Article de référence | Réf : IN226 v1

Contrôle de la fatigue par émission acoustique : méthodes classiques
Contrôle de la fatigue des matériaux par émission acoustique

Auteur(s) : Stéphanie DESCHANEL, Jérôme WEISS

Relu et validé le 13 janv. 2021

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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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ABSTRACT

Monitoring of fatigue of materials from acoustic emission

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)

https://doi.org/10.51257/a-v1-in226


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3. Contrôle de la fatigue par émission acoustique : méthodes classiques

L’idée d’un contrôle non destructif de l’endommagement et la fissuration par fatigue à partir de la détection des émissions acoustiques induites est ancienne , mais basée quasi exclusivement sur l’analyse de l’évolution de variables globales, comme le niveau moyen de « bruit » ou d’énergie acoustique enregistré, ou bien le nombre de coups dn c/dN ou de salves (dn s)/(dN) par cycle, détectés au-delà d’un seuil d’amplitude du signal. N est le nombre de cycles de chargement. Ce type d’analyse classique, relativement aisé à mettre en œuvre dans le principe, est confronté à divers problèmes :

  • un problème classique de rapport signal/bruit, exacerbé en situations réelles ou industrielles pour lesquelles les sources de bruit ambiant sont nombreuses et mal caractérisées. Dans le cas d’essais de chargement cyclique d’une pièce de fuselage, il a été estimé que le nombre de fausses détections était environ un million de fois plus grand que le nombre de signaux réellement associés à la propagation d’une fissure dans la structure . Ceci rend la localisation des fissures sources à partir des émissions acoustiques extrêmement difficile ;

  • un manque de spécificité vis-à-vis des mécanismes sources ; même en considérant un rapport signal/bruit très favorable, divers mécanismes physiques peuvent générer des émissions acoustiques lors de la fatigue des matériaux :...

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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)...

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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