263185158-02-Ressuage.pdf

MEC-761 Essais mécaniques et contrôle non destructif 02 – Ressuage (PT)
MEC761 - Martin Viens, prof.
Département de génie mécanique
Programme de baccalauréat
Le génie pour l'industrie
MEC-761
Essais mécaniques et contrôle non destructif

Page 2
Introduction
• Le ressuage est une méthode qui est utilisée pour révéler
des discontinuités débouchant en surface.
• Cette méthode repose sur un phénomène par lequel un
liquide pénétrant, contenu dans des discontinuités, suinte
à la surface du matériel
• L’utilisation d’un pénétrant améliore la visibilité de la
discontinuité pour l’œil humain
Indication de fissure

Sommaire de la mise en oeuvre

Page 4
Procédure
1. La surface est préparée
2. Un liquide pénétrant est appliqué en surface
3. Par capillarité, le liquide pénètre dans les discontinuités
(fissures, porosité, …) débouchant en surface

Procédure (suite)
4. Le surplus de liquide est retiré
de la surface
Page 5
5. Un révélateur est appliqué
pour "aspirer" le pénétrant
vers la surface de la pièce

Page 6
Procédure (suite)
6. La pièce est inspectée visuellement sous un éclairage
approprié
7. La pièce est nettoyée à nouveau
Penetrant Inspection Steps – Java Applet
NDT Resource Center
http://www.ndt-ed.org/EducationResources/
CommunityCollege/PenetrantTest/Principles/liquidpi.htm
Durée: 0 min 32 s
Fundamentals of Liquid Penetrant
Quality NDE
http://www.youtube.com/watch?v=npgoUHq3X4k&feature=
share&list=PLFB453D4A53E35329
Durée: 2 min 15 s

Principes physiques
Force de capillarité

Tension de surface 
Phénomène physique, causé par les forces de cohésion
(attraction intermoléculaire) d'un liquide:
• Au centre d'un volume de liquide, la
somme vectorielle des forces d'attraction
intermoléculaires est nulle.
• À la surface du liquide, la somme
vectorielle des forces mène à une force
résultante perpendiculaire à la surface et
dirigée vers l'intérieur de ce volume.
• Le liquide se contracte donc sur lui-même
jusqu'à ce que d'autres forces (telles la
résistance du fluide à la compression) ne
contrebalancent la force résultante et
limitent la contraction.
Liquide  (10-3 N/m)
pénétrant 25 à 35
Eau 73
Mercure 436
* à 20°C en contact avec l'air
Page 8

La tension de surface est associée à une énergie potentielle
appelée énergie de surface. Selon les lois de la
thermodynamique, à l'équilibre, cette énergie de surface doit
être minimisée. C’est la raison pour laquelle, en l’absence
d'autres forces, les gouttes de liquide et les bulles de savon
adoptent une forme sphérique.
Illustration de 
Page 9

Page 10
Interface liquide-solide
sg
lg
ls cos 


 


ls

lg

sg

Équation de Young:
air
‐
solide
lle
superficie
tension
:
air
‐
liquide
lle
superficie
tension
:
solide
‐
liquide
le
interfacia
tension
:
contact
de
angle
:
sg
lg
ls





Page 11
Angle de contact et mouillage
Surface
hydrophobe
Surface
hydrophile
•
• Faible mouillabilité
• Grand angle de contact
•
• Grande mouillabilité
• Faible angle de contact
sg
ls 
 
sg
ls 
 

Capillarité
Force d’attraction entre un solide et un liquide résultant
de l’effet de la tension superficielle du liquide combiné à
la faible section d’une cavité dans le solide.
Page 12

Page 13
Loi de Jurin
 
2 cos
gl
F r
  
  
Force capillaire:
 
2
F r h g
 
 
Force gravitationnelle:
2 cos
gl
h
r g
 


Hauteur du ménisque:

Page 14
Effet de la viscosité
• Ne semble pas affecter la sensibilité du pénétrant
(son habilité à s’infiltrer dans des fissures étroites).
• Affecte significativement le temps requis pour remplir
les cavités. En fait, ce temps est directement
proportionnel à la viscosité du liquide.
gl
cos
r
t






2
2 t: temps de séjour
ℓ: profondeur de la cavité cylindrique
: viscosité dynamique du fluide

Principes physiques
Sensibilité de l’œil humain

Page 16
Structure de l’œil
• Lorsque la lumière entre dans
l’œil, elle est projetée sur la
rétine
• La rétine est une mosaïque de
deux types de photorécepteurs
(les bâtonnets et les cônes)
• Les bâtonnets sont sensibles à
la lumière bleue-verte et sont
utilisés dans des conditions de
faible éclairage
• Il y a trois types de cône qui sont
sensibles à différentes portions
du spectre visible.
bâtonnets
cônes

Acuité visuelle
L'acuité visuelle est la capacité d'un œil à discerner deux points
distincts situés à une distance donnée. Le pouvoir de résolution de
l'œil humain est d'environ 1 minute d'arc (0.017°) pour des points
de contraste maximum (points noirs sur fond blanc).
Ex.: à une distance de 30 cm, le pouvoir de résolution est
d'environ 90 μm (0.0035")
Page 17
 
2
2 
tan
d
x 


Effet du contraste
Le contraste quantifie les différences de luminance entre les points
clairs et sombres d'une image.
Page 18
fond
fond
L
L
L
C


Variation
du
contraste
Fréquence spatiale
Seuil (acuité)
L'acuité visuelle est réduite par
une diminution du contraste.
Pour optimiser la visibilité d'une
indication, les contrastes en
couleur ou en luminance doivent
être maximisés.
Note: La luminance est l'intensité de la lumière
émise en direction de l'observateur à partir d'un
élément de surface (source). La luminance se
mesure en cd/m2.

Vision photopique
En vision photopique (vision diurne, luminance > 10 cd/m2), les
cônes perçoivent les couleurs. La sensibilité maximum de l'œil se
situe dans les teintes jaune-vert (555 nm) où son efficacité
lumineuse est de 683 lm/W.
Page 19
Note: Le flux lumineux caractérise la
puissance lumineuse d'une source du point
de vue de la perception par un œil humain
standard. Le flux lumineux se mesure en
lumen (lm).

Vision scotopique
En vision scotopique (vision nocturne, luminance < 0.001 cd/m2),
les bâtonnets, beaucoup plus sensibles que les cônes, perçoivent
l'intensité lumineuse mais l'œil ne distingue plus les couleurs. La
sensibilité maximum de l'œil se situe dans les teintes vert-bleu
(507 nm) où son efficacité lumineuse est de 1700 lm/W.
Page 20

Vision mésopique
En vision mésopique (vision
crépusculaire, luminance entre
0.001 et 10 cd/m2), les bâtonnets
et les cônes participent
simultanément à la vision. Dans
ces conditions, la sensibilité de
l'œil varie avec l'intensité de
l'éclairement.
Page 21

Page 22
Fluorescence
Propriété de transformer une radiation reçue dans l’ultraviolet (autour
de 365 nm; UV-A; invisible à l’œil humain) en une radiation dans le
visible (autour de 550 nm; vert).
Ce déplacement du spectre lumineux vers des longueurs d'onde plus
élevées (déplacement de Stokes) est effectué par des fluorophores
(substance chimique responsable de la fluorescence).
L'excitation des fluorophores se fait grâce à une lumière noire
(ampoule à vapeur de mercure) ou à un ensemble de DEL (diodes
électroluminescentes).

Conditions d'inspection
Pénétrant visible
• Éclairage en lumière blanche
• Vision photopique
• Contraste de couleur (pénétrant rouge sur fond blanc)
• Ratio de contraste de 6:1
Pénétrant fluorescent
• Inspection dans un cabinet d'inspection grâce à un éclairage UV
• Vision mésopique
• Contraste de luminance (pénétrant lumineux sur fond sombre)
• Ratio de contraste de > 40:1
Page 23
L'inspection grâce à un pénétrant fluorescent produit des indications
beaucoup plus visibles et donc une plus grande sensibilité par rapport à
un pénétrant visible.

Adaptation à l'obscurité
En réaction à une diminution de luminance, l'œil s'adapte. Cette
adaptation se déroule en 2 étapes:
• Dans les 3 premières minutes, la pupille se dilate pour laisser passer
plus de lumière vers la rétine;
Page 24
Après être entré dans l'aire d'inspection sombre, l'inspecteur doit
attendre quelques minutes avant de procédé à l'inspection d'une
pièce (temps d'adaptation de l'œil).
Temps de séjour dans l'obscurité
(minutes)
Plus
petite
luminance
perceptible
Sensibilité des
bâtonnets
Sensibilité des cônes
• Dans les 25 premières minutes, les
pigments photosensibles des bâtonnets,
la rhodopsine, se régénèrent de telle
sorte que la sensibilité des bâtonnets à
la lumière s'accroît d'un facteur de
l'ordre du million.

Détail de la mise en oeuvre

Page 26
Procédure
2. Un liquide pénétrant est appliqué en
surface
3. Par capillarité, le liquide pénètre dans
les discontinuités (fissures, porosité,
…) débouchant en surface
4. Le surplus de liquide est retiré de la
surface
6. La pièce est inspectée visuellement
sous un éclairage approprié

Page 27
Le pré-nettoyage est l'étape
la plus importante dans la
méthode du ressuage!!!
• Pour effectuer une inspection
fiable, les pièces doivent être
propres (absence de poussière,
de rouille, d'huile, d'écaillure, …).
• L'étape de pré-nettoyage doit
éliminer les contaminants de la
surface sans obstruer les orifices
des défauts.
Préparation de la surface

Préparation de la surface
• Détergent (savon): Méthode la plus utilisée. Avec une lingette ou une brosse à
poils doux.
• Solvant (alcool ou hydrocarbure): avec une lingette ou une brosse.
 Pour les graisses et les huiles
 Question environnementale et compatibilité avec les matériaux inspectés
• Dégraissage à la vapeur
 Nettoyage à l'intérieur des défauts (la vapeur se condense à l'intérieur du défaut et
s'égoutte dans le bassin en entraînant les contaminants)
• Détartrage
 Solution acide (hydrochlorique, nitrique, hydrofluoridrique) ou fortement alcaline
 Enlève la rouille et les oxydes
 Important de bien rincer après le nettoyage (certaines solutions alcalines détruisent la
fluorescence des pénétrants)
• Nettoyage ultrasonique (avec solvant ou détergent)
 Meilleure pénétration dans les fissures et meilleure efficacité du solvant (solution fraîche
en surface)
• Abrasion
 Très peu recommandé
Page 28

"Smearing"
• Certaines opérations d'usinage, de nettoyage ou de
traitement de surface peuvent causer l'étalement d'une
mince couche métallique à la surface d'une pièce.
• Une telle situation risque d'obstruer l'entrée des
défauts de surface et, par le fait même, cacher ces
défauts.
• L'attaque chimique de ces surfaces est parfois
requises.
Page 29
Avant ponçage
Après ponçage
Après attaque
chimique

Page 30
Procédure
surface
surface

Propriétés du pénétrant
Mouillabilité: Une bonne mouillabilité (un faible angle de contact) permet une
bonne répartition du liquide sur la pièce à inspecter (se répand uniformément en
couches très minces) et une bonne force capillaire
Visibilité: Sous un éclairage approprié, le liquide pénétrant doit ressortir de la trame
de fond. Il doit offrir un bon contraste de couleur (pigments de couleur vive) ou
de brillance (pigments fluorescents)
Viscosité: Le liquide pénétrant doit pouvoir se nettoyer facilement en surface tout
en restant captifs dans les orifices
Volatilité: Le liquide pénétrant doit avoir une volatilité réduite afin de limiter son
évaporation (1modification des performances du liquide dans son réservoir,
2séchage dans les défauts avant la révélation, 3dangerosité des vapeurs en
termes d'inflammabilité et de toxicité)
Réactivité chimique: Le liquide doit être chimiquement inerte; il ne doit pas
dégrader le matériau inspecté (dissolution, fragilisation ou corrosion). Par
exemple, les liquides pénétrants contenant de petites quantités de sulfure et/ou
d'halogène (chlorure) peuvent fragiliser certains aciers inoxydables
austénitiques, de même que des alliages de nickel ou de titane.
Page 31

• Les pénétrants visibles (Type II)
(pigmentation normalement rouge)
sont inspectés en lumière blanche.
• Les pénétrants fluorescents (Type I)
sont inspectés sous une lumière
ultraviolette dans une chambre
noire.
• Les pénétrants fluorescents sont
plus sensibles que les pénétrants
visibles parce que l'œil est plus
sensible à des variations de
luminosité que des variations de
couleur.
Visible vs fluorescent
Page 32

Page 33
Sensibilité
• Les liquides pénétrants sont formulés de façon à offrir une variété
de niveaux de sensibilité. Plus la sensibilité est élevée, plus
petits sont les orifices qui peuvent être détectés.
• Les niveaux de sensibilité sont classés de la façon suivante:
 Niveau 4 – Pénétrant ultra-sensible
 Niveau 3 – Pénétrant très sensible
 Niveau 2 – Pénétrant sensible
 Niveau 1 – Pénétrant faiblement sensible;
PSM-5 test panel
• Plus un pénétrant est sensible, plus il risque de
produire de fausses indications. Il y a donc un
compromis à faire.
• La sensibilité d'un pénétrant est évaluée grâce à
des étalons.

Page 34
• Au pinceau
• Par pulvérisation
(électrostatique ou
non)
• Par immersion
• Par écoulement
• Autres
Application du pénétrant

Page 35
Procédure
surface
3. Par capillarité, le liquide pénètre
dans les discontinuités (fissures,
porosité, …) débouchant en surface
surface

Page 36
• On doit laisser suffisamment de
temps "dwell time" au pénétrant pour
qu'il s'infiltre dans toutes les
discontinuités débouchant en surface.
• Ce temps d'imprégnation varie en
fonction du type de pénétrant, de la
température, du fini de surface de la
pièce, etc.
Imprégnation

Page 37
Procédure
surface
surface

Page 38
•Nettoyage par solvant
(méthode C)
•Pénétrants lavables à l'eau
(méthode A)
•Utilisation d'un émulsifiant
(méthode B: lipophile)
(méthode D: hydrophile)
Nettoyage de l'excès de pénétrant

Page 39
• La pièce est essuyée avec un linge sec
et propre.
• Puis, l'excédant de pénétrant est
enlevé en utilisant un linge sans
charpie, légèrement imprégné de
solvant, que l'on passe sur la surface
de la pièce.
• Le nettoyage est effectué sous un
éclairage approprié afin qu'il soit plus
facile de voir le pénétrant qui reste en
surface.
• Ces solvants sont généralement
disponibles en aérosol.
• Méthode adaptée pour de petites
régions ou pour un nombre limité de
pièces.
Nettoyage par solvant
(méthode C)

Méthode C

Page 41
• Un jet d'eau grossièrement atomisé
est utilisé pour rincer les pénétrants
lavables à l'eau.
• Les paramètres du jet sont normale-
ment:
 Température de l'eau: 50-100°F
 Pression: 20-40 psi
 Distance: ≈ 30 cm
• Méthode adaptée à de grandes
surfaces ou une grande quantité de
petites pièces.
• Possibilité d'automatisation.
Pénétrants lavables à l'eau
(méthode A)
Les pénétrants lavables à l'eau sont habituellement à base d'huile. Dans sa
formulation, un émulsifiant y est incorporé afin de le rendre lavable à l'eau.

Méthode A

Page 43
• L'émulsifiant rend le pénétrant lavable à
l'eau.
• Généralement privilégié lorsqu'il faut
éviter d'extraire le pénétrant des défauts.
• Implique des étapes additionnelles dans
le procédé ce qui résulte en des coûts
additionnels.
• On doit laisser assez de temps à
l'émulsifiant pour réagir avec le pénétrant
en surface (le rendre lavable à l'eau)
mais pas assez de temps pour qu'il
diffuse dans le pénétrant captif des
défauts.
Utilisation d'un émulsifiant
(méthode B et D)

Méthode B (lipophile)
• L’émulsifiant à base d’huile diffuse dans le
pénétrant également à base d’huile
• La durée d’émulsification est critique
• Application par immersion (vaporisation non-
recommandée)

Méthode D (hydrophile)
• Le pré-rinçage retire le surplus de pénétrant par
émulsifation mécanique
• L’émulsifiant, à base d’eau, combine un détergent et un
surfactant; le solvant dissout le pénétrant alors que le
surfactant disperse le pénétrant solubilisé (empêche le
pénétrant de se redéposer en surface)
• La durée d’émulsification est beaucoup moins critique
qu’avec un émulsifiant lipophile
• Application par immersion ou vaporisation

Page 46
Contraste de fond
• L'opérateur doit s'assurer
qu'il a enlevé tout résidu
de pénétrant en surface
afin d'obtenir un bon
contraste de fond.
• D'autres parts, il ne doit
pas lessiver la pièce avec
une quantité de solvant
trop importante.
• L'opérateur doit vérifier le
contraste sous un
éclairage approprié.
Excellent
Mauvais

Page 47
Procédure
surface
surface

Page 48
Rôles du révélateur
• Faire suinter à la surface tout pénétrant retenu dans les
discontinuités et l'étaler autour du défaut pour en augmenter la
perceptibilité.
• Produire un bon contraste entre le pénétrant et le révélateur :
 Lorsque utilisé avec un pénétrant visible, il sera normalement
blanc afin d'obtenir un bon contraste de couleur;
 Lorsque utilisé avec un pénétrant fluorescent, il ne sera pas lui-
même fluorescent afin d'obtenir un bon contraste d'intensité
lumineuse;
 Dans les deux cas, il masquera légèrement l'excès de pénétrant
qui n'a pas été correctement nettoyé.

Page 49
Sélection du révélateur
Forme:
• Poudre sèche
• Solution aqueuse (particules en suspension dans de l'eau)
• Solution non aqueuse (suspension dans un solvant volatil)

Poudre sèche (forme a)
• Avant d'appliquer le révélateur, la pièce doit être
séché dans un séchoir à recirculation d'air chaud.
• Le révélateur est appliqué par saupoudrage.
• La pièce peut également être placée dans une
chambre de déposition électrostatique.
Page 50

Page 51
Suspension aqueuse (formes b et c)
• Poudre en suspension dans de l'eau.
Doit être agitée régulièrement pour
homogénéiser la solution.
• Le révélateur est appliqué par
immersion ou par pulvérisation
lorsque la pièce est encore humide
(lavage précédent).
• La pièce doit être entièrement
recouverte puis, on doit l'égoutter afin
d'éviter les accumulation locale de
révélateur.
• La pièce est finalement séchée dans
un séchoir à recirculation d'air chaud.

Page 52
Suspension non aqueuse (formes d et e)
• Poudre en suspension dans un
solvant volatil.
• Le révélateur est appliqué par
pulvérisation sur une pièce sèche
et refroidie.
• Une mince couche uniforme doit
être appliquée. Lorsque utilisé
avec un pénétrant visible, la
couche doit être blanche et
légèrement transparente.
• Forme d: pénétrant fluorescent
Forme e: pénétrant visible

Page 53
Procédure
surface
surface

Page 54
Inspection et évaluation
• L'opérateur doit tenter d'interpréter ce
qu'il observe de façon à déterminer
l'origine des indices.
• Il doit distinguer:
 Les faux indices résultant
généralement d'une mauvaise
méthode de travail
 Les indices non pertinents causés
par une condition de surface ou une
géométrie particulière
 Les indices pertinents qui doivent
être évalués
• L'opérateur doit évaluer les indices
pertinents par rapport à des critères
de rejet pré-établis
Indices non pertinents dues
aux conditions de surface
Indices résultants d'un
perçage abusif

Page 55
Lampe à lumière noire
• Lampe utilisée pour faire briller les
pigments des liquides pénétrants
fluorescents.
• Émet des radiations dans la bande 360 à
400 nm.
• L'intensité de la lampe doit être vérifiée à
l'aide d'un photomètre.
• L'intensité de l'éclairage ambiant doit
également être contrôlée.

Page 56
Procédure
surface
surface

Nettoyage final
• Les résidus de produits utilisés doivent être enlevés :
 Révélateur
 Pénétrant
Page 57
• Autrement, la fonctionnalité de
la pièce peut être affectée :
 Réaction chimique possible
 Possibilité de corrosion
 Détérioration de l'apparence

Limites et performance

Page 59
Peut être inspecté
Presque tous les
matériaux qui ont une
surface relativement
lisse.

Page 60
Ne peut pas être inspecté
• Des pièces ayant des surfa-
ces rugueuses telles les
pièces moulées
• Les céramiques poreuses
• Le bois et les matériaux
fibreux
• Les plastiques qui absorbent ou réagissent avec les
produits utilisés
• Les pièces avec un revêtement qui empêche
l'introduction du pénétrant dans les défauts de
surface

Page 61
Défauts détectables
Défauts débouchant en surface :
Moulage
• Reprises, criques, porosités
Forgeage
• Déchirures externes, repliures
Laminage et extrusion
• Pailles, rides, feuilletage
Soudage
• Fissures, porosités, canivaux,
chevauchements, manque de
fusion

Page 62
Forme des discontinuités
Une fissure trop large risque d'être
lessivée lors de l'extraction de
l'excès de pénétrant.
Plus une fissure est serrée, plus le
pénétrant prend du temps pour y
pénétrer.
Une porosité débouchant en surface
absorbe le pénétrant rapidement et en
grande quantité en comparaison avec la
dimension de l'ouverture.

Page 63
Système d'inspection manuel
Ensemble de produits portables
Système stationnaire

Améliore la fiabilité, la reproductibilité et la productivité de l'inspection
Système d'inspection automatisé
Page 64
Application automatique des produits:
• Immersion successive dans différents
bassins
• Pulvérisation par un bras robotisé
Acquisition et analyse des images d'indication:
• Source UV et caméra avec filtre optique
• Laser et photodiode dans un système de
balayage
Laser Scanned Penetrant Inspection
(LSPITM) probes
from Laser Techniques Co. (LTC)

Page 65
Avantages
• Très sensible au discontinuités de surface
• Relativement facile à utiliser
• Peut être utilisé sur une grande variété de matériaux
et des géométries de pièces complexes
• De grandes surfaces peuvent être inspectées
rapidement et à faible coût
• Les indices apparaissent directement sur la pièce
inspectée
• Les ensembles de produits en aérosol permettent la
portabilité de la méthode

Page 66
Limitations
• Ne détecte que les défauts débouchant en surface
• Requiert des surfaces lisses et non poreuses
• Un pré-nettoyage est essentiel à des résultats fiables
• Requiert plusieurs opérations dans des conditions (temps et
température) contrôlées
• La qualité des résultats est tributaire du jugement de l'opérateur et
des soins portés à l'exécution des diverses opérations requises
• Annuellement, l'inspecteur doit passer un examen de la vue afin de
s'assurer de son acuité visuelle et de l'absence de toute forme de
déficience dans sa perception des couleurs (daltonisme)
• Manipulation, entreposage et disposition de produits chimiques
possiblement irritants, toxiques ou inflammables
• Réaction chimique possible avec certains matériaux
• Aucun enregistrement permanent des indices détectés

Spécifications et normes
• ASTM E165: Standard Practice for Liquid Penetrant Examination for General Industry
• ASTM E1208: Standard Practice for Fluorescent Liquid Penetrant Testing Using the
Lipophilic Post-Emulsification Process (Method I-B)
• ASTM E1209: Standard Practice for Fluorescent Liquid Penetrant Testing Using the Water-
Washable Process (Method I-A)
Hydrophilic Post-Emulsification Process (Method I-D)
Solvent-Removable Process (Method I-C)
• ASTM E1220: Standard Practice for Visible Penetrant Testing Using Solvent-Removable
Process (Method II-C)
• ASTM E1316: Standard Terminology for Nondestructive Examinations
• ASTM E1417: Standard Practice for Liquid Penetrant Testing
• ASTM E1418: Standard Practice for Visible Penetrant Testing Using the Water-Washable
Process (Method II-A)
• AMS2644: Inspection Material, Penetrant
• AMS2647: Fluorescent Penetrant Inspection, Aircraft and Engine Component Maintenance
• ISO 3452: Non-destructive testing -- Penetrant testing
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