Brevet FR2524147A1 — publié le 19830930

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la mesure de la fatigabilité d'un matériau solide. On entend par matériau solide, tout corps solide homogene ou hétérogène tel que des métaux, des minéraux ou des dérivés, ou tout ensemble ou sous-ensemble se présentant sous une forme solide pour assurer une continuité matérielle, tel que des charpentes métalliques, des ouvrages en béton, des câbles ou des ouvrages d'art. Cette liste n'est évidemment pas limitative. On connatt déjà des dispositifs permettant de détecter dans un matériau solide des états de rupture dans un but curatif. Ces dispositifs ne permettent toutefois pas de déterminer des états de fatigabilité ou de prérupture dans un but préventif. La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif pour la mesure de la fatigabilité d'un matériau solide dont les possibilités sont les suivantes - On doit tout d'abord pouvoir mettre en évidence tout état de rupture en surface ou dans la masse du matériau solide étudié. Cette mise en évidence correspond à la constatation d'un état de risque extrême consécutif à un niveau de contrainte ou de fatigabilité excessif. Cette analyse présente une finalité curative. - L'invention vise également à permettre, dans une seconde fonction, un ensemble de mesures plus fines permettant de mettre en évidence des états de discontinuité préliminaires à la rupture ou à la fissuration. Ces états peuvent être la conséquence soit d'une surcharge de contraintes ponctuelles, soit d'une fatigabilité progressive due à des effets de vieillissement naturels ou artificiels, ce qui est en particulier le cas lors d'exploitation en charges aléatoires non contrôlées. Cette analyse a une finalité préventive. - L'invention a enfin pour but de permettre dans une troisième fonction la détection d'états de prédiscontinuité au niveau moléculaire afin de mettre en évidence les effets à terme d'états de contrainte difficilement définissables ou de fatigabilité liés au vieillissement des matériaux contrôlés. Cette analyse a pour objectif l'établissement de pré-diagnostic des risques à terme et la détermination de la durée de vie opérationnelle probable des matériaux contrôlés. A cet effet, la présente invention a tout d'abord pour objet un procédé pour la mesure de la fatigatibilité d'un matériau solide caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à appliquer au matériau une énergie possédant un premier ensemble de caractéristiques et à capter l'énergie restituée par le matériau dans ce premier cas, à appliquer au matériau une énergie possédant un deuxième ensemble de caractéristiques et à capter I'énergie restituée par le matériau dans ce deuxième cas, et à comparer les corditions de transfert de l'énergie dans le matériau dans les deux cas. On a en effet constaté que les conditions de transfert de l'énergie dans un matériau solide étaient caractéristiques d'états de discontinuité ou de prédiscontinuité de ce matériau de sorte que la comparaison de ces conditions de transfert pour deux signaux énergétiques distincts permettait de détecter cet état de discontinuité ou de prédiscontinuité. Les conditions de transfert sont déterminées à partir de la connaissance d'une part, du signal énergétique appliqué au matériau et d'autre part, de l'énergie restituée. Les applications des deux énergies peuvent, suivant le mode de réalisation de l'invention, s'effectuer soit simultanément, soit successivement. Dans ce dernier cas, les premier et deuxième ensembles de caractéristiques des énergies appliquées peuvent ou bien être distincts, auquel cas les deux applications de l'énergie s'effectuent à des instants rapprochés, ou bien être identiques, les deux applications d'énergie s'effectuant à des instants éloignés. Lorsque les applications des deux énergies s'effectuent simultanément ou à des instants rapprochés, on détermine l'état instantané de rupture ou de fatigabilité du matériau solide et étudié, alors que, lorsque les deux applications d'énergie s'effectuent à des instants éloignés, on étudie l'évolution du matériau sous l'effet d'un état de contraintes ou de conditions de fatigue. La comparaison des conditions de transfert: de l'énergie peut par exemple s'effectuer sur les niveaux, sur les différences de phase ou sur la forme des énergies restituées par le matériau. Selon le mode de réalisation choisi, les deux énergies appliquées peuvent être de même nature ou de nature différente. On peut par ailleurs dans une variante, ajouter à la comparaison des conditions de transfert de l'énergie, une mesure des temps de propagation de l'énergie appliquée au matériau. L'invention a également pour objet un dispositif susceptible d'être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une source d'énergie, des moyens pour appliquer cette énergie au matériau, des moyens pour capter l'énergie restituée par le matériau et des moyens pour analyser les conditions de transfert de l'énergie dans le matériau. Pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, ce dispositif peut comprendre un seul ensemble d'éléments et être utilisé plusieurs fois successivement en modifiant les caractéristiques de l'énergie appliquée ou comporter une pluralité de chacun des éléments, auquel cas, l'application des énergies de différentes caractéristiques peut être effectuée simultanément, l'analyse et la comparaison des conditions de transfert des énergies appliquées pouvant alors etre réalisées dans un même temps. Dans un premier mode de réalisation, la source d'énergie est une source d'énergie mécanique, les moyens d'application de cette énergie comprenant un transducteur. Les moyens pour capter l'énergie restituée peuvent alors comprendre un ou plusieurs capteur piézo-électrique. Dans un autre mode de réalisation, la source d'énergie est une source d'énergie électrique, les moyens d'application de cette énergie comprenant deux contacts électriques sur le matériau. On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif des modes de réalisation particuliers de l'invention en référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels - la figure 1 est un diagramme représentant un dispositif selon l'invention, - la figure 2 représente un premier mode de réalisation de ce dispositif, et - la figure 3 représente un second mode de réalisation de ce dispositif. Le dispositif de la figure 1 comprend deux générateurs de signaux, 1 a et 1 b reliés respectivement à des organes 2 a et 2 b susceptibles d'appliquer au matériau à analyser l'énergie produite par les générateurs de signaux 1 a et 1 b. L'application de l'énergie produite par les générateurs 1 par l'intermédiaire des organes 2 peut se faire en un point du matériau ou en une pluralité de points suivant le cas. Les générateurs 1 a et 1 b peuvent engendrer des énergies de meme nature mais de caractéristiques différentes en ce qui concerne par exemple leur fréquence ou leur forme, ou des énergies de nature différente. De même, les signaux appliqués par l'intermédiaire des organes 2 a et 2 b peuvent l'être simultanément ou successivement dans le temps. Le dispositif selon l'invention comporte en outre deux capteurs 3 a et 3 b susceptibles de détecter les énergies restituées par le matériau et d'en déduire des signaux électriques qui sont ensuite mis en forme dans des interfaces de traitement 4 a et 4 b. Les signaux mis en forme par les i:.terfaces 4 sont ensuite acheminés vers une unité centrale de traite.-.ent 5 ?ont l'ebjet est d'adapter les signaux en provenance des interfaces 4 pour les rendre susceptibles d'une l'interprétation. Le dispositif selon l'invention comprend enfin un certain nombre de sous-ensembles d'interprétation ou de visualisation 6, reliés à la sortie de l'unité centrale de traitement 5 pour visualiser les différences mises en évidence dans l'unité de traitement 5 entre les conditions de transfert des énergie appliquées par les organes 2 a et 2 b respectivement et détectées par les capteurs 3 a et 3 b respectivement. Les sous-ensembles 6 sont généralement constitués d'appareils de mesures électriques tels que des voltmètres numériques à haute résolution, des enregistreurs ou tout autre appareil convenable. Les figures 2 et 3 représentent des modes de réalisation particuliers dans lesquels les deux énergies sont appliquées au matériau successivement et dans lesquels par conséquent il n'existe qu'une seule chaîne d'application et de détection de l'énergie, cette chatne étant utilisée successivement à plusieurs reprises. Dans la figure 2, une énergie mécanique est appliquée à un barreau parallélépipédique en béton 20. L'énergie est engendrée électriquement par un générateur de fonctions 21 et est appliquée pour chaque mesure au barreau en deux points 22 et 22' par l'intermédiaire d'un transducteur convenable. Un capteur de vibrations, par exemple de type piézo-électrique, est placé pour chaque mesure en différents points successifs 23, 23', et 23" pour transformer l'énergie mécanique reçue en un signal électrique qui est ensuite mis en forme dans une interface 24. Une unité centrale 25 permet d'analyser et de comparer les différents signaux reçus, par exemple en ce qui concerne leur amplitude ou éventuellement leur phase. Le résultat peut être lu sur un voltmètre numérique à haute résolution 26. L'utilisation du dispositif de la figure 2 s'effectue de la manière suivante - Une première série de mesures permet d'examiner les conditions de transfert d'une énergie mécanique cyclique à fréquence très basse (infrason), afin d'étalonner les qualités de propagation à un instant déterminé du barreau étudié. - Une autre série de mesures effectuées à une fréquence nettement plus élevée (audiofréquence) donne des résultats différents, les différences relevées entre les deux séries de mesures constituant l'information de discontinuité. L'accentuation des écarts pour les fréquences les plus basses (première série de mesures) traduit des anomalies de transfert de l'énergie et par conséquent un manque d'homogénéité. On peut par ailleurs répéter la mesure dans le temps en utilisant des énergies mécaniques de mêmes caractéristiques (même fréquence dans le cas présent) ce qui permet de mettre en évidence des risques de rupture (écart important), de fatigabilité élevée (écart moyen), ou de préfatigabilité (écart faible). La figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel une énergie électrique est appliquée à une pièce métallique cylindrique 30. Cette énergie électrique est fournie par un générateur de fonctions 31 et est injectée sous la forme d'un courant électrique par l'intermédiaire de deux contacts electriques 32 placés sur la pièce 30 par exemple à ses deux extrémités les plus éloignées. Deux autres contacts électriques 33 permettent de mesurer dans la partie de la pièce 30 située entre les contacts 32 la différence de potentiel due au passage du courant électrique. Cette différence de potentiel généralement très faible est amplifiée et mise en forme dans une interface 34 puis est traitée dans une unité centrale 35 à laquelle est relié un voltmètre numérique 36 permettant la visualisation et l'interprétation des données. Comme dans le cas précédent, on effectue deux mesures dans deux gammes différentes. Une première mesure est effectuée à une fréquence située dans la partie basse des gammes infrasoniques ou à partir d'une énergie continue, tandis que l'autre mesure est réalisée à une fréquence située dans la partie haute de la gamme infrasonique ou dans la partie basse de la gamme des audiofréquences. Selon l'invention, on examine de façon successive les valeurs de la tension électrique apparatssant entre les deux contacts 33 et on les compare pour chacune des fréquences injectées. L'existence d'un écart entre les deux tensions relevées est significative d'un manque d'homogénéité de la pièce 30. La répétition des mêmes mesures à des instants éloignés dans le temps permet de suivre l'évolution des écarts entre les mesures effectuées aux deux fréquences. Bien entendu diverses variantes et modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit ci-dessus sans sortir pour autant du cadre ni de l'esprit de I'inventon, C'est ainsi que le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent être appliqués à d'autres pièces que le barreau parallépipédique en béton ou le barreau cylindrique métallique représentés au dessin. De plus, le dispositif suivant l'invention, peut être intégré à un ensemble de télétransmissions permettant de eentraliser, dans le cas d'une surveillance permanente, l'ensemble des informations recueillies. Le dispositif peut en particulier être relié à un ordinateur permettant d'accélérer les cadences de contrôle. Le dispositif décrit ci-dessus peut par contre se présenter également sous la forme de bancs mobiles de contrôle permettant d'analyser une structure donnée de façon occasionnelle. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la mesure de la fatigabilité d'un matériau solide, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à appliquer au matériau une énergie possédant un premier ensemble de caractéristiques et à capter l'énergie restituée par le matériau dans ce premier cas, à appliquer au matériau une énergie possédant un deuxième ensemble de caractéristiques et à capter l'énergie restituée par le matériau dans ce deuxième cas, et à comparer les conditions de transfert de l'énergie dans le matériau dans les deux cas. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les applications des deux énergies s'effectuent simultanément. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les applications des deux énergies s'effectuent successivement. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les premier et deuxième ensembles de caractéristiques des énergies appliquées sont distincts et que les deux applications d'énergie s'effectuent à des instants rapprochés. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les premier et deuxième ensemble de caractéristiques des énergies appliquées sont identiques et que les deux applications d'énergie s'effectuent à des instants éloignés. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la comparaison s'effectue sur les niveaux d'énergie restituée par le matériau. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la comparaison effectue sur les différences de phase des énergies restituées par le matériau. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la comparaison s'effectue sur la forme des énergies restituées par le matériau. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que les deux énergies appliquées sont de même nature. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les deux énergies appliquées sont de natures différentes. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'on mesure les temps de propagation de énergie appliquée au matériau. 12. Dispositif susceptible d'être utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins une source d'énergie (1, 21, 31), des moyens (2, 22, 32) pour appliquer cette énr-rCTe a matériau, des moyens (3, 23, 33) pour capter l'énergie restituée par le matériau et: des moyens (5, 25, 35) pour analyser les conditions de transfert de l'énergie dans le matériau. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la source d'énergie est une source d'énergie mécanique (21), les moyens d'application de cette énergie comprenant un transducteur (22). 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé par le fait que les moyens pour capter l'énergie restituée comprennent au moinsun capteur piezo-électrique (23). 15. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé par le fait que la source d'énergie est une source d'énergie électrique (31), les moyens d'application de cette énergie comprenant deux contacts électriques (32) sur le matériau.