Brevet FR2476831A1 — publié le 19810828

1. La présente invention concerne un dispositif permet- tant la mesure non destructive de l'épaisseur d'une couche en surface d'un corps soumis à un traitement de modification de la structure de cette surface. En particulier,la présente invention concerne un dispositif permettant la mesure non descriptive d'une profondeur de cémentation. On connait dans l'art antérieur des dispositifs per- mettant la mesure non destructive de la profondeur de cémen- tation; ces dispositifs sont basés sur le principe des cou- rants parasites et comprennent généralement une bobine d'in- duction, un oscillateur qui alimente la bobine,et un moyen de mesure de la tension etde courant fournis à la bobine.En utilisation, la bobine d'induction est placée en regard du corps examiné de façon que le champ magnétique produit par la bobine traverse la couche en surface du corps. Il en résulte que des courants parasites se trouvent établis dans le corps; ils produisent un champ magnétique de sens opposé au champ induit par la bobine, et modifient par conséquent l'intensité du courant que la bobine prélève dans[l'oscillateur, en fonc- tion de l'épaisseur de la couche soumise à cémentation. Cela est dû au fait que le matériau d'une couche cémentée a une résistivité qui est supérieure à celle d'un matériau sembla- ble non cémenté; le traitement de cémentation conduit ainsi 2. à une réduction des courants parasites et du champ magnétique produit. La présence d'une couche cémentée conduit par consé- quent à une variation du courant absorbé par la bobine ou plutôt à une variation de l'impédance de la bobine, et l'importance de cette variation dépend de l'épaisseur de la couche. Bien que des dispositifs du type cité ci-dessus soient largement utilisés, il ne conviennent pas à la mesure de profondeurs de cémentation de l'ordre de 10 à 15 mm. Ce- la est dû au fait que la pénétration du champ magnétique dans le corps à examiner est influencée par l'effet de peau, lequel limite la gamme de fréquence des signaux fournis par l'oscillateur à des valeurs comprises entre 3 et 20 Hertz, valeurs correspondant.à des pénétrations maximum de l'ordre- de 2 à 3 mm. Des profondeurs de cémentation plus grandes ne peuvent être esturées par ces dispositifs, étant donné que les erreurs de mesure peuvent atteindre 100 A de l'épaisseur effective de la couche à mesurer. L'objet de la présente invention est de prévoir un dispositif qui soit particulièrement apte à permettre la mesu- re non destructive d'une profondeur de cémentation et qui soit exempt des inconvénients du dispositif de l'art anté- rieur cité ci-dessus. La présente invention prévoit un dispositif (20) pour la mesure non destructive de l'épaisseur d'une couche en surface d'un corps 10 soumis à un traitement de modifica- tion de la structure de cette surface,qui est caractérisé en ce qu'il comprend: - un transducteur-émetteur 11 et un transducteur-ré- cepteur 12 disposés de façon à être en regard l'un de l'au- tre sur les côtés diamétralement opposés du corps 10, - un oscillateur 16 qui alimente le transducteur- émetteur 11 et - un circuit de mesure de déphasage 17 comportant une première entrée connectée au transducteur Il et une seconde entrée connectée au transducteur 12, et une sortie o un si- gnal est présent qui dépend du déphasage entre les signaux présents aux première et seconde entrées. 3. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels Les figures 1 et 2 sont une illustration théorique de l'agencement adopté pour la mesure d'une profondeur de cémentation; La figure 3 est une vue en perspective schématique d'un dispositif selon la présente invention; et Là figure 4 est une courbe représentant la varia- tion d'une quantité mesurée par le dispositif de la figure 3. En liaison plus particulièrement avec la figure l,la référence 10 représente un échantillon d'essai homogène d'épaisseur L, sur laquelle sont disposés deux transducteurs électromécaniques, c'est-à-dire un transducteurémetteur 11 et un transducteur-récepteur 12, par exemple du type piézo- électrique, les transducteurs étant placés sur les côtés diamétralement opposés.Un signal sinusoïdal ayant une fré- quence de l'ordre de quelques mégahertz, par exemple de 5 MHz, est appliqué au transducteur 11 d'une manière non re- présentée en figure 1. En figure 2, la référence 10 représente le même échantillon d'essai que dans la figure 1 après un traite- ment de cémentation, dont les conséquences sont la formation d'une couche en surface 14 de profondeur a, et un changement BL de l'épaisseur de l'échantillon 10. La figure-3 représente l'échantillon d'essai 10, de structure cylindrique, immergé dans un liquide tel que l'eau ou l'huile, le liquide étant contenu dans un récipient 15.- Des glissières de support de l'échantillon d'essai 10 non représentées sont prévues et permettent également de transmettre à cet échantillon un mouvement axial et/ou un mouvement de rotation autour de son axe. Les tranducteurs 11 et 12 sont supportés par les parois opposées du récipient 15 de façon que l'échantillon 10 se trouve placé dans le tra- jet que suivent les ondes ultrasoniques produites par le transducteur 11 pour atteindre le transducteurl2, comme cela 4. est représenté en figure 2. En figure 3, le transducteur 11 est connecté à la sortie d'un oscillateur sinusoïdal 16 qui produit le signal de 5 MHz et qui alimente également une première entrée d'un circuit de mesure de déphasage 17. Ce circuit comporte une seconde entrée à laquelle est appli- qué le signal électrique produit par le transducteur-récep- teur 12, et une sortie o est présent un signal électrique proportionnel au déphasage entre les signaux présents aux deux entrées, et qui est connectée à un indicateur 18. Les transducteurs 11 et 12, l'oscillateur 16,le circuit 17 et l'indicateur 18 constituent globalement un dispositif 20 de mesure de la profondeur de cémentation de l'échantillon d'essai 10 d'une' manière qui sera décrite ci- après. En liaison avec la figure 4, la référence 21 -re- présente un. échantillon.d'essai comprenant une couche cémen- - tée 22 de profondeur a qui s'étend longitudinalement sur une longueur d. Une courbe est représentée au-dessous de l'échan- tillon d'essai. 21, indiquant la variation du signal de dé- phasage 0 produit par le circuit 17 en fonction de Ia posi- tion axiale de l'échantillon 21 par rapport aux transducteurs 11 et 12. Le fonctionnement du dispositif 10 sera d'abord dé- crit sur le plan théorique en liaison plus particulièrement avec les figures 1 et 2, et en utilisant les symboles, f, c, c - 15cI pour indiquer la fréquence du signal émis par le transducteur 11, la vitesse du son à l'intérieur de l'échan- tillon 10, et la vitesse du son à l'intérieur de la couche cémentée 14 de l'échantillon 10, respectivement. Dans ces conditions, le déphasage 01 entre le si- gnal reçu par le transducteur 12 et le signal émis par le transducteur 11 de la figure 1 est donné par la relation- suivante (1) 0 2 T tf L Si l'échantillon d'essai 10 est cémenté (voir fi- gure 2), la différence de phase entre le signal émis et le signal reçu devient: 5. (2) 2 =c -là 2a f(L + 5 L - 2a) 2 c - 16 c[ Par suite de I'effet du traitement de cémentation de la surface de l'échantillon d'essai O10, un changement dans le déplacement de la phase (60) se produit entre les signaux émis et reçus, donné par la relation: (3) i 4 a ( 5 tcl+_1 6 L) (3) 0 2 -c c 2 a Il est possible que la dilatation (d L) de l'échan- tillon d'essai 10 due au traitement de cémentation soit pro- portionnelle à la profondeur a de la couche en surface 14, de 5 L sorte que a peut être considéré comme une constante carac- a [Ic I téristique du matériau comme l'est c.Dans le cas spéci- c L fique considéré d'un traitement de cLmentation, est de fique émet3ion, a -2 l'ordre de 103, alors que | 5c est de l'ordre de 10 2; en conséquence 1/2 L est négligeable par rapport; a nélgalca l'équation (3) peut s'écrire (4) 68 0 K a o K dépend exclusivement des caractéristiques du matériau pour des valeurs égales de la fréquence f.En utilisation, la constante K peut être déterminée une fois pour toutes pour un certain type de matériau en mesurant 01 et 02 pour le même échantillon d'essai et en déterminant la valeur effective de a au moyen d'un essai destructif, de sorte que, comme 60 et a sont connus, K peut être calculé à partir de l'équation (4). K étant connu, l'équation (4) donne la valeur de a lorsque les valeurs des différences de phase 01 et 02 sont connues pour un échantillon d'essai. En liaison plus particulièrement avec la figure 3, la mesure de la profondeur de cémentation de l'échantil- lon d'essai 10 est exécutée en deux stades séparés; pendant $ le premier stade, 01 est mesuré pour un échantillon d'essai de référence non cémenté (figure 1), et, pendant la seconde, 02 est mesuré pour un échantillon d'essai cémenté (figure 2). Les valeurs de 01 et 02 sont calculées par le circuit 17 qui compare les signaux électriques appliqués au transducteur d'émission 11 et émis par le transducteur-récepteur 12, res- pectivement. 2476&31 6. La distribution de la zone cémentée a souvent la forme représentée en figure 4. Dans ce cas, le déplacement axial de l'échantillon d'essai donne à la fois 0 1 et 02 dans des périodes successives de temps, de sorte que la valeur de d 0, c'est-à-dire 02 = 01 est effectivement la valeur requise pour substitution dans l'équation (4) de façon à calculer la profondeur de cémentation a. Enfin, l'indicateur 18 pourrait être commodément gradué en fonction des mesures de phase pour un échantillon d'essai spécifique de sorte qu'il pourrait indiquer directe- ment la valeur de la profondeur de cémentation a. En examinant les caractéristiques du dispositif 20 de la présente invention, on peut voir que ce dispositif per- met d'éviter les inconvénients des dispositifs de l'art anté- rieur qui ont été cités précédemment. A cet égard, la relation de proportionnalité (voir équation 4) qui lie la différence de phase (60) à la profon- deur de cémentation a est valable quelle que soit la valeur a de la profondeur de cémentation. Dans tous les cas, le dispositif 20 est apte à fournir une indication de la profon- deur de cémentation d'une manière simple et précise, et peut par conséquent être avantageusement utilisé même par du per- sonnel non spécialisé. La présente invention n'est pas limitée aux exem- pies de réalisation gui Viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, bien que le dispositif 20 ait été décrit dans le cas plus particulier d'une mesure de profondeur de cémentation, il pourrait être utilisé à la mesure de l'épaisseur d'une couche en surface d'un corps soumis à un traitement modifiant la structure de cette surface,par exemple. à un traitement impliquant la diffu- sion ou l'absorption en surface de substances étrangères. Dans un cas encore plus général, les résultats donnés par le dis- positif 20 pourraient constituer une source utile de rensei- gnements pour la découverte de défauts internes du corps en cours d'examen,dans la mesure o de tels défauts produisent une variation de la vitesse du son par rapport à sa valeur normale dans l'échantillon d'essai. 7. REVENDICATIONS 1 - Dispositif (20) pour la mesure non destructive de l'épaisseur d'une couche en surface d'un corps (10) sou- mis à un traitement modifiant la structure de cette surfa- ce, caractérisé en ce qu'il comprend: - un transducteur-émetteur (11) et un transduc- teur-récepteur (i2) placés en regard dl'un de l'autre sur les côtés diamétralement opposés du corps (10); - un oscillateur (16) alimentant le transducteur- émetteur (11); et - un circuit de mesure de différence de phase (17) comportant une première entrée connectée au transducteur- émetteur (11) et une seconde entrée connectée au transduc - teur-récepteur (12) et une sortie o est présent un signal qui dépend de la différence de phase entre les signaux pré- sents à la première et à la seconde entrée. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce qu'il comprend un récipient (15) contenant un liqui- de dans lequel le transducteur-émetteur- (11) et le transduc- teur-récepteur (12) sont immergés, et dans lequel le corps (10) à examiner est plongé. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour supporter le corps (10) et pouqr régler la position de ce corps (10) par rapport aux transducteurs (11, 12). 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractériséenr. ce que l'oscillateur (16) produit un signal sinusoidal. - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'oscillateur (16) émet un signal à une fréquence de l'ordre de quelques mégahertz. 6 - Dispositif selon l'une des revendications-1 à , caractérisé en ce que les transducteurs (IlI, 12) sont du ' type piézoélectrique.