Analyses de surface d’un Acier électrique FeSi GNO de référence

L’ESIEE et l’IRT M2P font des analyses de surface sur des échantillons de FeSi à grains non orientés (GNO) de référence sans traitement laser

L’ambition consistant à influencer la structure magnétique d’un métal, son apparition et son évolution lors des processus de magnétisation et démagnétisation, nécessite en premier lieu de bien comprendre la notion de structure magnétique sur des échantillons de référence comme point de départ. Des premières analyses métallographiques et magnétiques ont donc été réalisées pour caractériser et visualiser concrètement la distribution en grains cristallins et en domaines magnétiques à la surface d’un échantillon de FeSi GNO non traité de référence.

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Figure 1 : image d’un Microscope a Force Magnétique et schéma de principe de la mesure par contraste d’amplitude et/ou de phase.

La technique de révélation des grains est une technique d’attaque chimique puis d’observation microscopique optique. Le principe consiste à retirer les irrégularités de surface (rayures et couches d’oxydes). Jusqu’à obtenir une très faible rugosité et une disparition presque totale des impuretés, et donc un très bel état de surface. Le cas échéant, cela permet une observation de la structure métallographique après attaque.

La technique d’observation des domaines magnétiques utilise le microscope à force atomique en mode MFM (microscope à force magnétique) avec des sondes magnétiques douces et dures. Le principe consiste à faire osciller une pointe magnétique très fine à sa fréquence de résonnance au-dessus de la surface à analyser et de regarder les variations d’amplitude et de phase de ces oscillations provoquées par les interactions magnétiques entre la pointe et la surface. Le contraste obtenu par la sonde magnétique douce sera une image des parois magnétiques, i.e. des zones de transition entre une orientation magnétique et une autre. Le contraste obtenu par la sonde magnétique dure sera une image des domaines magnétiques polarisés dans des directions différentes. Les dimensions de la zone d’observation MFM ne peut dépasser 120*120 micromètres².

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Figure 2 : (a) échantillons polis et non polis (b) Révélation des joints de grains dans le métal (c) topographie de la surface par AFM révélant les traces du polissage (d) domaines magnétiques visualisés par MFM avec une sonde magnétique dure.

Les aciers électriques à grains non orientés (GNO) ont généralement des grains beaucoup plus petits que les aciers électriques à grains orientés (GO) avec des dimensions caractéristiques entre 50 et 150 micromètres, ce qui est confirmé Figure 2 (b).

Ces matériaux sont aussi connus pour la taille réduite de leur domaines magnétiques ce qui favorise la rotation de la polarisation sous l’effet d’un champ tournant sans créer de pertes trop importantes. Dans le but d’étudier la structure magnétique d’un acier électrique de type FeSi GNO standard (NO C5 sans revêtement autre qu’une couche de passivation) fournis par Jeumont, nous utilisons le microscope à force magnétique. Les échantillons sont polis avant l’expérience avec du papier SiC (taille de grain la plus petite = 0.1 um). Les résultats obtenus Figure 2 (c) et (d) permettent de confirmer la taille réduite des grains ainsi que celle des domaines de 5 à 10 fois plus petit que les grains. Les domaines magnétiques sont distribués selon différentes orientations et au passage d’un grain à un autre, certaines directions principales plus ou moins stables à l’intérieur d’un grain peuvent changer très significativement. La direction des domaines visibles en surface peut devenir très instable et devient un vrai labyrinthe lorsque l’orientation cristalline des grains n’est pas dans le plan de l’échantillon.