Analyse expérimentale et modélisation du comportement faiblement magnétostrictif de l'alliage Fe-27%Co

Experimental Analysis and Numerical Approach of the Low Magnetostrictive Fe-27%Co Alloy

• Auteur / Autrice : Maxime Savary
• Direction : Anne-Laure Helbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 19/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire d'Orsay. Laboratoire de synthèse de biomolécules
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Aperam
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Laure Helbert, Eric Hug, Benjamin Ducharne, Afef Kedous-Lebouc, Nicolas Buiron, Thierry Baudin, Olivier Hubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Hug, Benjamin Ducharne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Domaines magnétiques

Magnétoélasticité

Mots clés libres

Magnétostriction

Domaines magnétiques

Modèle multiéchelle

Magnetostriction

Magnetic domains

Multiscale modeling

Résumé

Dans le contexte du « Tout Electrique », les fabricants de l’aéronautique cherchent à augmenter la puissance embarquée tout en limitant la masse de ces dispositifs électriques. Une des solutions envisagées est d’augmenter la densité de flux magnétique des matériaux magnétiques de ces appareils. L’inconvénient de l’emploi de ces matériaux réside dans leurs déformations sous l’effet du champ magnétique. Dans le cas des noyaux magnétiques de transformateurs, ceux-ci sont composés d’un empilement d’une centaine de tôles magnétiques d’épaisseur variant entre 0,2 et 0,5mm. La déformation successive des tôles du transformateur est à l’origine d’un bruit acoustique indésirable. La source principale de ces déformations est la magnétostriction qui provient du réarrangement sous champ magnétique de la structure en domaines du matériau. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous intéressons à l’alliage Fe-27%Co produit par la société APERAM Alloys Imphy, commercialement appelé AFK1. Le choix de cet alliage provient du fait qu’il présente une aimantation à saturation la plus élevée de tous les matériaux ferromagnétiques (2,4T). Son emploi permettrait alors un gain certain de densité de puissance. Selon une gamme métallurgique particulière, l’AFK1 présente une basse magnétostriction isotrope, qui s’illustre par une déformation nulle jusqu’à 1,5T puis par une déformation à saturation de l’ordre de 10ppm. L’objectif principal de ces travaux de thèse consiste à déterminer l’origine d’un tel comportement et les mécanismes associés. Les résultats expérimentaux montrent que les conditions de traitements thermiques semblent avoir un effet sur le comportement magnétostrictif. On montre par ailleurs que la magnétostriction est indépendante de l’orientation cristallographique de l’AFK1. Des essais de magnétostriction sous contrainte mécanique ont permis de supposer que l’AFK1 disposait d’une structure en domaines principalement composée de parois à 180°. La mise en place de cette structure a pu être confirmée par microscopie magnéto-optique (effet Kerr). Afin de mieux comprendre l’origine de l’orientation des domaines dans le matériau, l’influence de la géométrie d’échantillon sur le comportement magnétostrictif a également été étudiée au cours de ces travaux de thèse. Une modélisation du comportement faiblement magnétostrictif a finalement été proposée par le biais d’une approche multi-échelle. Le modèle met en évidence la nécessité de considérer une proportion non négligeable de domaines séparés par des parois à 180° pour restituer la basse magnétostriction de l’AFK1.

The main challenge in the aeronautical field concerns the increase of higher power density electrical devices onboard aircrafts. One of the solutions proposed is to increase the magnetic flux density of magnetic materials which compose these devices. The main drawback of this solution leads in the high deformation the materials concerned exhibit under magnetic field. For example, the core of onboard transformers is composed of a stack of about hundred of magnetic steel sheets, with a thickness range between 0.2 and 0.5mm. The deformation of the entire structure leads to an unwanted acoustic noise that originates from the high magnetostriction deformation of the material deriving from the change of magnetic domains configuration under magnetic field. In this thesis work, the magnetostrictive behaviour of the Fe-27%Co alloy is studied. This magnetic alloy is produced and marketed by APERAM Alloys Imphy as AFK1. This material leads to a low and isotropic magnetostrictive behaviour after an appropriate metallurgical process. The deformation is null up to 1.5T and the magnetic saturation is reached with a deformation lower than 10ppm. The main goal of this thesis is to understand the origin of the low magnetostrictive behaviour and to model it. The experimental results show that thermal annealing changes significantly the magnetostriction. In addition, we prove that low magnetostriction exhibits no crystallographic orientation dependence. Magnetostriction tests carried out under a mechanical loading show that a microstructure mainly composed magnetic domains separated by 180° domain walls can explain the behaviour. The presence of this magnetic configuration was confirmed by magneto optical microscopy observations (Kerr effect) associated with a macroscopic geometry effect and residual magnetic field in the furnaces. A multiscale modeling of the low magnetostriction has been proposed next. This modeling helps us to confirm the requirement of about 80% of grains composed of a bi-domain magnetic structure to simulate low magnetostrictive behaviour in accordance with experiments.