Avec plus de 25 ans d'expérience dans les essais de matériaux, la métallurgie et l'ingénierie des systèmes, le chercheur de MTS Dr. Erik Schwarzkopf apporte une expertise unique aux engagements avec les clients. Dans cette session de questions-réponses, il discute des défis liés à la mesure de la formation, de la croissance et des changements des fissures.
Q : Pourquoi la mesure des fissures est-elle importante ?
R : Les fissures se produisent. Certaines sont créées pendant le processus de fabrication, et d'autres se développent lors de l'utilisation du produit ou du composant. Comprendre comment les fissures se forment, se développent et évoluent aide les ingénieurs et les concepteurs de produits à découvrir les défaillances potentielles des composants, à atténuer les comportements problématiques des matériaux et à concevoir des produits et des structures tolérants aux défauts.
Q : Pourquoi les ingénieurs voudraient-ils mesurer la longueur des fissures sous différentes charges et conditions thermiques ?
R : Les composants sont utilisés dans une variété d'environnements, donc les ingénieurs doivent comprendre comment ils se comporteront dans ces conditions réelles. Différentes techniques de mesure des fissures sont mieux adaptées à une application particulière en fonction du matériau, de la géométrie de l'échantillon et du type de fissure mesuré. Il y a souvent un compromis entre l'adéquation à l'application et la facilité d'utilisation, car certaines techniques de mesure fonctionnent mieux dans certains environnements que d'autres. Pour cette raison, il peut être particulièrement difficile de mesurer les fissures à des températures non ambiantes ; et aux températures les plus élevées, au-delà du point de fusion de la plupart des métaux, rien ne fonctionne bien.
Q : Quelles méthodes sont utilisées pour mesurer les longueurs de fissures et quels sont les défis des différentes techniques de mesure des fissures ?
R : La méthode la plus ancienne consiste à chercher une fissure – soit par observation humaine, soit avec une caméra. Cette méthode présente des défis lorsqu'il y a des géométries d'échantillons inhabituelles ou des problèmes d'éclairage.
Une deuxième méthode, appelée conformité, est utilisée pour une fissure qui change la rigidité de l'échantillon. Avec la technique de conformité, vous mesurez la charge et le déplacement et corrélez la pente de la ligne charge/déplacement, ou la rigidité, avec la longueur de la fissure. La conformité est l'inverse de la rigidité. À mesure que la fissure se développe, la rigidité diminue et la conformité augmente. Cette technique est utilisée pour les longues fissures, pas pour les courtes fissures telles que les défauts de surface ou les fissures de coin, car les courtes fissures ne montrent pas de changement significatif dans la conformité de l'échantillon en raison des fissures croissantes. Elle est rarement utilisée pour déterminer l'initiation de fissures, car au moment où vous remarquez un changement de conformité dû à l'initiation, la fissure est déjà grande.
Une troisième méthode, disponible pour les matériaux conducteurs électriques, est la chute de potentiel électrique dans laquelle une source d'alimentation génère un courant constant à travers l'échantillon. Un échantillon épais avec une faible résistance nécessite beaucoup de courant (généralement plus de 1 Amp, et parfois jusqu'à 10-20 Amps) ainsi qu'une forte amplification du potentiel électrique mesuré. Pour les échantillons non conducteurs, les chercheurs collent des feuilles métalliques fines à la surface de l'échantillon. La feuille et le support doivent être suffisamment faibles pour se déchirer lorsque l'échantillon sous-jacent se fissure, mais ne doivent pas renforcer l'échantillon lui-même. Il peut y avoir des problèmes de répétabilité de mesure avec les feuilles, car elles peuvent être placées de manière incohérente, ou la colle peut avoir des épaisseurs différentes.
Une autre méthode qui peut être utilisée sur des échantillons fragiles comme la roche est l'émission acoustique. Dans ce cas, un microphone est placé sur l'échantillon pour mesurer le son. Les inconvénients de cette méthode peuvent être qu'il peut être difficile de localiser la fissure ou de déterminer sa longueur.
Q : Quelles solutions MTS offre-t-elle pour la mesure de la longueur des fissures ?
R : MTS propose des extensomètres qui peuvent être utilisés dans des mesures de conformité pour une variété de tailles d'échantillons. La longueur de jauge comprimée typique est de 5 mm à 12 mm, et le déplacement typique est de 3 mm à 5 mm. MTS dispose d'extensomètres pour température ambiante et température élevée, y compris ceux pouvant être utilisés à l'intérieur d'une chambre environnementale.
Nous avons également un système de chute de potentiel en courant continu (DCPD) qui fournit un courant constant entre 1 amp et 20 amps et est le plus couramment utilisé pour les échantillons métalliques, nécessitant une amplification de 5000x ou plus. Nos systèmes DCPD commencent à une amplification de 5000x ou plus et peuvent atteindre jusqu'à 100000x. En revanche, les conditionneurs de jauges de contrainte commencent à 500x et peuvent aller jusqu'à 5000x mais ne peuvent pas atteindre 50000x.
Un des avantages de choisir un système DCPD de MTS est que nous pouvons offrir le logiciel, l'électronique et le cadre de charge pour une solution complète. Nos cadres de charge sont électriquement isolés, ce qui est important car vous voulez que le courant passe à travers l'échantillon, et non le cadre extérieur. Nous pouvons également rendre nos pinces électriquement isolées. MTS a utilisé des solutions DCPD dans des tests statiques et dynamiques.
Enfin, MTS propose des solutions d'émission acoustique pour la mécanique des roches.
Q : Comment la mesure des fissures peut-elle impacter la conception ou la durée de vie d'une pièce neuve ou existante ?
R : Si vous pouvez comprendre où se trouve une fissure et pendant quel processus elle s'est produite, vous pouvez atténuer le risque. Si vous comprenez comment la fissure se développe et quand, vous pouvez redessiner les géométries et prendre des décisions concernant les cycles d'inspection et de retrait. La mesure des fissures aide à déterminer quelles zones doivent être réexaminées ou redessinées.
Q : Quel avenir pour la mesure de la longueur des fissures ?
R : L'intérêt pour le développement de matériaux plus légers et de carburants alternatifs pour une efficacité énergétique accrue et le développement de matériaux capables de résister à des environnements plus chauds et plus corrosifs suscite des préoccupations mondiales qui créent de nouveaux défis dans les essais de matériaux. Les techniques expérimentales pour ces nouveaux matériaux à ces nouvelles températures font actuellement défaut. Par exemple, si vous devez tester des composants de moteur à des températures plus élevées, et que vous ne pouvez pas saisir le composant avec une pince en métal car elle fondrait, cela pose un problème. Bien sûr, tout ne sera pas chaud, et les chercheurs peuvent surveiller à distance les fissures avec des capteurs dans des régions plus fraîches, mais ensuite le chercheur doit déterminer quelle part de la valeur mesurée est due à une fissure et quelle part est due à des artefacts expérimentaux. Le chercheur doit comprendre l'interaction des différents composants expérimentaux.
Il y a également un intérêt à modifier la température pendant le cycle de chargement et à examiner simultanément la fatigue thermomécanique et la propagation des fissures de fatigue. Si vous utilisez des techniques de potentiel électrique, vous devez déterminer quelle part de la résistance électrique est due à la température et quelle part est due à la longueur de la fissure. De nouvelles normes et techniques devront être développées pour mesurer ce qui se passe avec les nouveaux matériaux à des températures plus élevées.
