Etude du comportement XC 38 soumis à des contraintes thermique et axiale par les méthodes de
contrôle non destructif (C.N.D)
A.ALOUACHE, A.NAILI, M.MOKHTARI, M.ZERGOUG, S.NEFOUCI Centre de soudage et de contrôle, Route de Dely Ibrahim, B.P:64, Chéraga, Alger
abdausen@yahoo.fr
Résumé— Le contrôle par les méthodes d'essais non destructifs (CND) est très utilisé dans l'évaluation non destructive des matériaux.
Ces procédés trouvent une application importante dans la détermination des paramètres mécaniques et métallurgiques des matériaux.
L'objet de ce travail est de réaliser une analyse des contraintes dans le matériau créé par des sollicitations externes par les méthodes du contrôle non destructif, précisément les courants de Foucault (CF), le bruit de Barkhausen (BN), le cycle d’hystérésis et la thermographie infrarouge, et l’influence de la température sur ces méthodes, en appliquant les essais de tractions. Les résultats obtenus sont très satisfaisantes par rapport aux cas de validation.
Mots clés —CND, BN, CF, cycle d’hystérésis, FFT, DSP.
I. INTRODUCTION
La détérioration des pièces pendant la fabrication ou l’utilisation est une problématique majeure dans le monde de l’Industrie. Les expérimentations réalisées ont montré de larges possibilités d’analyse par les méthodes de contrôle non destructif (CND) en utilisant les procédés électriques et magnétiques dans l’évolution des diverses caractéristiques métallurgiques. Les propriétés électromagnétiques d'un matériau dépendent de sa composition, de sa microstructure et des contraintes appliquées. Le système de contrôle par Bruit de Barkhausen (BN) et cycle d’hystérésis et courant de Foucault (CF) ainsi que la thermographie infrarouge a été très développé ces dernières années par le perfectionnement de la technologie apporté aux appareils de mesures. Le micro-ordinateur a énormément contribué au développement de la physique. Il offre la possibilité de résoudre les problèmes de caractérisation des matériaux, d’approfondir les recherches à l’échelle microscopique. Le développement important de l’informatique et le progrès dans leur capacité, ont influencé le travail de recherche relatif au contrôle par ces méthodes et contribuent à leur application industrielle
L’approche expérimentale exploite l’outil informatique pour simplifier les chaînes de contrôles par une automatisation de
ces systèmes assez complexes et une facilité d’interprétation des résultats.
II. PROCEDUREDEREALISATION
Dans ce travail nous allons mettre en pratique l'étude théorique sur l'essai de traction contrôlé par les courants de Foucault, bruit de Barkhausen et thermographie infrarouge ; et décrire les différentes étapes et les moyennes mises en œuvre pour la réalisation de ces essais.
Le but des essais effectués est de contrôlé par courants de Foucault plusieurs échantillons sollicités par une machine de traction a haute température pendant un lapse de temps défini.
Afin de pouvoir mettre en évidence l’effet des défauts sur le bruit de BN et la courbe de cycle d’hystérésis nous avons opté pour une procédure expérimentale qui est la suivante :
Fig. 1. Organigramme de la chaine de montage III. APPROCHE EXPERIMENTAL
Nous présentons dans cet article l'évaluation de l'acier XC 38 soumis à des contraintes axiales situées dans la zone élastique et chauffées à des degrés différents de températures. Les pièces réalisées ont été soumis à une procédure expérimentale définie afin d'obtenir différents modification mécanique dans le matériau. Nous avons choisi l'acier XC38 comme matériau ferromagnétique, pour notre étude.
Les dimensions des échantillons sont 250x40x2, 7 mm3. Elles ont été prises sur la même feuille de la même structure. Les éprouvettes ont été découpées et ont été usinées en conformité avec la norme française NF EN 10002-1.
Ces éprouvettes ont été soumises à des hautes températures entre (150 et 700 ° C) (Fig. 2). Et des contraintes de traction.
Nous avons soumis tous les éprouvettes à une température élevé puis on a appliqué les charges de traction dans la zone élastique.
Afin d'être en forte cas de sollicitation dans les zones critiques, nous avons pris deux charges:
• une charge supérieure à la charge d'élasticité (état 1) correspondant à F1.
• une charge supérieure à la charge de plasticité (état 1) correspondant à F2
Des mesures par courants de Foucault, Bruit Barkhausen et cycle d'hystérésis ont été faites. Chaque mesure a été prise toutes les 15 minutes. Des systèmes d'acquisition ont été localisés au niveau de la zone critique.
Les acquisitions des données ont été effectuées par un PC connecté par une interface IEEE 488.
Les optimisations de conditions de travail ont été prises en considération afin d'éviter des erreurs systématiques ou expérimentales.
Fig2. Vérification de la température par thermographie
IV. PRESENTATIONETINTERPRETATIONDES RESULTATS
Le logiciel permet la transformation de signal (BN) en FFT et RMS et le cycle d'hystérésis (Fig. 3-6) qui représente les résultats BN après traitement numérique.
Fig3. Effet température sur le PIC FFT et DSP
Fig4. Effet traction sur le FFT et DSP
2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
t(ms)
v(mv)
150 C 250 C 500C
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000
f(kHz)
V(mV).2
150C 250 C 500 c
20 40 60 80 100 120 140 160
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
f(kHz)
V(mV).2
650C 650 C,3KN
Fig5. Effet de température sur le PIC Barkhausen
Fig6. Effet de traction sur le PIC Barkhausen
Les résultats obtenus sur les échantillons chauffés reflètent l'influence de cette température sur le signal BN (Fig. 3, 5).
Compte tenu du BN du point de vue de l'énergie, nous pouvons remarquer que l'énergie à la limite du champ coercitive correspond au premier pic de l'amplitude.
La comparaison entre les échantillons traité différemment est marquée par la variation de l'amplitude, on remarque que le RMS est plus important pour l'échantillon traité à basse température (Fig. 5, 6) .Ensuite nous pouvons utiliser cette différence pour caractériser la modification structurelle par cette technique. Nous pouvons également remarquer que l'emplacement de RMS est différent pour chaque traitement;
en outre l'application de la charge sur l'échantillon chauffé donne une modification des signaux BN (Fig. 4, 6). [1].
Fig7. Effet de température sur le cycle d’hystérésis
Fig8. Effet de traction sur le cycle d’hystérésis
Les propriétés magnétiques d'un matériau ferromagnétique sont influencées par les contraintes internes résiduelles dus par un traitement thermique ou de l’essai de traction.
La température et la contrainte affectent la magnétisation d'un matériau ferromagnétique, cette affection est soit un élargissement ou le rétrécissement de l'hystérésis magnétique, et donc à une augmentation ou une diminution de la coercitive (Fig. 7, 8).
Fig9. Effect of temperature on the impedance
-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 -15
-10 -5 0 5 10 15
H(A/m)
B(mT)
150 C 250 C 500 C
-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 -15
-10 -5 0 5 10 15
H(A/m)
B(mT)
150 C 250 C 500 C 600 C.10KN
0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07
0 0.005 0.01 0.015 0.02
150°
350°
2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2
-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
t(ms)
v(mv)
150 C 250 C 500C 600 C,10KN
Les résultats obtenus par le courant de Foucault et de bruit de Barkhausen donnent la même similitude. (Fig. 9)
La variation de l'impédance et l'amplitude ou les PIC RMS des signaux BN donnent l'information du mouvement de la microstructure sous l'effet de la contrainte.
Les signaux BN permettent d'avoir plus d’informations sur les comportements de la microstructure. Le déplacement de la paroi de Bloch est plus facile en raison de la température ou à cause de la traction causée par la charge. Ces résultats sont importants, il permet d'évaluer une structure traitée à l'aide de la signature des signaux BN. [3, 4]
.
Fig10. Eprouvette sous contrainte axiale et thermique Les résultats obtenus permettent d’affirmer que le contrôle non destructif permettent un diagnostique sur le comportement du matériau, en effet les résultats obtenus par courants de Foucault sont différents suivant la sollicitation et suivant l’échauffement que subit le matériau.
Les résultats obtenus par Le BN et par le cycle d’hystérésis sur le matériau ferromagnétique ont déjà prouvé leur efficacité. En effet l’état métallurgique du matériau soumis à des traitements thermiques et une charge peut être diagnostiqué par ces techniques. Les résultats obtenus permettent de constater les variations des résultats en fonction de la charge et de la température, de donner Les différents programmes de traitement du signal développés (FFT, DSP, enveloppe du signal) permettent la caractérisation de l’état métallurgique de la pièce étudie ainsi que sa classification, et la méthode de cycle d’hystérésis permet de donner sur les contraintes que peut subir un matériau soumis à des sollicitations.
Les résultats obtenus sont intéressants et prometteurs. En effet nous avons prouvé dans ce travail que le traitement thermique provoque des contraintes que les méthodes de CND permettent de détecter. Aussi une charge appliquée sur un matériau crée des contraintes dans ce matériau. [2, 4]
V. CONCLUSION
Le contrôle par les méthodes électromagnétiques tient une place importante dans la résolution des problèmes de caractérisation des matériaux. Ces méthodes sont très demandées dans l’industrie grâce aux gains économiques et temporels qu’elles nous apportent.
Le contrôle non destructif par procédés magnétiques tel que le bruit de Barkhausen permet de caractériser les propriétés métallurgiques des matériaux et de constater aussi que le BN est la conséquence d’un phénomène physique propre aux matériaux ferromagnétique. Les méthodes de contrôle non destructif peut être utilisé pour caractériser contrainte axiale et thermique d'une manière rapide et facile. La sensibilité de la technique BN montre que cette méthode peut être utilisée dans l'industrie pour détecter les composants défectueux pendant la fabrication, et aussi donner de plus amples renseignements sur les modifications qui se produisent dans la microstructure. Il peut démontrer que tout changement «mouvement» ou de la fatigue dans la microstructure peuvent être quantifiés par BN et courants de Foucault.
REFERENCES
1. J.Chicois, O.Saquet, D. Tapuleasa, Traitement thermique des aciers, La technique Barkhausen appliquée aux contrôles non destructifs, Traitement thermique pp18-23 N°300 juin- juillet 1997.
2. M. Birsan, J.A Szpunar, T.W. Krause and D.L. Atherton, Magnetic Barkhausen Noise study of Domain Wall Dynamics in Grain Oriented %3 SI-FE , IEEE Transactions on magnetics , Vol 32, No 2 , March 1996 pp527-534
3. M Zergoug and all ,Thermally affected characterization region by BN ,Ultrasonic,vol 37 2000
4. R. Ranjan, David C Jiles, P. K. Rastogi, « Magnetic properties of decarburased steels: an Investigation of the effects of grain size and carbon content », IEEE Transactions of magnetics, Vol Mag-23, N°2, March 1986.
