Mesure d'hystérésis magnétique volumique de l'acier 4340 en fonction de la température

Le domaine du chauffage par induction sollicite les propriétés électriques et magnétiques d'une pièce d'acier pour y injecter une puissance par induction électromagnétique, soit des courants de Foucault en surface. Des simulations par la méthode des éléments finis sont couramment employées pour déterminer la distribution de puissance, notamment lorsqu'une géométrie complexe est traitée. Une amélioration de la précision de ces simulations accélère le prototypage du profil de chauffe adapté pour une pièce. En considérant les avancées dans les techniques de calcul numérique, les biais de mesure dans les propriétés magnétiques couramment employées ont un impact considérable sur la précision des résultats. Dans ce mémoire, on propose une méthodologie de mesure des propriétés magnétiques des matériaux magnétiques à haute température. Une approche dite quasistatique à deux bobines est adaptée pour mesurer l'évolution des propriétés jusqu'à la température de Curie, soit une analyse dite «thermomagnétique». Dans la méthode développée, l'analyse recueille une cinquantaine de courbes d'hystérésis distribuées entre 20°C et 850°C en moins de 30 minutes. La rapidité de l'analyse à haute température est cruciale pour éviter toutes transformations de la microstructure de l'acier lors des mesures. On soupçonne que cinq minutes sont suffisantes pour altérer les propriétés magnétiques dans certains cas particulièrement sensibles. De plus, l'usinage de l'échantillon d'acier implique habituellement des techniques qui créent en surface des contraintes mécaniques, de la déformation plastique et de hautes températures. Ces trois phénomènes affectent les propriétés magnétiques. La méthode actuelle emploie des échantillons avec un grand rapport volume/surface pour limiter l'impact des altérations du matériau en surface.Un aspect novateur de ce travail est le développement de bobines adaptées aux hautes températures (900°C) à un faible coût de fabrication. Ce savoir-faire appliqué à l'approche choisie permet, entre autres, une meilleure précision dans la mesure des courbes d'hystérésis.

Abstract

The field of induction heating relies on the electrical and magnetic properties of a material to transfer electromagnetic power inside the work piece by means of eddy currents. With complex geometries, finite element simulations are commonly used to determine the magnetic field distribution, and thus the power distribution. Better predictions of the transferred power accelerate the prototyping scheme used to obtain the optimal heating profile. Considering the advances in numerical techniques, measurement bias in magnetic properties can have a relatively large impact on the precision of the results. In the present work, we propose an approach to magnetic property measurements at high temperature. A two windings quasistatic approach is used to monitor the evolution of the properties up to the Curie temperature, i.e. a thermomagnetic analysis (TMA). The developed setup can acquire approximately 50 hysteresis curves spread between 20°C and 850°C within 20 minutes. This rapid TMA is crucial to avoid any microstructural transformation in the steel over the course of the heating. An exposure of five minutes to high temperatures is suspected to be enough to alter the magnetic properties in some sensitive steels. Furthermore, the sample's machining, prior to the measurements, most often implies cutting techniques that create residual stress, plastic deformation and high temperatures. These three phenomenon can alter the microstructure and therefore permanently change the initial material's magnetic properties. The chosen magnetic measurement method favours samples with a large volume to surface ratio to reduce the impact of material alteration at the surfaces. A contribution of this work is the development of a high temperature winding (900°C) at low cost. This expertise applied to our method can increase the precision in the magnetic measurement of hysteresis curves by allowing the windings to be part of the sample and therefore inside the oven. This enables the use of closed samples (toroids) with a diameter of approximately 5 cm and a 5 mm cross-section diameters, which is impractical with traditional windings.