Characterisation of mechanical stresses in ferromagnetic steels by using magnetic measurements
Suivi de l'état de contraintes, appliquées et internes, des alliages ferromagnétiques doux par mesure de leur propriétés magnétiques
Résumé
A strong coupling exists between mechanical and magnetic properties of ferromagnetic materials. The aim of this study is to lead to a better understanding of the physical mechanisms involved, with the practical aim of developing magnetic methods for nondestructive evaluation of the mechanical state. The experimental characterisations have been carried out mainly on a non-oriented Fe-(3wt.%)Si electrical steel. The mechanical behaviour under an uniaxial tensile test is characterised by the existence of two strain-hardening stages, related to the evolution of the dislocations feature. Furthermore, a strong kinematic hardening value, representative of the internal stresses state, is reached from the very beginning of the plastic deformation. An appropriate experimental device has been created and magnetic measurements have been performed under uniaxial tensile stresses approaching and exceeding the macroscopic elastic limit Σe and in the corresponding unloaded states. Both Barkhausen noise and B-H hysteresis loops were measured. The different stages of the tensile deformation (perfectly elastic stage, microplastic yielding stage, the two strain-hardening stages) are clearly identified by the magnetic parameters. By using measurements on prestrained specimens under reloaded elastic stresses, an accurate identification of the effect of dislocations acting as pinning sites and of the magnetoelastic effect of long-range internal stresses has been proposed. Additional characterisations of a high-purity polycrystalline nickel and of a FeCo-(2wt.%)V alloy have confirmed our hypothesis.
L'ensemble de ce travail s'intègre dans le cadre d'une réflexion menée actuellement par plusieurs équipes de recherche sur le développement des techniques pertinentes de contrôle non destructif des matériaux ferromagnétiques doux par mesure de leur propriétés magnétiques. Nous nous sommes principalement intéressés à un alliage ferromagnétique relativement bien connu, le Fe-3,2%Si à grains non-orientés. L'étude du comportement mécanique en traction uniaxale a révélé l'existence de deux stades d'écrouissage et d'une forte composante cinématique. Cette composante est portée par une contrainte interne à longue distance de nature intergranulaire pour des faibles valeurs de la déformation plastique, intragranulaire quand des murs de dislocations apparaissent. Un dispositif permettant d'effectuer des mesures magnétiques in situ lors d'un essai de traction uniaxiale sur des matériaux de type tôles et feuillards magnétiques a été mis au point. Le Bruit Magnétique Barkhausen et des paramètres liés aux cycles d'hystérésis magnétique ont été déterminés sous contrainte dans le domaine élastique et plastique, ainsi qu'à l'état déchargé correspondant. L'effet d'une contrainte superposée à un état de déformation plastique a été aussi étudié. D'une part, les résultats ouvrent des perspectives quant au découplage des effets de l'ancrage des parois magnétiques sur les dislocations et de l'anisotropie magnétoélastique des contraintes internes. D'autre part, il en résulte qu'un choix approprié des paramètres magnétiques à mesurer permet une identification convenable des mécanismes de déformation : le stade de déformation purement élastique, la microplasticité, les deux stades d'écrouissage sont clairement mis en évidence. Les hypothèses proposées ont été validées par des caractérisations sur d'autres matériaux ferromagnétiques : un nickel polycristallin de haute pureté et un alliage FeCo-2%V.
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