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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
MESURE D’HYSTÉRÉSIS MAGNÉTIQUE VOLUMIQUE DE L’ACIER 4340 EN
FONCTION DE LA TEMPÉRATURE
KEVIN MCMEEKIN
DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(GÉNIE ÉLECTRIQUE)
AVRIL 2016
c
•Kevin McMeekin, 2016.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Ce mémoire intitulé :
MESURE D’HYSTÉRÉSIS MAGNÉTIQUE VOLUMIQUE DE L’ACIER 4340 EN
FONCTION DE LA TEMPÉRATURE
présenté par : MCMEEKIN Kevin
en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées
a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de :
M. MENARD David, Ph. D., président
M. SIROIS Frédéric, Ph. D., membre et directeur de recherche
M. BOCHER Philippe, Ph. D., membre et codirecteur de recherche
M. CROS Jérôme, Ph. D., membre
É

iii
DÉDICACE
À mes parents, Nicole et Ron,
pour tous leurs sacrifices qui
m’ont permis de me réaliser.

iv
REMERCIEMENTS
Avant tout, je veux souligner ma reconnaissance envers mon directeur de recherche Frédéric
Sirois. Bien plus qu’un professeur, il a été une inspiration pour me dépasser et innover. Je
le remercie pour son dévouement et sa générosité, en particulier lorsque mon temps et mon
enthousiasme étaient partagés entre multiples projets. J’ai énormément grandi au travers de
mes années au laboratoire et j’en serai toujours reconnaissant.
Je remercie également mon codirecteur Philippe Bocher pour son support et cette oppor-
tunité d’explorer un domaine de l’ingénierie qui m’était inconnu. Je suis particulièrement
reconnaissant de sa patience au cours de ce travail.
Je tiens à remercier Maxime pour de nombreuses conversations enrichissantes et une collabo-
ration fort intéressante. Je souhaite aussi remercier Nicolas, Charles-Henri, Lucile, Jonathan
et Christian pour leur aide et leurs conseils essentiels à des moments clés du projet. Je salue
mes collègues de bureau Thomas, Baki et Isabelle.
Un merci tout spécial à Gabrielle pour son appui et son encouragement au cours de mes
études. Cette maitrise aurait été très différente et laborieuse sans elle à mes côtés.
Je suis aussi reconnaissant de la contribution du Conseil de recherches en sciences naturelles
et en génie du Canada pour avoir permis l’élaboration de ce travail.

v
RÉSUMÉ
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 accé-
lère 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 cin-
quantaine 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 suffi-
santes 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 tem-
pératures (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. Les bo-
bines sont à l’intérieur du four et elles font partie de l’échantillon. Ainsi, le montage emploie
des échantillons fermés toroïdaux d’environ 5 cm de diamètre d’anneau et 5 mm de diamètre
de section, chose irréaliste avec des bobines ordinaires. Les conditions expérimentales, soit
l’alternance de mesures magnétiques et de chauffes, sont gérées par un programme Labview.
Une boucle de contrôle numérique en temps réel permet d’obtenir une magnétisation dont le
taux de variation est contrôlé.
La méthode est mise en application pour trois états de microstructure de l’acier AISI 4340.
On présente la courbe d’hystérésis majeure obtenue à température ambiante et l’analyse ther-