De nombreuses techniques de détermination de l’état de contraintes dans un matériau sont disponibles. Toutes sont basées sur la mesure de la déformation. Ces techniques sont classées en destructives ou non destructives, et sont choisis selon la nécessité ou non de la réutilisation d’une pièce après la mesure des déformations.
1.5.1. Techniques destructives
Les techniques destructives permettent de déterminer seulement les macrocontraintes. Parmi les avantages de ces méthodes mécaniques on note leur application relativement simple, leur prix réduit et la rapidité des résultats. Quelques unes parmi ces techniques destructives sont brièvement décrites ci-dessous.
1.5.1.1. Méthode du trou incrémentale (Hole drilling)
C’est une méthode largement répandue, proposée depuis plus de six décades ([Mat,34]). Un trou ayant comme profondeur 1,5 fois son diamètre est percé ([Nik,85]). La relaxation de la déformation est mesurée par trois jauges de déformation dans une rosette placée autour du trou. Les incréments de profondeur des trous dépendent principalement de la précision de l'outil de
1.5.1.2. Méthode du trépan (Ring coring)
C’est une méthode semblable à la méthode du trou. Des fentes annulaires, remplaçant les trous, sont usinées autour d’une jauge de déformation fixée sur la surface ([Wol,71]). La distribution des contraintes résiduelles en surface et dans le cœur du matériau est calculée à partir des déformations mesurées.
Les limitations générales de ces deux méthodes de trou et de trépan sont :
(i) Les forts gradients de contraintes doivent être évités puisque le gradient est supposé constant sur la hauteur du trou ou le diamètre du trépan ;
(ii) L’épaisseur de l’échantillon doit être au moins quatre fois le diamètre du trou ou du trépan ;
(iii) La distance entre deux trous ou trépans doit être au moins huit fois plus grande que leurs diamètres.
1.5.1.3. La méthode de Sachs
Elle est également basée sur le même principe de mesure de la déformation relaxée après un enlèvement de couches concentriques du matériau. Un trou axial est d'abord percé et la déformation est mesurée pour chaque accroissement de l’incrément de diamètre du trou à l’aide d’une paire de jauges fixées sur la surface. Parmi les hypothèses de cette méthode est la nécessité d’avoir une pièce cylindrique de façon que la répartition des contraintes présente une symétrie de révolution. Cette méthode est surtout utilisée pour la mesure des contraintes d’origine thermique ou de traitement mécanique tel que le grenaillage.
1.5.2. Techniques non destructives
Les techniques non destructives sont basées sur la mesure de la distribution de la déformation du réseau cristallin (à l’aide des techniques de diffraction) ou bien la mesure de variations observées sur quelques propriétés physiques du matériau (l’interférométrie de moiré, les méthodes ultrasoniques et magnétiques). Quelques unes parmi ces techniques non destructives sont brièvement décrites ci-dessous.
1.5.2.1. Interférométrie de moiré
C’est une méthode optique qui se sert de deux grilles composées de lignes d'une forte densité (étroitement espacées) afin de mesurer la déformation en surface. Une grille est fixée sur un plan transparent tandis que l'autre est placée sur la surface de l’échantillon et subit une distorsion due à la contrainte dans l’échantillon. En superposant la grille distordue directement à celle non distordue, des franges se forment. La déformation peut être calculée connaissant les densités des lignes (1200 lignes/mm sont couramment utilisées ([Wu,98])) et la distance entre les paires de franges ou encore directement à partir de l’inclinaison des franges par rapport aux coordonnées des axes.
1.5.2.2. Les ultrasons
Cette technique peut fournir des informations concernant les macrocontraintes dans des zones proche de la surface et dans le cœur de la pièce également. Les mesures sont basées sur des effets acoustiques pour lesquels la vitesse des ondes
( )
ν est reliée aux contraintes internes( )
σ au sein du matériau:ν = ν + σ0 K (1.45)
où ν est la vitesse de propagation de l’onde dans un matériau non contraint et K est la constante 0 acousto-élastique du matériau.
1.5.2.3. Les méthodes magnétiques
Les méthodes magnétiques permettent de séparer l’effet des contraintes résiduelles des autres facteurs superposés comme les effets de la microstructure et de la texture en utilisant les paramètres magnétiques (courant de Foucault, etc..) ([Thu]). L’avantage de ces méthodes réside dans leur sensibilité à la contrainte, à la microstructure et à la texture. Mais la condition que le matériau soit ferromagnétique limite les applications de cette méthode.
1.5.2.4. Spectrométrie RAMAN
La spectroscopie Raman permet d’étudier les contraintes en surface de nombreux matériaux avec une résolution latérale inférieure au micron. Elle est fondée sur la diffusion inélastique d’une lumière incidente monochromatique, par excitation de modes de vibration particuliers dans certains cristaux (non CFC et non conducteurs) ([Vin,96]). Les contraintes y provoquent des décalages quantifiables et modélisables des pics du spectre Raman.
1.5.2.5. Les méthodes de diffraction
Ces techniques ne peuvent être utilisées que pour les matériaux cristallins. Quand le matériau est sous contrainte, appliquée ou résiduelle, un changement dans les distances inter- réticulaires d a lieu en raison des déformations élastiques résultantes. Cette distance inter- réticulaire est utilisée comme jauge de déformation par les techniques de diffraction des rayons X (DRX) ou aux synchrotrons, au des neutrons. Généralement, un faisceau monochromatique ayant une longueur d’onde, du même ordre de grandeur que la distance d, irradie le matériau étudié (généralement polycristallin). Les distances d des plans ayant une orientation spécifique leur permettant de contribuer à la diffraction, peuvent être calculées (cf. paragraphe 1.6). Les contraintes peuvent donc être obtenues à partir de ces déformations à condition que les constantes élastiques radiocristallographiques (CER) soient connues. Il existe une interaction électromagnétique entre les rayons X et le nuage d’électrons autour des atomes d’un matériau.
de la surface dans la plupart des matériaux. La DRX conventionnelle est donc limitée aux mesures en surface. D'autre part, le vol des neutrons est affecté principalement par les collisions nucléaires. Ceci augmente la pénétrabilité des neutrons pouvant aller jusqu'à quelques centimètres dans certains matériaux (Tableau 1.1). La mesure de la contrainte est donc possible dans le coeur du matériau par diffraction des neutrons.
Tableau 1.1. Pénétration des rayons X et des neutrons pour 50% d’absorption
pour des matériaux communément utilisés en ingénierie
Cependant, les sources limitées, le coût élevé, la vitesse réduite et les difficultés de mesurer la déformation en surface avec les neutrons, encourage l'utilisation des rayons X. Par conséquent, les techniques de DRX et des neutrons peuvent être considérées comme complémentaires ([Pin,92], [Bra,98]). En outre, le développement des sources de rayons synchrotrons peut fournir des faisceaux ayant des énergies élevées avec un grand accroissement de la pénétration de ces faisceaux dans les matériaux. Cependant, les faibles longueurs d’onde peuvent mener à de petits angles de diffraction dans la plupart des métaux ; ainsi, la détermination du tenseur de contrainte complet est encore difficile à réaliser.
Les méthodes de DRX et des neutrons, utilisées dans le cadre de ce travail, sont détaillées dans les paragraphes qui suivent.