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Contrôles non destructifs E-1
E. TECHNIQUES DES CONTROLES NON DESTRUCTIFS
1. Défauts externes
En dehors de l'examen visuel ou d'une recherche des défauts à l'aide d'une loupe, nous
disposons d'autres méthodes simples et efficaces, comme celle des liquides pénétrants (essai
de ressuage) ou le contrôle magnétique (magnétoscopie).
1.1 Essai de ressuage
Cet essai permet de déceler les défauts qui apparaissent à la surface. Il est appliqué dans le cas
des matériaux non magnétiques (alliages à base d'Al, de Cu, de Ti, aciers inoxydables, etc.).
Son mode d'emploi est très simple. La pièce à examiner est badigeonnée de pétrole léger,
coloré ou contenant une poudre fluorescente. Au lieu du pétrole léger tout autre liquide
pénétrant, c.-à-d. de faible tension superficielle, peut aussi rendre le même service. Après
pénétration capillaire, la surface est essuyée. Pour le cas d'un liquide fluorescent la résurgence
du liquide à partir des fissures et des porosités est rendu visible par un éclairage aux rayons
ultraviolets. Les fissures contenant du liquide coloré sont rendues visibles par une couche de
talc, qu'on applique sur la pièce à l'aide d'un spray, qui ensuite absorbe le liquide coloré en se
teignant. L'observation, dans ce cas, se fait à l’œil nu. Les traces colorées indiquent les
endroits où il y a des fissures.
Fig. 1 Les contrôles par ressuage
1.2 Contrôle magnétique
Cette méthode se base sur les forces magnétiques et ne permet de mettre en évidence que des
défauts situés à la surface des matériaux magnétiques. En magnétisant la pièce à contrôler, les
lignes de forces sont perturbées à l'endroit de chaque discontinuité dans les propriétés
magnétiques (fissure ou inclusion non-magnétique). Les petites particules de fer d'une
suspension de limaille de fer (révélateur), répandue sur la surface, se concentrent là où les
lignes de forces émergent.
Contrôles non destructifsE-2
Fig. 2 Le contrôle magnétique
2. Défauts internes
L'examen non destructif des défauts internes est surtout réalisé avec des rayons X, γ et les
ondes ultrasoniques.
2.1 Radiographie par rayons X et γ
Les rayons X et γ sont des ondes électromagnétiques comme les faisceaux lumineux
ordinaires, mais ils ont une longueur d'onde (λ) sensiblement inférieure et une énergie de
rayonnement supérieure aux rayons lumineux.
Fig. 3 Echelle des ondes électromagnétiques
L'énergie de rayonnement élevée confère aux rayons X et γ la propriété de pouvoir pénétrer et
de traverser des corps opaques à la lumière ordinaire. La transparence n'est cependant pas
parfaite. A l'intérieur de la matière, l'intensité diminue selon la loi d'absorption
€
I = I0e−µd
.
I0 et I sont respectivement l'intensité incidente et l'intensité émergente. d est le chemin
effectivement parcouru dans la matière, sans tenir compte de l'épaisseur des cavités présentes,
et est µ le coefficient d'absorption. Le coefficient d'absorption dépend du matériau et de la
longueur d'onde du rayonnement utilisé. Il augmente très fortement avec le numéro atomique
des éléments chimiques constituant le matériau absorbant et diminue avec l'énergie du
Contrôles non destructifs E-3
rayonnement. L'uranium (92) et le plomb (82) absorbent donc plus fortement que le fer (26)
ou l'aluminium (13), d'autre part les rayons γ pénètrent plus profondément que les rayons X.
Fig. 4 Absorption des rayons X et noircissement de la plaque photographique
2.1.1 Méthode des rayons X
La fig. 5 montre le principe de construction du tube à rayons X. Une tension de quelques
dizaines voire centaines de kV accélère les électrons sortant de la cathode et les dirigent vers
l'anode. Les électrons freinés dans l'anode transforment leur énergie cinétique en énergie de
rayonnement. Ils émettent une radiation continue, à laquelle se superposent les raies
caractéristiques émises par le métal formant l'anode.
Fig. 5 Schéma de l'installation: tube à rayons X, alimentation et pièce à
examiner
Contrôles non destructifsE-4
Caractéristiques du spectre
- Limite nette pour une valeur maximale de l'énergie de rayonnement qui, exprimée en eV
(volts électroniques), correspond exactement à la tension U appliquée en volts. La
longueur d'onde correspondante à cette énergie vaut
€
λ0 =
1.24
U(kV)
- Cette limite se déplace vers des longueurs d'ondes plus courtes ou des rayons X plus
"durs" voire plus élevés en énergie lorsqu'on augmente la tension U.
- L'intensité du spectre continu est maximale pour
€
λm = 2λ0 .
L'intensité totale de la radiation émise (intégrale du spectre
€
I(λ)dλ∫ ) dépend du matériau de
l'anode et de la tension électrique appliquée, mais elle ne dépasse pas 1 à 5 % de la puissance
fournie (N = UI). La grande majorité de l'énergie électrique est transformée en chaleur et il est
donc nécessaire de refroidir l'anode à l'eau.
Fig. 6 Spectre des rayons X
2.1.2 Méthode des rayons γ
On emploie aussi en radiographie des sources d'émission radioactives à base d'isotopes Co60
,
Ir192
et Cs177
. Les transformations nucléaires dans ces isotopes sont accompagnées d'une
émission de rayons γ. Ces derniers ne sont rien d'autre que des rayons X d'origine nucléaire.
Leur spectre d'émission est strictement monochromatique (une seule énergie de
rayonnement). En raison du danger que présentent les substances radioactives les intensités
des sources γ sont maintenues faibles par rapport à celles des rayons X. Cela implique souvent
des temps de pose très longs, notamment pour le contrôle d'épaisseurs importantes. Cette
méthode a l'avantage de ne pas employer d'alimentation électrique et en raison de la petite
Contrôles non destructifs E-5
taille de la source radioactive (~mm3
), on peut facilement contrôler des pièces de forme
complexe, auxquelles il ne serait pas possible d'accéder avec un tube à rayons X.
2.1.3 Paramètres de travail
Le choix optimal des paramètres de travail tels que la distance entre le foyer et le film, la
tension et le courant anodiques ainsi que le temps de pose pour une éprouvette donnée (forme,
épaisseur, alliage), nécessite une bonne expérience et quelque fois des essais préliminaires.
Les doses de rayonnement X ou γ misent en jeu pour le contrôle non destructif des matériaux
sont en général plus élevées que celles couramment appliquées pour les diagnostics en
médecine. Des précautions de sécurité contre ces radiations sont donc impératives.
2.2 Contrôle des matériaux par ultrasons
2.2.1 Généralités
Les ultrasons sont des ondes acoustiques ou élastiques dont la fréquence est supérieure à celle
des sons audibles par l'oreille humaine et inférieure aux vibrations thermiques des atomes. Les
sons audibles sont compris entre 10 et 20000 Hz et la gamme de vibrations thermiques s'étend
de 109
à 1013
Hz (1 GHz - 10 THz). Les fréquences utilisées lors d'examens aux ultrasons ne
comprennent pas toute la gamme des ultrasons, mais varient entre 0,5 à 12 MHz. Pour un
solide ayant une vitesse de son c de 5000 m/s ceci correspond à l'intervalle des longueurs
d'ondes (λ = c/ν) de 1 cm à 0.4 mm. La limite inférieure de 0.5 MHz est déterminée par la
perte totale en résolution des défauts qui ont une taille inférieure à la longueur d'onde. Dans
les solides (vitesse du son c ≈ 5000 m/s), une onde d'une fréquence de 0,5 MHz ne permet que
de percevoir les défauts qui sont plus grands qu'un centimètre. En général on s'intéresse aussi
à des défauts beaucoup plus petits. L'augmentation de fréquence qui s'impose alors, à comme
effet d'augmenter l'absorption et donc de limiter la profondeur accessible aux ultrasons.
Fig. 7 Echelle des ondes élastiques. Les longueurs d'ondes sont données
pour un solide ayant une vitesse du son de 5000 m/s.
Contrôles non destructifsE-6
2.2.2 Propagation, absorption, réflexion et réfraction des ultrasons
Dans un milieu homogène, les ultrasons se propagent de manière rectiligne. La vitesse de
propagation c (vitesse du son) dépend du milieu traversé (densité, modules élastiques) et des
dimensions géométriques si celles-ci sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde.
De plus, elle n'est pas la même pour les ondes longitudinales que pour les ondes transversales
(=ondes de cisaillement). Dans les solides la vitesse des ondes transversales est
approximativement la moitié de celle des ondes longitudinales.
Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs. Notez les grandes différences entre les gaz, les
liquides et les solides.
cL [m/s]
(ondes longitudinales)
cT [m/s]
(ondes transversales)
Air 340
Eau 1480
non transmise en raison de
l'absorption excessive
Aluminium 6300 3080
Fe et aciers 5900 3220
Laiton 4400 2120
L'atténuation des ondes ultrasonores suit la même loi que celle de l'absorption des rayons X
lorsqu'on substitue l'intensité par l'amplitude de l'onde. Le coefficient d'absorption µ dépend
des propriétés anélastiques et viscoélastiques du matériau et augmente généralement avec la
fréquence. L'atténuation des ultrasons, dans la gamme de fréquence utilisée pour le contrôle
non destructif, est nettement moins forte que celles des rayons X ou γ. Dans le fer, p. ex.,
l'atténuation des ultrasons devient importante après quelques mètres, alors que les rayons X se
trouvent pratiquement absorbés après quelques centimètres.
La réflexion et la réfraction des ultrasons, lors d'un changement de milieu (interface ou
surface), sont plus complexes que celles des rayons lumineux (= ondes transversales
uniquement). Une onde ultrasonore longitudinale incidente sous un angle oblique α sur une
interface se divise en deux ondes réfléchies et en deux ondes transmises. Chaque paire
comprend une onde longitudinale et une onde transversale. L'onde transversale transmise est
supprimée pour une incidence normale et l'onde longitudinale transmise disparaît si α dépasse
un angle critique qui dépend du rapport des vitesses du son cL dans les deux milieux
considérés. Cet effet est utilisé par les palpeurs à incidence oblique.
Contrôles non destructifs E-7
Fig. 8 Réfraction et réflexion des ondes ultrasoniques
Pour le contrôle par ultrasons, on utilise normalement les ondes longitudinales en incidence
normale et les ondes transversales en incidence oblique (au-delà de l'angle critique). Pour une
incidence normale, le coefficient de réflexion R, défini comme le rapport entre l'amplitude de
l'onde réfléchie AR et l'amplitude de l'onde incidente AI est donné par
€
R =
AR
AI
=
ρ1 c1 − ρ2c2
ρ1 c1 + ρ2c2
ρ1 et ρ2 sont les masses volumiques et c1 et c2 les vitesses du son (longitudinales ou
transversales selon le type de l'onde). Le produit ρ·c est appelé impédance acoustique.
On en déduit facilement que la réflexion est quasiment totale, c.-à-d. que R ≈ 1, pour une
fissure (= interface solide-air ou solide-vide), et que, en raison de la conservation de l'énergie
transportée par les ondes, l'amplitude de l'onde transmise devient très petite. Pour les rayons X
et γ, par contre, on aura selon une loi semblable, utilisant l'indice de réfraction au lieu de
l'impédance acoustique, une réflexion négligeable.
Le pouvoir réflecteur élevé d'une fissure est à l'origine de la grande sensibilité des ultrasons
pour la détection des défauts des matériaux. Malheureusement, le coefficient de réflexion
élevé pose aussi des problèmes dans la pratique. En général, les ultrasons sont excités par des
sondes placées à la surface de la pièce à contrôler. En raison de la rugosité de surface, le
contact n'est pas parfait. La couche d'air présent à l'interface, entre la sonde et la pièce,
réfléchit fortement l'onde et ne la laisse pas passer. Pour améliorer le couplage entre sonde et
pièce, on doit appliquer un agent de contact (graisse, eau, huile) sur la surface et veiller à ce
qu'ils ne se forment pas de bulles sous la sonde. La valeur plus élevée de l'impédance
acoustique ρ·c des liquides fait diminuer le coefficient de réflexion à des valeurs acceptables.
2.3.3 Emission et détection d'ultrasons
L'émission et la détection d'ondes ultrasonores se réalise très facilement grâce à l'effet piézo-
électrique. Certains matériaux anisotropes, comme p. ex. le quartz monocristallin, ainsi que
les matériaux ferroélectriques, tels que le titanate de baryum et le titanate de plomb, possèdent
Contrôles non destructifsE-8
la propriété de se déformer sous l'effet d'un champ électrique (effet piézo-électrique direct).
Les déformations sont de l'ordre de 0,1 nm par Volt appliqué aux électrodes. Une tension
électrique alternative, appliquée aux électrodes, fait vibrer le transducteur piézoélectrique. Les
vibrations, ainsi créées, se transmettent à tout solide en contact avec le transducteur et vont se
propager dans celui-ci avec la vitesse du son caractéristique de ce milieu.
Réciproquement, une compression ou une dilatation d'un matériau piézoélectrique, provoquée
par une onde incidente, fait apparaître des charges électriques sur les électrodes qui se
mesurent facilement par la tension créée entre les électrodes (effet piézoélectrique inverse).
L'effet inverse peut alors servir pour la détection d'ondes. Il suffit pour cela de remplacer dans
la fig. 9 la tension d'alimentation par un oscilloscope.
Fig. 9 Emission d'une onde élastique longitudinale
2.2.4 Les palpeurs pour le contrôle aux ultrasons
Le contrôle aux ultrasons s'effectue le plus souvent avec un palpeur à incidence normale ou
un palpeur à incidence oblique
- Les palpeurs à incidence normale émettent des ondes longitudinales avec comme
direction de propagation la normale à la surface.
Fig. 10 Palpeur pour ondes longitudinales
Contrôles non destructifs E-9
Fig. 11 Palpeur pour ondes transversales
- Les palpeurs d'angle émettent des ondes transversales dont la direction de propagation
est inclinée par rapport à la normale de la surface. Pour l'excitation de ce type d'onde,
on utilise le fait qu'une onde longitudinale, créée dans le palpeur, se divise en une
onde transversale et une onde longitudinale lors de la réfraction à l'interface entre le
palpeur et la pièce. Pour faciliter l'interprétation des échos, on choisit l'angle
d'incidence de manière à ce que seule l'onde transversale puisse exister. L'onde qui est
réfléchie à l'interface et reste dans la sonde doit être amortie dans le bloc d'atténuation
pour éviter d'éventuels échos fantômes.
Les palpeurs d'angle s'emploient surtout pour sonder les cordons de soudures. La surface
irrégulière du cordon lui-même empêche normalement un contact satisfaisant avec un palpeur
normal. L'angle d'incidence β dépend de la construction et du matériau du palpeur ainsi que
du matériau de la pièce à sonder. La valeur indiquée sur le boîtier (angles standards 35°, 45°,
60°, 70°, 80°) est valable uniquement pour les aciers. En contact avec un autre matériau, le
même palpeur donne un angle différent (voir tableau).
Conversion des angles d'incidence β pour les ondes transversales.
Angles indiqués sur les palpeurs et valables pour les aciers p. ex: 45° 70°
donnent dans:
Al 42,5° 64°
Cu 30° 41°
Fonte grise 28,5° 39°
Le champ de rayonnement d'un palpeur
La sonde émet un faisceau présentant un angle de divergence. Le champ de rayonnement peut
être décomposé en un champ proche de longueur NS et un champ éloigné. La grandeur du
champ proche dépend du diamètre de l'émetteur D et de la longueur d'onde du rayonnement
ultrasonique.
Contrôles non destructifsE-10
Fig. 12 Champ rapproché et champ éloigné de l'onde ultrasonique
Un défaut placé dans le champ éloigné donnera un écho dont l'amplitude diminuera avec le
carré de la distance r du capteur (1/r2
). Par contre, si ce défaut se trouve dans le champ proche,
l'amplitude de l'écho ne peut plus être exprimée par une fonction simple de r. Elle dépend
d'effets d'interférence.
Quelques valeurs de Ns et de γ pour l'eau, l'acier et l'aluminium
Eau Acier - Aluminium
f [MHz] D [mm] γ [° ] NS [mm] γ [° ] NS [mm]
1 34 2,70 220 11 55
2 24 2,20 215 7,80 54
4 10 2,30 76 9,30 19
6 10 1,60 114 6,20 28
Caractéristiques des palpeurs
La précision des sondages dépend beaucoup du choix de la sonde et en particulier de sa
fréquence de résonance. Sa valeur est d'habitude indiquée sur le boîtier du palpeur. Ses
caractéristiques principales sont la sensibilité et son pouvoir de résolution.
- La sensibilité est le rapport entre l'intensité de l'écho pour un défaut de taille donnée
(étant donné un contact parfait à l'interface) et l'intensité d'émission.
- Le pouvoir de résolution est défini comme la finesse des impulsions ou encore par la
distance minimum entre deux défauts qui peuvent encore être distingués.
Les sondes à basse fréquence (0,5 - 1 MHz) ont les caractéristiques suivantes:
- une faible sensibilité pour les petits défauts (λ trop grand)
- un manque de sensibilité en proximité de la surface sous le capteur.
Contrôles non destructifs E-11
Ces sondes conviennent pour l'étude des matériaux aux microstructures grossières et pour la
détection des défauts à grande distance. Les matériaux aux microstructures grossières
absorbent très fortement les ondes à haute fréquence.
Les sondes à haute fréquence (2 - 6 MHz) ont les caractéristiques suivantes:
- une bonne sensibilité pour les petits défauts
- un bon pouvoir de résolution
- le faisceau sonore est concentré et de ce fait indique précisément la position du défaut.
Ces sondes ne peuvent balayer de grandes distances (en général limitées à 1 m) que dans des
matériaux homogènes et peu absorbants. Elles exigent un bon état de surface.
Les palpeurs construits avec des matériaux ferroélectriques, comme le BaTiO3 ou le PbZrO3-
PbTiO3 (= PZT), sont plus sensibles et ont un pouvoir de résolution plus élevé que les
palpeurs construits avec un monocristal de quartz. Ceci s'explique par le fait que les matériaux
ferroélectriques mentionnés ci-dessus, transforment davantage d'énergie électrique en énergie
mécanique.
2.2.5 Principe du sondage par ultrasons
Le sondage par ultrasons peut servir à plusieurs buts:
- Détection de défauts de toutes sortes (fissures, inclusions, porosités)
- Mesure de profondeur ou épaisseur (par exemple: pièce dont un seul côté est
accessible, sondage des fonds marins etc.)
- Mesure des constantes élastiques par l'intermédiaire d'une mesure de la vitesse du son.
- Sondage médical (échographie), etc.
Les intensités couramment utilisées en contrôle non destructif et en sondage médical sont de
l'ordre de 1 mW/cm2
et ne sont pas dangereuses. Cependant, l'exposition à des intensités
dépassant 1 W/cm2
comme on les utilise dans les bains à ultrasons pour le nettoyage et pour la
soudure des polymères peuvent causer des traumatismes et des graves lésions.
Mesure des constantes élastiques
Comme la vitesse du son dans les milieux solides ne dépend pratiquement pas de la fréquence
en dessous de quelques MHz, il est possible de déterminer les constantes élastiques par
l'intermédiaire du temps de transmission d'une impulsion. Il est, néanmoins, très important de
bien vérifier que les dimensions latérales de l'échantillon sont soit beaucoup plus grandes ou
soit beaucoup plus petites que la longueur d'onde moyenne de l'impulsion (voir ondes
extensionnelles ci dessus).
Contrôles non destructifsE-12
Selon le type d'onde (voir fig. 13) les relations suivantes sont valables:
Ondes longitudinales dans un milieu étendu
€
cL =
E(1−ν)
ρ(1+ν)(1− 2ν)
E = module d'élasticité
ν = coefficient de Poisson
Ondes transversales dans un milieu étendu
€
cT =
G
ρ
=
E
2ρ(1+ν)
G = module de cisaillement
ρ = densité du matériau
Ondes extensionnelles: Les ondes extensionnelles sont des ondes longitudinales avec
contraction latérale
€
εlatérale = −νεlong . Les contraintes latérales s'annulent comme dans un essai
de traction. Pour les ondes longitudinales dans un milieu étendu, la matière, entourant le
faisceau, empêche la contraction latérale (
€
εlatérale = 0) et les contraintes latérales ne s'annulent
pas. Les ondes extensionnelles ne peuvent s'établir que sur des barres dont le diamètre Ø est
très inférieur à la longueur d'onde λ. Dans les cas intermédiaires, entre barre mince et milieu
étendu, la déformation transversale n'est que partielle et la vitesse du son dépend aussi du
diamètre et de la fréquence.
€
cE =
E
ρ
cE = vitesse des ondes extensionnelles.
Ondes qui se propagent le long d'un fil
ayant une longueur d'onde beaucoup plus
petit que le diamètre.
Fig. 13 a) Ondes longitudinales dans un milieu étendu. b) Ondes transversales
dans un milieu étendu, c) Ondes extensionnelles. d) Ondes de flexion.
e) Ondes de surface.
Contrôles non destructifs E-13
Détection des défauts
Pour la détection des défauts, on emploie principalement la méthode par réflexion. La sonde a
le double emploi d'émetteur et de récepteur. Tout changement de milieu sera repéré par l'écho
qu'il provoque. On peut donc situer la position du défaut à l'intérieur de la pièce.
La méthode par transmission nécessite deux palpeurs, un émetteur et un récepteur, la pièce
doit avoir au moins deux surfaces parallèles. Une troisième méthode (méthode de résonance)
est basée sur l'influence qu'ont les défectuosités sur les fréquences de résonance d'une pièce.
Une assiette contenant une fissure sonne différemment qu'une assiette parfaite quand on
frappe dessus. Pour appliquer cette méthode, il faut, comme dans l'exemple de l'assiette,
posséder des pièces de référence tout à fait identiques à l'exception des défauts. La méthode
est très puissante mais n'est utilisable que pour le contrôle d'une série d'objets tout à fait
identiques.
2.2.6 L'appareil à ultrasons
Par l'intermédiaire d'une décharge électrique l'émetteur produit une impulsion d'une durée de
quelques nanosecondes et d'une tension de pointe d'environ 1000 volts. Le transducteur
piezoélectrique la transforme en une impulsion élastique qui se propage sous forme d'un train
d'ondes ultrasonores dans l'éprouvette. On entend par train d'ondes, un ensemble d'ondes de
différentes fréquences qui toutes superposées donne la forme de l'impulsion. Après réflexion,
le transducteur retransforme l'impulsion ultrasonore en un signal électrique. En raison des
pertes d'énergie subies lors des transformations, des passages d'interfaces, de la réflexion et de
l'absorption dans la pièce à contrôler, ce signal ressort beaucoup plus faible que l'impulsion
d'émission. Il nécessite donc une amplification pour pouvoir être observé. Le comportement
du faisceau ultrasonore est analysé à l'aide d'un tube cathodique qui enregistre verticalement
l'amplitude de l'onde ultrasonore et horizontalement le temps (fig. 14). C'est l'impulsion
d'émission qui déclenche la tension de déflexion horizontale du tube cathodique.
Fig. 14 Principe du sondage par ultrasons
Contrôles non destructifsE-14
On voit alors sur l'écran l'impulsion d'émission (signal très fort) et à sa droite (c'est-à-dire
après un certain temps) un ou plusieurs échos. Toute modification de la forme de l'écho, par
rapport à la forme du signal d'émission, s'explique par l'atténuation et l'amplification sélective
(filtres électroniques) de certaines fréquences dans le paquet d'ondes formant l'impulsion.
La vitesse du son étant constante dans un matériau, l'axe horizontal représente également le
chemin parcouru (aller et retour) par l'onde ultrasonore. On peut alors, pour un matériau
donné, calibrer l'axe horizontal directement en unités (mm, cm) indiquant la profondeur où a
eu lieu la réflexion. Dans ce but, les oscilloscopes prévus pour le contrôle aux ultrasons sont
dotés d'un potentiomètre qui permet de sélectionner la vitesse du son du matériau à examiner
(vitesse des ondes longitudinales ou transversales selon palpeur). Si on ne connaît pas la
vitesse du son (p. ex. alliage inconnu), on déplace l'impulsion d'un écho revenant de la surface
opposée et dont on connaît la profondeur jusqu'à ce que cet écho soit à sa juste position sur
l'axe horizontal. La position du bouton indique maintenant la vitesse du son.
Fig. 15 Réflexion d'une onde sur une arête
Pour les palpeurs d'angle (fig. 15), ce deuxième procédé de calibrage est légèrement différent
parce qu'une surface opposée et parallèle ne réfléchit pas en direction du palpeur. Dans ce cas,
on cherche l'écho d'une arête qui se produit après deux réflexions (effet miroir). Selon les
préférences du contrôleur, l'axe horizontal peut être calibré pour mesurer la distance effective
d, la distance horizontale h ou la profondeur p.
Description des réglages de l'appareil à ultrasons
Interrupteur - Focalisation Interrupteur principal, focalisation du faisceau électronique dans le
tube cathodique.
Point-zéro déplace l'impulsion d'émission et l'écho par rapport à l'échelle graduée sur l'écran.
A ajuster de manière à ce que le début de la montée de l'impulsion d'émission (le point le plus
précisément défini de l'impulsion) soit au point-zéro de l'axe horizontal.
Contrôles non destructifs E-15
Fig. 16 Dispositif de mesure pour le sondage par ultrason
Vitesse du son sert à calibrer les profondeurs des échos sur les distances indiquées à l'écran
(voir plus haut).
Distances Choix de la distance à représenter sur la largeur de l'écran (10 cm, 25 cm, 1 m, 5 m
ainsi que les doubles (x 2) et les moitiés (x 0,5)).
Puissance et amplification règlent la tension de l'impulsion d'émission et l'amplification du
signal électrique après réception. Il faut essayer de trouver un réglage qui permet d'empêcher
des indications perturbatrices telles que les échos de l'impulsion précédente, autres vibrations
présentes et bruit de fond qui se manifestent sous forme "d'herbe" sur l'axe horizontal de
l'écran. En général, il suffit d'avoir un écho du fond de la hauteur de l'écran.
L'amplification étalonnée sert à déterminer la taille d'un défaut. Pour un matériau et palpeur
donné, l'amplitude de l'écho dépend avant tout de la distance et de la taille du défaut. Pour
pouvoir appliquer cette méthode, il faut d'abord mesurer l'amplitude de l'écho d'un assez
grand nombre de défauts dont on connaît exactement la taille et la distance (p.ex. trous percés)
et établir un graphique. La méthode n'est malheureusement pas très précise car l'écho dépend
aussi de l'impédance acoustique et de la forme du défaut (plane, irrégulière, sphérique). De
plus, il est extrêmement difficile de maintenir un couplage constant (c'est-à-dire un contact
parfait) entre palpeur et pièce à sonder. Un remède pour ce dernier problème est de bien polir
la surface de la pièce et de la submerger avec le palpeur dans un liquide.
Fréquence Détermine la largeur de bande de l'amplificateur. A ajuster normalement à la
valeur de la fréquence indiquée sur le palpeur. Notez que l'émetteur électrique émet des
impulsions et non pas des ondes de fréquences monochromatiques. L'impulsion d'émission
consiste en une impulsion de durée très courte que l'on peut aussi décrire par une somme
d'ondes de différentes fréquences et dont les amplitudes sont données par le spectre de Fourier
Contrôles non destructifsE-16
de l'impulsion. Pour une impulsion de durée τ ce spectre s'étend de 0 Hz jusqu'à des
fréquences d'environ 1/τ ≈ plusieurs MHz. Afin de correctement reconstituer la forme des
échos (montée et largeur initiale) qui résultent de cette impulsion, la bande passante de
l'amplificateur doit être plus large que la largeur de ce spectre. Or les amplificateurs à large
bande passante souffrent du désavantage qu'ils amplifient aussi tout le bruit de fond. Ce
dernier se manifeste à l'écran sous forme de "l'herbe" qui pousse sur la ligne de base. A forte
amplification ceci peut complètement brouiller le signal dû à l'écho. Une limitation modérée
de la largeur de bande passante élargit légèrement les échos mais les maintient clairs.
Un élargissement de l'impulsion résulte aussi lorsque l'amortissement des ultrasons est
importante et en conséquence la vitesse du son varie avec la fréquence. Ce phénomène, appelé
dispersion, vient du fait que les ondes partielles du spectre de Fourier n'arrivent plus en même
temps à un endroit donné et reconstituent donc un signal qui ne ressemble pas exactement au
signal émis.
Interprétation de quelques cas particuliers
"Herbe" sur l'axe horizontal (bruit de fond). La puissance d'émission et/ou l'amplification sont
trop élevées
Grand nombre d'échos dus à une microstructure grossière (fontes) ou matériau composite. Les
joints de grains réfléchissent et empêchent l'onde de traverser la pièce. Choisissez un palpeur
de fréquence plus faible.
Contrôles non destructifs E-17
Echo de fond disparaissant lors du balayage avec le palpeur. Défaut avec surface limite plane
qui est incliné par rapport à la direction d'incidence. Le faisceau réfléchi ne revient plus vers
le palpeur et se perd dans l'éprouvette. Utilisez un palpeur d'angle pour localiser l'endroit
exact du défaut.
Plusieurs échos avec séparation identique et amplitude décroissante provoqués par une surface
limite réfléchissant fortement. Le faisceau va et vient plusieurs fois entre palpeur et surface
réfléchissante. L'amplitude décroît en raison de l'amortissement et des pertes par réflexion. Il
peut aussi arriver qu'un écho de l'impulsion précédente revienne après émission d'une
deuxième impulsion (échos fantômes).
Echo d'un défaut à proximité de la surface. Augmentez la fréquence supérieure de la bande
passante pour amincir l'impulsion d'émission.
Contrôles non destructifsE-18
3. L'expérience
Cette expérience a comme objectif de démontrer les différentes techniques de contrôles non
destructifs, ainsi que l'application des ultrasons pour la détermination du module d'élasticité.
En particulier, nous proposons l'examen par ultrasons des pièces contenant des défauts.
4. Bibliographie
Ultrasonic methods of non-destructive testing
- Jack Blitz and Geoff Simpson, Chapman & Hall 1996
Le contrôle non destructif par ultrasons
- Jean Perdijon, Hermes 1993
Ultrasonic testing of materials
- Josef Krautkraemer, Herbert Krautkraemer, Ed.4, Springer,1990

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contrôle non destructif

  • 1. Contrôles non destructifs E-1 E. TECHNIQUES DES CONTROLES NON DESTRUCTIFS 1. Défauts externes En dehors de l'examen visuel ou d'une recherche des défauts à l'aide d'une loupe, nous disposons d'autres méthodes simples et efficaces, comme celle des liquides pénétrants (essai de ressuage) ou le contrôle magnétique (magnétoscopie). 1.1 Essai de ressuage Cet essai permet de déceler les défauts qui apparaissent à la surface. Il est appliqué dans le cas des matériaux non magnétiques (alliages à base d'Al, de Cu, de Ti, aciers inoxydables, etc.). Son mode d'emploi est très simple. La pièce à examiner est badigeonnée de pétrole léger, coloré ou contenant une poudre fluorescente. Au lieu du pétrole léger tout autre liquide pénétrant, c.-à-d. de faible tension superficielle, peut aussi rendre le même service. Après pénétration capillaire, la surface est essuyée. Pour le cas d'un liquide fluorescent la résurgence du liquide à partir des fissures et des porosités est rendu visible par un éclairage aux rayons ultraviolets. Les fissures contenant du liquide coloré sont rendues visibles par une couche de talc, qu'on applique sur la pièce à l'aide d'un spray, qui ensuite absorbe le liquide coloré en se teignant. L'observation, dans ce cas, se fait à l’œil nu. Les traces colorées indiquent les endroits où il y a des fissures. Fig. 1 Les contrôles par ressuage 1.2 Contrôle magnétique Cette méthode se base sur les forces magnétiques et ne permet de mettre en évidence que des défauts situés à la surface des matériaux magnétiques. En magnétisant la pièce à contrôler, les lignes de forces sont perturbées à l'endroit de chaque discontinuité dans les propriétés magnétiques (fissure ou inclusion non-magnétique). Les petites particules de fer d'une suspension de limaille de fer (révélateur), répandue sur la surface, se concentrent là où les lignes de forces émergent.
  • 2. Contrôles non destructifsE-2 Fig. 2 Le contrôle magnétique 2. Défauts internes L'examen non destructif des défauts internes est surtout réalisé avec des rayons X, γ et les ondes ultrasoniques. 2.1 Radiographie par rayons X et γ Les rayons X et γ sont des ondes électromagnétiques comme les faisceaux lumineux ordinaires, mais ils ont une longueur d'onde (λ) sensiblement inférieure et une énergie de rayonnement supérieure aux rayons lumineux. Fig. 3 Echelle des ondes électromagnétiques L'énergie de rayonnement élevée confère aux rayons X et γ la propriété de pouvoir pénétrer et de traverser des corps opaques à la lumière ordinaire. La transparence n'est cependant pas parfaite. A l'intérieur de la matière, l'intensité diminue selon la loi d'absorption € I = I0e−µd . I0 et I sont respectivement l'intensité incidente et l'intensité émergente. d est le chemin effectivement parcouru dans la matière, sans tenir compte de l'épaisseur des cavités présentes, et est µ le coefficient d'absorption. Le coefficient d'absorption dépend du matériau et de la longueur d'onde du rayonnement utilisé. Il augmente très fortement avec le numéro atomique des éléments chimiques constituant le matériau absorbant et diminue avec l'énergie du
  • 3. Contrôles non destructifs E-3 rayonnement. L'uranium (92) et le plomb (82) absorbent donc plus fortement que le fer (26) ou l'aluminium (13), d'autre part les rayons γ pénètrent plus profondément que les rayons X. Fig. 4 Absorption des rayons X et noircissement de la plaque photographique 2.1.1 Méthode des rayons X La fig. 5 montre le principe de construction du tube à rayons X. Une tension de quelques dizaines voire centaines de kV accélère les électrons sortant de la cathode et les dirigent vers l'anode. Les électrons freinés dans l'anode transforment leur énergie cinétique en énergie de rayonnement. Ils émettent une radiation continue, à laquelle se superposent les raies caractéristiques émises par le métal formant l'anode. Fig. 5 Schéma de l'installation: tube à rayons X, alimentation et pièce à examiner
  • 4. Contrôles non destructifsE-4 Caractéristiques du spectre - Limite nette pour une valeur maximale de l'énergie de rayonnement qui, exprimée en eV (volts électroniques), correspond exactement à la tension U appliquée en volts. La longueur d'onde correspondante à cette énergie vaut € λ0 = 1.24 U(kV) - Cette limite se déplace vers des longueurs d'ondes plus courtes ou des rayons X plus "durs" voire plus élevés en énergie lorsqu'on augmente la tension U. - L'intensité du spectre continu est maximale pour € λm = 2λ0 . L'intensité totale de la radiation émise (intégrale du spectre € I(λ)dλ∫ ) dépend du matériau de l'anode et de la tension électrique appliquée, mais elle ne dépasse pas 1 à 5 % de la puissance fournie (N = UI). La grande majorité de l'énergie électrique est transformée en chaleur et il est donc nécessaire de refroidir l'anode à l'eau. Fig. 6 Spectre des rayons X 2.1.2 Méthode des rayons γ On emploie aussi en radiographie des sources d'émission radioactives à base d'isotopes Co60 , Ir192 et Cs177 . Les transformations nucléaires dans ces isotopes sont accompagnées d'une émission de rayons γ. Ces derniers ne sont rien d'autre que des rayons X d'origine nucléaire. Leur spectre d'émission est strictement monochromatique (une seule énergie de rayonnement). En raison du danger que présentent les substances radioactives les intensités des sources γ sont maintenues faibles par rapport à celles des rayons X. Cela implique souvent des temps de pose très longs, notamment pour le contrôle d'épaisseurs importantes. Cette méthode a l'avantage de ne pas employer d'alimentation électrique et en raison de la petite
  • 5. Contrôles non destructifs E-5 taille de la source radioactive (~mm3 ), on peut facilement contrôler des pièces de forme complexe, auxquelles il ne serait pas possible d'accéder avec un tube à rayons X. 2.1.3 Paramètres de travail Le choix optimal des paramètres de travail tels que la distance entre le foyer et le film, la tension et le courant anodiques ainsi que le temps de pose pour une éprouvette donnée (forme, épaisseur, alliage), nécessite une bonne expérience et quelque fois des essais préliminaires. Les doses de rayonnement X ou γ misent en jeu pour le contrôle non destructif des matériaux sont en général plus élevées que celles couramment appliquées pour les diagnostics en médecine. Des précautions de sécurité contre ces radiations sont donc impératives. 2.2 Contrôle des matériaux par ultrasons 2.2.1 Généralités Les ultrasons sont des ondes acoustiques ou élastiques dont la fréquence est supérieure à celle des sons audibles par l'oreille humaine et inférieure aux vibrations thermiques des atomes. Les sons audibles sont compris entre 10 et 20000 Hz et la gamme de vibrations thermiques s'étend de 109 à 1013 Hz (1 GHz - 10 THz). Les fréquences utilisées lors d'examens aux ultrasons ne comprennent pas toute la gamme des ultrasons, mais varient entre 0,5 à 12 MHz. Pour un solide ayant une vitesse de son c de 5000 m/s ceci correspond à l'intervalle des longueurs d'ondes (λ = c/ν) de 1 cm à 0.4 mm. La limite inférieure de 0.5 MHz est déterminée par la perte totale en résolution des défauts qui ont une taille inférieure à la longueur d'onde. Dans les solides (vitesse du son c ≈ 5000 m/s), une onde d'une fréquence de 0,5 MHz ne permet que de percevoir les défauts qui sont plus grands qu'un centimètre. En général on s'intéresse aussi à des défauts beaucoup plus petits. L'augmentation de fréquence qui s'impose alors, à comme effet d'augmenter l'absorption et donc de limiter la profondeur accessible aux ultrasons. Fig. 7 Echelle des ondes élastiques. Les longueurs d'ondes sont données pour un solide ayant une vitesse du son de 5000 m/s.
  • 6. Contrôles non destructifsE-6 2.2.2 Propagation, absorption, réflexion et réfraction des ultrasons Dans un milieu homogène, les ultrasons se propagent de manière rectiligne. La vitesse de propagation c (vitesse du son) dépend du milieu traversé (densité, modules élastiques) et des dimensions géométriques si celles-ci sont du même ordre de grandeur que la longueur d'onde. De plus, elle n'est pas la même pour les ondes longitudinales que pour les ondes transversales (=ondes de cisaillement). Dans les solides la vitesse des ondes transversales est approximativement la moitié de celle des ondes longitudinales. Le tableau ci-dessous donne quelques valeurs. Notez les grandes différences entre les gaz, les liquides et les solides. cL [m/s] (ondes longitudinales) cT [m/s] (ondes transversales) Air 340 Eau 1480 non transmise en raison de l'absorption excessive Aluminium 6300 3080 Fe et aciers 5900 3220 Laiton 4400 2120 L'atténuation des ondes ultrasonores suit la même loi que celle de l'absorption des rayons X lorsqu'on substitue l'intensité par l'amplitude de l'onde. Le coefficient d'absorption µ dépend des propriétés anélastiques et viscoélastiques du matériau et augmente généralement avec la fréquence. L'atténuation des ultrasons, dans la gamme de fréquence utilisée pour le contrôle non destructif, est nettement moins forte que celles des rayons X ou γ. Dans le fer, p. ex., l'atténuation des ultrasons devient importante après quelques mètres, alors que les rayons X se trouvent pratiquement absorbés après quelques centimètres. La réflexion et la réfraction des ultrasons, lors d'un changement de milieu (interface ou surface), sont plus complexes que celles des rayons lumineux (= ondes transversales uniquement). Une onde ultrasonore longitudinale incidente sous un angle oblique α sur une interface se divise en deux ondes réfléchies et en deux ondes transmises. Chaque paire comprend une onde longitudinale et une onde transversale. L'onde transversale transmise est supprimée pour une incidence normale et l'onde longitudinale transmise disparaît si α dépasse un angle critique qui dépend du rapport des vitesses du son cL dans les deux milieux considérés. Cet effet est utilisé par les palpeurs à incidence oblique.
  • 7. Contrôles non destructifs E-7 Fig. 8 Réfraction et réflexion des ondes ultrasoniques Pour le contrôle par ultrasons, on utilise normalement les ondes longitudinales en incidence normale et les ondes transversales en incidence oblique (au-delà de l'angle critique). Pour une incidence normale, le coefficient de réflexion R, défini comme le rapport entre l'amplitude de l'onde réfléchie AR et l'amplitude de l'onde incidente AI est donné par € R = AR AI = ρ1 c1 − ρ2c2 ρ1 c1 + ρ2c2 ρ1 et ρ2 sont les masses volumiques et c1 et c2 les vitesses du son (longitudinales ou transversales selon le type de l'onde). Le produit ρ·c est appelé impédance acoustique. On en déduit facilement que la réflexion est quasiment totale, c.-à-d. que R ≈ 1, pour une fissure (= interface solide-air ou solide-vide), et que, en raison de la conservation de l'énergie transportée par les ondes, l'amplitude de l'onde transmise devient très petite. Pour les rayons X et γ, par contre, on aura selon une loi semblable, utilisant l'indice de réfraction au lieu de l'impédance acoustique, une réflexion négligeable. Le pouvoir réflecteur élevé d'une fissure est à l'origine de la grande sensibilité des ultrasons pour la détection des défauts des matériaux. Malheureusement, le coefficient de réflexion élevé pose aussi des problèmes dans la pratique. En général, les ultrasons sont excités par des sondes placées à la surface de la pièce à contrôler. En raison de la rugosité de surface, le contact n'est pas parfait. La couche d'air présent à l'interface, entre la sonde et la pièce, réfléchit fortement l'onde et ne la laisse pas passer. Pour améliorer le couplage entre sonde et pièce, on doit appliquer un agent de contact (graisse, eau, huile) sur la surface et veiller à ce qu'ils ne se forment pas de bulles sous la sonde. La valeur plus élevée de l'impédance acoustique ρ·c des liquides fait diminuer le coefficient de réflexion à des valeurs acceptables. 2.3.3 Emission et détection d'ultrasons L'émission et la détection d'ondes ultrasonores se réalise très facilement grâce à l'effet piézo- électrique. Certains matériaux anisotropes, comme p. ex. le quartz monocristallin, ainsi que les matériaux ferroélectriques, tels que le titanate de baryum et le titanate de plomb, possèdent
  • 8. Contrôles non destructifsE-8 la propriété de se déformer sous l'effet d'un champ électrique (effet piézo-électrique direct). Les déformations sont de l'ordre de 0,1 nm par Volt appliqué aux électrodes. Une tension électrique alternative, appliquée aux électrodes, fait vibrer le transducteur piézoélectrique. Les vibrations, ainsi créées, se transmettent à tout solide en contact avec le transducteur et vont se propager dans celui-ci avec la vitesse du son caractéristique de ce milieu. Réciproquement, une compression ou une dilatation d'un matériau piézoélectrique, provoquée par une onde incidente, fait apparaître des charges électriques sur les électrodes qui se mesurent facilement par la tension créée entre les électrodes (effet piézoélectrique inverse). L'effet inverse peut alors servir pour la détection d'ondes. Il suffit pour cela de remplacer dans la fig. 9 la tension d'alimentation par un oscilloscope. Fig. 9 Emission d'une onde élastique longitudinale 2.2.4 Les palpeurs pour le contrôle aux ultrasons Le contrôle aux ultrasons s'effectue le plus souvent avec un palpeur à incidence normale ou un palpeur à incidence oblique - Les palpeurs à incidence normale émettent des ondes longitudinales avec comme direction de propagation la normale à la surface. Fig. 10 Palpeur pour ondes longitudinales
  • 9. Contrôles non destructifs E-9 Fig. 11 Palpeur pour ondes transversales - Les palpeurs d'angle émettent des ondes transversales dont la direction de propagation est inclinée par rapport à la normale de la surface. Pour l'excitation de ce type d'onde, on utilise le fait qu'une onde longitudinale, créée dans le palpeur, se divise en une onde transversale et une onde longitudinale lors de la réfraction à l'interface entre le palpeur et la pièce. Pour faciliter l'interprétation des échos, on choisit l'angle d'incidence de manière à ce que seule l'onde transversale puisse exister. L'onde qui est réfléchie à l'interface et reste dans la sonde doit être amortie dans le bloc d'atténuation pour éviter d'éventuels échos fantômes. Les palpeurs d'angle s'emploient surtout pour sonder les cordons de soudures. La surface irrégulière du cordon lui-même empêche normalement un contact satisfaisant avec un palpeur normal. L'angle d'incidence β dépend de la construction et du matériau du palpeur ainsi que du matériau de la pièce à sonder. La valeur indiquée sur le boîtier (angles standards 35°, 45°, 60°, 70°, 80°) est valable uniquement pour les aciers. En contact avec un autre matériau, le même palpeur donne un angle différent (voir tableau). Conversion des angles d'incidence β pour les ondes transversales. Angles indiqués sur les palpeurs et valables pour les aciers p. ex: 45° 70° donnent dans: Al 42,5° 64° Cu 30° 41° Fonte grise 28,5° 39° Le champ de rayonnement d'un palpeur La sonde émet un faisceau présentant un angle de divergence. Le champ de rayonnement peut être décomposé en un champ proche de longueur NS et un champ éloigné. La grandeur du champ proche dépend du diamètre de l'émetteur D et de la longueur d'onde du rayonnement ultrasonique.
  • 10. Contrôles non destructifsE-10 Fig. 12 Champ rapproché et champ éloigné de l'onde ultrasonique Un défaut placé dans le champ éloigné donnera un écho dont l'amplitude diminuera avec le carré de la distance r du capteur (1/r2 ). Par contre, si ce défaut se trouve dans le champ proche, l'amplitude de l'écho ne peut plus être exprimée par une fonction simple de r. Elle dépend d'effets d'interférence. Quelques valeurs de Ns et de γ pour l'eau, l'acier et l'aluminium Eau Acier - Aluminium f [MHz] D [mm] γ [° ] NS [mm] γ [° ] NS [mm] 1 34 2,70 220 11 55 2 24 2,20 215 7,80 54 4 10 2,30 76 9,30 19 6 10 1,60 114 6,20 28 Caractéristiques des palpeurs La précision des sondages dépend beaucoup du choix de la sonde et en particulier de sa fréquence de résonance. Sa valeur est d'habitude indiquée sur le boîtier du palpeur. Ses caractéristiques principales sont la sensibilité et son pouvoir de résolution. - La sensibilité est le rapport entre l'intensité de l'écho pour un défaut de taille donnée (étant donné un contact parfait à l'interface) et l'intensité d'émission. - Le pouvoir de résolution est défini comme la finesse des impulsions ou encore par la distance minimum entre deux défauts qui peuvent encore être distingués. Les sondes à basse fréquence (0,5 - 1 MHz) ont les caractéristiques suivantes: - une faible sensibilité pour les petits défauts (λ trop grand) - un manque de sensibilité en proximité de la surface sous le capteur.
  • 11. Contrôles non destructifs E-11 Ces sondes conviennent pour l'étude des matériaux aux microstructures grossières et pour la détection des défauts à grande distance. Les matériaux aux microstructures grossières absorbent très fortement les ondes à haute fréquence. Les sondes à haute fréquence (2 - 6 MHz) ont les caractéristiques suivantes: - une bonne sensibilité pour les petits défauts - un bon pouvoir de résolution - le faisceau sonore est concentré et de ce fait indique précisément la position du défaut. Ces sondes ne peuvent balayer de grandes distances (en général limitées à 1 m) que dans des matériaux homogènes et peu absorbants. Elles exigent un bon état de surface. Les palpeurs construits avec des matériaux ferroélectriques, comme le BaTiO3 ou le PbZrO3- PbTiO3 (= PZT), sont plus sensibles et ont un pouvoir de résolution plus élevé que les palpeurs construits avec un monocristal de quartz. Ceci s'explique par le fait que les matériaux ferroélectriques mentionnés ci-dessus, transforment davantage d'énergie électrique en énergie mécanique. 2.2.5 Principe du sondage par ultrasons Le sondage par ultrasons peut servir à plusieurs buts: - Détection de défauts de toutes sortes (fissures, inclusions, porosités) - Mesure de profondeur ou épaisseur (par exemple: pièce dont un seul côté est accessible, sondage des fonds marins etc.) - Mesure des constantes élastiques par l'intermédiaire d'une mesure de la vitesse du son. - Sondage médical (échographie), etc. Les intensités couramment utilisées en contrôle non destructif et en sondage médical sont de l'ordre de 1 mW/cm2 et ne sont pas dangereuses. Cependant, l'exposition à des intensités dépassant 1 W/cm2 comme on les utilise dans les bains à ultrasons pour le nettoyage et pour la soudure des polymères peuvent causer des traumatismes et des graves lésions. Mesure des constantes élastiques Comme la vitesse du son dans les milieux solides ne dépend pratiquement pas de la fréquence en dessous de quelques MHz, il est possible de déterminer les constantes élastiques par l'intermédiaire du temps de transmission d'une impulsion. Il est, néanmoins, très important de bien vérifier que les dimensions latérales de l'échantillon sont soit beaucoup plus grandes ou soit beaucoup plus petites que la longueur d'onde moyenne de l'impulsion (voir ondes extensionnelles ci dessus).
  • 12. Contrôles non destructifsE-12 Selon le type d'onde (voir fig. 13) les relations suivantes sont valables: Ondes longitudinales dans un milieu étendu € cL = E(1−ν) ρ(1+ν)(1− 2ν) E = module d'élasticité ν = coefficient de Poisson Ondes transversales dans un milieu étendu € cT = G ρ = E 2ρ(1+ν) G = module de cisaillement ρ = densité du matériau Ondes extensionnelles: Les ondes extensionnelles sont des ondes longitudinales avec contraction latérale € εlatérale = −νεlong . Les contraintes latérales s'annulent comme dans un essai de traction. Pour les ondes longitudinales dans un milieu étendu, la matière, entourant le faisceau, empêche la contraction latérale ( € εlatérale = 0) et les contraintes latérales ne s'annulent pas. Les ondes extensionnelles ne peuvent s'établir que sur des barres dont le diamètre Ø est très inférieur à la longueur d'onde λ. Dans les cas intermédiaires, entre barre mince et milieu étendu, la déformation transversale n'est que partielle et la vitesse du son dépend aussi du diamètre et de la fréquence. € cE = E ρ cE = vitesse des ondes extensionnelles. Ondes qui se propagent le long d'un fil ayant une longueur d'onde beaucoup plus petit que le diamètre. Fig. 13 a) Ondes longitudinales dans un milieu étendu. b) Ondes transversales dans un milieu étendu, c) Ondes extensionnelles. d) Ondes de flexion. e) Ondes de surface.
  • 13. Contrôles non destructifs E-13 Détection des défauts Pour la détection des défauts, on emploie principalement la méthode par réflexion. La sonde a le double emploi d'émetteur et de récepteur. Tout changement de milieu sera repéré par l'écho qu'il provoque. On peut donc situer la position du défaut à l'intérieur de la pièce. La méthode par transmission nécessite deux palpeurs, un émetteur et un récepteur, la pièce doit avoir au moins deux surfaces parallèles. Une troisième méthode (méthode de résonance) est basée sur l'influence qu'ont les défectuosités sur les fréquences de résonance d'une pièce. Une assiette contenant une fissure sonne différemment qu'une assiette parfaite quand on frappe dessus. Pour appliquer cette méthode, il faut, comme dans l'exemple de l'assiette, posséder des pièces de référence tout à fait identiques à l'exception des défauts. La méthode est très puissante mais n'est utilisable que pour le contrôle d'une série d'objets tout à fait identiques. 2.2.6 L'appareil à ultrasons Par l'intermédiaire d'une décharge électrique l'émetteur produit une impulsion d'une durée de quelques nanosecondes et d'une tension de pointe d'environ 1000 volts. Le transducteur piezoélectrique la transforme en une impulsion élastique qui se propage sous forme d'un train d'ondes ultrasonores dans l'éprouvette. On entend par train d'ondes, un ensemble d'ondes de différentes fréquences qui toutes superposées donne la forme de l'impulsion. Après réflexion, le transducteur retransforme l'impulsion ultrasonore en un signal électrique. En raison des pertes d'énergie subies lors des transformations, des passages d'interfaces, de la réflexion et de l'absorption dans la pièce à contrôler, ce signal ressort beaucoup plus faible que l'impulsion d'émission. Il nécessite donc une amplification pour pouvoir être observé. Le comportement du faisceau ultrasonore est analysé à l'aide d'un tube cathodique qui enregistre verticalement l'amplitude de l'onde ultrasonore et horizontalement le temps (fig. 14). C'est l'impulsion d'émission qui déclenche la tension de déflexion horizontale du tube cathodique. Fig. 14 Principe du sondage par ultrasons
  • 14. Contrôles non destructifsE-14 On voit alors sur l'écran l'impulsion d'émission (signal très fort) et à sa droite (c'est-à-dire après un certain temps) un ou plusieurs échos. Toute modification de la forme de l'écho, par rapport à la forme du signal d'émission, s'explique par l'atténuation et l'amplification sélective (filtres électroniques) de certaines fréquences dans le paquet d'ondes formant l'impulsion. La vitesse du son étant constante dans un matériau, l'axe horizontal représente également le chemin parcouru (aller et retour) par l'onde ultrasonore. On peut alors, pour un matériau donné, calibrer l'axe horizontal directement en unités (mm, cm) indiquant la profondeur où a eu lieu la réflexion. Dans ce but, les oscilloscopes prévus pour le contrôle aux ultrasons sont dotés d'un potentiomètre qui permet de sélectionner la vitesse du son du matériau à examiner (vitesse des ondes longitudinales ou transversales selon palpeur). Si on ne connaît pas la vitesse du son (p. ex. alliage inconnu), on déplace l'impulsion d'un écho revenant de la surface opposée et dont on connaît la profondeur jusqu'à ce que cet écho soit à sa juste position sur l'axe horizontal. La position du bouton indique maintenant la vitesse du son. Fig. 15 Réflexion d'une onde sur une arête Pour les palpeurs d'angle (fig. 15), ce deuxième procédé de calibrage est légèrement différent parce qu'une surface opposée et parallèle ne réfléchit pas en direction du palpeur. Dans ce cas, on cherche l'écho d'une arête qui se produit après deux réflexions (effet miroir). Selon les préférences du contrôleur, l'axe horizontal peut être calibré pour mesurer la distance effective d, la distance horizontale h ou la profondeur p. Description des réglages de l'appareil à ultrasons Interrupteur - Focalisation Interrupteur principal, focalisation du faisceau électronique dans le tube cathodique. Point-zéro déplace l'impulsion d'émission et l'écho par rapport à l'échelle graduée sur l'écran. A ajuster de manière à ce que le début de la montée de l'impulsion d'émission (le point le plus précisément défini de l'impulsion) soit au point-zéro de l'axe horizontal.
  • 15. Contrôles non destructifs E-15 Fig. 16 Dispositif de mesure pour le sondage par ultrason Vitesse du son sert à calibrer les profondeurs des échos sur les distances indiquées à l'écran (voir plus haut). Distances Choix de la distance à représenter sur la largeur de l'écran (10 cm, 25 cm, 1 m, 5 m ainsi que les doubles (x 2) et les moitiés (x 0,5)). Puissance et amplification règlent la tension de l'impulsion d'émission et l'amplification du signal électrique après réception. Il faut essayer de trouver un réglage qui permet d'empêcher des indications perturbatrices telles que les échos de l'impulsion précédente, autres vibrations présentes et bruit de fond qui se manifestent sous forme "d'herbe" sur l'axe horizontal de l'écran. En général, il suffit d'avoir un écho du fond de la hauteur de l'écran. L'amplification étalonnée sert à déterminer la taille d'un défaut. Pour un matériau et palpeur donné, l'amplitude de l'écho dépend avant tout de la distance et de la taille du défaut. Pour pouvoir appliquer cette méthode, il faut d'abord mesurer l'amplitude de l'écho d'un assez grand nombre de défauts dont on connaît exactement la taille et la distance (p.ex. trous percés) et établir un graphique. La méthode n'est malheureusement pas très précise car l'écho dépend aussi de l'impédance acoustique et de la forme du défaut (plane, irrégulière, sphérique). De plus, il est extrêmement difficile de maintenir un couplage constant (c'est-à-dire un contact parfait) entre palpeur et pièce à sonder. Un remède pour ce dernier problème est de bien polir la surface de la pièce et de la submerger avec le palpeur dans un liquide. Fréquence Détermine la largeur de bande de l'amplificateur. A ajuster normalement à la valeur de la fréquence indiquée sur le palpeur. Notez que l'émetteur électrique émet des impulsions et non pas des ondes de fréquences monochromatiques. L'impulsion d'émission consiste en une impulsion de durée très courte que l'on peut aussi décrire par une somme d'ondes de différentes fréquences et dont les amplitudes sont données par le spectre de Fourier
  • 16. Contrôles non destructifsE-16 de l'impulsion. Pour une impulsion de durée τ ce spectre s'étend de 0 Hz jusqu'à des fréquences d'environ 1/τ ≈ plusieurs MHz. Afin de correctement reconstituer la forme des échos (montée et largeur initiale) qui résultent de cette impulsion, la bande passante de l'amplificateur doit être plus large que la largeur de ce spectre. Or les amplificateurs à large bande passante souffrent du désavantage qu'ils amplifient aussi tout le bruit de fond. Ce dernier se manifeste à l'écran sous forme de "l'herbe" qui pousse sur la ligne de base. A forte amplification ceci peut complètement brouiller le signal dû à l'écho. Une limitation modérée de la largeur de bande passante élargit légèrement les échos mais les maintient clairs. Un élargissement de l'impulsion résulte aussi lorsque l'amortissement des ultrasons est importante et en conséquence la vitesse du son varie avec la fréquence. Ce phénomène, appelé dispersion, vient du fait que les ondes partielles du spectre de Fourier n'arrivent plus en même temps à un endroit donné et reconstituent donc un signal qui ne ressemble pas exactement au signal émis. Interprétation de quelques cas particuliers "Herbe" sur l'axe horizontal (bruit de fond). La puissance d'émission et/ou l'amplification sont trop élevées Grand nombre d'échos dus à une microstructure grossière (fontes) ou matériau composite. Les joints de grains réfléchissent et empêchent l'onde de traverser la pièce. Choisissez un palpeur de fréquence plus faible.
  • 17. Contrôles non destructifs E-17 Echo de fond disparaissant lors du balayage avec le palpeur. Défaut avec surface limite plane qui est incliné par rapport à la direction d'incidence. Le faisceau réfléchi ne revient plus vers le palpeur et se perd dans l'éprouvette. Utilisez un palpeur d'angle pour localiser l'endroit exact du défaut. Plusieurs échos avec séparation identique et amplitude décroissante provoqués par une surface limite réfléchissant fortement. Le faisceau va et vient plusieurs fois entre palpeur et surface réfléchissante. L'amplitude décroît en raison de l'amortissement et des pertes par réflexion. Il peut aussi arriver qu'un écho de l'impulsion précédente revienne après émission d'une deuxième impulsion (échos fantômes). Echo d'un défaut à proximité de la surface. Augmentez la fréquence supérieure de la bande passante pour amincir l'impulsion d'émission.
  • 18. Contrôles non destructifsE-18 3. L'expérience Cette expérience a comme objectif de démontrer les différentes techniques de contrôles non destructifs, ainsi que l'application des ultrasons pour la détermination du module d'élasticité. En particulier, nous proposons l'examen par ultrasons des pièces contenant des défauts. 4. Bibliographie Ultrasonic methods of non-destructive testing - Jack Blitz and Geoff Simpson, Chapman & Hall 1996 Le contrôle non destructif par ultrasons - Jean Perdijon, Hermes 1993 Ultrasonic testing of materials - Josef Krautkraemer, Herbert Krautkraemer, Ed.4, Springer,1990