MÉTALLOGRAPHIEEssais non destructifs

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, σ la conductivité électrique du matériau, μ₀ la perméabilité du vide (4π × 10^-7), μ_r la perméabilité magnétique relative du matériau et δ 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 p [...]

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