CHAPITRE VII HAaNÉTISHE

Principe* — La détermination du magnétisme d'un alliage peut très souvent donner des résultats précieux. On sait que Ton connait trois métaux magnétiques : le fer, le nickel et le cobalt.

Se trouvant en présence d'alliages de ces métaux entre eux ou de ces métaux avec d'autres corps, on peut se proposer trois problèmes différents :

1** Reconnaître si Talliage est ou n'est pas magnétique à la température ordinaire. S'il ne Test pas, on en conclura à un état spécial du métal ou des métaux magnétiques dans les conditions ordinaires;

2° Déterminer la valeur magnétique de Talliage ; tracer, par exemple, la courbe de la variation du magnétisme avec le pourcentage d'un des métaux incorporés dans l'alliage ;

3* Rechercher qualitativement ou quantitativement, la variation du magnétisme dans un métal ou dans un alliage déterminé avec la température.

Méthodes* — Nous ne pouvons entrer ici dans le détail complet des méthodes employées pour étudier le magnétisme dans un acier.

Nous voulons seulement indiquer le principe et étudier succinctement les plus intéressantes d'entre elles. Quelques définitions nous semblent nécessaires.

On appelle intensité de champ magnétique en un point déter-

miné ou force magnétisante, 3e, la quantité — > F étant la force

qui s'exerce sur un pôle d'intensité m placé dans le champ au point considéré

F Je = -m

Si la valeur de :ïe est constante en tous points, on dit que le champ magnétique est uniforme.

Le flux de force magnétique dans une surface S est égal au produit de Tintensité du champ parla surface.

* = :ïes.

Si Ton soumet une matière non magnétique et non diamagnétique de surface S à Taction d'un champ magnétique dont l'intensité est OC, le flux de force qui traverse la surface S est :

<ï» = :ïes.

Si Ton soumet à un champ magnétique de même intensité une surface magnétique ou diamagnétique on a :

* = ( je ± A) s.

On a :

4> = 3es + /iS

dans le cas d'une surface magnétique et

* =: jes — AS

dans le cas d'une surface diamagnétique.

La perméabilité jjl d'une substance magnétique est le rapport

Qoo^ç:

L'induction magnétique 35 est le rapport du flux de force à la surface

Pour les substances non magnétiques etnondiamagnétiques, on a :

Pour les substances magnétiques, on a:

35 = :ïe + A.

Pour les substances diamagnétiques, on a :

Donc, dans le cas de substances magnétiques, Tinduction magnétique est toujours supérieure à l'intensité du champ magnétique ; elle lui est inférieure dans le cas d'une substance diamagnétique ; elle lui est égale dans les autres cas.

On voit également que :

3C + A 3S t** — ip — »(p'

Principe des mesures. — Généralement on mesure Tinduclion magnétique ^ en fonction de la force magnétisante 3e. On en peut déduire |jl qui est le rapport de ^ à JC.

On fait varier 3e entre certaines limites et on en déduit 35.

Cette mesure peut avoir lieu par diverses méthodes qui se classent comme suit :

V Méthode de comparaison;

2° Méthode basée sur la mesure du champ magnétique ;

3° Méthode d'arrachement ;

4° Méthode balistique.

C'est cette dernière méthode qui semble donner les résultats les plus précis. Parmi les appareils et dispositions qui permettent de Tutiliser, nous en décrirons deux particulièrement intéressants.

Méthode (THopkinson {fig. 63). — Dans cette méthode on utilise deux barreaux du métal à essayer que Ton applique bien l'un contre l'autre. Une petite bobine d'épreuve est placée entre les barreaux et est maintenue par eux, lorsque ces deux morceaux sont réunis. Si l'on vient à séparer les deux mor-

tiOif^u

Fio. 84. — Appareil d'Hopkinson.

ceaux, la bobine d'épreuve (par effet de ressorts) s'échappe rapidement hors du champ magnétique. Les deux parties de l'échantillon sont, bien entendu, entourées par des bobines magnétisantes. La bobine d'épreuve vient se placer dans l'espace qui se trouve entre les deux bobines.

L'opération a lieu de la façon suivante : on excite les deux bobines magnétisantes par un courant dont on connaît l'intensité (on peut déduire la valeur de 3C en connaissant le nombre de spires des bobines et la longueur utile de l'échantillon), après avoir, bien entendu, placé les deux échantillons et la bobine d'épreuve en place.

On tire brusquement sur l'une des parties du barreau qui est munie d'une poignée; celle-ci se sépare, tandis que l'autre est

maintenue en place par une vis. Aussitôt la bobine d'épreuve sort du champ.

Cette bobine subit, de ce fait, une variation de flux.

Or la bobine d*épreuve est reliée à un galvanomètre balistique dans lequel elle va se décharger en donnant une quantité d'électricité proportionnelle à ^, qui a pour valeur :

Dans cette formule n représente le nombre de spires de la bobine; 5, la surface du barreau en centimètres carrés; et r, la résistance totale du circuit de décharge.

On peut donc déduire ^ de la mesure et Ton connaît JC.

Cette méthode présente un grave inconvénient; on néglige totalement Tinfluence du cadre de Tappareil et celle des joints. C'est là une erreur très importante.

Méthode cTEiving {fig. 85). — Cette méthode permet d'éviter ces diverses causes d'erreur. Ici l'échantillon est d'une seule pièce et la bobine d'épreuve ne change pas de position.

C'est une variation dans l'intensité du courant traversant les bobines magnétisantes qui produit une variation de flux.

Le barreau est recouvert des deux bobines M, M' ; au centre se trouve la bobine b qui est fixe.

Le courant fourni par une batterie d'accumulateurs, est réglé par un rhéostat R' et a son intensité mesurée par un ampèremètre.

Un inverseur situé en I permet au courant d'être réglé par un rhéostat R, qui se trouve dans le circuit lorsque le commutateur Cj est fermé et que I est à droite.

Un autre commutateur C^ permet de faire passer le courant dans les bobines M, M' ou bien dans l'enroulement M' d'un solénoïde très long DD' ; une autre bobine d'épreuve à' placée sur ce solénoïde est reliée en série avec la bobine b. Le tout est rejoint au galvanomètre balistique G dont on peut faire varier la sensibilité par une résistance r et mettre en courtcircuit pour amortir les oscillations par la clef k.

On commence par graduer le galvanomètre au moyen du solénoïde M' et de la bobine d'épreuve b' en faisant varier l'intensité du courant.

Lorsqu'on examine un échantillon le solénoïde ne sert plus. Mais on maintient la seconde bobine d'épreuve b' dans le cir*

Wmmmm

"^mimm^fA

WTTsrewm

^»|»|l|ï|l[t[l[i AAWWVVVWt/WVA^--

^M^V^^WV)AAMAA-

Fio. 85. — Appareil d'Ewing.

cuit de décharge, ceci pour ne pas changer Tamortissementdu galvanomètre.

L'échantillon étant placé dans le perméamètre, on ferme l'interrupteur Ci ; puis on fait marcher l'inverseur plusieurs fois de droite à gauche en le ramenant à droite à la fin. Ceci a pour but de détruire absolument l'effet dû aux états magnétiques antérieurs. On mesure les élongations correspondant aux diverses intensités. On peut ainsi tracer une courbe en prenant pour axes des x les intensités (H) et pour axes des y les valeurs de 53.

Pour le détail des autres méthodes nous renverrons au looie II du livre de MM. Montpellier et AUiamet, Guide pratique de mesures et essais industriels.

On y trouvera notamment (p. 43) la description de la méthode de M. Picou qui est particulièrement intéressante et industrielle.

Les méthodes que nous venons de décrire ont pour but de déterminer la valeur magnétique d'un métal & température ordinaire.

Mais Ton peut se proposer d'étudier la variation du magnétisme avec la température dans un produit déterminé. Cette mesure peut être purement qualitative ou quantitative.

Méthodes pour étudier la variation du magnétisme avec la température, — On peut se proposer de rechercher si un corps

nUx^AAA^UAU^ ^

Fio. 86. — Four électrique utilisé par M. Dumas.

magnétique à la température ordinaire reste bien magnétique quelle que soit la température à laquelle il est porté.

La méthode la plus simple à employer est alors celle qu'a utilisée M. L. Dumas dans ses importantes recherches sur les aciers au nickel {fig, 86 et 87).

Le four de chauffage est constitué par un tube de porcelaine entouré d'un fil en acier à haute teneur en nickel. Ce solénoïde reçoit le courant qui, d'une part, chauffe le four et, d autre part, aimante le barreau du métal & étudier que Ton place dans le tube.

• Pour permettre le chauffage, le tube de porcelaine est placé dans la rainure d'une boite en cuivre remplie d'amiante. On recouvre le tout d'une feuille du même produit.

Cette disposition permet de retirer le tube, lorsqu'on veut refroidir rapidement.

D'autre part, une petite aiguille aimantée montée sur pivot est placée dans le voisinage du four. Celui-ci est, bien entendu, orienté pa-

Plonib fusible*

o topèremètre.

TVhéostat liquide.

Plomb fusible.

. ïnlerrcpt/eur'bipolai re .

Four chauffé

Barreau essayé, j f"

"^"Aiguille airxunitée Fio. 87. — Dispositif utilisé par M. Dumas.

rallèlement h la direction que prend l'aiguille sous l'action du champ terrestre.

Dans le barreau que l'on place dans le four on a eu soin de disposer un couple Le Chatelier.

Dès que le barreau est placé dans le tube, on fait passer

le courant; Taiguille prend alors une nouvelle position, par suilede laction du barreau aimanté.

A une certaine température (point de transformation magnétique), l'acier n'est plus magnétique; aussitôt l'aiguille se met en mouvement, tendant à reprendre sa position première (il y a une légère déviation par rapport à la ligne nord-sud provenant de l'influence du solénoïde) ;on note la température correspondante. Au refroidissement le phénomène inverse se produit. C'est ainsi que M. Dumas, reprenant les importantes recherches de M. Osmond, a pu obtenir des résultats nouveaux d'un grand intérêt.

On peut aussi déterminer la valeur magnétique d'un métal aux difl'érentes températures. On pourrait adopter pour ces mesures la méthode d'Ewing légèrement modifiée; on peut encore utiliser l'appareil dont s'est servi M. Curie pour étudier

les propriétés magnétiques des corps. Nous renverrons pour la description de cette méthode à sa thèse de doctorat qui a été publiée dans les Annales de Chimie et de Physique (juillet 1895).

Exemples. — Le meilleur exemple que Ton puisse citer comme étude de la variation du magnétisme avec le pourcentage d'un élément ou avec la température a trait aux propriétés magnétiques des fers et aciers.

Comme variations du point de' transformation magnétique (température à laquelle un métal devient de magnétique non magnétique ou inversement) avec le pourcentage d'un corps entrant dans Talliage, nous citerons les aciers au nickel qui ont faitTobjet d'études importantes et récentes.

Propriétés magnétiques des fers et aciers, — On connaît depuis longtemps les propriétés que possèdent les fers et aciersde s'aimanter ; Knight montra que l'acier trempé s'aimante plus que l'acier recuit. En 1873, Jamin prit comme mesure du pouvoir magnétique la force d'arrachement par unité de surface à l'extrémité du barreau. En 1875 Trêve et Durassicr présentèrent à l'Académie des Sciences deux notes dans lesquelles ils proposaient de classer les aciers par le magnétisme et de remplacer les essais à la traction par la détermination du pouvoir magnétique.

En 1877, M. Ryder, ingénieur aux aciéries d'Otis (Cleveland Ohio), reprit la question et publia, dans The Engineering and Mining Journal^ un article intitulé: Détermination du carbone par le magnétisme.

Pour établir la comparaison entre les différents aciers, M. Ryder fait séjourner pendant une minute les barreaux prélevés dans ces aciers sur les pôles d'un électro-aimant; puis il les oppose à un type déterminé placé en regard d'une boussole ; le type connu est à une distance fixe de la boussole, Tacier que l'on essaie est placé de l'autre côté de l'aiguille sur une règle divisée en degrés de carburation.

D'après M. Ryder, les teneurs en carbone sont proportionnelles aux carrés des distances d'équilibre; les aciers de

MAGNÉTISME id9

toute dureté et même les fontes blanches obéissent à cette loi.

Ultérieurement, M. Ryder montra que le manganèse avait une influence sur les propriétés magnétiques des aciers, tandis que le phosphore et le silicium n'en semblent pas avoir. M. Ryder proposa même d'appliquer la méthode magnétique à Tarrêt des opérations du four Martin.

Vers 1881, M. de Waltenhofen créa un appareil pour comparer la puissance magnétique des aciers.

Enfin, M. Osmond reprit la question et publia en 1885, dans le Génie civile un très intéressant mémoire sur cette question. C'est d'ailleurs à cette étude que nous avons emprunté Thistorique précédent. M. Osmond utilise une méthode qui se rapproche de la méthode Ryder. Ces essais ont conduit ce savant aux conclusions suivantes :

Le phosphore et le soufre n'ont pas — du moins dans les limites très étroites où les maintient une bonne fabrication — d'influence sur le magnétisme.

En prenant les teneurs en carbone pour abscisses et les distances lues sur la règle pour ordonnées, M. Osmond a obtenu une courbe qui peut se représenter par l'équation d'une parabole ayant pour axe l'axe des x :

C étant la teneur en carbone.

On a:

M. Osmond fait remarquer que la constante de l'équation étant très pelile, les résultats) obtenus confirment ceux de M. Ryder.

L'influence du manganèse est très nette; la distance en centimètres d'équilibre magnétique est donnée par l'équation.

D = v/l.l59C+ 16+ lOMn.

Mn étant la teneur en manganèse 0/0 de l'acier.

Qoo^ç:

Dans une seconde partie de cet important travail, M. Osmond envisage l'influence de la trempe et de Técrouissage sur la force coercitive. Les résultats obtenus démontrent à nouveau rinfluence de ces traitements et M. Osmond conclut : « Ces résultats font supposer que toutes ces actions produisent en réalité un âeul effet : une modification moléculaire du fer. »

Depuis ces travaux, de nouvelles études de toute première importance ont été faites par Hopkinson, M. Morris et M. Pierre Curie. Ces deux derniers n'ont fait que confirmer les résultats obtenus par Hopkinson. Nous résumerons leurs intéressantes recherches.

Celles de M. Pierre Curie sont données dans la figure 88 qui reproduit les courbes d'aimantation du fer doux ^à différentes températures; on a porté sur Taxe des x la valeur de 3e, et sur Taxe des y la valeur de I déterminée. On voit que Ton n'a pas dépassé 770°. De plus, on a déterminé les valeurs de rintensité d'aimantation, le champ magnétisant variant alternativement d'une manière continue de — 1350 à +1350 unités ; mais, sur la figure, on ne voit que les branches de courbes qui correspondent à la valeur croissante de oe. On voit que, lorsque le champ magnétique croit de & 1350 unités les courbes relatives à deux températures différentes s'écartent peu l'une de l'autre, sans toutefois se confondre, pendant toute une portion de leur tracé ; puis ces courbes se séparent franchement.

On peut distinguer dans chaque courbe trois pai*ties :

l"* Une portion initiale, qui est peu différente, comme direction, avec la température;

2° Une portion finale dans laquelle l'intensité d'aimantation est la même, quel que soit le champ;

3"* La portion médiane, qui raccorde les deux autres.

De plus, à partir de 756° et jusqu'à 1375°, les courbes ne sont plus que des droites passant par l'origine. Cela démontre que le fer possède un coefficient d'aimantation constant pour des températures supérieures à 756°, les champs magnétisants

étant compris entre 25 et 1300 unités, conditions des expériences.

« Le fer passe donc progressivement de l'état de corps ferromagnétique à Tétat de corps faiblement magnétique, à coefficient d'aimantation constante » On voit sur les courbes que le fer ne se transforme pas à une température déterminée, on remarque que l'intensité d'aimantation baisse d'abord lentement, puis de plus en plus rapidement lorsque la température

^ra

7M).4 JAA£

tOO zoo 300 VOO 500 800 700 SOO 900 1000 nOO 1200 1300 H

Fiii. 88. — Expériences de M. Pierre Curie sur le fer doux.

s'élève; la diminution du magnétisme atteint son maximum vers 740 à 750*. Les courbes présentent alors un point d'inflexion.

(' L'expression température de transformation magnétique du fer, fait remarquer M. Curie, qui est d'un usage très commode a donc une signification un peu vague. Il convient de désigner ainsi la température moyenne des points d'inflexion des courbes. »

A 860°, on note une nouvelle transformation. Celle-ci n'est

1. Méiroire de M. P. Curie, Annales de Chimie et Physique^ jniWei 1895.

pas visible sur les courbes données, mais on la voit nettement, lorsqu'on construit la courbe log 1 [fig. 89). Cette courbe présente d'abord un premier point d'inflexion vers 750"*, à une température voisine du point de transfoitnation et deux autres points d'inflexion à 840" et à 880^

Enfin, vers 1280'', il se produit une nouvelle transformation qui se traduit par une augmentation brusque de FaiinaiH tation.

Voici enfin l'explication que donne M. Curie sous toute réserve :

« On pourrait, dit-il, admettre que, jusqu'à 860% le fer se

comporte normalement comme tout autre corps ferromagnétique.

Vers 860% le fer commence à se transformer en une deuxième variété allotropique; la transformation est complète vers 920% et le fer reste dans cet état jusqu'à 1280'*; le fer est alors analogue à un corps faiblement magnétique, au palladium, à l'oxygène.

Enfin, à 1280% le fer revient brusquement à son premier état. »

Dans une annotation de son mémoire, M. Curie ajoute : « Je ne me fais pas, d'ailleurs, l'illusion de croire que ces résultats soient suffisants pour résoudre à eux seuls la difficile question de la transformation du fer. Cette question a été l'objet de nombreux travaux en ces dernières années. M. Le Chatelier a remarqué (Société de Physique, séance du 20 avril 1894), que la transformation magnétique vers 750" et le changement d'allure vers860'* correspondent respectivement

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S 28 ÎA 30 !

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Fio. 89.

Expériences de M. Pierre Curie sur le fer doux.

aux transformations A2 et A3 de M. Osmond et que la transformation de 1280** correspond à un changement dans les propriétés du fer qui avait été signalé vers 1300* par M. Bail, mais dont l'existence avait été contestée. »

Les expériences du D' Morris ont confirmé ce qu'avait établi M. Curie, que la perméabilité magnétique augmente en champs

Sa»

20 90 IfO SO 60 10 80 90 OT^O

Nickel Vo

Fjo. 90. — Courbes des points Je transformation magnétique dans les aciers au nickel. Recherches de M. Osmond.

faibles et décroît en champs forts, lorsque la température est portée progressivement jusqu'au voisinage de l'abaissement rapide du magnétisme.

Toutefois, le D^ Morris a trouvé que le champ pour lequel la perméabilité reste constante dans cet intervalle est beaucoup plus faible que dans les expériences de M. Curie.

Mais ces recherches démontrèrent l'existence d'un minimum de perméabilité à 550° dans un fer de la composition suivante :

C = 0,08 — S == 0,003 — P = 0,078 — Mn = traces.

Ce point semble concorder avec celui signalé par Roberts- Austen.

Mais M. Osmond en a donné une explication très plausible

et

sojiqpj^duiax

dans un long mémoire que nous ne pouvons discuter ici*.

1 Osmond, Melallographist^ juillet 1899.

Nous terminerons ce qui a trait au magnétisme en exposant les recherches si intéressantes faites sur les aciers au nickel.

Ces investigations sont dues à Hopkinson, à MM. Le Ghatelier, Osmond et Dumas. De ces recherches, il découle nettement que les aciers au nickel se divisent en deux groupes bien définis [fig. 90) : les aciers irréversibles et les aciers réversibles.

On appelle aciers irréversibles ceux dont la transformation magnétique se fait à des températures différentes à réchauffement et au refroidissement.

On appelle aciers réversibles ceux dont les températures de transformation magnétique à réchauffement et au refroidissement coïncident sensiblement; il y a environ un écart de {0\

Si Ton examine les alliages fer-nickel ou du moins des aciers à très faible teneur en carbone, on trouve que, jusqu'à 27 0/0 de nickel les aciers sont irréversibles ; au delà ils sont réversibles. La courbe de la figure 90 due à M. Osmond donne la variation des points de transformation à réchauffement et au refroidissement avec le pourcentage en nickel. On y voit nettement la division en aciers irréversibles et aciers réversibles.

M. Dumas a pu montrer que certains aciers subissent en môme temps la transformation réversible et la transformation irréversible. C'est ainsi qu'un acier à 27,72 0/0 de nickel a présenté la très intéressante particularité d'être successivement à peu près non magnétique à la température ordinaire, magnétique réversible dans la neige carbonique et magnétique irréversible dans l'air liquide. M. Dumas a pu ainsi prolonger les courbes déterminées par M. Osmond.

Ces résultats sont donnés dans la figure 91.

Dans le second volume, nous montrerons comment les recherches que nous avons poursuivies par voies micrographique et mécanique sur les aciers au nickel nous ont permis de montrer l'importance de ces déterminations magnétiques.