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Qualité Références n°84

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Solutions numériques : de la GED à l’IA

LES OUTILS DE LA

LES OUTILS DE LA QUALITÉ CONTRÔLE QUALITÉ INDUSTRIELAVIS D’EXPERTComment la fractographie statistiquesimplifie et améliore le contrôle de latenue mécanique de nouveaux produitsAvant sa mise sur le marché, tout nouveau produit est soumis à une batterie d’essais qui a pour but decontrôler sa bonne tenue mécanique. Sur des équipements complexes, comme, par exemple, un moteurd’avion, chaque composant est méthodiquement testé un à un. S’assurer de performances mécaniquesadéquates exige alors un travail long et fastidieux, passant par la fabrication, puis la destructiond’un nombre important de pièces. Malgré tous ces efforts, les défaillances mécaniques sont encorecourantes. Preuve en est, des incidents mécaniques sur des équipements ou des moyens de transportsfont régulièrement la une des journaux. Alors comment améliorer la qualité et la prédictibilité destests mécaniques…tout en les simplifiant ? Tels sont aujourd’hui les défis que doit relever l’industriemécanique. Et si elle faisait appel à la fractographie statistique, cette nouvelle technique de l’ingénieurqui permet de qualifier une pièce par le simple scan de son faciès de rupture ?S’assurer de la tenue mécanique d’un équipement est unetâche complexe qui nécessitent plusieurs étapes. Toutd’abord, les matériaux qui composent la pièce sont testésafin de déterminer leur résistance mécanique. Le modede rupture le plus courant est la rupture par traction, qui procèdevia l’amorçage, puis la propagation d’une fissure. Chaque matériauest alors caractérisé par deux quantités qui lui sont propres :(i) sa résistance, qui fournit la contrainte seuil à partir de laquelleune fissure va s’initier, et (ii) sa ténacité, qui définit le niveaude contrainte à partir duquel cette même fissure va se propager.Pour de nombreuses applications, mesurer la résistance estsuffisant. En effet, si on s’assure qu’aucune fissure ne s’initie, àquoi bon mesurer la ténacité. Mais certains secteurs comme l’aéronautiqueou le nucléaire vont un cran plus loin en s’assurantque l’intégrité mécanique de l’équipement est préservée, mêmeen présence de fissures. Cette précaution supplémentaire s’avèrebien utile, car aussi bien dans le fuselage des avions que dans lescuves de centrale, les fissures sont fréquentes ! Dans la pratique,la résistance et la ténacité d’un matériau sont obtenues à partirde tests destructifs normalisés réalisés sur éprouvette – pour laténacité, celle-ci est pré-entaillée. Préparer des éprouvettes, réaliserles tests, puis les interpréter constitue un travail significatif etun budget loin d’être négligeable. Mais faute d’alternative, cetteapproche reste encore incontournable.Malgré tout, cette étape est loin d’être suffisante. Le verre Gorilladéveloppé par Corning atteint des performances exceptionnelles,si bien que les écrans de la plupart de nos smartphones en sontLaurent PonsonChercheur au CNRS & CEO de Tortoisemaintenant composés. Toutefois, cela n’empêche pas certains téléphonesd’être plus fragiles que d’autres. Car la forme qu’épouse lematériau dans le produit fini, impacte sa tenue mécanique. Parexemple, les écrans carrés sont proscrits, car les fissures s’initientau niveau des coins. L’effet de forme sur la résistance mécaniqueest alors évalué via des calculs numériques reposant surla méthode des éléments finis. Pour calibrer ces modèles, onutilise les propriétés de rupture des matériaux mesurées lors dela première étape.Enfin, vient s’ajouter une troisième étape qui consiste à tester leproduit fini dans les conditions finales d’utilisation, validant ainsiles calculs faits précédemment. Malheureusement, on s’aperçoittrès souvent que le produit n’a pas une résistance mécaniquesuffisante… et qu’il faut donc redimensionner la pièce (revenir àl’étape 2), voir changer le matériau utilisé (revenir alors à l’étape 1).Comment simplifier cette procédure ? Ces dernières années ont vuémergé une nouvelle technique de l’ingénieur qui permet, d’une62 IQUALITÉ RÉFÉRENCES • N°84 • Janvier - Février - Mars 2020

25.022.520.017.515.0CONTRÔLE QUALITÉ INDUSTRIELLES OUTILS DE LA QUALITÉpart, de fusionner la première et la troisième étape, et d’autrepart, de faciliter les interactions entre les tests mécaniques et lecalcul numérique. Il s’agit de la fractographie statistique qui fournitles propriétés mécaniques d’un matériau sans avoir recours àdes tests mécaniques sur éprouvette (Fig. 1).Comment mettre à profit cette innovation dans le cadre ducontrôle mécanique des pièces ? L’approche proposée est illustréesur la Fig. 3 pour une vis. La tenue mécanique de la pièce (ici,son couple de serrage à rupture) et les propriétés mécaniques del’acier qui la compose sont obtenues dans une seule et même étape.Au-delà de s’affranchir des tests sur éprouvette, cette approchefournit de nouvelles informations : les propriétés de l’acier après leprocessus de fabrication, celles-ci pouvant être amenées à évoluer,notamment si la mise en forme se fait à haute température.Mais l’apport de la fractographie statistique au contrôle des piècesmécaniques ne s’arrête pas là, puisqu’elle va servir d’interface entreles essais sur pièce finie et la simulation numérique : d’une part,elle fournit les propriétés des matériaux au sein du produit finiutilisées comme données d’entrée dans les modèles et d’autre part,elle détermine le scénario de la défaillance de la pièce (Fig. 3),guidant ainsi le développement de modèles numériques réalistes.Figure 1: Comparaison des valeurs de ténacité mesurées par test mécaniqueet par fractographie statistique sur quatre alliages métalliquesdifférents.Comment fonctionne cette méthode ? Les faciès de rupture, quisont les surfaces créées par fissuration, sont tout d’abord scannésavec un profilomètre, puis traités pour en extraire les propriétésmécaniques. Au-delà des propriétés moyennes, elle fournit égalementles variations locales des propriétés de rupture, mettant ainsien évidence d’éventuelles zones de faiblesse (Fig. 2).« Même si la fractographie statistique n’en est qu’àses débuts, elle apporte déjà la promesse d’undéveloppement accéléré de produits plus fiables. »Même si la fractographie statistique n’en est qu’à ses débuts, elleapporte déjà la promesse d’un développement accéléré de produitsplus fiables. Pas une mince affaire dans une période où la sécuritéet la pérennité de nos produits et équipements deviennentdes enjeux de tout premier plan. ●Laurent PonsonChercheur au CNRS & CEO de TortoiseInstitut Jean le Rond d'Alembert (CNRS - SorbonneUniversité) & AgoranovContact : laurent.ponson@tortoise.ioDONNÉESD’ENTRÉEEprouvette étudiéeRESULTATS OBTENUSTopographie du faciès de ruptureh (μm)KIc (MPa.m 1/2 )Variation de ténacité avec ladistance à l’amorçageDONNÉESD’ENTRÉERESULTATS OBTENUSh (µm)ѠY- DirectionZone scannéeDistance à l’amorçage (mm)Dispersion des valeurs de ténacitéPièceétudiéeZX- DirectionDirection de ScanPropriétés élasto-plastiquesModule d’Young (E)[GPa]Contrainte élastique (σ y)[MPa]Coefficientd’écrouissage n714800.11Rupture parfatigueChamp d’endommagementZone de rupture brutaleChamp de ténacité dans la zone de rupture brutaleωKIc (MPa.m 1/2 )ProbabilitéKIc (MPa.m 1/2 )Ténacité KIc 39.5 ± 2.3 MPa.m 1/2Energie de rupture Gc 21.4 ± 1.6 kJ/m 2Energie de cohésion Gc0 12.1 ± 0.9 kJ/m 2Degré de fragilité Gc0 /Gc 57 %Contrainte à rupture σσcTaille zone cohésive LcTaille zone plastique Ly1370 ± 50 MPa210 μm760 μmPropriétés mécaniques déterminées parfractographie statistiqueFig. 2 : Caractérisation des propriétés de rupture d’un alliage d’aluminiumpar fractographie statistique. Au-delà des propriétés moyennes(fournit dans le tableau en bas à droite), cette nouvelle méthode donneaccès à de nouvelles informations inaccessibles par les tests mécaniquesstandard, comme les variations locales de ténacité permettantde mettre en évidence d’éventuelles zones de faiblesse.Y- DirectionZFaciès de ruptureX- DirectionDirection de ScanPropriétés élasto-plastiquesModule d’Young (E)[GPa]Contrainte élastique (σ y)[MPa]Coefficientd’écrouissage n2203600.08Carte des hauteursChamp de tenacité localeK C (MPa.m 1/2 )Champ d’endommagementDispersion des valeurs deténacité localesDirection et sens depropagation de la fissureTénacité K IC 18.3 ± 1.7 MPa.m 1/2Energie de rupture G c 1700 ± 200 J/m 2Energie de G c0 1100 ± 140 J/m 2Degré de fragilité G c0 /G c 65%Contrainte à rupture σ c870 ± 50 MPaTaille de la zone cohesive L c 140 ± 15 µmTaille de la zone plastique L y 180 ± 20 µmCouple à rupture18 ± 2 N.mPropriétés mécaniques et couple à rupturedéterminés par fractographie statistiqueFig. 3 : Contrôle de la tenue mécanique d’une vis par fractographiestatistique. L’étude du faciès de rupture fournit non seulement lespropriétés de l’acier qui la compose, mais également le scénario de ladéfaillance ainsi que le couple à rupture, guidant ainsi le développementde modèles réalistes.QUALITÉ RÉFÉRENCES • N°84 • Janvier - Février - Mars 2020 I63

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