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RÉSUMÉ
La tomographie aux rayons X donne accès de manière non destructive à une visualisation en 3D avec une résolution de l’ordre du micromètre de la distribution des phases dans un échantillon. Le couplage de la technique avec une sollicitation du matériau étudié permet de caractériser finement les interactions entre sollicitation et structure interne. Dans cet article, les différents éléments nécessaires à la tomographie aux rayons X sont présentés, puis quelques exemples d’apport de la tomographie in situ à des problématiques de science des matériaux sont décrits.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Eric MAIRE : Directeur de recherche du CNRS, Université de Lyon, - Laboratoire de Matériaux – Ingénierie et Sciences (MATEIS) – UMR CNRS 5510, INSA Lyon, Villeurbanne, France
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Pierre LHUISSIER : Chargé de recherche du CNRS, - Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et de Procédés (SIMaP) – UMR CNRS 5266, Université Grenoble Alpes, Saint-Martin-d’Hères, France
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Luc SALVO : Professeur des Universités de Grenoble INP, - Laboratoire de Science et Ingénierie des Matériaux et de Procédés (SIMaP) – UMR CNRS 5266, Université Grenoble Alpes, Saint-Martin-d’Hères, France
INTRODUCTION
La tomographie aux rayons X consiste, grâce à la combinaison de nombreuses radiographies prises sous des angles différents, en la reconstruction en trois dimensions de la distribution du coefficient d’absorption des rayons X. Ainsi, cette technique permet de générer un volume numérique de la distribution des différentes phases (au sens de leur composition chimique) présentes dans l’échantillon observé.
Dans le cadre de la science des matériaux, la tomographie permet de caractériser en 3D, avec une résolution spatiale de l’ordre du micromètre, la distribution, la morphologie (forme, taille…) et la topologie (connectivité, percolation…) des phases présentes. L’utilisation de cette technique simultanément à une sollicitation (thermique, mécanique, hydrique…) du matériau, que l’on nomme caractérisation in situ, donne accès à l’évolution de ces paramètres au cours de la sollicitation.
La richesse de l’information contenue dans ces images 3D, ainsi que l’aspect non destructif de la technique, font de la tomographie une méthode de caractérisation de choix dans un certain nombre de problématiques en science des matériaux. La tomographie in situ a, par exemple, fait ses preuves pour la caractérisation de l’endommagement, aussi bien pour des conditions de sollicitations à température ambiante qu’à chaud, ou pour le suivi de transformation de phases.
La tomographie aux rayons X est décrite dans ses grands principes dans l’article [P 950]. Le présent article présente les développements liés à l’utilisation du rayonnement synchrotron, qui ont permis des avancées notables récentes dans le domaine de la science des matériaux notamment. Certaines de ces avancées sont prises à titre d’exemples et décrites brièvement, les lecteurs intéressés pourront se rapporter aux publications citées.
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MOTS-CLÉS
science des matériaux tomographie rayons X tomographie aux rayons X essais in situ endommagement solidification
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1. Principe de la technique
1.1 Bases
1.1.1 Radioscopie aux rayons X
La radiographie aux rayons X est basée sur la loi de Beer-Lambert qui calcule, le long d’un trajet donné des rayons X au sein de la matière, le rapport entre le nombre de photons transmis N et le nombre de photons incidents N 0. Comme le montre l’expression (1), ce nombre dépend du coefficient d’absorption (ou d’atténuation linéique) µ (en m−1) du matériau le long du trajet s.
Dans un cas général, l’absorption dépend de l’énergie des photons. Elle est faible quand l’énergie est élevée. Cela induit que la radioscopie nécessite une énergie élevée pour analyser des échantillons absorbants et massifs. Un faisceau monochromatique simplifie la physique du problème de l’absorption, car tous les photons ont la même énergie et ont donc la même probabilité d’être absorbés.
La projection de µ varie donc en fonction de la composition et de l’épaisseur du matériau traversé. Cette variation est à l’origine du contraste détecté en radioscopie d’absorption des rayons X. Chaque point d’un détecteur placé derrière un objet irradié reçoit un nombre de photons dépendant du chemin traversé. Si le matériau est homogène, le nombre de photons reçus ne dépend que de l’épaisseur traversée. Si la microstructure interne du matériau est hétérogène, ce nombre dépend également de l’atténuation locale en tout point du matériau.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FELDKAMP (L.A.), DAVIS (L.C.), KRESS (J.W.) - Practical cone-beam algorithm. - J. Opt. Soc. Am., 1, n° 6, 612-619 (1984).
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(3) - CLOETENS (P.), PATEYRON-SALOME (M.), BUFFIERE (J.-Y.), PEIX (G.), BARUCHEL (J.), PEYRIN (F.), SCHLENKER (M.) - Observation of microstructure and damage in materials by phase sensitive radiography and tomography. - J. Appl. Phys., 81, 9 (1997).
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(5) - BELTRAN (M.A.), PAGANIN (D.M.), UESUGI (K.), KITCHEN (M.J.) - 2D and 3D X-ray phase retrieval of multi-material objects using a single defocus distance. - Opt. Express 18,...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Logiciel avizo 3D
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Conférence 3DMS organisé par TMS
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
RX Solutions fabricant français de tomographes
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