IBTSS-05-OMM
La résistance à la propagation de fissure, 𝐊𝟏𝐜
INTRODUCTION
Sensima Inspection Sàrl. a développé un capteur à courant de Foucault flexible et peu intrusif qui permet de surveiller la propagation de fissures dans des éléments métalliques. Il est actuellement testé in-situ sur des ponts. Le but de ce projet est de démontrer que ce capteur peut être utilisé dans le cadre du suivi conditionnel d’installations hydroélectriques et en particulier des machines tournantes. Il devrait, à terme, permettre d’arrêter certains organes dans le cas où les fissures suivies dépasseraient une taille critique déterminée à partir de la mécanique de la rupture.
Les jalons de ce projet sont de démontrer que le capteur permet de suivre l’évolution de fissures dans des tôles minces lors d’essais de traction en déchirement et en fatigue, et de valider expérimentalement s’il est possible de corréler le signal obtenu par le capteur en pointe de fissure avec d’autres mesures expérimentales comme des tests de dureté et des observations métallographiques.
Contexte
Dans le contexte économique actuel, les installations hydroélectriques suisses peinent à être rentables. Certaines centrales possèdent des groupes de production datant du début du XXème siècle, et cela a pour conséquence d’augmenter les frais d’entretien, et un remplacement complet de certains organes coûterait également très cher.
Doublé à cela, le phénomène de baisse du prix de vente de la puissance électrique produite vient s’ajouter aux problèmes de rentabilisation des installations. Ainsi, si les entreprises de production sont dans l’incapacité de gagner plus d’argent à cause des restrictions du marché, il leur est possible d’en dépenser moins. En effet, beaucoup de pièces entrant dans la conception des machines électriques sont changées afin de réduire, voire d’éliminer tous risques de rupture dangereuse et coûteuse. Les pièces en question peuvent être à 50%, comme à 95% de leur durée de vie, selon leur niveau de fissuration, mais sont dans tous les cas remplacées après un temps de travail défini. Cela conduit en outre à un arrêt temporaire de la production électrique du groupe auquel elles appartiennent, accompagné de frais de montage/démontage, de l’achat des pièces à remplacer, etc. Autant de dépenses dont se passeraient les entreprises concernées.
Le problème a été modélisé comme suit
La géométrie représente la moitié de l’éprouvette afin de minimiser l’inhomogénéité du maillage sur les résultats. Une symétrie appliquée selon le plan de la surface résistante permet que les deux demi pièces aient un comportement identique ;
Le plan de la surface est bloqué en déplacement dans le sens de la contrainte seulement. Ceci permet de simuler également la striction ;
L’intensité de la force appliquée sur la face supérieure est égale à la force indiquée par la machine de traction au moment de l’état de propagation considéré ;
Pour le post-processing, le niveau plancher de l’échelle des iso-valeurs est fixé à la valeur de basculement entre le domaine élastique et plastique (𝑅𝑒= 295 MPa pour les contraintes et 𝜀𝑒 = 0.14% pour les déformations) ;
Le dimensionnement des éléments de maillage de la face fissurée est de 0.6mm ;
Bobine 1 (B1)
Le signal perçu semble amorcer une montée linéaire entre 5 et 15mm. Ce qui apparaît est en réalité la partie centrale d’un signal en forme de S. Depuis la calibration, l’entaille usinée se trouvait dans le champ de détection de la bobine. C’est pour cela que le début du signal n’est pas plat, la bobine n’a pas « vu » la fissure entrer dans son champ de détection. Lorsque la fissure dépasse les 15mm de la bobine, le signal se stabilise doucement.
Bobine 2 (B2)
Cette bobine a été entièrement traversée par la fissure. Le signal adopte une forme en S très claire et possède la valeur de saturation la plus élevée. La bobine a été calibrée à un endroit limitant l’effet d’environnement et positionnée de telle sorte que la fissure la traverse entièrement.
Bobine 3 (B3)
Le signal présente aussi une progression en S mais celui-ci est perturbé. Lors de l’essai, il a été remarqué que la fissure a dû apparemment se dévier autour d’un défaut. Lors de la destruction de l’éprouvette pour l’analyse du faciès de rupture, le plan de fissuration n’était pas du tout perpendiculaire à la face où a été placé le capteur. La fissure avait tourné autour de son axe de progression, de telle sorte qu’elle était à peu près 10mm « plus bas » sur cette face que celle opposée. Après avoir contourné ce défaut, le capteur a repris l’acquisition et a enregistré la nouvelle position de fissure. C’est pourquoi la montée se fait si brutalement.
Les essais de fatigue
Les premiers essais de fatigue ont été menés sur des éprouvettes Charpy car la machine avait été dimensionnée en fonction. Une simulation par éléments finis a simulé les champs de contraintes dans l’éprouvette. Les valeurs d’effort atteintes excèdent la limite élastique du matériau localement car le modèle choisi pour la simulation est parfaitement élastique, la contrainte et la déformation suivent la loi linéaire de Hooke et le programme ne considère pas les conditions de rupture :
Comparaison entre déchirement et fatigue
Les deux méthodes utilisées pour reproduire la propagation d’une fissure ont livré des résultats cohérents, mais pas similaires. Afin de les comparer au mieux, il convient de rapporter les valeurs des signaux en fonction de la longueur de fissure. Comme l’amorce de fissure n’a jamais été remarquée en fatigue, il n’y avait pas le prérequis pour appliquer la même méthode de calcul que pour le déchirement. Sa taille a pu être calculée depuis les formules établies grâce aux essais de déchirement. La même formule a donc été utilisée bien que la calibration du capteur ne soit pas la même pour les deux essais. Seule la bobine 1 a été engagée pour cet essai, c’est donc la formule lui correspondant qui a été utilisée :
La surface de rupture
L’étude des faciès de rupture des éprouvettes de déchirement a confirmé ce qu’avait laissé sous-entendre l’analyse de la valeur de contrainte durant l’essai. Il était question de savoir si le mode de rupture passait de 𝜎𝑝𝑙𝑎𝑛𝑒 à 𝜀𝑝𝑙𝑎𝑛𝑒 . Finalement, il a été conclu que ces éprouvettes se rompent selon un mode mixte, plus proche de la contrainte plane que de la déformation, et qu’il n’y a pas d’indication permettant de déceler une transition en fonction de la longueur de fissure. Les images suivantes prises au microscope électronique le démontrent :
CONCLUSION
Ce travail a sollicité la combinaison de connaissances de technologie des matériaux, en mécanique, en électricité et en simulation.
Les objectifs principaux de ce travail ont été atteints. Le capteur est capable de surveiller la propagation d’une fissure induite par déchirement de tôle ou par fatigue.
Ces essais ont été réalisés sur des fissures réelles se propageant sous l’effet d’un déplacement constant ou cyclique. Bien qu’il ne s’agisse que de mesures en laboratoire, ces expériences démontrent que les capteurs de Sensima peuvent suivre des fissures « réelles ».
Les résultats récoltés ont été mis en relation avec d’autres mesures qui ont permis de discerner les phénomènes de striction, de fissuration, et de plastification. Les essais de déchirement et de fatigue sont complémentaires car les premiers imposent une grande déformation plastique à l’échantillons contrairement aux seconds. La comparaison de résultats obtenus dans les deux cas pourrait permettre d’améliorer l’interprétation du signal compte tenu de la plastification et peut-être de prédire la fissuration avant même qu’elle ne se produise.
Ce travail s’inscrit dans la continuité, beaucoup de paramètres peuvent être améliorés pour optimiser le traitement des résultats. Les premiers pas effectués placent le travail sous le signe de la recherche, mais il semble que les résultats obtenus et les analyses qui en découlent sont aussi intéressants qu’encourageants.
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Table des matières
1. INTRODUCTION
1.1. Buts
1.2. Contexte
2. ÉTAT DE L’ART
2.1. Les capteurs à courants de Foucault
2.2. La magnétoscopie
2.3. Les jauges de contraintes extensométriques
2.4. Le capteur de Sensima Inspection Sarl
2.5. Applications actuelles
3. BASES THÉORIQUES
3.1. Mécanique de la rupture
3.1.1. 𝑲𝟏𝒄 la résistance à la propagation de fissure
3.1.2. La zone de plastification
3.2. Interactions entre matériau et champ magnétique
3.3. Fatigue
4. MÉTHODOLOGIE
4.1. Calibration et montage du capteur
4.2. Déchirement
4.3. Fatigue
5. CALCULS, RÉSULTATS ET ANALYSES
5.1. Simulation par éléments finis
5.2. Essais de déchirement
5.2.1. Essai de traction
5.2.2. La zone plastifiée
5.2.3. La résistance à la propagation de fissure, 𝐊𝟏𝐜
5.2.4. Les signaux du capteur : composante Y
5.2.5. Les signaux du capteur : composante X
5.3. Les essais de fatigue
5.4. Comparaison entre déchirement et fatigue
5.5. La surface de rupture
6. SYNTHÈSE
7. PERSPECTIVES
8. CONCLUSION
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