Generalites sur les solides et les fissures

La plupart des infrastructures à Madagascar ne sont pas normalisées, bien que l’Etat essaye de les régulariser afin d’éviter tout danger éventuel et pour que toutes les constructions suivent les normes exigées. Donc les dangers les plus fréquents chez nous sont l’effondrement car dès qu’une forte pluie se présente, beaucoup de maison cède et sont détruits par la même occasion. Ce n’est pas la pluie seulement mais il y en a d’autre comme les séismes, les cyclones, et autres. L’ampleur de ce problème est d’ordre national, les facteurs de risque à l’origine de ces effondrements de construction sont les présences de taux de fissuration élevé dans les bétons qui sont la base des infrastructures du géni civil : bâtiment, ponts, … L’électronique peut nous conduire à éclaircir beaucoup de phénomène dans le domaine de la médecine et de l’infrastructure. C’est pourquoi nous avons choisi de travailler sur le thème intitulé « Conception de Fissuromètre à Rayons X »

GENERALITES SUR LES SOLIDES

La fissure est un défaut dans un matériau solide caractérisé par une discontinuité brutale, où la matière est séparée sur une certaine surface. Elle entraîne une grande concentration de contrainte à son fond. Elle se propage sous l’effet de contraintes suffisantes (critère de Griffith) [1]. Elle est essentiellement, en pratique, le facteur limitant la résistance mécanique des matériaux fragiles tels que les verres et les céramiques.

En médecine, la fissure anale est une ulcération superficielle en forme de raquette (bord externe élargi) qui suit les plis radiaires de la muqueuse. Elle touche plus souvent la jeune femme. C’est une affection douloureuse de la marge anale. Dans le sens figuré, en parlant de solution de continuité la fissure peut être représentée comme lacune dans les idées. La fissure est donc comme [1] :
• Une petite fente.
• Une coupure qui sépare des assises de même nature.
• Une fente correspondant à une fracture sans rejet vertical.
• Une petite fêlure de l’ordre du centimètre
• Une fente rocheuse qui ne permet pas le passage d’un corps mais sert de prise ou de points d’assurage.
• Une interruption de structure dans l’espace ou dans le temps Avant d’entamer l’étude des fissures, étudions d’abord la structure des solides.

Structure des solides

Composition des matériaux

Définition
La matière est constituée d’une multitude de particules dites élémentaires (comme les électrons, les protons, les neutrinos, les quarks, et autres). Ces particules interagissent entre elles et certaines s’associent pour former des atomes. Les atomes peuvent aussi s’assembler pour former des molécules, qui peuvent s’associer à leur tour en macromolécules et autres, le tout constituant la matière [2]. D’après Démocrite*, « la matière est constituée d’une multitude de petits corps invisibles, indivisibles et éternels : les atomes » .

D’une manière générale, l’atome est considéré comme l’unité de base pour étudier la matière.

Cohésion dans la matière
Les éléments qui constituent (atomes, molécules) les états des matières sont liés entre eux par de puissantes forces appelées forces de cohésion. La cohésion dans la matière sont l’ensemble des forces d’interaction qui lient entre eux les atomes ou molécules d’un corps. La cohésion diffère de l’adhérence, qui est une interaction entre les surfaces de corps différents.

Les forces à l’origine de la cohésion des corps sont de quatre types. Dans le cas des matériaux atomiques, les atomes peuvent établir des liaisons covalentes, ioniques ou métalliques. Les matériaux moléculaires, quant à eux, assurent leur cohésion par des forces électrostatiques faibles, appelées forces de Van Der Waals. Les liaisons établies entre les atomes ou les molécules d’un corps sont caractérisées par une énergie de liaison égale à l’énergie qu’il faut fournir pour détruire cette liaison. Plus cette énergie est élevée, plus la liaison est forte et la cohésion importante [2]. Pour la matière, il existe deux types d’états solides :
– l’état amorphe : arrangement aléatoire des atomes
– l’état cristallin : arrangement symétrique et périodique des atomes C’est l’état cristallin qui nous intéresse du fait de son arrangement facile à manipuler et très utilisé pour la fabrication des semiconducteurs.

Réseau cristallin
La structure cristalline comprend quatre types [4] :
– Cristaux ioniques
– Cristaux covalents
– Métaux
– Cristaux moléculaires

i. Cristaux ioniques
C’est l’association d’un élément électronégatif (7 électrons périphérique comme le Cl, Br) et d’un élément électropositif (avec un électron périphérique : Li, Na et autres). L’élément électropositif cède facilement un électron et devenu un ion positif avec une configuration électronique stable. L’élément électronégatif accepte facilement un huitième électron et devenu un ion négatif ayant une configuration électronique stable.
ii. Cristaux covalents
Ils sont construits avec des éléments de la colonne IV du tableau périodique (Si, Ge). Ces éléments ont quatre électrons périphériques qu’ils mettent en commun avec quatre voisins pour établir des liaisons covalentes. Les électrons de valence sont liés mais leur énergie de liaison est beaucoup plus faible que dans les cristaux ioniques. Cette énergie de liaison est importante dans le carbone diamant, ce qui en fait un isolant, elle est nulle dans l’étain, ce qui en fait un conducteur. Dans le silicium et le germanium cette énergie a une valeur intermédiaire qui fait de ces matériaux des semiconducteurs.
iii. Métaux
Les métaux sont construits avec des éléments électropositifs, c’est-à-dire ayant un seul électron périphérique. Cet électron périphérique qui est très conducteur est libéré dans la réalisation du cristal. Les liaisons atomiques sont plus faibles que dans les cristaux ioniques ou covalents, ces matériaux sont moins durs et fondent à une tension relativement basse. On distingue les métaux alcalins Li, Na, K, Cs et les métaux nobles Cu, Ag, Au.
iv. Cristaux moléculaires
Les cristaux moléculaires, comme leur nom l’indique, sont bâtis sur une unité de base qui n’est plus l’atome mais la molécule. Les forces de liaison sont grandes à l’intérieur de la molécule mais du type Van Der Waals entre molécules et par conséquent faibles. Ces matériaux sont peu résistants et fondent à basse température .

Propriétés des matériaux

Propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques sont déduites d’une part des forces de cohésions qui lient les atomes ou les molécules du solide, et d’autre part des défauts qui peuvent apparaître dans leur structures cristallographiques : lacunes, substitutions, interstitiels, dislocations et joints de grains. Notons que ces propriétés mécaniques dépendent de la température des matériaux. Les caractéristiques mécaniques des matériaux sont : sa masse, sa masse volumique, ses dimensions et sa résistance mécanique.

Propriétés thermiques

Les propriétés thermiques dépendent de la température de la matière. Si la température augmente, le solide subit une agitation et la matière se dilate. A très haute température, il se fonde.

Propriétés électriques

Les matériaux sont caractérisés électriquement par leurs conductivités électriques. Selon leur conductivité électrique (Fig.1.4), les corps se subdivisent en 3 groupes [4]:
– Les isolants : les bandes d’énergie les plus faibles sont entièrement pleines donc ne conduisent pas le courant électrique.
– Les conducteurs : conduisent bien le courant électrique, d’autant mieux que la température est plus basse. Cette bonne conductivité électrique est due à la présence des électrons presque libres du gaz électronique qui parcourent tout le réseau métallique.
– Les semiconducteurs : conduisent le courant nettement moins bien que les métaux, mais d’autant mieux que la température est plus élevée (exemples types : le silicium Si, le germanium Ge). Ils forment des réseaux atomiques (du type diamant) où les atomes sont reliés par covalence. La migration des électrons ne peut se faire que par « petits pas », les électrons sautant d’un atome à l’autre.

Utilisation des rayons X pour la détection de fissures

Les rayons X sont des rayonnements de type électromagnétique dont la longueur d’onde est comprise entre 10 nm et 0,001 nm. Plus la longueur d’onde des rayons X est courte, plus son énergie est élevée. Les rayons de longueur d’onde proches de la plage des ultraviolets dans le spectre électromagnétique sont appelés rayons X mous. Les rayons de longueur d’onde plus courte, proches de la plage des rayons gamma, sont appelés rayons X durs (Radioactivité). Les rayons X composés d’un mélange de nombreuses longueurs d’onde sont des rayons X « blancs ». Les rayons X qui présentent une seule longueur d’onde sont appelés rayons X « monochromatiques ».

Propriétés des rayons X
Les rayons X par leurs facilité de pénétration aux matériaux solides qui est fortement lié à la densité et au poids du matériau récepteur (plus le poids atomique du matériau est faible, plus ce matériau est transparent aux rayons X) absorbent facilement les matériaux durs ainsi que les matériaux solides peu denses constitués d’éléments légers (Carbone, Azote, Oxygène et autres) [11].

Utilisations
Les propriétés données ci-dessus sont utilisées en imagerie médicale (scanner, radiographie), car de ce fait les rayons X traversent la chair et sont arrêtés par les os. Dans cette imagerie médicale, le patient doit être proche de la source de rayon X. On peut faire l’analyse chimique c’est à dire l’analyse de phase par diffraction de rayon X ou radiocristallographie. Ceci donne naissance au phénomène de fluorescence X, qui permet une analyse chimique, mais cela modifie aussi les cellules vivantes [11] [12].

Conclusion
D’après les caractéristiques de ces ondes électromagnétiques, il y a des ondes qui traversent des matériaux et il y en a ceux qui sont réfléchi au contact des matériaux. Donc on a 2 méthodes pour détecter les fissures dans les matériaux : la méthode de détection par réflexion et la méthode de détection par transparence.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 : GENERALITES SUR LES SOLIDES ET LES FISSURES
1. Introduction
2. Structures des solides
2..1 Composition des matériaux
a) Définition
b) Cohésion dans la matière
c) Réseau cristallin
i. Cristaux ioniques
ii. Cristaux covalents
iii. Métaux
iv. Cristaux moléculaires
2.2 Propriétés des matériaux
a) Propriétés mécaniques
b) Propriétés thermiques
c) Propriétés électriques
3. Notion de fissure
3.1 Les défauts
a) Défauts ponctuels
i. Lacunes
ii. Solutions solides
b) Défauts d’antiphases
c) Association des défauts
d) Défauts linéaires
e) Défauts surfaciques
f) Défauts volumiques
i. Pores
ii. Précipités
iii. Effet des défauts volumiques
3.2 Les fissures
a) Déformation plastique par déplacement d’une dislocation coin
i. Dislocation vis
ii. Dislocation mixte
Chapitre 2 : GENERALITES SUR LES ONDES
1. Equation d’onde
a) Vitesse de déplacement
b) Fréquence
c) Longueur d’onde
d) Mode de propagation
e) Coefficient de transmission et de réflexion
f) Principe d’incertitude de Heisenberg
2. Propriétés optiques des ondes
a) Réflexion
b) Réfraction
c) Absorption
d) Interférence
e) Diffraction
3. Relation entre grandeurs optiques et grandeurs quantiques
4. Différentes types d’ondes électromagnétiques
a) Rayons pénétrants
i. Les microondes
ii. Les térahertz
b) Rayons ionisants
5. Les ondes mécaniques
a) Définition de l’ultrason
b) Caractéristiques
i. Fréquence d’oscillation
ii. Impédance acoustique
iii. Coefficient d’atténuation
6. Utilisation des rayons X pour la détection de fissures
a) Introduction
b) Propriétés des rayons X
c) Utilisations
d) Conclusion
i. Méthode de détection par réflexion
ii. Méthode de détection par transparence
iii. Interprétation des résultats
Chapitre 3 : DETECTION DE FISSURE DANS LES BETONS
1. Constitution matériel du béton
a) Granulats
b) Ciments
c) Entrefers
d) Eau
2. Cause des fissurations dans les bétons
3. Choix de la méthode de détection
4. Principes de détection
5. Chaine d’acquisition
6. Hypothèse de calcul
7. Précision de l’appareil
8. Instrumentation
a) Alimentation
b) Générateur de fréquence
c) CAN/CNA et unité de traitement
i. CAN
ii. CNA
iii. Unité de traitement
d) Emetteur/récepteur
e) Unité de stockage
f) Visualisation
9. Automatisation de la détection
a) Les rails
b) Les roulettes
c) Le support de l’appareil
d) Les moteurs
i. Réglage du déplacement
ii. Chaine de commande des trois moteurs
iii. Système de coordination
10. Disposition de chaque bloc
a) Bloc générateur
b) Bloc de traitement
c) Système de câblage
CONCLUSION

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