résulte des deux déviations rectangulaires a et p, décrit la courbe dilatométrique
de l’acier : cette courbe peut être enregistrée au moyen d’un appareil photographique braqué
sur l’écran.
S 267 3. Analyse de la trempe d’un acier au carbone. - Dans une première expérience,
le fil échantillon est en acier à 0,8 pour 100 de carbone et la cage renferme de l’azote.
Quand l’interrupteur 1 est fermé, la tache suit d’abord une course ascendante (fig. 4,
courbe I) ; brusquement, elle s’arrête, redescend, puis reprend bientôt sa marche vers le haut.
Ce crochet Ac, preuve de la transformation de l’acier, est d’une netteté frappante. Au refroi- dissement, Ar traduit le retour à l’état stable à froid; mais, en comparant les abscisses des deux crochets Ac, Ar, on constate une certaine hystérésis thermique.
Ai
l’ig Y.
Influence de la ternpérature de chauffe.
-Recommençons l’expérience avec le même
fil se refroidissant dans le même gaz, mais élevons progressivement la température de
chauffe. La courbe dilatométrique accuse d’abord un dédoublement de la transformation Ar’,
Ar" (courbe II). Puis la température de chauffe continuant à croître, Ar" devient de plus en plus accusé, tandis que Ar’ diminue et finalement s’évanouit : la courbe III montre un rejet
à peu près complet de la transformation aux basses températures.
Cette transformation Air", si différente de la transformation Ar des refroidissements
lents, est spécifique de la trempe. Après la dernière expérience, en effet, le fil d’acier est réellement trempé : il se rompt à la moindre flexion et ses fragments sont assez durs pour rayer le verre.
Influence de la vitesse de refroidissen1,ent,
-On conserve le même fil, mais la cage est
remplie d’hydrogène. Dans ce gaz bon conducteur thermique, l’acier prend énergiquement
la trempe, même quand la température de chauffe dépasse à peine celle de Ac : la courbe IV montre en effet le rejet complet de la transformation aux basses températures : Ar".
Influence des éléntents d’addition.
--Choisissons enfin un fil d’acier à 0,8 pour 100 due
carbone, additionné de 1 pour cent de chrome. Le fil se refroidit dans l’azote, à partir d’une température juste supérieure à ;£c.
La courbe obtenue (fig. 5) présente l’aspect caractéristique de la trempe complète. Pour
retrouver la transformation de recuit Ar’, il faudrait laisser décroître très lentement la tenl-
pérature, en manceuvrant le rhéostat qui règle le courant de chauffa.,,,e.
Ainsi, pour tout acier et à toute température de chauffe correspond une vitesse critique
de trempe, cl’autant moindre clue la chauffe est plus poussée. Le chrome et beaucoup d’autres
additions : nickel, tungstène, etc., ont pour effet d’abaisser rapidement les vitesses critiques
, de l’acier.
_Comme il est aisé de mesurer ces vitesses critiques, en découpant la courbe photogra-
. phi(IUe, eu tirets isochrones (1), cette méthode permet de caractériser quantaticenlent l’apti-
( ’ ) 0n dispose devant la source lumineuse un écran porté par une lame vibrante : 25 périodes par seconde.
268
la tJ’enlpe d’un acier. Elle conduit, en définitive, à prévoir le mode de trempe inclus-
triel le plus favorable, pour un objet en acier ordinaire ou spécial: trempe à l’eau froide, à
l’eau chaude, à l’huile, au jet d’air, etc.
Fjg. 5. Fig. 6.
4. Dilatation des ferronickels réversibles. - Le même appareil sert à montrer l’anomalie de dilatation des aciers à haute teneur en nickel. La figure 6 donne le diagramme
’obtenu avec l’invar de 3F. Guillaume.
’
La résistivité de cet alliage et celle du baros restent assez voisines dans un grand intèr-
valle de température : aussi, l’identité de température du fil-échantillon et du témoin est- elle beaucoup mieux réalisée que dans le cas des aciers.
,°
Au départ, la courbe est presque tangente àjl’axedes abscisses. Mais elle se relève rapi- dement, aux environs de 2500, point de Curie de l’invar.
La faible dilatation de l’invar au-dessous de ce point est donc liée au phénomène phy- sico-chimique qui accompagne la décroissance thermique du magnétisine. Dans les ferro-
,nickels tenant 28 à 70 pour 100 de nickel, la chauffe transforme progressivement la forme ferromagnétique, stable à froid, en une forme paramagnétique, stable à chaud, plus dense
que la première : la condensation qui en résulte compense plus ou moins la dilatation ther-
mique normale. l,a conlpensation est JJresque rigoureuse pour dont la teneur en
nickel est d’environ 36 pour 100.
Il.
-VISCOSITÉ DES MÉTAUX A HAUTE TEMPÉRATURE.
3. Le dilatomètre à fils permet enfin de comparer rapidement les déformations
visqueuses des métaux, aux températures élevées. Il suffit de remplacer le ressort r, juste
.. , ..
,
suffisant pour assurer le rappel du levier optique, par un autre plus puissant, capable de développer dans les fils une tension de i
Pour l’expérience, l’appareil est équipé par un fil échanlillon à 0,fl pour 100 de carbone
et un fil témoin en baros; le rhéostat de chauffe est réglé pour obtenir au moins 1000°C.
269
’
Aux températures élevées, dans la région notée V (fig. 7), la courbe prend une direction rapidement ascendante : la dilatation normale s’accompagne, en effet, pour le fil d’acier surtout, d’un allongement visqueux causé par la tension du ressort. Après refroidissement,
le point lumineux est revenu sensiblement sur l’ordonnée Je départ, mais bien au-dessus de
l’origine. Le fil de baros, bien que soumis aux mêmes sollicitations mécaniques que le fit
d’acier, s’est donc incomparablemènt moins déformé.
Une étude méthodique de la viscosité des alliages formés de fer, de nickel et de chrome, poursuivies aux Aciéries l’Jn1phy, a permis de mettre au point l’alliage qui cons-
titue les tubes du procédé Claude (synthèse de l’ammoniac).
_
III.
-POINT DE CURIE DES CORPS FERROMAGNÉTIQUES.
6. Traceur thermomagnétique. - A l’exposition de physique, ~1. Forrer a présenté
un appareil ingénieux pour tracer automatiqueii-ient la courbe qui représente .la variation
thermique de l’aimantation spontanée d’un corps ferromagnétique. Le dispositif suivant (fig. 8), peut-être un peu plus simple, conduit au même but.
Fig. 8.
L’échantillon ferromagnétique m, formé d’une mince feuille ou d’un fragment de fil, est
enroulé sur une bilame B. Cette bilame, dont le plan est vertical, est soudée à une lame
flexible horizontale L ; elle porte un miroir M, fixé à l’extrémité d’un bras en métal peu con- ducteur de la chaleur.
Les métaux qui composent la bilame sont le baros et un ferronickel à haute teneur additionné de chrome. Tous deux sont amagnétiques, ont une. loi de dilatation régulière et
sont rigides à chaud; mais le second alliage est environ une fois et demi plus dilatable que le premier, Aussi, la courbure de la bilame est-elle une fonction simple et réversible de la
température, jusqu’à 600, au moins. ..
L’échantillon m est dans le champ-- d’attraction d’un système magnétique : bobine
parcourue par un courant ou aimant de forme convenable. Cette attraction fait fléchir la
~
l’ig. ?.
bilame : d’où ascension de la tache lumineuse qui amplifie les mouvements angulaires du
miroir. Un petit amortisseur à huile rend l’appareil insensible aux trépidations.
Au moyen d’un petit ratliateur électrique R, on chauffe la bilame; celle ci s’incurve et le faisceau lumineux réfléchi par le miroir balaye un plan horizontal. Mais la chauffe dimi-
nue en même temps l’aimantation de l’échantillon m, et l’attraction tend progressivement
vers zéro. Par suite, la tache lumineuse décrit la courbe aimantation-température : elle
retrouve l’axe des abscisses au point de Curie 6c, comme on le voit sur la figure 9, relative
au nickel pur..
270
IV.
-ANOÀIALIF, THERMOÉLASTIQUE DES FERRONICKELS.
7. Dans les ferronickels tels que l’invar, la forme stable à chaud est non seulement plus dense, mais aussi plus rigide que la forme stable à froid. tandis que, dans l’invar, la
condensation anomale due à la transformation magnétique compense à peine la dilatation normale, l’accroissement anomal de rigidité est de beaucoup supérieur à la décroissance normale. Il y a surconlpensation, à t~l point que le module élastique de certains ferronickels croît avec la température, dans tout le domaine qui précède le poin t de Curie. Deux appa- reils mettent simplement en lumière cette singulière propriété.
8. Oscillateur thermoélastique. 2013 Un poids M (fig. t0) est suspendu à nn ressort R,
construit en ferronickel à coefficient thermoélastique positif ; il rencontre, au bas de sa
course, une lame flexible L et ce contact détermine le passage d’un courant électrique dans
Fig. 10.
le ressort. Celui-ci s’échauffe par effet Joule et, devenant plus rigide, remonte le poids. Le
courant se trouve interrompu, le poids redescend et la même série de phénomènes se repro- duit indéfiniment.
°
Le ressort n’a pas la forme d’une hélice : il est obtenu en repliant un fil en zigzag plan.
Les phénomènes électromagnétiques n’interviennent donc pas dans le fonctionnement de’
l’appareil, qui est en réalité tout à fait différent de la spirale de Roget.
9. Galvanoscope à fils tordus. - La figure Il représente le plus simple des galva-
noscopes. Un indicateur, aiguille ou miroir, est intercalé entre deux fils F 1 F tordus l’un contre l’autre. Ft est formé d’un ferronickel normal à coefficient de température négatif et F 2, d’un ferronickel anomal à coefficientpositif; tous deux ont sensiblement même résistivité.
Quand les fils s’échauffent, par l’action d’un courant, Fz devient plus rigide et lend à se
271 détordre aux dépens de F,, devenu moins rigide. La déviation de l’aiguille est sensiblement
proportionnelle au carré de l’intensité.
10. El! nvar. -M. Guillaume s’est proposé d’atténuer cette anomalie thermoélastique,
de manière à transformer la surcompensation en une cOJJtpensation rigoureuse, au voisinage
immédiat de la température ambiante : la solution de ce problème était
M. Guillaume l’a résolu, avec le concours des aciéries d’Imphy, en utilisant larpropriété
de certaines additions : chrome, tungstène..., de diliier l’anomalie des ferronickels. Pour montrer avec quelle sûreté on sait maintenant tirer parti de cette étrange propriété, il est
utile de rappeler que le nouvel alliage a été obtenu presque sans tâtonnements. En effet, les
recherches antérieures sur la dilatabilité des ferronickels avaient permis d’évaluer le
pouvoir diluant du chrome, du tungstène... et, par suite, de prévoir la dose d’additions
’
nécessaires pour obtenir l’élinvar.
Equipons l’oscillateur de la figure 10 avec un ressort d’élinvar : quand le courant circule,
le poids conserve un niveau invariable. Il suffit, pour s’en assurer, de prolonger la lame
flexible L par une longue aiguille très légère, disposée devant une graduation.
11. Méthode indirecte pour déterminer la dilatabilité d’un fil d’invar.-Suivant le degré d’écrouissage, la dilatabilité à 20° d’une tige d’invar est habituellement comprise
entre 0 et 1. 10-6. La méthode suivante permet de mesurer approximativement cette dilata- bilité dans le cas d’un fil, et ce résultat est obtenu sans mesure de température.
L’invar ayant un coefficient thermoélastique positif, un fil d’invar tendu par un poids
se dilate d’autant moins que la charge est plus forte : la chauffe, qui accroît le module,
diminue par conséquent l’extension élastique, et la dilatation thermique normale se trouve plus ou moins compensée.
’Dans l’invar moyen, le module E et son coefficient thermique ont pour valeur approchée :
272
D’après l’ideiilité :
on voit que le coefficient de dilatation diminue de 1. 10-6 quand la tension f s’accroît de 30 kg:mn12. Pour évaluer la dilatabilité d’un fil sous charge nulle, il suffit donc due mesurer
la tension f sous laquelle l’invar est rigoureusement indilatable.
Le fil étudié Fi F~ 2 (Hg. J 2), amarré à l’extrémité Fi, s’enroule sur une poulie très mobile
w
Fig. 12.
,et supporte un plateau chargé des poids P. En reliant les bornes Bi B2 aux pôles 41’un
,
