Étude expérimentale des variations irréversibles d'aimantation provoquées par les contraintes élastiques

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Étude expérimentale des variations irréversibles d’aimantation provoquées par les contraintes élastiques

L. Brugel, G. Rimet

To cite this version:

L. Brugel, G. Rimet. Étude expérimentale des variations irréversibles d’aimantation provo- quées par les contraintes élastiques. Journal de Physique, 1966, 27 (11-12), pp.681-685.

�10.1051/jphys:019660027011-12068100�. �jpa-00206460�

ÉTUDE EXPÉRIMENTALE

DES VARIATIONS

IRRÉVERSIBLES

D’AIMANTATION

PROVOQUÉES

^PAR LES CONTRAINTES

ÉLASTIQUES ₍₁₎

Par L. BRUGEL et G.

RIMET,

Laboratoire de

Physique Industrielle,

^Institut

Polytechnique,

^Grenoble.

Résumé. ²⁰¹⁴ Les auteurs montrent

qu’un

^modèle

d’hystérésis,

dû à L. Néel et

exposé

^{dans un}

précédent

^article

[1],

permet

d’interpréter

^de

façon

satisfaisante les effets combinés des

champs

et des contraintes

mécaniques

^faibles.

Quand

^ces

paramètres

deviennent

importants,

^{le modèle}

proposé

^{ne suffit}

plus.

Abstract. ²⁰¹⁴ The authors show that a model of

magnetic hysteresis,

^{due to L. Néel and sur-}

veyed

^{in a}

preceding

report

[1], gives

^a

satisfactory interpretation

^{of the action of} small mecha- nical strains on the

magnetization

^of

ferromagnetic

^{bodies. If the strains become}

larger,

the

proposed

model is insufficient.

PHYSIQUE 27, 1966,

Dans un article recent

[1],

^nous

exposions

^un

schema tridimensionnel de

I’hystérésis magn6tique,

du a L. Neel

[2], qui

permet ^une

interprétation

^satis-

faisante des

ph6nom6nes magn6tiques

irr6versibles lies a

I’application

^de

champs

^et de contraintes.

Nous

d6crivons, maintenant,

l’essentiel des travaux

qui

^{nous ont conduit a admettre ce}

^schema,

^Un

certain nombre d’entre-eux ont

d6jh

^fait

l’objet

de

publications [3] [4], [5], [6],

^{mais il est}

cependant

utile de rassembler en un meme article tous ces

resultats

experimentaux ;

^{on d6finit}

ainsi,

^sans

ambiguite,

^{les limites de} validite du mod6le pro-

pose.

Sans

reprendre

la th6orie des

phénomènes,

rappe- lons les

hypotheses

fondamentales :

1. La substance est

polycristalline

^et

isotrope.

2. L’échantillon contient

beaucoup

^de

parois

^de

Bloch dont la surface est

ind6pendante

^{de 1’6tat}

magn6tique.

3. Les variations d’aimantation ne sont

produites

que par les

deplacements

^{de ces}

parois,

ainsi _que

quelques

conclusions :

1. L’action d’une contrainte est

6quivalente

^à

celle que

produiraient

^des

champs magn6tiques

fictifs

n’agissant

que ^sur les

parois

⁴

90°,

^{et dont}

I’amplitude maximale,

calculable se

symbolise

par W

[7].

2. Les effets observes sont irr6versibles et

dependent

essentiellement de l’ ordre

d’application

et de

suppression

^des

champs

^{et des}

contraintes,

ainsi que de leurs valeurs relatives.

3. Une traction et une

compression

^{ont des effets}

equivalents.

(1)

^Le

present

^{article recouvre en}

partie

^{le travail d’une}

these de Doctorat d’Etat 6s Sciences

Physiques qui

^sera

soutenue, ^en

1967,

par M. Rimet

Guy,

^{a la Faculte des}

des Sciences de Grenoble - Numero

d’enregistrement

^au

Centre National de la Recherche

Scientifique :

^{A. 0.}

1297,

^a

paraitre.

Dans les diverses etudes

expérimentales

^dont

nous rendons compte, ^les processus

opératoires

sont

d6sign6s

par des series de

majuscules

^{P et H}

plac6es

^{dans l’ordre des}

operations successives, application

^ou

suppression,

de la contrainte ou du

champ.

Les échantillons sont de forme

cylindrique,

^lenr

longueur

^{est de 30 cm,} leur diam6tre est de 1 a 2 mm.

Avant toute mesure, ils sont désaimantés _par un

champ magn6tique

alternatif lentement

décroissant,

la contrainte

appliqu6e

^6tant

nulle,

sauf indication contraire

Le

champ magn6tique

^{uniforme est}

produit

par

un

long sol6noYde,

^avec

compensation

^des

champs magnétiques

terrestre et

parasites.

^La

contrainte,

colinéaire au

champ,

^est

appliqu6e

^ou

supprim6e

au moyen d’un

dispositif hydraulique

^{dont la}

commande est

particulierement

^{douce et} progres- sive.

Les aimantations sont déduites de la variation de flux

engendr6e

^{dans une bobine}

compens6e,

extraite loin de l’ échantillon. De tres faibles varia- tions d’aimantation peuvent ^{etre d6cel6es avec cet}

appareillage qui

peut ^{effectuer des mesures diff6ren-} tielles.

Le

champ démagnétisant

^est suffisamment faible pour que ^son eff et soit

g6n6ralement n6gligeable.

Les variations d’aimantation _que l’on observe lorr de

l’application

^des contraintes ^se font donc a

champ

constant, pourvu que ^ces variations ^ne soient _pas

trop importantes.

^{C’est le cas des}

paragraphes

¹

et

2,

^{ou l’on a}

exp6riment6

^{dans des conditions}

approchant

^les

hypotheses

^{de la th6orie. Par} contre,

lorsque

^les contraintes

appliquées

^sont

importantes,

1’effet du

champ démagnétisant

peut ^devenir notable et le

champ

^reel

auquel

^est soumise la subs-

tance n’est

plus rigoureusement

^{constant. Pour}

établir des corrections valables ^il serait n6cessaire de connaitre les mécanismes

qui régissent

^les

ph6-

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:019660027011-12068100

682

nom6nes observes.

Aussi,

^les

champs

que ^nous

indiquons

^sont

toujours

^les

champs appliques

^{et les}

variations d’aimantation en fonction des contraintes

sont donn6es a

champ

^{extérieur constant.} Nous insis-

tons

cependant

^{sur le}

fait,

que dans la

majorit6

^des

cas, le

champ

reel aussi est

pratiquement

^constant.

I. Effets des tractions dans le

domaine de ^{Ray -} leigh.

^{- Dans une}

premiere

^s6rie

d’essais, on

^s’est

attach6 4

exp6rimenter

dans des conditions aussi

proches

que

possible

^des

hypotheses th6oriques.

^Ceci

impose

^de travailler avec des

champs

^{et des}

contraintes

faibles,

pour que le

champ global

^soit

faible _par rapport ^au

champ

^{coercitif de la subs-}

tance.

On a 6tudi6 de cette

facon plusieurs

6chantillons

d’acier,

^soit

6crouis,

soit recuits en

atmosphere d’hydrogene.

^Les

paramètres H

^{et P ont 6t6}

appli- qu6s

^et

supprim6s

^{une fois avec toutes} les combi- naisons

possibles,

^ce

qui

^{conduit 4} 14 processus diff6rents.

Pour tous ces corps ^{on a} observe une bonne concordance entre les effets mesures et les

previsions th6oriques [4], [5].

^Nous

pr6sentons

^{ici les resultats}

obtenus avec un acier mi-doux dont les coefficients

macroscopiques

^{de la}

premiere

^{loi de}

Rayleigh (J = xH

+

RH2)

^{sont x = 12 cgs et R =}

1,1

cgs environ. On a

opere

⁴

champ

^{constant en faisant}

varier la contrainte et

compare

les aimantations de

tous les processus ^aux aimantations

normales,

^c’est-

FIG. 1. ^- Acier

mi-doux,

^{Hc =}

9,4

^Oe.

FIG. 2. ^- Acier

mi-doux,

Hc ⁼

9,4

^Oe.

a-dire obtenues sans

application

^de

contrainte,

^et

repr6sent6es

par les

sigles

^{H et HH.}

Les

points experimentaux

^sont

port6s

^{sur les}

figures

^{1 et}

2,

^sur

lesquelles

^sont

repr6sent6es

^les

courbes des variations

théoriques

^de I’aimantation.

On constate que 1’allure des variations est bien telle que

pr6vue.

^{II est}

particulièrement

intéressant de retrouver

exp6rimentalement,

^certaines

égalités,

fournies _par la

th6orie,

^entre des effets _correspon- dant a des _processus

opératoires

diff6rents. C’est le cas des traitements HP et

HPP,

^{PH et}

PHH,

HPH et

PHPH,

^{HHP et HHPP.}

Les 6carts

quantitatifs qui apparaissent

^{sur les}

effets

HPHP, PH,

^{PHHP et}

PPH,

^{ne sont} pas

importants

^{et ne}

provoquent

pas de

changements

notables de 1’evolution des aimantations.

Les resultats obtenus 6tant favorables au schema des

parois,

^{il restait a contr6ler}

1’egalite

^{des effets}

produits

par ^une traction et une

compression.

II. Tractions et

compressions

^{dans le domaine}

de

Rayleigh.

^{- S’il est}

techniquement

^{ais6 de}

tirer sur un

echantillon,

^{il est} malheureusement

plus

difficile de le soumettre a une

compression.

^Pour

6carter tout

risque

^de

flambage,

^le

rapport

^diamètre

sur

longueur

^{doit etre} consid6rablement

augmente

et les effets de

champ démagnétisant prennent

^une

importance prohibitive.

^{Il a done 6t6 decide de}

travailler non en

compression

pure, mais ^en

pseudo- compression

^ou detraction l’ échantillon est d6sai- mant6 sous une traction différente de

zero, Po, puis

cette dernière est

progressivement

diminuée. Ce

«

soulagement

^{)) doit en}

principe

^etre

equivalent

^a

une

compression superpos6e

^a la tension

primitive.

Le

procédé

reviendrait a

changer

1’etat initial de la substance étudiée.

Il faut

cependant

^noter que ^ce traitement exerce une influence sur 1’orientation des aimantations

spontan6es,

^et que la substance ne doit

plus

^etre

consid6r6e comme

isotrope,

^{1’ecart avec les}

hypo-

th6ses fondamentales 6tant d’autant

plus grand

que la contrainte initialement

appliquée

^est

plus

^intense.

On a

cependant opere

^{de cette}

fagon

^sans

ignorer

que la caution des résultats ainsi obtenus est

moindre _que celle

qui

découlerait d’une 6tude directe.

Parmi divers aciers

6tudi6s,

^nous extrayons ^les résultats relatifs a un acier mi-doux de

9,4

^{Oe de}

champ coercitif,

^{les autres} échantillons fournissant des résultats

analogues.

Sur les

figures

^{3 et 4 on a}

represente

^{en traits}

continus les variations

théoriques

d’aimantation

correspondant

^{a divers} processus

opératoires

^carac-

t6ris6s _par les memes

sigles

que ^ceux du

paragraphe precedent.

Les resultats des mesures sont

figures

par des

points

^clairs pour les tractions ^et _par des

points

^noirs pour les

pseudo compressions.

^{La d6sai-}

FIG. 3. ^- Acier

mi-doux,

^{Hc =}

9,4 Oe ; Po

⁼

0,95 kg/MM2.

FIG. 4. ^- Acier mi-doux, ^{Hc =}

9,4 Oe ; Po

⁼

^0,95 kg/mm2

mantation de l’échantillon est effectuée sous une

traction

Po

^de

0,95 kg/mm2.

Avec le mode

op6ratoire

^utilise

1’egalite

^{des varia-}

tions d’aimantation _pour des contraintes

positives

et

negatives

^n’est pas absolue. Mais les differences

sont

faibles,

et, pour certains processus,

comparables

aux erreurs

expérimentales.

On peut raisonnablement ^admettre que les 6carts observes

proviennent

^en

grande partie

de 1’aniso-

tropie

^induite par la traction

Po pendant

^{la d6sai-}

mantation.

D’expériences faites,

^il

apparait qu’h

variation de contrainte constante

P,

^{les 6carts} augmentent

lorsque

la contrainte initiale

Po

^croit.

C’est ainsi _que le meme échantillon d’acier d6sai- mant6 sous une traction

permanente Po

^de

4,1 kg/mm2

^{montre une tres forte}

dissymétrie,

^en

fonction du

signe

^{de la} contrainte ultérieurement

appliquee.

^Par

exemple,

pour la variation maxi- male P utilisée dans les essais

precedents,

1’effet HP - H en traction est

1,7 plus

^faible

qu’en pseudo compression ;

^{de meme} pour PH - H ou

nous avons note un

rapport

voisin de

3,5.

^Cette

dissymétrie

^est bien moins

importante

^{sur d’autres}

processus, tel HHP.

684

11 semble

finalement,

que

lorsque

^les

champs

^et

les contraintes sont

faibles,

^{le schema des}

parois repr6sente

^de

fagon

satisfaisante le m6canisme des

ph6nom6nes.

III. Effet des contraintes fortes. ^{- Pour d6li-} miter le domaine

d’application

^{du schema des}

parois,

^{nous avons}

poursuivi

^{cette etude en utilisant}

des tractions bien

sup6rieures

^{a celles des essais}

precedents.

Avant de fournir les résultats

obtenus,

^on peut faire un certain nombre de remarques.

Le schema des

parois

utilise les lois de

Rayleigh, qui

^{ne sont}

plus

^valables

lorsque

^les

champs

^effec-

tifs deviennent

supérieurs

^au quart ^{ou au}

cinquieme

du

champ coercitif ;

^{ce sera le cas des essais}

qui

suivent ou les

champs equivalents

^aux contraintes

sont

plusieurs

^fois

sup6rieurs

^au

champ

^coercitif.

Dans ce mame

schema,

^on admet que la surface relative des

parois

^est

indépendante

^{de 1’etat}

magn6tique

^de

Fechantillony

^ce

qui

suppose de faibles variations d’aimantation. Or _pour les contraintes

qui

^{ont 6t6}

appliqu6es

^{les effets sont}

souvent du meme ordre et meme

plus grands

^que

1’aimantation normale.

On

admet, 6galement,

que seuls les

deplacements

de

parois

provoquent les variations

d’aimantation,

ce n’est

plus

^{le cas dans ces essais ou}

l’ énergie magnéto-élastique

^n’est

plus

^tres

petite

^vis-h-vis

de

1’energie d’anisotropie.

FIG. 5. - - - Acier doux, ^{Hc =}

2,9

^Oe

-Acier

doux,

^{Hc =}

2,5

^Oe.

FIG. 6. - - - Acier

mi-doux,

^{Hc =}

9,3

^Oe.

Acier

mi-dur,

^{Hc =}

14,3

^Oe.

On peut ^donc s’attendre a des modifications _pro.

fondes dans Failure des

ph6nom6nes.

C’est effecti-

vement ce que ^montre

l’ expérience

^et

que résument

les

figures

^{5 et 6 relatives aux} processus HP et

PH,

sur

plusieurs

vari6t6s d’aciers.

On constate pour ^{tous ces} échantillons une crois-

sance

rapide

^{de 1’effet}

HP,

^{et le} rapport ^{HP sur}

PH, qui

^est de l’ordre de 2 _pour les tractions faibles atteint ensuite des valeurs

beaucoup plus grandes.

Des maximums

apparaissent,

^d’autant

plus

tôt que la substance est

plus

^{douce. Pour ces}

derni6res,

^les

effets de

champ démagnétisant

peuvent ^devenir

notables,

^{et rendre encore}

plus

^delicate

l’interpr6-

tation des mesures.

Lorsqu’on opere

pour diverses valeurs de

champs appliques,

^{on constate} que les courbes des variations d’aimantation se déforment

sans que leurs allures soient

profond6ment

^modifiées.

Les effets HP - H et PH - H sont maximals _pour

une valeur du

champ applique correspondant

appro- ximativement a une valeur de

champ

interne voi- sine du

champ

coercitif. D’autre

part,

^{dans les}

champs supérieurs

^{a ce} dernier 1’effet PH devient du meme ordre de

grandeur

que 1’effet HP.

Des résultats

expérimentaux

^{avec toutes les}

combinaisons

possibles

^de

champ

^{et de}

contrainte,

ont

deja

^6t6

publi6s [6]

^{et mettent en evidence}

d’autres

ph6nom6nes qui

^ne

s’expliquent

pas dans le schema des

parois.

C’est ainsi _que le proces-

sus HHP

(et HHPP)

^annule l’aimantation ^macro-

scopique

^{de la}

substance,

^et que d’autre

part

^on

note des effets r6versibles HP -

HPP,

^tantot

positifs,

^tantot

négatifs,

^{selon le} corps 6tudi6.

11

apparait

donc que le schema des

parois

^ne

puisse s’appliquer

que

lorsque

les contraintes et

les

champs

^sont faibles vis-a-vis du

champ

^coercitif.

Ensuite les

ph6nom6nes

deviennent

plus complexes.

Les rotations de 1’aimantation

spontanee

^inter-

viennent _pour une part ^non

négligeable

ainsi que les

disparitions

^{de certaines}

parois.

^On remarque d’ailleurs _que les

applications

^{et les}

suppressions

d’une contrainte forte

produisent

^une

reptation

^de

I’aimantation

qui presume

^une

reorganisation

par- tielle ou

complete

^{de la structure}

microscopique

^de

l’échantillon.

De cette etude

expérimentale

^{on peut conclure}

que le schema de

l’hystérésis

^dans

1’espace,

^associ6

a la notion de

champ equivalent

^de

contrainte,

per-

met de

pr6voir

^{les effets}

magn6tiques

irr6versibles des contraintes faibles dans les

champs

^faibles.

L’accord est d’autant

plus

satisfaisant _que les fac-

teurs mis en

jeu

^sont

plus petits.

^{On est ainsi amen6}

a concevoir _que, comme pour de nombreuses lois

physiques,

^{ce schema est un} schema limite

qui s’applique parfaitement

^{si les}

champs

^{et les}

contraintes sont infiniment

petits.

Lorsque

^ces derni6res deviennent

plus impor-

tantes, d’autres m6canismes ^{entrent en}

jeu,

^dont

l’analyse possible,

^{n’a encore conduit a aucun r6sul-}

tat

exploitable.

Manuscrit _requ Ie 31 mars 1966.

BIBLIOGRAPHIE

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