Méthodes ultrasons laser pour la caractérisation locale d’aciers polycristallins

Cette thèse financée par le CEA s’inscrit dans une thématique ouverte de développement de nouvelles méthodes et approches pour le contrôle non destructif (CND). L’objectif principal est de confronter la technique expérimentale des ultrasons lasers à des problématiques de caractérisation d’échantillons d’acier inoxydable. Le besoin d’approches innovantes pour des études CND motive le développement récent de systèmes lasers élargissant les capacités d’observations expérimentales aussi bien fréquentiellement que spatialement. Dans le travail présenté, les capacités d’un système sub-nanoseconde reposant sur l’utilisation de sources lasers pour générer et détecter des ondes élastiques sont ici étendues à l’étude de matériaux polycristallins. En effet, le système expérimental offrant la possibilité de générer et détecter des ondes de surface de l’ordre du GHz (10⁹ Hz) permet de travailler à l’échelle microscopique des structures cristallines composant les échantillons d’acier.

Les problématiques du CND reposent sur un besoin constant de caractérisation de matériaux de plus en plus complexes, de détection de défauts de plus en plus spécifiques. Dans ce cadre, l’étude de milieux polycristallins, de morphologie complexe, modélisés de manière incomplète, présente de nombreux challenges en terme de caractérisation. Différentes méthodes permettent l’identification des propriétés physiques des échantillons mais elles restent difficilement implémentables dans l’objectif d’une utilisation in situ.

La principale interrogation soulevée au lancement de cette thèse et qui a guidé les principales orientations choisies est de savoir si les ultrasons lasers sont une méthode d’avenir proposant de nouvelles approches d’étude des milieux polycristallins composés généralement de grains anisotropes. En particulier, connaissant les longueurs d’ondes généralement mises en jeux par les méthodes CND dites traditionnelles (transducteurs, phased arrray), les ultrasons lasers sont-ils une solution de poids pour procéder à des investigations plus précises ? Plus précisément, est-il possible de proposer une méthodologie permettant de déduire des propriétés locales à partir d’observations globales d’un polycristal ? L’observation de variations de propriétés élastiques par distributions de vitesse et cartographies est proposée comme une alternative d’analyse des aciers inoxydables.

Ultrasons laser pour l’étude d’aciers – Concepts 

Les applications industrielles de contrôle non destructif par l’utilisation de lasers sont des thématiques en développement en partie grâce aux réductions de coût d’achat et à la conception de systèmes lasers embarqués adaptés aux capacités techniques et besoins des industries. Ce chapitre s’attache donc dans un premier temps à souligner les enjeux présents lors de l’utilisation des ultrasons lasers appliqués aux aciers. Il s’en suit une description des différentes formes d’aciers étudiées dans ce travail de thèse. Finalement, les bases physiques et techniques sur lesquelles repose la méthode expérimentale utilisée dans cette thèse sont détaillées.

Polycristaux et Contrôle Non Destructif (CND)

La sécurité et le contrôle de qualité sont des aspects essentiels du processus de fabrication et du suivi de vie de pièces pour l’industrie. Les intérêt principaux du CND sont d’une part de proposer différentes méthodes permettant le diagnostic de l’état structurel de pièces par la détection de défauts mais aussi de pouvoir caractériser les propriétés physiques, notamment élastiques, des pièces étudiées. De plus, comme leur nom l’indique, ces méthodes proposent des caractérisations sans avoir à détruire ou endommager les échantillons testés. Aujourd’hui, les méthodes de diagnostic sont généralement complétées par des simulations numériques permettant d’identifier, interpréter, et prédire les résultats expérimentaux. Parmi les solutions existantes, Civa est un logiciel créé par le CEA dont l’objectif est de proposer une plateforme numérique la plus polyvalente possible pour l’étude, la simulation, et le contrôle de pièces manufacturées principalement. Cette thèse a pour objectif à long terme de compléter le module de saisie de paramètres d’entrée des simulations traitant de l’élasticité dans les matériaux polycristallins en fournissant notamment des données sur les propriétés élastiques et morphologiques locales et globales de polycristaux.

Comme toute méthode de simulation, les prédictions de Civa sont calculées par le biais de différents modèles numériques. Les résultats obtenus sont alors la combinaison de deux parties distinctes : la fidélité du modèle par rapport à la réalité physique et les paramètres d’entrée utilisés pour les calculs permettant de décrire les milieux étudiés. Ainsi, même si les modèles proposés évoluent en performance et précision, le choix de paramètres d’entrée demeure un facteur essentiel de la qualité des prédictions numériques. Dans le cas des polycristaux, Civa requiert au préalable un ensemble d’informations de base permettant de décrire la structure et le comportement mécanique des matériaux étudiés. Principalement il est nécessaire de déterminer les valeurs des paramètres élastiques des grains composants l’échantillon, les dimensions des cristaux ou encore leurs possibles orientations dans le cas de matériaux texturés. De manière générale, ces problématiques de caractérisation physique restent d’un intérêt primordial aujourd’hui élargissant le spectre des applications du travail proposé dans cette thèse notamment sur des aspects plus fondamentaux de mécanique et d’élasticité, au sens large, des solides complexes.

Quid des aciers ?

Le type de matériaux central de cette thèse est une classe d’alliages regroupés sous le nom d’aciers. Les aciers, comme la plupart des métaux à l’état solide, se présentent sous forme de matériaux polycristallins. Ils sont en effet constitués d’une multitude de cristaux imbriqués entre eux dans tout le volume d’une pièce. De telles structures sont la conséquence directe du refroidissement du métal en fusion qui par le phénomène de germination se traduit par la création de germes, groupes locaux d’atomes ordonnés à partir desquels les cristallites se développent. Appelés grains/cristallites ou encore monocristaux, chaque sous élément d’un polycristal est caractérisé par une composition chimique (ou composition de coulée) traduisant un comportement physique et mécanique spécifique, une géométrie/morphologie et une orientation cristalline. L’ensemble du polycristal est alors le résultat complexe d’un groupe de sous structures indifférentiables qui peuvent être révélées par attaque chimique ou laser [7] présentant des réponses physiques potentiellement différentes, anisotropes et influant les unes sur les autres.

Le comportement mécanique des polycristaux est en conséquence soumis à une large famille de phénomènes différents affectant aussi bien les propriétés locales que globales d’un échantillon. À l’échelle atomique, la présence d’interfaces cristallines entre grains orientés différemment implique généralement la présence de dislocations typiquement dans des zones proches des interfaces. Ces petites variations locales de la structure atomique théoriquement parfaitement périodique permettent notamment un accord des réseaux cristallins des deux grains à leur interface [8]. Ce phénomène peut parfois être la conséquence de la précipitation d’un atome de matière différente de ceux du réseau de base. Les dislocations sont des déformations élémentaires influant largement sur le comportement plastique global d’une pièce et peuvent être quantifiées par l’utilisation du vecteur de Burgers.

Les ultrasons laser 

Deux domaines de la physique appelés optoacoustique et acoustooptique s’attachent à la description des phénomènes physiques résultants de l’interaction entre ondes acoustiques et ondes optiques provenant généralement d’une source laser. L’optoacoustique, concerne les effets d’une radiation électromagnétique sur un champ acoustique. À l’inverse, l’acoustooptique regroupe l’étude des phénomènes acoustiques influant sur un champ électromagnétique.

Historiquement, l’interaction entre ondes optiques et ondes acoustiques est un phénomène mis en évidence pour la première fois par G.Bell notamment exploitée sous la forme du photophone, un moyen de communication sans fil semblable au téléphone (1880). L’exploitation de ce type de phénomène est cependant restée limitée par la qualité restreinte des sources lumineuses ne permettant pas à l’époque généralement de mettre en œuvre des effets d’amplitude significative. Le développement récent du laser a permis l’exploitation des interactions lumière-matière et plus particulièrement l’essor de nouvelles méthodes dont les ultrasons laser. L’utilisation de laser pour générer des ondes élastiques dans un matériau a été mis en évidence pour la première fois par White [13, 14].

Table des matières

INTRODUCTION
I Ultrasons lasers, Aciers – Enjeux et notions fondamentales
1 Ultrasons laser pour l’étude d’aciers – Concepts
1.1 Polycristaux et Contrôle Non Destructif (CND)
1.1.1 Quid des aciers ?
1.1.2 Les ultrasons laser
1.1.3 Applications des ultrasons lasers au CND
1.2 Aciers inoxydables – Échantillons d’étude
1.2.1 Aciers austénitiques
1.2.2 Acier moulé – acier austéno-ferritique
1.2.3 Soudures
1.3 Système expérimental
1.3.1 Principe de génération d’ondes élastiques par laser – Effet thermoélastique
1.3.2 Principe de détection – Déflexion laser
1.3.3 Capacités, avantages et inconvénients
1.3.4 Possibilités d’amélioration
1.4 Conclusion
2 Génération d’ondes élastiques par source laser et propagation dans les cristaux
2.1 Génération d’ondes élastiques par source laser
2.2 Cristaux
2.2.1 Réseau cubique – Symétrie
2.3 Ondes de volume
2.4 Ondes de surface
2.4.1 Équations fondamentales en fonction des contraintes et déplacements
2.4.2 Équations fondamentales en fonction des composantes du déplacement
2.4.3 Types de solution
2.4.4 Vitesse limite
2.5 Méthode de résolution
2.6 Conclusion
II Évaluation de l’élasticité et des texturations d’aciers inoxydables
3 Distributions de vitesse en milieu polycristallin non texturé
3.1 Distributions de vitesses – visualisation globale de l’anisotropie élastique
3.1.1 Orientations aléatoires
3.1.2 Distributions théoriques
3.1.3 Vitesse minimale
3.2 Limitations expérimentales de la méthode
3.2.1 Propagation au travers d’interfaces
3.2.2 Influence de l’incertitude du pointage du temps de vol
3.3 Problème inverse
3.3.1 Procédure itérative
3.3.2 Cas théorique du fer
3.3.3 Inversion sur données expérimentales
3.4 Conclusion
4 Aciers austéno-ferritiques
4.1 Préambule
4.2 Objectifs
4.3 Cartographie en vitesse d’onde de surface
4.3.1 Détails expérimentaux
4.3.2 Détection d’interfaces cristallines
4.3.3 Détails et interprétation des cartographies
4.3.4 Rayons coïncidents – Élasticité locale et erreur expérimentale
4.4 Propagation en milieu biphasé – Distributions – Prédictions
4.4.1 Distributions de vitesse expérimentales – Analyse séparée des macrograins
4.4.2 Modélisation simplifiée du milieu biphasique
4.4.3 Phases en proportions équivalentes
4.4.4 Phases en proportions différentes
4.4.5 Conclusions sur les distributions expérimentales
4.5 Limitations techniques
4.6 Conclusion
5 Soudures – Texture morphologique et orientation cristallographique
5.1 Préambule
5.2 Identification de l’ordre symétrie – Surface de lenteurs
5.3 Distributions de vitesse et orientation préférentielle
5.3.1 Variations locales de vitesse – Dimensions des grains
5.3.2 Distribution de vitesse en surface d’échantillon
5.3.3 Modélisation d’une orientation préférentielle
5.3.4 Étude par distributions sur différentes faces de l’échantillon
5.4 Cartographie de surface
5.4.1 Face supérieure F1
5.4.2 Face latérale F2
5.4.3 Confrontation des données entre scans et cartographies
5.5 Conclusion
CONCLUSION

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