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RÉSUMÉ
La fatigue, c'est-à-dire la rupture de structures mécaniques sous l'effet de chargements cycliques, demeure une gageure technologique considérable, car elle survient de façon inattendue lorsque la structure fonctionne apparemment dans un régime stabilisé et sûr, sans signe extérieur de détérioration mécanique. Après avoir présenté ce contexte et les méthodes classiques de contrôle de la fatigue par émission acoustique (EA), une nouvelle méthode non destructive de détection spécifique de la propagation de fissures de fatigue est exposée à partir de multiplets acoustiques: signaux d’EA répétitifs, aux formes d'ondes quasi identiques. Des perspectives de contrôle en service sont ensuite proposées.
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Fatigue, i.e. the failure of mechanical structures under cyclic loading, remains a considerable technological challenge as it occurs unexpectedly when a structure is operating apparently in a safe and steady-state regime, with no external signs of mechanical deterioration. After introducing this context together with classical methods of fatigue monitoring from acoustic emission (AE), we present a new, non-destructive method to unambiguously detect fatigue crack propagation from specific, repeating AE signals with quasi-identical waveforms. Perspectives for in-service fatigue control are then given.
Auteur(s)
-
Stéphanie DESCHANEL : Maître de conférence à l’INSA de Lyon - MATEIS, INSA de LYON/Université de Lyon, France
-
Jérôme WEISS : Directeur de recherche au CNRS - ISTerre, CNRS/Université Grenoble-Alpes, France
INTRODUCTION
La fatigue est l’un des plus dangereux processus mécaniques menant à la rupture de pièces ou structures, rencontré dans diverses situations industrielles modernes allant des réacteurs nucléaires aux connexions micro-électroniques. Cependant, nous ne disposons pas encore de méthodes non destructives ni d’indicateurs capables de prédire la durée de vie en fatigue, généralement encore estimée de nos jours à partir de relations empiriques telles que la loi de Manson-Coffin, qui relie le nombre N R de cycles à rupture en fatigue à l’amplitude de déformation plastique cyclique imposée Δε p :
. Le problème de ce type d’approche est que les paramètres c et β dépendent du matériau, ainsi que du mode de chargement (triaxialité par exemple), et doivent donc être déterminés par de nombreux essais de calibration. Cet article présente, dans différents matériaux métalliques, la détection de signaux d’émission acoustique spécifiques de la propagation de fissures par fatigue. Ces signaux, dénommés multiplets acoustiques, se caractérisent par des formes d'ondes quasi identiques, signature d'une source unique, et sont déclenchés de façon répétée sur de nombreux cycles de chargement successifs au même niveau de contrainte. Ils marquent la propagation lente et incrémentale d'une fissure de fatigue à chaque cycle, ou le frottement le long des surfaces de rupture. Étant spécifiques à la fissuration incrémentale par fatigue, ils peuvent être utilisés comme des avertissements précurseurs de la propagation des fissures, qui mènera en définitive à une rupture globale. Leur détection et leur caractérisation ouvrent ainsi la voie à un nouveau suivi fiable de l'apparition des fissures de fatigue lors d’essais mécaniques ou au sein de structures en service.
Points clés
Domaine : Contrôle non destructif
Degré de diffusion de la technologie : Émergence
Technologies impliquées : Émission acoustique
Domaines d’application : Contrôle non destructif de la fissuration par fatigue
Contact :
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KEYWORDS
fatigue | failure | non-destructive monitoring | acoustic emission
DOI (Digital Object Identifier)
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Contrôle de la fatigue par émission acoustique : méthodes classiques
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2. Émission acoustique : rappels et définitions
L’émission acoustique (EA) correspond, selon la norme AFNOR , à un « phénomène de libération d’énergie élastique sous forme d’ondes élastiques transitoires au sein d’un matériau durant des processus dynamiques de déformation ». Un matériau soumis à déformation inélastique dissipe de l’énergie en créant des microdéplacements de matière, dont une fraction sous la forme d’ondes élastiques, si ces déformations s’effectuent de manière brutale . Ces ondes se propagent dans le matériau et subissent d’éventuelles modifications liées au milieu traversé avant d’atteindre la surface de l’échantillon étudié. La vibration de surface est recueillie par un capteur piézo-électrique qui produit en réponse un signal électrique : le signal d’émission acoustique. Le domaine de fréquence de l’EA est compris entre 50 kHz et 1,5 MHz.
Par abus de langage, le terme d’émission acoustique est employé pour désigner la technique de mesure. Cette technique est utilisée pour l’étude de phénomènes physiques comme la déformation plastique, le maclage ou des mécanismes d’endommagement des matériaux et, par extension, comme méthode de Contrôle Non Destructif (CND). Elle permet en effet de détecter en temps réel l’existence de...
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Émission acoustique : rappels et définitions
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ALBERT (W.A.J.) - Über Treibseile am Harz. Archive für Mineralogie, Geognosie. - Bergau and Hüttenkunde, 10 : p. 215-234 (1838).
-
(2) - SCHÜTZ (W.) - A history of fatigue. - Engineering fracture mechanics, 54(2) : p. 263-300 (1996).
-
(3) - ESSLINGER (V.) et al - The railway accident of Eschede-technical background. - Engineering Failure Analysis, 11(4) : p. 515-535 (2004).
-
(4) - CAMPBELL (G.), LAHEY (R.) - A survey of serious aircraft accidents involving fatigue fracture. - International Journal of Fatigue, 6(1) : p. 25-30 (1984).
-
(5) - LEE (W.), NGUYEN (L.), SELVADURAY (G.S.) - Solder joint fatigue models : review and applicability to chip scale packages. - Microelectronics reliability, 40(2) : p. 231-244 (2000).
-
(6)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
(Roget, J.) Essais non destructifs. L'émission acoustique, mise en œuvre et applications. AFNOR, CETIM Centre technique des industries mécaniques, 196 (1988). - Norme AFNOR NF A09-350 -
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