MÉTALLOGRAPHIEEssais non destructifs

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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 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.

Contrôle des pièces par ultrasons

Dessin : Contrôle des pièces par ultrasons

Principe du contrôle par ultrasons des pièces métalliques 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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L'oscillogramme de la figure 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.

Contrôle des pièces par ultrasons

Dessin : Contrôle des pièces par ultrasons

Principe du contrôle par ultrasons des pièces métalliques 

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Réalisation des appareils

Actuellement, la plupart des circuits des appareils sont réalisés avec des transistors. C'est un gros progrès dans le sens d [...]

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Contrôle des pièces par ultrasons

Contrôle des pièces par ultrasons
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Méthodes de Seemann-Bohlin

Méthodes de Seemann-Bohlin
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Méthode de Guinier et Thévenin

Méthode de Guinier et Thévenin
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Méthode de Lambot et Vassamillet

Méthode de Lambot et Vassamillet
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Écrit par :

  • : conseiller scientifique à l'Institut de recherche de la sidérurgie (ARSID)
  • : ingénieur des Arts et métiers, ingénieur E.S.E., chef du département Instrumentation, contrôle et radioéléments de l'Institut de recherche de lasidérurgie (I.R.S.I.D.)
  • : Chef de groupe à l'Institut de recherche de la sidérurgie (IRSID).

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Pour citer l’article

Louis BEAUJARD, Gérard LABBE, Jack MANNENC, « MÉTALLOGRAPHIE - Essais non destructifs », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 29 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/metallographie-essais-non-destructifs/