Un aperçu des contraintes résiduelles
Que sont les contraintes résiduelles
Toutes les contraintes présentes dans les matériaux en absence de charges extérieures agissantes sont appelées des contraintes résiduelles. Ces dernières peuvent être déjà présentes dans un composant et s’ajouter à celles générées par les charges extérieures. Par conséquent, les contraintes résiduelles peuvent influencer le comportement des composants mécaniques et compromettre la stabilité structurelle et dimensionnelle, ainsi que la résistance à l’effort et à la fracture des composants. Par exemple, une sollicitation résiduelle de traction facilite la propagation des fissures et réduit donc la résistance à l’effort d’un composant mécanique. Les contraintes résiduelles limitent la capacité de charge et la sécurité des composants mécaniques pendant le fonctionnement et, dans certaines circonstances, il s’avère nécessaire de quantifier ces valeurs.
Les contraintes résiduelles peuvent être causées par les facteurs suivants:
- Réchauffement ou refroidissement non uniforme d’un composant pendant les processus de production et de fabrication (par exemple, la fusion, le forgeage, le soudage, le moulage, le traitement thermique)
- Processus d’usinage tangentiel, ou pouvant causer des déformations plastiques (par exemple, le tournage et le fraisage)
- Traitements thermiques complets ou superficiels et, plus généralement, effets thermiques (par exemple, la trempe, le soudage ou la rectification)
- Sablage ou grenaillage
Parfois, les facteurs susmentionnés se mélangent, ce qui complexifie ultérieurement l’état de contrainte à l’intérieur du matériau.
Les principaux domaines d’application typiques des sollicitations résiduelles sont:
- Applications aéronautiques aérospatiales
- Secteur automobile: production en série et course automobile
- Production d’énergie: turbines à vapeur, éoliennes et installations nucléaires
- Industrie pétrolière et gazière: pièces de compresseurs et de turbines
- Secteur ferroviaire: échantillons de roues et de rails
- Surveillance de la production: contrôle qualité de la surface et des traitements thermiques
Overview of the measuring methods
L’évaluation des contraintes résiduelles peut être effectuée avec différentes techniques qui sont toutes fondées sur des mesures de type indirect. Ceci signifie que grâce à l’observation des variations des différentes grandeurs mécaniques (par exemple, déformation, diffraction) il est possible d’évaluer la sollicitation d’origine qui a causé cet effet.
Les méthodes disponibles sont généralement réparties en 3 groupes différents, selon le niveau de dommage qu’elles causent dans les échantillons examinés:
• méthodes non destructives (diffraction des rayons X)
• méthodes semi-destructives (méthode du trou ou hole drilling, méthode de la gorge annulaire ou ring coring)
• méthodes destructives (sectionnement ou sectioning, découpage incrémental ou slitting, enlèvement de couches ou layering et contour)
Les méthodes non destructives ont pour objectif de mesurer les contraintes résiduelles sans causer de dommages superficiels sur le composant soumis à l’essai. Ces méthodes ont pour avantage de ne pas endommager l’échantillon mécanique; cependant, nombreuses d’entre elles sont souvent limitées en termes de profondeur maximale d’investigation et de type de matériau du composant à tester.
La méthode non destructive la plus diffusée est la diffraction des rayons X fondée sur la loi de Bragg, elle offre de meilleurs résultats sur la surface ou dans les premiers microns de profondeur. Cette méthode fonctionne sur les matériaux semi-cristallins, en particulier sur les alliages d’aluminium et les aciers. Ce pourrait être la meilleure option d’analyse superficielle ou de contrôle qualité d’un échantillon en raison de son bas coût de mesure, cependant les instruments nécessaires aux essais sont onéreux.
Les méthodes semi-destructives ont pour principe d’enlever une petite quantité de matériel des échantillons pour relâcher les contraintes et générer ainsi des déformations: ces méthodes consistent généralement à percer un petit trou ou à réaliser une gorge de petite dimension. Elles sont considérées semi-destructives car dans la majeure partie des cas, la présence du trou ou de la gorge n’influence pas la fonctionnalité des composants.
Pendant cette opération d’enlèvement de matériau, on modifie l’équilibre des contraintes; on utilise normalement une rosette d’extensométrie dédiée avec au moins 3 grilles que l’on place dans la zone de mesure pour l’acquisition des déformations générées. Les données de déformation acquises par le capteur d’extensométrie sont ensuite utilisées pour calculer les contraintes résiduelles présentes avant la mesure, en utilisant des algorithmes spéciaux. En conclusion, les techniques semi-destructives sont très diffusées car elles permettent d’effectuer des mesures facilement et à bas coût; les méthodes les plus courantes sont celle du trou (hole drilling) et celle de la gorge annulaire (ring coring).
La méthode du trou peut être appliquée à une plus grande variété de matériaux, dont les métaux standard (alliages d’aluminium, aciers, fontes), les matériaux techniquement avancés (alliages de titane et alliages de nickel) et les matériaux polymères et composites. La méthode de la gorge annulaire est généralement utilisée sur les métaux, notamment les composants de grande dimension (forgés ou fondus). Ces méthodes fournissent des résultats appréciables dès les premiers microns, jusqu’à une profondeur totale de 5 mm selon la configuration de l’essai.
Les méthodes destructives pour la mesure des contraintes résiduelles nécessitent la destruction complète des échantillons soumis à l’essai, après avoir enlevé une partie de la pièce (par découpage, tournage ou sectionnement). Ces techniques peuvent se fonder sur la mesure des déformations (en utilisant généralement un extensomètre, une rosette d’extensométrie ou une chaîne d’extensomètres orientée opportunément) ou sur l’analyse des déplacements générés après le découpage.
La première famille de ces méthodes comprend la méthode du sectionnement, le découpage ou l’enlèvement de couches (tournage interne de Sach pour les pièces cylindriques ou le retrait de la couche pour les plaques plates). Des coupes de différents types et orientations (ainsi que le retrait de matériaux dans différentes couches) peuvent être réalisées sur la pièce traitée jusqu’à ce qu’une petite zone des échantillons soit complètement ou partiellement coupée. Selon les conditions d’essai, ces méthodes peuvent fournir des résultats sur les sollicitations résiduelles superficielles ou en profondeur.
La deuxième famille de techniques comprend la méthode du contour: celle-ci fournit une carte bidimensionnelle des contraintes résiduelles dans la direction de découpage sur toute la section du matériau. La méthode nécessite une découpe à fil par électroérosion des échantillons; après ce procédé, les déplacements superficiels sont mesurés avec une machine de mesure à coordonnées.
Ci-dessous, un tableau complet des différentes méthodes est présenté avec la profondeur d’analyse correspondante:
Approfondissements bibliographiques et publications scientifiques
- Schajer G.S., “Practical Residual Stress Measurement Methods”, Wiley, 2013.