Soutenance mémoire
Les exigences accrues aux industries en matière de sécurité et les coûts exorbitants engendrés par les accidents ou par les dysfonctionnements de matériels, forcent les techniciens à effectuer de plus en plus des contrôles de qualité. En ce sens, le contrôle non destructif apparaît comme un élément majeur pour détecter les défauts internes de structure, matériaux, pièces et assemblages, tout en préservant l’intégrité des produits contrôlés.
Plusieurs techniques de contrôle ont déjà été élaborées dans les pays développés mais leurs prix restent inaccessibles pour les pays en voie de développement (comme Madagascar), raison pour laquelle, a été axé cette étude.
Parmi tant de phénomènes physiques, l’électromagnétisme fournit des lois régissant sur les aspects intégraux mais surtout sur les aspects locaux. L’étude présentée dans ce mémoire exploite donc ces phénomènes pour mettre en évidence les hétérogénéités et anomalies dans des matériaux conducteurs.
PRINCIPAUX CARACTERISTIQUES ET COMPORTEMENTS DES METAUX
Tous les secteurs d’activités utilisent les matériaux : de la construction, où on les emploie comme matériaux de structure (poutres, renforts dans le béton armé), jusqu’aux conducteurs électriques en films minces dans les circuits électroniques, en passant par les transports (rails et caténaires, moteurs thermiques en fonte, bobinage des moteurs électriques, carénage des navires, fuselage des avions et des fusées, structure des véhicules terrestres), mais aussi le mobilier, les revêtements, etc.…
Les matériaux sont composés par : les polymères, les verres et céramiques, les composites, les métaux et alliages.
Dès qu’on parle des métaux, l’idée qui vient en premier sont les moyens de transport, que ce soit aérien , maritime ou terrestre, les conduites de fluide , ainsi que ceux relatifs à la production d’énergie et parfois au stockage. En réalité, les métaux occupent une place éminente dans le secteur industriel parce qu’on pourrait en procurer des compositions extrêmement précises dépendantes des propriétés recherchées, les plus courantes ce sont les alliages et leurs dérivés. Dans l’industrie aérospatiale par exemple, on utilise de nombreux alliages légers aux propriétés spécifiques, dans la conception des fusées par exemple. Ils existent des alliages très résistants à la chaleur pour les véhicules spatiaux pénétrant dans l’atmosphère terrestre.
Il y a aussi les superalliages qui sont des alliages à une très bonne résistance à la corrosion lorsqu’ils sont soumis à des contraintes mécaniques intenses à température et à pression élevées. Ils sont entre autres utilisés dans les réacteurs chimiques et pétrochimiques et dans les raffineries de pétrole. Il est jugé nécessaire de connaître l’interaction des différents phénomènes physiques dans les métaux car ces derniers ont une influence sur leur comportement et sur leurs caractéristiques. La science offre une analyse de la structure des métaux qui a pour objet de connaître leurs caractéristiques et leurs propriétés afin de les exploiter dans différents domaines. L’étude de la matière à l’échelle atomique permet alors d’explorer plus en détail ces faits.
GENERALITES SUR LA STRUCTURE DES MATERIAUX
STRUCTURE ELECTRONIQUE DES ATOMES
L’ensemble des propriétés d’un métal, comme de tout corps solide, est essentiellement déterminé par la distribution des noyaux et des électrons de valence des atomes qui le constituent. La structure électronique des métaux, responsable de leurs propriétés spécifiques, est donc très particulière. En première approximation, les électrons d’un atome libre sont distribués en couches caractérisées par deux nombres n et l appelés respectivement nombres quantiques principal et azimutal, et sont répartis sur des niveaux d’énergies quantifiées Enl .
n est un entier positif (≥ 1) .
l entier compris entre 0 et n −1caractérise la variation angulaire de densité du nuage électronique .
Les états électroniques correspondant à l = 0,1,2,3sont dénommés respectivement s, et p,d f Sur chaque niveau d’énergie Enl , l’atome peut comporter ) 2(2l +1 électrons au plus, caractérisés par le nombre quantique magnétique m (pouvant prendre des valeurs entières entre − l et + l ), et le nombre quantique de spin s , égal à ±1 2 .
PROPRIETES PHYSIQUES DES MATERIAUX
PROPRIETES ELECTRIQUES
Les métaux conduisent généralement bien d’électricité, principalement l’argent, l’or, le cuivre, l’aluminium. La conduction électrique dans les métaux peut être analysée de manière microscopique et macroscopique.
Du point de vue microscopique, la principale raison vient de la liaison métallique c’est-à-dire du mouvement électronique des électrons libres.
Du point de vue macroscopique, c’est la théorie des bandes d’énergie. En effet, dans les métaux la bande d’énergie la plus haute occupée et la plus basse vacante se chevauchent, tout du moins se touchent. Il faut ainsi peu d’énergie pour exciter un métal et plus il est facile de l’exciter plus un métal pourra céder un électron meilleur conducteur il sera.
REMARQUE : CAS D’UN CONDUCTEUR ELECTRIQUE PARFAIT
Dans la plupart des métaux et dans certains semi conducteurs, la densité de courant J est très nettement supérieure à la densité de courant de déplacement ∂D ∂t . Lorsqu’on considère les conditions aux limites entre un milieu et l’air, on peut poser en première approximation que la conductivité γ = ∞ dans le conducteur, que l’on considère comme un conducteur électrique parfait. Comme la densité de courant ne peut pas devenir infinie, il en résulte que le champ électrique E dans un conducteur électrique parfait doit être nul.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I : PRINCIPAUX CARACTERISTIQUES ET COMPORTEMENTS DES METAUX
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LA STRUCTURE DES MATERIAUX
I.1 STRUCTURE ELECTRONIQUE DES ATOMES
I.2 ORIGINE DES MOMENTS MAGNETIQUES ATOMIQUES ET IONIQUES
I.3 DENSITE DU MOMENT MAGNETIQUE
I.4 LOI D’OHM ET RESISTIVITE
CHAPITRE II : PROPRIETES PHYSIQUES DES MATERIAUX
II.1 PROPRIETES ELECTRIQUES
II.2 PROPRIETES MECANIQUES
II.3 PROPRIETES THERMIQUES
II.4 PROPRIETES MAGNETIQUES
II.5 CHAMP MAGNETIQUE DANS LA MATIERE
II.5.1 DIAMAGNETISME
II.5.2 PARAMAGNETISME
II.5.3 FERROMAGNETISME
II.5.4 CYCLE D’HYSTERESIS
II.5.5 PERMEABILITE
CHAPITRE III : CONTRAINTES SOUMISES AUX METAUX ET LEURS LIMITES D’EXPLOITATION
III.1 UTILISATION DES METAUX
III.2 RUPTURE BRUTALE ET RUPTURE PAR FATIGUE
III.3 LIMITE DE CONTRAINTE
III.4 TYPE DES DEFAUTS
PARTIE II : RAPPELS SUR LES PRINCIPES FONDAMENTAUX DE L’ELECTROMAGNETISME
CHAPITRE I : GENERALITES
I.1 LES EQUATIONS DE MAXWELL
I.2 EQUATIONS DE MAXWELL, EN REGIME VARIABLE, DANS UN MILIEU SATURABLE
I.3 EQUATIONS DE MAXWELL, EN REGIME VARIABLE, DANS UN MILIEU NON SATURABLE
I.4 ASPECT ENERGETIQUE
I.5 SUBSTANCE MAGNETIQUE IDEALE ISOTROPE
CHAPITRE II : THEOREMES GENERAUX DE L’ELECTROMAGNETISME
II.1 THEOREME DE GAUSS
II.2 LE FLUX D’INDUCTION A TRAVERS UN CONTOUR
II.3 THEOREME D’AMPERE
CHAPITRE III : LE CIRCUIT ELECTROMECANIQUE
III.1 TENSION INDUITE GENERALISEE
III.2 EXPRESSION DU POTENTIEL MAGNETIQUE SCALAIRE
III.3 RELUCTANCE D’UN CIRCUIT MAGNETIQUE
III.4 CIRCUITS MAGNETIQUES EN SERIE
III.5 CIRCUITS MAGNETIQUES EN PARALLELE
III.6 ANALOGIE ELECTRIQUE D’UN CIRCUIT MAGNETIQUE
PARTIE III : ANALYSE DES PHENOMENES PHYSIQUES GENERES DANS UN SYSTEME ELECTROMECANIQUE
CHAPITRE I : CHAMP D’INDUCTION DANS LES MATERIAUX FERROMAGNETIQUES
I.1 EQUATION DU FLUX MAGNETIQUE DANS UN CIRCUIT
I.1.1 CALCUL DE LA RELUCTANCE EQUIVALENTE D’UN CIRCUIT MAGNETIQUE
I.1.2 REMARQUES
I.2 DETERMINATION DU FLUX EN TOUT POINT DU CONDUCTEUR
I.3 VISUALISATION DU PROBLEME AVEC MATLAB
I.3.1 RESOLUTION NUMERIQUE DE L’EQUATION
I .3.1.1 PRESENTATION DE LA METHODE
I.3.1.2 RESOLUTION
I.3.1.3 RESULTAT SOUS MATLAB
I.4 CONCLUSION ET REMARQUE
CHAPITRE II : CHAMP D’INDUCTION DANS LES MATERIAUX NON FERROMAGNETIQUES
II.1 L’INDUCTION ELECTROMAGNETIQUE
II.2 MISE EN EVIDENCE DES COURANTS INDUITS DANS UNE MASSE METALLIQUE
II.3 REPARTITION DE LA DENSITE DE COURANT
II.3.1 REMARQUES
II.3.2 RESOLUTION SOUS MATLAB
II.3.3 EXEMPLE DE VARIATION DE δ EN FONCTION DE LA FREQUENCE
II.4 RESISTANCE DU CONDUCTEUR EN HAUTE FREQUENCE
CHAPITRE III : PRINCIPE DE DETECTION
III.1 EXPRESSION DE L’IMPEDANCE DE LA BOBINE DE DETECTION
III.2 INTENSITE DU CHAMP MAGNETIQUE GENERATEUR DES COURANTS INDUITS
III.3 EXPRESSION DU FLUX SECONDAIRE GENERE PAR LES COURANTS INDUITS
III.4 REPARTITION DE LA DENSITE DE COURANT DANS LA PLAQUE
III.5 EXPRESSION DE LA TENSION AUX BORNES DE LA BOBINE RECEPTRICE
PARTIE IV : APPLICATION INDUSTRIELLE
CHAPITRE I : INSTRUMENTATION SIMPLIFIE POUR LA RECONNAISSANCE DES DEFAUTS
I.1 PRINCIPE GENERAL
ORGANIGRAMME POUR LE TRACE DE LA REPARTITION DE LA DENSITE DE COURANT
I.2 SYSTEME D’ACQUISITION DE DONNEES
I.2.1 FONCTIONS ANALOGIQUES INDISPENSABLES
I.2.1.1 LA PREAMPLIFICATION
I.2.1.2 AMPLIFICATION DIFFERENTIELLE
I.2.1.3 COMPARATEUR
I.2.1.4 SOURCE DE COURANT
I.2.1.5 CONVERTISSEUR COURANT TENSION
I.2.1.6 DETECTEUR DE PIC
I.2.1.7 FILTRES
CHAPITRE II : CIRCUITS ANALOGIQUES ET NUMERIQUES
II.1 AMPLIFICATEUR DE TENSION
II.1.1. ROLE
II.1.2. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
II.1.3 TYPES DE FONCTIONNEMENT
II.2. CONVERTISSEUR ANALOGIQUE NUMERIQUE
II.2.1 CONVERTISSEUR A RAMPE ANALOGIQUE
II.2.2 CONVERTISSEUR A RAMPE NUMERIQUE
II.2.3 CONVERTISSEUR PAR APPROXIMATIONS SUCCESSIVES
II.2.4 CONVERTISSEUR PARALLELE
IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
