MÉTALLOGRAPHIE - Essais non destructifs

MÉTALLOGRAPHIE - Essais non destructifs

Le but des méthodes non destructives d’examen est de déceler dans une pièce le plus souvent métallique, et en respectant son intégrité, toute particularité de sa structure qui peut avoir une influence sur son comportement en service. Il en sera de même pour les pièces en cours d’utilisation qui risquent d’être altérées par les conditions d’emploi auxquelles elles sont soumises: contraintes mécaniques (par exemple pièces de sécurité) ou chimiques (par exemple tubes corrodés).

Un des seuls moyens dont on dispose consiste à les faire traverser par un rayonnement dont on décèlera, à la sortie, toute modification apportée par son parcours dans la pièce. Elle agit comme modulateur du rayonnement qui peut être électromagnétique, corpusculaire ou mécanique.

Les rayonnements électromagnétiques sont utilisés, en contrôle non destructif, dans une très large gamme de fréquences, donc de longueurs d’onde, en mettant à profit leurs différentes propriétés. Les rayonnements de très courte longueur d’onde, rayons X et rayons 塚, dont la faible absorption par la matière est la principale qualité utilisée ici, interviennent dans la radiographie ou la gammagraphie [cf. X (RAYONS)]. Par ailleurs, du fait que la longueur d’onde des rayons X est du même ordre de grandeur que les distances interatomiques des états condensés (solides, liquides), les effets d’interférence qui en résultent sont mis à profit pour étudier la structure fine de la matière, dans la radiocristallographie.

La longueur d’onde croissant, le rayonnement devient lumière visible. C’est le plus ancien des contrôles non destructifs superficiels, depuis qu’existent les récepteurs biologiques photosensibles. L’infrarouge est utilisé comme détecteur de chaleur, dont la transmission dans les corps bons conducteurs permet de révéler l’organisation interne.

Dans le domaine des ondes radio, les rayonnements de faible longueur d’onde ne servent qu’à l’examen non destructif des corps non conducteurs (par exemple vitres réfractaires), alors que les très grandes longueurs d’onde sont utilisées pour le contrôle superficiel des métaux par courants de Foucault, ou par magnétoscopie, réservée aux métaux ferreux.

Les rayonnements corpusculaires les plus utilisés sont surtout ceux de neutrons. Leur faible absorption par les métaux et leur grande absorption par les corps hydrogénés tels que les matières organiques permettent de déceler ces corps lorsqu’ils sont associés aux métaux, tâche impossible à la radiographie.

Les rayonnements d’électrons, de faible pénétration, sont surtout employés dans la microscopie électronique, par transmission ou par balayage, grâce à leur très courte onde associée, et, dans la microsonde de Castaing, par les rayons X spécifiques de la cible qu’ils produisent à leur impact.

L’essai de ressuage, différent des essais précédents, renseigne sur la présence des criques à la surface des métaux.

1. Contrôle par ultrasons

Le rayonnement ultrasonore est d’un usage très répandu, car ses propriétés sont très intéressantes: son amortissement dans les métaux est généralement faible, ce qui implique une bonne pénétration, et sa longueur d’onde, liée au pouvoir séparateur de la détection, est de l’ordre de grandeur des hétérogénéités à découvrir. De plus, la technologie des appareils bénéficie pour une grande part de l’électronique mise au point pour les techniques voisines, fort développées, du radar, du sonar et du traitement de l’information.

La propagation ultrasonore

Le point essentiel de la propagation ultrasonore dans les solides massifs est l’existence de deux modes de vibrations (longitudinale et transversale) qui se propagent à des vitesses différentes. Dans le mode longitudinal, les atomes métalliques vibrent parallèlement à la direction de propagation, alors que dans le mode transversal la vibration est perpendiculaire à la propagation.

Pour fixer les idées, dans l’acier la vitesse des ondes longitudinales est de 5 940 m.s^-1 et dans l’aluminium de 6 320 m.s^-1. Pour les mêmes métaux, la vitesse des ondes transversales est, respectivement, de 3 220 et 3 100 m.s^-1.

Ces vitesses dépendent des constantes élastiques des matériaux. Elles sont donc différentes d’un matériau à l’autre, ce qui implique une conséquence importante lorsqu’un pinceau ultrasonore frappe obliquement une surface de séparation entre deux matériaux différents: quatre pinceaux sont créés, deux réfractés et deux réfléchis; pour chacun d’eux, longitudinal ou transversal, les angles de réflexion et de réfraction suivent la loi de Descartes. Ce fait fondamental permet, comme en optique, d’agir sur les pinceaux par le moyen de miroirs, prismes et lentilles; mais il est aussi fort gênant, car il rend délicat l’examen de pièces de forme compliquée, par des réflexions et réfractions parasites qu’il entraîne.

Des modes de vibration propres aux surfaces (ondes de Rayleigh) ou aux produits plans et minces (ondes de Lamb) sont utilisés dans des cas particuliers (examen des surfaces, examen des tôles minces). La fréquence des ondes ultrasonores utilisées en contrôle non destructif peut s’étendre de 0,1 à 50 MHz, la bande 2-10 MHz étant la plus usitée. La longueur d’onde, dans cette bande, et pour les vibrations longitudinales, est donc comprise pratiquement, pour l’acier ou l’aluminium, entre 3 et 0,6 mm.

Production et détection des ultrasons en contrôle non destructif

Les ultrasons, dans ce cas particulier des appareils de contrôle non destructif, sont produits ou détectés par des «traducteurs» posés sur la pièce en examen et couplés acoustiquement à la surface par un liquide (eau, huile, par exemple) ou une pâte (graisse, mastic). Le traducteur transforme l’énergie électrique alternative qu’on lui envoie en énergie mécanique et, inversement, l’énergie mécanique qui lui parvient de la pièce en énergie électrique. C’est un convertisseur d’énergie. Il est formé d’une pastille piézoélectrique (quartz) ou ferroélectrique (céramique: titanate de baryum, zirconate de plomb, niobate de lithium, etc.) métallisée sur ses deux faces. Le diamètre de la pastille, si elle est circulaire, est habituellement compris entre 5 et 50 mm, avec 20 mm comme valeur la plus fréquente.

Méthodes d’examen

Les méthodes d’examen ultrasonore non destructives sont nombreuses: par absorption, par réflexion, par résonance, suivant le phénomène acoustique mis en œuvre. Elles peuvent également se distinguer par la forme de l’énergie acoustique: continue ou impulsionnelle.

Les méthodes par absorption ou réflexion d’une énergie acoustique continue ne sont pratiquement plus utilisées, car elles n’indiquent pas la position de l’hétérogénéité dans l’épaisseur de la pièce, ne permettent pas de connaître un couplage défectueux des traducteurs et sont sensibles aux parcours parasites des ultrasons.

Les méthodes par résonance sont utilisées surtout pour la mesure des épaisseurs de parois dont une face seulement est accessible (conduites, tubes, réservoirs, etc.). Elle consiste à connaître, par un indicateur approprié, la fréquence ultrasonore pour laquelle la paroi vibre, sous le traducteur, en demi-longueur d’onde. La mesure peut être très précise sur des plaques possédant un bon état de surface. Elle est dégradée par des irrégularités, telles que des couches diverses (peintures, dépôts), des plages de corrosion ou un usinage grossier.

La méthode actuellement la plus utilisée est celle par réflexion d’impulsions ultrasonores, car elle permet de connaître la distance à la surface de l’hétérogénéité, d’avoir une idée de sa forme et de son étendue. Elle permet aussi d’être averti des conditions défectueuses qui perturbent l’examen.

Méthode par réflexion d’impulsions ultrasonores

La méthode par réflexion d’impulsions ultrasonores est tout à fait analogue à celle du radar, mais les ondes électromagnétiques sont remplacées par les ondes ultrasonores. Elle a été mise au point pendant la Seconde Guerre mondiale pour examiner certaines pièces de matériel de guerre, de même que les travaux de Langevin, pendant la Première Guerre mondiale, furent à la base de la détection sous-marine par ultrasons.

L’appareil ultrasonore classique comprend un générateur pilote d’impulsions synchrones (100 à 1 000 par seconde). Il actionne d’une part un générateur de balayage appliqué aux plaques de déviation horizontale d’un oscilloscope à rayon cathodique et d’autre part un générateur de puissance d’impulsions électriques de même fréquence de répétition. Ces impulsions sont appliquées au traducteur pour qu’il les convertisse en impulsions mécaniques émises dans la pièce (fig. 1) où elles se propagent à la vitesse du son. Rencontrant une discontinuité dans la pièce, elles sont partiellement réfléchies, de même que par la paroi opposée. Elles reviennent vers le traducteur qui les transforme en impulsions électriques. Un amplificateur et un détecteur leur donnent une forme et une tension suffisante pour qu’elles soient appliquées valablement aux plaques de la déviation verticale de l’oscilloscope. Sur l’écran de ce dernier, où la tache lumineuse est déviée de gauche à droite, on note, à chaque émission d’impulsion, un pic 1, représentatif de l’émission, donc de l’origine du temps, un pic 2, dont la faible hauteur est due à la faible énergie réfléchie par la discontinuité de la pièce, et enfin un pic 3, plus important, dû à l’écho de l’impulsion ultrasonore sur le fond de la pièce, non réfléchie par l’hétérogénéité.

L’oscillogramme de la figure 1 donne donc des renseignements sur l’importance de l’hétérogénéité par l’amplitude de l’écho et sur sa position, qu’une règle de trois permet très facilement de trouver, d’après la longueur 1-3 représentant l’épaisseur de la pièce.

Réalisation des appareils

Actuellement, la plupart des circuits des appareils sont réalisés avec des transistors. C’est un gros progrès dans le sens d’un abaissement de la consommation électrique et d’une diminution des pannes. Certains appareils ne pèsent que quelques kilogrammes avec leur batterie d’alimentation. Ils peuvent donc être utilisés commodément dans les chantiers les plus divers, loin de toute source d’électricité.

Les traducteurs sont les pièces les plus critiques de l’appareil. Actuellement, de gros efforts de recherche et de fabrication tendent à assurer, pour un type donné, une reproductibilité des caractéristiques (énergie ultrasonore délivrée, fréquence, bande passante, forme de pinceau) qui souvent laisse à désirer.

L’électronique fait aussi l’objet de travaux de définition des caractéristiques minimales à respecter, telles la linéarité des bases de temps, la linéarité de l’amplificateur, sa bande passante.

Certaines adjonctions ont été apportées aux appareils pour en faciliter l’usage: sélection en temps, qui permet de choisir une certaine partie du signal, par exemple une zone déterminée de la pièce, et qui, liée à une sélection d’amplitude, donnera un signal électrique proportionnel à la hauteur de l’écho qui pourra apparaître dans cette zone, ou un signal d’amplitude constante lorsque la hauteur de l’écho dépassera une certaine valeur fixée à l’avance; régulateurs de gain de l’amplificateur, qui compensent les irrégularités du couplage acoustique ou l’amortissement des ondes ultrasonores dans le matériau.

Automatisation et autres progrès du procédé

L’automatisation du contrôle ultrasonore par écho s’est développée dans le courant des années 1960, car les utilisateurs ont très tôt cherché à contrôler au moindre coût une quantité importante de produits, à s’affranchir de l’opérateur pour atteindre une meilleure reproductibilité des résultats et à conserver des documents permanents de l’examen effectué.

Les principales difficultés rencontrées, et pratiquement résolues aujourd’hui, ont été d’assurer un couplage acoustique aussi constant que possible entre le traducteur et la pièce. Les solutions adoptées ont été, suivant les cas, d’immerger la pièce dans une cuve emplie d’eau, ou de suspendre le traducteur à un ensemble mécanique spécialement conçu. Pour la présentation des résultats de l’examen, ont été utilisées des techniques de comptage d’hétérogénéités, d’enregistrement sur papier ou sur l’écran d’un tube cathodique à rémanence infinie mais effaçable, de marquage à la peinture.

Les vitesses d’examen usuelles sont comprises entre 0,5 m.s^-1 et 10 m.s^-1 pour les produits de forme simple, tels les tubes, les feuillards, les tôles minces et les tôles laminées à chaud, les rails. Les pièces de forme plus complexe et pour lesquelles on exige un enregistrement de la santé interne, tels certains éléments combustibles de réacteurs nucléaires, sont examinées beaucoup plus lentement.

On tend aussi à automatiser le contrôle des soudures, où l’examen ultrasonore a trouvé une application importante qui complète heureusement l’examen radiographique.

Outre les perfectionnements technologiques constants apportés par les constructeurs aux appareils, facilitant leur emploi et assurant une uniformité et une constance aussi grande que possible de leur réponse, on peut distinguer deux directions dans les recherches actuelles. Elles tendent, d’une part, et d’un point de vue très général, à utiliser au mieux toute l’information contenue dans le signal ultrasonore, par la mise en œuvre de procédés tels que la corrélation entre signaux, l’autocorrélation entre deux parties d’un même signal pour déceler une périodicité cachée, de même que l’analyse des spectres, précieuse pour la connaissance structurale du matériau, et aussi le «moyennage» permettant d’extraire un signal du «bruit» qui l’accompagne. Elles tendent aussi à mieux renseigner l’opérateur sur l’hétérogénéité qui s’est manifestée par un écho. On peut par exemple citer les travaux sur l’holographie ultrasonore dont le but est de donner une image de l’hétérogénéité, suivant en cela les progrès de l’optique qui ont révélé les possibilités de la lumière monochromatique cohérente des lasers. Toutes ces recherches sont grandement facilitées par les progrès des circuits électroniques, dont la rapidité de réponse permet le traitement en continu de l’information ultrasonore.

2. Diffraction des rayons X

Les métaux et leurs alliages sont des solides cristallins. Ils peuvent, de ce fait, comme tous les cristaux, diffracter les rayonnements dont la longueur d’onde est de l’ordre de 0,1 nm. On utilise la diffraction des rayons X pour l’analyse des phases et pour l’étude de la structure.

Analyse des phases

Les métaux purs comportent souvent plusieurs formes allotropiques dont la structure cristallographique est différente. Par ailleurs, les alliages sont des matériaux monophasés ou polyphasés. Dans les deux cas, la structure cristallographique dépend de la température, de la pression et de la composition. La diffraction des rayons X permet d’identifier les différents états structuraux des phases présentes, leurs proportions volumiques et les valeurs des paramètres de leurs mailles.

Identification des phases

Chaque phase cristalline produit des spectres de diffraction des rayons X caractéristiques de la structure de sa maille – angles de diffraction et intensité réfléchie. Il est donc possible de l’identifier. La méthode la plus simple est celle du diagramme de poudre ou méthode Debye-Scherrer (cf. OPTIQUE CRISTALLINE- - Diffraction par les cristaux). Les rayons X diffractés par l’échantillon pulvérulent sont enregistrés sur un film photographique. On en tire les distances interréticulaires à partir des angles de Bragg et les intensités par la mesure de la densité optique. Ces valeurs sont comparées aux valeurs réunies dans un fichier (A.S.T.M.) et obtenues à partir des phases pures ou isolées. Si un échantillon contient plusieurs phases, le diagramme de diffraction comporte les réflexions de chacune d’elles qu’il est possible de trier.

Cette méthode est facile et efficace dans les cas simples: nombre de phases limité, composition connue. Elle est inextricable si les phases sont très nombreuses et si leur composition s’écarte de la composition du corps qui a servi à établir la carte du fichier.

Une variante fait appel à la technique goniométrique. Les rayons X diffractés sont détectés en position et en intensité à l’aide d’un compteur Geiger-Müller, proportionnel ou à scintillations. L’exploitation des résultats est la même qu’avec le film photographique.

D’autres variantes utilisent la technique des monochromateurs à cristal courbé et à focalisation. Ce sont les méthodes Seemann-Bohlin par transmission ou par réflexion, dont le principe est donné à la figure 2. Plus sensibles que les méthodes précédentes du fait de l’élimination du fond continu dû à l’émission blanche de l’anticathode, elles ont l’inconvénient de ne donner que des résultats partiels: angles de Bragg compris entre 0 et 50⁰ environ par transmission et entre 20 et 80⁰ en retour. Ce sont des méthodes complémentaires.

Mesures des constantes réticulaires

La mesure précise de la position des raies de diffraction pour une phase particulière renseigne sur le volume de sa maille élémentaire et donne des indications sur la concentration des éléments en solution et l’existence de contraintes internes. Un changement de composition se traduit en effet par une variation des paramètres de la maille. Dans le cas simple d’un alliage binaire, on mesure ainsi la concentration de l’élément en solution solide.

Un métal qui a subi une déformation plastique conserve presque toujours des contraintes internes résiduelles qui modifient les paramètres de sa maille. La comparaison des valeurs des paramètres dans l’état sans contrainte et dans l’état avec contrainte renseigne sur l’intensité des déformations élastiques et permet de les chiffrer. Cette méthode est d’utilisation courante dans l’industrie mécanique.

Détermination des volumes des phases

L’intensité des raies diffractées par une phase au sein d’un mélange est en relation avec son volume. La comparaison de l’intensité des raies des différentes phases permet théoriquement de déterminer leurs volumes relatifs. En général, les résultats sont peu précis et des précautions doivent être prises pour éliminer les causes d’erreurs d’ordre physique ou expérimental.

Un cas intéressant et courant en métallurgie est celui de la mesure du taux d’austénite retenue par trempe dans les aciers très alliés.

Étude des phases à différentes températures

Les méthodes décrites ci-dessus sont aussi utilisées pour suivre les changements de structure qui interviennent lors du chauffage ou du refroidissement à basse température des métaux et alliages.

L’échantillon irradié est maintenu à une température déterminée pendant l’enregistrement du diagramme de diffraction. On observe ainsi l’existence à haute température de phases que la trempe ne permet pas de retenir.

Étude de la structure des cristaux

Une autre préoccupation du métallurgiste est l’étude des modifications de structure que produisent les différents traitements subis par un métal: déformation plastique, recuits, traitements de vieillissement. La diffraction des rayons X permet de déterminer l’orientation du cristal élémentaire, la perfection de son réseau, les changements relatifs d’orientation par rapport à ses voisins.

L’orientation des monocristaux ou des très gros cristaux que l’on peut irradier sans atteindre leurs voisins est obtenue par la méthode de Laue décrite dans l’article OPTIQUE CRISTALLINE - Diffraction par les cristaux.

Perfection des cristaux

La déformation plastique introduit des défauts de structure appelés dislocations. Celles-ci, suivant le mode d’écoulement, sont disposées de différentes manières. Après un écrouissage à froid, elles sont nombreuses et réparties uniformément dans les cristaux. Il en résulte des défauts de périodicité du réseau cristallin qui se traduisent par un élargissement des taches de diffraction. Les plans atomiques sont soit courbés: les taches sont alors larges mais d’intensité uniforme, soit fragmentés: les taches, dans ce cas, sont larges, mais constituées de taches plus petites qui correspondent aux cristallites remplaçant l’ancien cristal.

Deux types de méthodes à grande résolution sont utilisés: la méthode de Guinier et Tennevin et la méthode de Lambot et Vassamillet.

La méthode de Guinier et Tennevin est une adaptation de la méthode de Laue. Elle fait appel au rayonnement continu émis par l’anticathode du tube à rayons X. Elle consiste à former une image du foyer du tube à l’aide du cristal à étudier (fig. 3). Les rayons divergents issus du foyer S sont réfléchis par les plans réticulaires 神 et focalisés en P. Un cristal parfait donne une image nette du foyer. Cette image est d’autant plus fine que le foyer est lui-même plus fin. Si le cristal est déformé, la tache est élargie, et si le cristal est fragmenté, la tache se décompose en autant de taches qu’il y a de cristallites. Il est possible, à l’aide de cette méthode, de mesurer des différences d’orientation de l’ordre de 10 .

La méthode de Lambot et Vassamillet utilise un rayonnement monochromatique. Le cristal doit être orienté de telle sorte qu’il réfléchisse une nappe étroite du faisceau convergent incident (fig. 4). Si plusieurs cristallites ont des orientations voisines, ils réfléchissent des nappes différentes. La tache se divise en taches élémentaires dont le nombre est au moins égal au nombre de cristallites irradiés. Le pouvoir résolutif de la méthode est de 30 environ. Elle peut être utilisée par transmission ou par réflexion.

Étude des textures

Certains modes de déformation des métaux, laminage, étirage, etc., produisent, du fait du mécanisme élémentaire par glissement, une rotation du réseau cristallin des différents grains. Il en résulte une orientation préférentielle par rapport à la direction de déformation. Le métal n’est plus isotrope à l’échelle macroscopique.

Les anneaux du diagramme Debye-Scherrer obtenu avec un échantillon d’un métal sévèrement déformé n’ont pas une intensité uniforme.

La mesure de l’intensité diffractée par une famille de plans réticulaires en fonction de l’orientation de l’échantillon par rapport au faisceau incident permet d’établir une carte en projection stéréographique de la répartition pour tous les grains des normales à ces plans (figure de pôles). Pour ce faire, on utilise une méthode photographique (chambre à texture) ou une méthode goniométrique (goniomètre à texture). Dans ce dernier cas, on établit la projection stéréographique des lignes d’égales densités de pôles.

3. Microsonde électronique

La composition spectrale du rayonnement X émis par un tube à rayons X dépend de la nature de son anticathode. Chaque élément émet un spectre, qui contient un fond continu dont l’intensité varie lentement avec la longueur d’onde (cf. OPTIQUE CRISTALLINE - Diffraction par les cristaux), et des raies caractéristiques considérablement plus intenses.

C’est en 1949 que Raymond Castaing et André Guinier ont eu l’idée d’utiliser l’émission de rayons X caractéristique pour faire une analyse ponctuelle à la surface d’échantillons conducteurs.

Le principe en est le suivant: on dispose un filament porté à très haute température dans une enceinte vidée. Ce filament émet des électrons qui sont accélérés et focalisés par un ensemble de lentilles électroniques pour former une image réduite du filament sur l’échantillon.

L’impact des électrons, ou sonde, a un diamètre de l’ordre du micromètre et la pénétration est très faible. Les rayons X émis sont analysés à l’aide d’un spectromètre dispersif ou d’un analyseur d’énergie à compteur.

La comparaison de l’intensité d’une raie caractéristique émise par un élément de l’échantillon avec celle qui est émise par un étalon pur permet d’obtenir la concentration de cet élément. Pratiquement, des corrections importantes sont nécessaires pour avoir un résultat précis et significatif.

La microsonde électronique est munie d’un dispositif optique qui permet d’observer pendant la mesure l’endroit touché par les électrons.

Ces dernières années, des études de laboratoire ont permis d’apporter des améliorations notables à cet appareil, à savoir: augmentation du nombre d’éléments analysés (plus particulièrement pour ce qui concerne les éléments légers), calculs de correction poussés, formation d’images liées à la composition chimique par balayage et enregistrement sur oscillographe cathodique.

Les applications de la microsonde électronique sont nombreuses. Cet appareil rend de grands services pour l’identification des inclusions dans les métaux.

4. Les courants de Foucault

Lorsqu’on place un corps conducteur au voisinage d’un champ électromagnétique variable, il se développe à l’intérieur de celui-ci des courants induits que l’on appelle courants de Foucault. Ces courants ont pour effet de s’opposer au flux qui leur a donné naissance. Leur répartition et leur intensité dépendent des caractéristiques physiques et de la géométrie du corps ainsi que de l’intensité du champ. Le champ est créé par une bobine ou par un système de bobines.

L’impédance d’une bobine est caractérisée par deux quantités: sa réactance et sa résistance. Les différents paramètres qui modifient cette impédance lorsque la bobine est placée au voisinage du matériau à contrôler sont la conductivité électrique et la perméabilité magnétique relative de ce matériau, les dimensions géométriques, la présence de discontinuités (criques, pailles, lignes, fissures, incrustations de calamine...), le couplage entre la bobine et la pièce, la fréquence du champ alternatif.

Si on considère un conducteur plan semi-infini excité par une nappe de courants extérieure au conducteur et parallèle au plan, on trouve pour le champ et le courant à l’intérieur du conducteur les expressions suivantes:

H⁰ étant le champ à la surface de la pièce;

expressions dans lesquelles z est la distance à la surface dans le conducteur, f la fréquence, 靖 la conductivité électrique du matériau, 猪⁰ la perméabilité du vide (4 神 憐 10^-7), 猪^r la perméabilité magnétique relative du matériau et 嗀 l’«épaisseur de la peau».

Ces expressions montrent l’évolution du champ et du courant, en module et en phase, à l’intérieur du conducteur. Elles font apparaître un phénomène appelé «effet de peau» qui tend à repousser le champ et le courant à l’extérieur du conducteur. L’épaisseur de peau est cette pellicule superficielle à l’intérieur de laquelle se trouve la quasi-totalité des courants. On constate en effet que le champ et le courant obéissent à la même loi de variation en fonction de la distance à la surface: leur amplitude s’affaiblit exponentiellement avec la distance (elle est divisée par e soit 2,7 lorsque la distance augmente de l’«épaisseur de peau») et leur phase mesurée par rapport à la phase du courant en surface varie proportionnellement à la distance (1 radian lorsque la distance augmente de l’«épaisseur de peau»).

Une variation quelconque de l’un des paramètres indiqués ci-dessus provoquera une variation des courants induits en module et en phase (c’est le cas, par exemple, d’une discontinuité qui provoque une déformation des lignes de courant à son voisinage). L’impédance de la bobine sera affectée d’une certaine façon par cette variation des paramètres ou la présence de cette discontinuité. Il est donc possible de détecter des variations de perméabilité magnétique relative, de conductivité électrique, de dimensions ou de forme d’un objet, et également de détecter des discontinuités.

Les applications pratiques concernent l’évaluation de la structure métallurgique (par exemple dans le cas des aciers: contrôle de traitement thermique, mesure de grosseur de grain...), la recherche de contraintes internes, le tri entre des nuances voisines, la mesure de température, la réalisation de capteurs de déplacement, la mesure d’épaisseurs de revêtements et surtout la recherche de défauts de surface.

Ces possibilités d’applications font de la méthode des courants de Foucault un outil de contrôle non destructif très utilisé de nos jours dans un grand nombre d’industries (industries mécaniques, automobile, aviation, sidérurgie...), pour le suivi des pièces en service, les contrôles de recette et l’amélioration des procédés de fabrication (par exemple, aide à la mise au point de nouveaux procédés d’élaboration de l’acier dans la sidérurgie).

Du fait de l’effet de peau, ces contrôles ne concernent qu’une pellicule superficielle. On peut néanmoins, lorsque cela est nécessaire, utiliser une fréquence suffisamment basse pour obtenir une épaisseur de peau relativement importante. Ainsi dans un matériau ferromagnétique ordinaire, à des fréquences de quelques dizaines de kilohertz, l’épaisseur de peau est de quelques centièmes de millimètre. Par contre dans un matériau non ferromagnétique et à une fréquence de quelques hertz, elle peut atteindre plusieurs centimètres.

En contrôle industriel, pour un matériau donné, on a généralement des variations des paramètres autour de leur valeur moyenne. Ces variations sont fréquemment cycliques parce que dues à des processus de fabrication. De plus, un même paramètre est influencé par plusieurs facteurs. Ainsi la perméabilité relative varie en fonction des contraintes internes, mais aussi en fonction de la structure, de la décarburation superficielle, des hétérogénéités de traitement thermique. La conductivité, elle, varie en fonction de la composition chimique (des traces d’impuretés quelconques peuvent la modifier considérablement), en fonction de la température également. Tous les paramètres varient simultanément et on se trouve, par conséquent, devant un excès d’informations parmi lesquelles il faut chercher celles qui nous intéressent.

D’une façon générale, deux géométries de sondes sont utilisées dans la pratique. Pour un produit long de forme cylindrique, on peut utiliser des bobines encerclantes (dans le cas des tubes, les bobines peuvent passer à l’intérieur des tubes). Pour un produit plat, on utilise des bobines plates ou sondes dont l’axe est perpendiculaire à la surface du produit. On peut également utiliser ces sondes pour le contrôle de produits cylindriques d’assez grand diamètre ne défilant pas trop vite. Dans ce dernier cas, l’examen s’effectue par rotation de la sonde et déplacement longitudinal de la barre, ce qui donne une scrutation hélicoïdale. La détection peut se faire de différentes manières (bobinage simple, bobinage double...) et différents types de capteurs peuvent être imaginés. Toutefois dans la pratique industrielle et particulièrement en ce qui concerne la détection des défauts, on utilise des sondes différentielles qui scrutent deux zones voisines du produit. Cela permet d’éliminer en partie les paramètres à variation lente et de bien distinguer le signal de défaut.

Un traitement du signal plus ou moins sophistiqué est indispensable pour améliorer le rapport signal/bruit et obtenir une bonne détection. Dans ce but, les appareils actuels comportent, outre des circuits de compensation et d’amplification, des filtres et des circuits d’analyse du signal issu du capteur. Pour éliminer par exemple les vibrations d’un produit à l’intérieur d’un bobinage, on pourra réaliser la projection du signal brut sur une direction perpendiculaire au lieu géométrique caractéristique, dans le plan complexe, du paramètre «vibrations» (il faut, bien entendu, choisir une référence de phase qui peut être le courant dans le bobinage). De simples détecteurs d’amplitude permettent ensuite de déclencher une alarme, un marquage... La plupart des appareils destinés à la détection des défauts de surface disponibles actuellement sur le marché possèdent des circuits de discrimination de phase et permettent par conséquent de réaliser le type de projection dont nous venons de parler.

Les progrès actuels dans les techniques de contrôle par courants de Foucault résultent à la fois de l’évolution rapide des possibilités offertes par l’électronique et l’informatique en temps réel, et de progrès technologiques.

On retiendra en particulier l’introduction des systèmes multifréquences. Ce type de traitement est applicable sur bobine unique fonctionnant en absolu, comme sur montage différentiel. Il consiste à alimenter le capteur avec plusieurs fréquences simultanément, à isoler les réponses obtenues à chaque fréquence, puis à les combiner entre elles de façon appropriée. Dans les cas favorables, cette technique permet d’éliminer un ou plusieurs paramètres perturbateurs. L’une des difficultés majeures à l’utilisation des systèmes multifréquences réside dans le fait qu’il est nécessaire de déterminer un ensemble de coefficients de pondération qui dépendent du produit, des paramètres de sondage et des défauts recherchés (dans le cas le plus fréquent d’un détecteur de défauts de surface). Le choix de ces coefficients doit être rapide et précis. Il est possible actuellement d’en effectuer le calcul dans un contexte industriel de façon automatique à partir simplement d’une zone jugée saine du métal. Cette technique est d’ores et déjà très utilisée pour la détection des défauts dans les tubes des échangeurs, des condenseurs et des systèmes de réfrigération.

L’évolution se fait également dans le sens de traitements numériques plus poussés du signal brut. En détection de défaut par exemple, partant d’un système monofréquence différentiel, on peut envisager de numériser le signal puis de traiter le signal numérisé dans un calculateur. L’utilisation de filtres numériques adaptés permet de réaliser la convolution entre un signal de référence et le signal issu du capteur. On prendra comme signal de référence le signal donné par un défaut réel du type de ceux que l’on recherche. Différents types de filtres numériques sont utilisables. Les avantages du filtrage numérique sont l’adaptabilité au type de défaut à détecter, l’indépendance vis-à-vis de la vitesse du produit à contrôler et la facilité de programmation.

Sur le plan technologique, on peut noter la venue en application de procédés de contrôle en ligne du type «multisondes», c’est-à-dire des installations munies de plusieurs voies de détection en parallèle. Cette évolution permet d’envisager le contrôle en défilement de produits de grande surface autres que les produits longs de faible section.

Les sondes elles-mêmes font l’objet d’études et de réalisations très diverses. Les constructeurs proposent des capteurs variés, avec différentes géométries de bobinages et l’utilisation éventuelle de noyaux de ferrite. Ces capteurs sont étudiés spécialement en fonction de l’application et permettent un fonctionnement fiable dans un environnement industriel parfois agressif. C’est le cas par exemple du sondage des produits chauds dans la sidérurgie.

En conclusion, les techniques de contrôle non destructif par courants de Foucault ont fait d’importants progrès au cours des quinze dernières années. Elles sont d’ores et déjà très utilisées pour la détection des défauts de surface et sont adaptables à bien d’autres problèmes ainsi que nous l’avons signalé. Leur grand intérêt résulte dans leur aptitude à réaliser un contrôle sans contact entre la sonde et le produit, permettant de ce fait d’envisager le contrôle à 100 p. 100 de produits en cours de défilement.

De plus, cette technique est facilement automatisable, ce qui est un facteur particulièrement favorable à son emploi dans diverses industries (mécanique, métallurgie et en particulier sidérurgie...). Sur le plan des performances dans le domaine de la détection des défauts de surface, les courants de Foucault sont en concurrence avec d’autres techniques (magnétoscopie par exemple) mais présentent toutefois des avantages de souplesse d’utilisation et de facilité d’automatisation. Dans d’autres domaines que la détection des défauts, un certain nombre d’applications se développe. Il reste bien entendu à effectuer encore beaucoup de travaux de recherche et de développement tant sur le plan de la technologie des sondes que sur celui du traitement du signal. On peut penser toutefois, dans l’état actuel des choses, que cette technique est promise à un bel avenir.

5. L’essai de ressuage

L’essai de ressuage est surtout utilisé pour les métaux non ferreux, car, pour les métaux ferreux, la magnétoscopie est plus sensible. Il permet de mettre en évidence la présence de discontinuités à la surface des pièces. Son principe est simple. La surface du métal, mise à nu et bien nettoyée, est enduite d’un liquide pénétrant, coloré ou sensible à la lumière ultraviolette. Ce liquide, de faible tension interfaciale, pénètre dans les criques. Après quelques minutes d’attente, la surface de la pièce est débarrassée de l’excès de liquide et nettoyée. On la recouvre d’une couche mince de révélateur, généralement une poudre fine et blanche en suspension dans un liquide volatil. Le liquide évaporé, la couche de poudre joue le rôle d’un buvard. Elle force le liquide coloré, infiltré dans les criques, à ressortir à la surface de la pièce, en colorant localement le révélateur à leur aplomb. La coloration, plus ou moins intense et large, matérialise les discontinuités et donne une idée de leur importance.

Généralement, le liquide coloré et le révélateur sont contenus dans des bombes à pulvérisation, ce qui facilite leur application. Le procédé de ressuage, relativement sensible, est peu coûteux, ne nécessitant pas l’emploi d’un appareillage spécial.

Encyclopédie Universelle. 2012.