Brevet FR2516653A1 — publié le 19830520

L'invention concerne un procédé de mesure utilisé pour déterminer la résistance à la fatigue de matériaux ferromagnétiques. La résistance à la fatigue est représentée par la courbe dite d'endurance ou courbe de Wohler, qui est déterminée expérimentalement en soumettant des éprouvettes à des contraintes de différentes amplitudes jusqu'à la rupture finale par fatigue. L'un des points les plus importants de la courbe d'endurance est la limite d'endurance ou de fatigue, c'est-à-dire l'amplitude de contrainte limite sous laquelle les contraintes appliquées ne sont plus capables d'entraîner la rupture ou la destruction par fatigue des éprouvettes. Du point de vue des applications pratiques, la limite d'endurance est également la valeur la plus importante de la résistance à la fatigue. La détermination de cette limite par la méthode destructive mentionnée cidessus demande de 5 à 10 fois 24 h suivant la machine d'essai utilisée. Il existe également quelques methodes non destructives pour mesurer la tendance de fatigue, principalement pour sui-vre le développement de la deterioration de structure liée à la fatigue. Une particularité de ces méthodes est qu'elles demandent une comparaison des résultats mesurés avec ceux de mesures antérieures ou avec ceux de matériaux de référence. Cependant, ces methodes se sont avérées peu fiables ec, de plus, elles ne permettent pas de mesurer la résistance à la fatigue la plus importante, à savoir la limite d'endurance. Des exemples de ces méthodes sont, notamment, la méthode par jauge de fatigue (méthodes par fil dè fatigue) et des mesures de la force coercitive. Le procédé de mesure non destructive de la limite d'endurance selon l'invention utilise le phénomène de bruit dit mécanique de Barkhausen. Le phénomène de la production du bruit mécanique de Barkhausen est lié aux changements irréversibles dans l'état magnétique du matériau (se produisant lors des mouvements discontinus des parois de Bloch sous l'influence de la charge meca- nique de l'éprouvette dans un champ magnétique stable ou à l'état désaimanté). Mieux connu est l'effet de bruit de Barkhausen "ordinaire" produit dans un champ magnétique extérieur changeant. Pour l'appli- cation de cet effet de bruit de Barkhausen "ordinaire" dans le domaine de la. mesure non destructive, un certain nombre de dispositifs ont èt mis au point.Le brevet des Etats-Unis å'Amerique 3 427 872 pour mesurer la charge statique ou l'état de contrainte d'un matériau au moyen d'un. champ magnétique extérieur changeant est également basé sur et effet de bruit "ordinaire". Cependant, ce procéde ne peut pas entre appliqué à l'analyse du bruit mécanique de Barkhausen, ni a- la déterminatitn de la limite d'endurance du matériau. Selon l'invention, un procédé utilisant le pnénoen de bruit mécanique de Barkhausen produit dans des matériaux ferromagnétiques par le mouvement de dislocation et la charge mécanique changeante pour la mesure non destructive de la résistance à la fatigue est caractérisé en ce qu'il consiste à 1) charger l'éprouvette exterieurement, par exemple par une charge cyclique dont 11 amplitude croit continuellement (figure 2a), de manière à créer dans lteprouvette, sur le plan de changements d'aimantation irréversibles un arrangement de défauts de réseau cristallin dominant, et à mesurer simultanément les changements dans la valeur effective, la fréquence, la distribution de grandeur ou la valeur moyenne des impulsions de bruit mécanique de Barkhausen engendrées pendant la fatigue du matériau ferromagnétique (figure 2b); 2) réduire la charge extérieure à zéro; 3) charger l'éprouvette extérieurement par -un processus de charge cyclique ou autre (figure 2c) et mesurer simultanément le point maximal de la valeur effective, de la fréquence, de la distribution de grandeur ou de la valeur moyenne des impulsions de bruit mécanique de Barkhausen engendrées pendant la fatigue du matériau ferromagnetique, l'amplitude de charge à laquelle ce point maximal apparat correspondant à une résistance à la fatigue égaie à la limite d'endurance de l'éprouvette (figure 2d). Selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, les stades 1) et 2) ci-dessus sont remplacés par l'aimantation de l'éprouvette par un champ magnétique stable, le point maximal étant révélé par le stade 3). Le procédé selon l'invention apporte l'avantage consi dérable que la limite d'endurance peut être déterminée dans la pratique de manière très rapide, à savoir en 15 min par exemple. Pour cette raison, le procedé selon l'invention peut être appliqué dans la pratique pour determiner imuediatement si la charge dynamique d'une pièce de machine est trop importante ou non. Le procédé selon l'invention sera décrit plus en détail ci-après, en référence aux dessins annexés, sur lesquels la figure 1 représente schématiquement un système de mesure utilisable pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention; et les figures 2a à 2d sont des graphiques servant à illustrer un exemple de sise en oeuvre de l'invention. Les éléments a à f du système de mesure représenté figure 1 sont, respectivement : a. l'éprouvette sous charge ou sous contrainte b. un capteur dans lequel le phénomène mécanique de Barkhausen engendre des impulsions ou signaux de force électroiotrice (tension); ce capteur peut se trouver à une certaine distance de la surface de 1. éprouvette c. un amplificateur d. un discriminateur pour la sélection des impulsions désirées pour l'analyse parai les signaux de bruit amplifiés e. un dispositif de mesure pour la distribution de grandeur, la valeur effective, la valeur moyenne ou la fréquence f. un dispositif de sortie (d'iwpression ou d'enregistre ment). La partie en pointillé de figure 1 représente un dispositif d'aimantation g par lequel le spécimen ou l'éprouvette peut être aimante par un champ magnétique stable, dont la direction peut être changée, ainsi qu'une source de courant continu h pour son alimentation. Le dispositif d'ai antation g et la source de courant continu h sont seulement utilises dans le second mode de mise en oeuvre de l'invention, decrit par la suite. Dans le premier mode de aise en oeuvre du procédé de l'invention, comme déjà mentionné, les usures s'effectuent en trois stades, decrits plus en détail ci-après. Stade 1 : Au moyen d'une charge exterieure, on crée dans l'éprouvette un arrangement de défauts de réseau qui domine les changements d'aimantation irréversibles dans l'éprouvette. Il est possible, par exemple, d'augmenter l'amplitude de charge mécanique F, soit en continu comme représenté figure 2a, soit par paliers, auquel cas chaque palier est de l'ordre de plusieurs amplitudes. Dans ce contexte, les défauts de réseau signifient des dislocations par exemple ou d'autres défauts par lesquels se produit la deformation plastique du matériau, donc aussi la fatigue. Lorsque l'amplitude de charge est accrue, la valeur effective (racine de la moyenne des carrés) des impulsions de bruit mécanique de Barkhausen augmente en correlation avec l'amplitude de charge, comme représenté figure 2b. Stade 2 : On réduit l'amplitude de charge F à zéro. Stade 3 : On augmente de nouveau l'amplitude de charge F, comme représenté figure 2c. Si la première augmentation de l'awplitude de charge F a été poursuivie jusqu'à une valeur suffisamment élevee, la valeur effective des impulsions de bruit mécanique de Barkhausen engendres passe par un maximum à une certaine valeur de l'amplitude de charge F, comme représente figure 2d. Il s'avère que cette valeur de l'amplitude de charge correspond très exactement à la limite d'endurance du materiau de départ non fatigué. Il n'est pas nécessaire de connaitre d'avance ladite valeur suffisamment élevée de l'amplitude de charge pour la fatigue préliminaire. Elle peut être trouvée expérimentalement en répetant les stades 1 et 2 et en augmentant à chaque répétition la valeur de l'amplitude de charge maximale, jusqu'à l'apparition dans le stade 3 du point maximal de la valeur effective Veff. (racine de la moyenne des carrés). Dans le deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, on utilise le dispositif d'aimantation g pour aimanter le matériau d'essai avec un champ magnétique stable pendant la mesure. La grandeur des impulsions de bruit engendres augmente alors et les changements à la limite d'endurance apparaissent plus clairement. En changeant la direction du champ magnétique, l'état magnétique de la structure peut en plus être optimisé par rapport à la direction de la charge. Par exemple, dans des métaux à base de fer, la direction du champ magnétique doit store parallèle à celle de la charge. Il a egalement été observe que les plus grandes impulsions du bruit mécanique de Barkhausen sont les plus sensibles aux changements dus aux dislocations. De ce fait, lorsqu'on selectionne les impulsions les plus grandes pour l'analyse par le discriminateur d, la précision des résultats de mesure devient plus grande. Lorsqu'on utilise le dispositif d'aimantation g pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, on peut omettre les stades 1 et 2 décrits pour le premier mode de mise en oeuvre. En d'autres termes, en augmentant l'amplitude de charge selon figure 2c, on peut alors faire apparaitre le point maximal selon figure 2d, c 'est-à-dire le point correspondant très exactement à la limite d'endurance du materiau de depart non fatigué. Le procédé de l'invention peut entre mis en oeuvre avec des appareils généralement connus. Les deux modes de mise en oeuvre qui viennent d'être décrits paraissent actuellement les plus intéressants. Il est cependant tout à fait possible, par exemple, de mesurer des changements de fréquence, de distribution de grandeur ou de valeur moyenne des signaux de bruit de Barkhausen produits par le mouvement de dislocation, au lieu de mesurer comme décrit ci-dessus la valeur effective. De plus, la charge exterieure, par laquelle on produit la valeur maximale du bruit de Barkhausen selon le procédé de l'invention, peut différer d'une charge cyclique augmentant en amplitude. Il est notamment possible aussi d'utiliser à cet effet une tension ou une compression répétée. L'invention n'est donc nullement limitée aux formes de réalisation decrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. Fi E V E N D I -C A T t O N S 1. Procédé utilisant le phénomène de bruit mécanique de Barkhausen produit dans des matériaux ferromagnétiques par le mouvement de dislocation et la charge mécanique changeante pour la mesure non destruccive de la résistance à la fatigue, caractérisé en ce qu'il consiste à 1) charger l'éprouvette (a) extérieurement, par exemple par une charge cyclique dont l'amplitude croit continuellement (figure 2a), de manière à créer dans l'eprouvette, sur le plan de changements d'aimantation irréversibles, un arrangement de défauts de réseau cristallin dominant, et à mesurer simultanément les changements dans la valeur effective, la fréquence, la distribution de grandeur ou la valeur moyenne des impulsions de bruit mécanique de Barkhausen engendrées pendant la fatigue du matériau ferromagnétique (figure 2b); 2) réduire la charge extérieure à zéro;; 3) charger l'éprouvette extérieurement par un processus de charge cyclique ou autre (figure 2c) et mesurer simultanément le point maximal de la valeur effective, de la fréquence, de la distribution de grandeur ou de la valeur moyenne des impulsions de bruit mécanique de Barkhausen engendrées pendant la fatigue du materiau ferromagnetique, l'amplitude de charge à laquelle ce point maximal apparaît cor-respondant à une résistance à la fatigue égale à la limite d'endurance de l'éprouvette (figure 2d). 2. Procédé utilisant le phenomène de bruit mécanique de Barkhausen produit dans des matériaux ferromagnetiques par le mouvement de dislocation et la charge mécanique changeante pour la mesure non destructive de la résistance à la fatigue, caractérisé en ce qu'il consiste à aimanter l'éprouvette (a) par un champ magnétique stable et à charger l'éprouvette exterieurement par un processus de charge cyclique ou autre (figure 2c) et mesurer simultanément le point maximal de la valeur effective, de la fréquence, de la distribution de grandeur ou de la valeur moyenne des impulsions de bruit mécanique de Barkhausen engendres pendant la fatigue du matériau ferromagnétique, l'amplitude de charge à laquelle ce point maximal apparaît correspondant à une résistance à la fatigue égale à la limite d'endurance de l'éprouvette (figure 2d),