Une explication détaillée des essais non destructifs des matériaux.
Dans l'industrie automobile, par exemple, les processus de production sont contrôlés pour s'assurer qu'ils ne sortent de la fenêtre de processus spécifiée que dans des situations extrêmes. L'indice de capabilité du processus permet de déterminer si un processus atteint les objectifs fixés dans la spécification. Cet indice, également appelé cpk, mesure le degré de répétabilité et de précision du processus.
Les processus qui présentent une répétabilité inférieure à celle souhaitée et qui ne maintiennent pas suffisamment une tolérance serrée doivent être surveillés. Pour la production en ligne, il est essentiel de déterminer l'intégrité d'une pièce, en l'empêchant de passer au processus de fabrication suivant. Cela permet d'éviter d'augmenter les coûts de fabrication d'une pièce qui pourrait ne pas répondre aux exigences de qualité. Une automobile, un équipement lourd ou un train comporte de nombreux composants essentiels à la sécurité et à la fonction. Leurs performances ne peuvent être garanties que si les matériaux et les processus de fabrication répondent à des exigences spécifiques. Par exemple, des techniques de trempe inadéquates peuvent entraîner l'usure prématurée et la défaillance des engrenages d'une transmission automobile ou la rupture d'un attelage de remorque devenu trop fragile. Même l'utilisation d'une mauvaise matière première peut entraîner un comportement différent du composant dans l'application en série et conduire à un dysfonctionnement grave. Lorsqu'il s'agit d'éviter des dommages importants ou de mettre des vies humaines en danger, il est nécessaire de mener et de mettre en œuvre des essais en cours de fabrication. Les paramètres spécifiés peuvent ainsi être garantis et maintenus. Les essais de matériaux énumérés ci-dessous peuvent être réalisés parallèlement au processus ou dans le cadre d'une inspection à 100 % :
Il existe des centaines d'alliages métalliques différents, qui se distinguent par leur composition et leur mode de fabrication. De nombreux producteurs ont leurs recettes secrètes, élaborées individuellement pour chaque produit final, et certaines fluctuations dans les composants de l'alliage sont normales et autorisées - tant qu'elles restent dans les limites de la spécification.
Comme le dit le proverbe, la confiance, c'est bien ; la vérification, c'est mieux : La confiance, c'est bien ; la vérification, c'est mieux. Selon la conception de la chaîne d'approvisionnement, il n'est pas possible de se fier à la qualité. La composition des matériaux doit donc être vérifiée régulièrement. Cela s'applique, par exemple, aux industries automobile et aéronautique et est régi par les normes correspondantes.
Le contrôle peut être effectué sur des échantillons à la réception des marchandises ou, si nécessaire, sous la forme d'un contrôle à 100 % directement dans la chaîne de production. Il existe différentes méthodes pour tester le mélange de matériaux : soit vous effectuez un test avec un spectromètre de masse en laboratoire pour échantillonner la teneur en carbone de manière aléatoire, soit vous vous fiez à un contrôle magnétique inductif.
La méthode magnétique-inductive utilise les courants de Foucault. Les composants testés passent généralement à travers une bobine de test contenant une bobine primaire et une bobine secondaire afin d'examiner leurs propriétés matérielles. En conséquence, des courants de Foucault à basse fréquence sont introduits dans le matériau induit. La tension d'essai enregistrée par le capteur résulte des propriétés magnétiques et électriques de la pièce testée, la valeur de la tension étant affichée graphiquement comme un point de mesure. Les différents composants d'alliage ou états structurels modifient les courants récepteurs et permettent ainsi de tirer des conclusions sur les propriétés matérielles de la pièce testée. Chaque matériau laisse en quelque sorte une "empreinte digitale" unique, qui change en fonction de la fréquence de mesure utilisée.
Cette empreinte est enregistrée dans l'instrument de contrôle par courants de Foucault afin d'identifier un matériau de manière unique. Il est important de s'assurer que les variables environnementales restent stables. Pour minimiser les pseudo-indications, on essaie généralement de résoudre l'essai avec une fréquence optimisée. Si les fabricants ont besoin d'examiner différentes propriétés des matériaux, ils peuvent le faire avec plusieurs fréquences fondamentales. Comme alternative ou en plus des fréquences fondamentales, les fréquences harmoniques peuvent également être évaluées afin d'identifier le matériau et de trier les composants défectueux.
Les dimensions des composants testés doivent être identiques à celles du matériau enseigné. En effet, des dimensions différentes entraînent une propagation différente des champs magnétiques de la sonde de test et donc une modification du signal. De nombreuses lignes de production utilisent avec succès les tests d'identification des matériaux par induction magnétique. Cependant, des applications peuvent également être trouvées en dehors des lignes de production, par exemple pour différencier l'aluminium de qualité supérieure de l'aluminium de qualité inférieure.
En fonction du matériau à partir duquel est fabriqué un composant, différents procédés de trempe sont utilisés, parmi lesquels la trempe par induction ou la trempe au four. Il peut arriver qu'une pièce n'ait pas la dureté souhaitée après la procédure de trempe ; cela peut être dû à une teneur en carbone incorrecte ou à un alliage défectueux.
Dans le cas de la trempe par induction, l'intensité du courant nécessaire pour chauffer la pièce doit également être suffisante. Il faut donc s'assurer que la température de surface du composant est correcte. Une température de surface imprécise peut entraîner une transformation incorrecte de la microstructure. Les contrôles optiques ne sont généralement pas possibles car les différences entre les composants ne sont pas visibles à l'œil nu. Par conséquent, des méthodes de contrôle non destructives sont nécessaires pour signaler les processus défectueux à l'utilisateur.
Les propriétés magnétiques des matériaux étant en corrélation avec leur dureté, les essais magnéto-inductifs peuvent être utilisés pour enregistrer une "empreinte" spécifique sur le composant. Les propriétés magnétiques des matériaux qui contribuent aux interactions sont la perméabilité magnétique, la rémanence et la coercivité. La conductivité électrique est un autre facteur influençant les essais de dureté par induction magnétique. La même méthode peut être utilisée pour les essais de mélange de matériaux et les essais de dureté.
Outre le choix du matériau et de sa dureté, la conductivité électrique joue également un rôle important. Dans la construction aéronautique, par exemple, la conductivité des matériaux est strictement spécifiée dans de nombreuses applications. L'un des objectifs est de garantir que l'énergie est conduite et dissipée en cas de foudre. La conductivité électrique est définie comme la constante de proportionnalité entre la densité de courant et l'intensité du champ électrique. Un dispositif typique pour mesurer la conductivité électrique des métaux est la mesure en quatre points. Un courant est envoyé sur une distance définie via deux pointes de mesure et la chute de tension est mesurée au-dessus de cette distance.
Cette méthode de mesure est très précise et traçable par rapport à des grandeurs de mesure normalisées. Elle est cependant difficile à mettre en œuvre dans un environnement de production, car chaque composant à tester doit être contacté. La saleté, les huiles ou les différences de surface peuvent affecter de manière significative le contact des sondes de test avec la pièce à tester et donc la mesure elle-même. C'est pourquoi une autre méthode s'est imposée sur le marché depuis des années : la mesure de la conductivité par courants de Foucault. Contrairement au contrôle des fissures et de la microstructure par courants de Foucault, la mesure de la conductivité électrique n'est pas un test comparatif, mais une mesure pure. Cela signifie que les sondes peuvent être étalonnées en fonction d'une norme nationale. La conductivité électrique entraîne l'apparition de courants de Foucault dans le matériau, qui interagissent avec le champ primaire généré dans la sonde. Cette interaction est enregistrée et évaluée dans le matériel de mesure. Si cette interaction est définie par rapport à la conductivité d'un corps de référence, une connexion avec la conductivité peut être établie sur la base des informations relatives à l'interaction des courants de Foucault. Il convient toutefois de noter que l'intensité du champ magnétique couplé dépend de la distance entre la sonde d'essai et la pièce. Si la distance change pendant la mesure ou si la distance est différente par rapport à l'étalonnage par rapport à un étalon, des erreurs de mesure peuvent se produire.
Pour réduire ces erreurs de mesure, le signal d'amplitude est utilisé pour compenser l'effet de la distance. (Pour information : Pour la mesure de la conductivité électrique, le signal de phase est principalement évalué, le signal d'amplitude est utilisé pour compenser les effets de la distance). La mesure est généralement effectuée sur des échantillons aléatoires, c'est pourquoi les appareils de mesure mobiles sont privilégiés. De même, il est possible d'utiliser la méthode de mesure dans le cadre d'un test en série avec un instrument de mesure linéaire. En outre, il est possible d'effectuer une inspection de la surface complète des plaques ou des barres pour détecter une fluctuation de la conductivité.
La perméabilité magnétique est une mesure de la perméabilité de la matière aux champs magnétiques (analogue à la conductivité électrique dans les champs électriques). Par exemple, les aciers ferritiques ou martensitiques ont une bonne perméabilité magnétique. En revanche, c'est l'inverse pour les aciers austénitiques. Dans le cas des moteurs électriques, la fonctionnalité et l'efficacité sont fortement influencées par la perméabilité magnétique ; par conséquent, la mesure et la vérification de cette propriété matérielle deviennent de plus en plus importantes. La raison en est que certains composants des moteurs électriques doivent être fabriqués dans des matériaux facilement magnétisables afin que le système électromagnétique puisse fonctionner rapidement et avec le moins d'énergie possible.
Composant électromagnétique Inducteur
Cependant, il existe également des applications dans lesquelles les matériaux ne doivent pas avoir de perméabilité ou seulement une perméabilité très faible. Par exemple, seuls les composants amagnétiques peuvent être installés dans un tomographe à résonance magnétique (IRM) afin qu'ils n'influencent pas le champ magnétique généré. Pour la même raison, les implants ne peuvent être constitués que de matériaux amagnétiques si le patient doit subir une IRM.
Il existe deux façons de mesurer la perméabilité d'un matériau :
La perméabilité est définie comme la pente de la courbe caractéristique d'une courbe de mesure B/H. Un circuit magnétique fermé tel que celui utilisé pour un échantillon annulaire en courant continu ou un cadre d'Epstein en courant alternatif est une condition préalable.
La perméabilité ou la courbe de mesure B/H peut être enregistrée à l'aide d'une bobine primaire (qui mesure le champ H) et d'une bobine secondaire (qui mesure le champ B). La relation entre le courant imposé et la tension d'induction mesurée en tant qu'intégrale représente la courbe caractéristique B/H, et sa pente représente la perméabilité magnétique. Un champ défini avec un courant imposé est généré par la bobine primaire. Le champ magnétique H induit par le courant produit un flux magnétique dans la pièce à tester.
La bobine secondaire est disposée parallèlement à la bobine primaire. Le flux magnétique provoque une tension d'induction dans la pièce à tester. Il est particulièrement difficile de réaliser la relation entre B/H aussi près que possible de la géométrie existante du composant afin de mesurer différentes formes de pièces d'essai à l'aide de cette méthode. Pour y parvenir, il est essentiel de développer un modèle qui puisse être appliqué d'une pièce standard à la géométrie de la pièce testée. La mesure en courant continu est couramment utilisée dans les environnements industriels, mais la mesure en courant alternatif est intéressante pour les applications où les fréquences de travail se situent dans une plage de kHz plus élevée.
Les points durs ou mous sont des différences locales dans la microstructure (inhomogénéités) qui résultent du processus de fabrication. Elles se manifestent par des différences de dureté, de conductivité ou de composition des matériaux. Les méthodes utilisées pour détecter ces inhomogénéités sont les mêmes que celles utilisées pour les essais de dureté ou de mélange de matériaux. Alors que dans ces cas, le résultat est calculé en moyenne sur l'ensemble du composant, pour tester les points durs, il est nécessaire de scanner le composant avec précision. Le dispositif de contrôle des points durs est donc analogue, contrairement au contrôle classique des fissures par courants de Foucault. La formation de soufflures est également limitée à une zone très locale. Le contrôle par ultrasons est généralement utilisé pour la détection. Dans ce cas, il est nécessaire de déplacer la tête ultrasonique le long de la pièce à contrôler ou, par analogie, la pièce à contrôler le long de la tête ultrasonique. La méthodologie est expliquée dans la section sur les méthodes de détection des fissures.
FOERSTER a développé un appareil spécifique pour les tâches d'essai dans le domaine des matériaux et des essais de dureté. Le MAGNATEST D est particulièrement adapté aux applications en série. Le matériel de l'appareil d'essai est conçu de manière à ce que plusieurs composants puissent être testés dans un laps de temps très court, ce qui permet d'atteindre des taux de cycle élevés. Ce dispositif d'essai nécessite une bobine d'essai, un dispositif d'essai et l'alimentation en composants. L'alimentation des composants peut se faire manuellement ou automatiquement. Le type d'alimentation des composants et le niveau d'automatisation influencent les coûts d'acquisition d'un système d'essai.
En règle générale, le MAGNATEST D est spécialement configuré pour détecter automatiquement l'insertion d'un objet à tester dans la bobine. La reconnaissance du composant déclenche alors le début du test proprement dit et le tri bon/mauvais qui s'ensuit. Les résultats du test sont renvoyés sous forme de signal E/S et d'informations directes à l'écran. Le test s'effectue soit avec une bobine de passage, à travers laquelle passe l'objet à tester, soit avec des sondes fixes, auxquelles l'objet à tester est amené manuellement ou automatiquement. En outre, le MAGNATEST D peut également être intégré directement dans la production. En outre, il peut être contrôlé directement après le processus de finition afin de s'assurer qu'il a été exécuté correctement. En cas de processus défectueux et de perte de production qui en découle, un retour d'information rapide permet de prendre des contre-mesures en temps utile.
Les valeurs mesurées lors d'un essai de dureté non destructif avec un instrument à courants de Foucault sont des valeurs sans dimension qui contiennent une déclaration sur la partie réelle et imaginaire des signaux dans la bobine de mesure secondaire. Grâce à une analyse de corrélation, c'est-à-dire une régression d'une méthode de mesure physique de la dureté absolue avec les valeurs sans dimension du contrôle par courants de Foucault, ces valeurs peuvent être paramétrées, ce qui signifie que l'instrument decontrôle peut être utilisé pour effectuer des mesures au cours du processus de série. La manière dont cette analyse de régression se présente et dont elle peut être mise en œuvre est abordée dans une autre section.