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Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers r6sultats exp6rimentaux C. Saix ('), P. Jouanna (2) Cet article prOsente une mOthode d'analyse expOrimentale de piOces de faible @aisseur travaillant en plasticitO par thermographie de surface. Si, au plan qualitat~ la raise en Ovidence de phOnomdnes thermiques par thermographie de surface est une technique largement employ6e, il restait f ddmontrer la possibilitO de l'utiliser d desfins quantitatives dans le domaine de la plasticitO des pidces mOtalliques. Nous rapportons et interprOtons ici les premieres expOriences qui prouvent que la mOthode est applicable et permettent d'envisager son extension fi des pikces surfaciques de 9OomOtrie plus complexe. Il s'agit de trois essais de torsion simple sur @rouvette tubulaire en acier avec mesures ponctuelle, linOique et surfacique des OlOvations de tempdrature de surface. NOTATIONS UTILISl~ES qb (p, t), AT (P, t), P~ C, a, W, 0", T, R, C, 2, #, (D, (t), c (t), dissipation intrins+que volumique au point P et /~ l'instant t(W/m3); 616vation de temp6rature de surface au point P et ~ l'instant t (~ masse volumique du milieu (kg/m3); chaleur massique du milieu (J/kg.~ diffusivit6 thermique (mZ/s); puissance rayonn6e par unit6 de surface (W/m/); facteur d'6rhission; constante de Boltzmann (W/m2.~ temp6rature absolue (~ facteur de r6flexion; constante ((W/~ conductivit6 thermique (W/m. ~ longueur d'onde (m); taux de rotation (rd/s); d~formation impos~e (o); couple de torsion (mN). (1) Assistant fi l'Universit6 de Montpellier-lI, Laboratoire de G6nie Civil. (2) Maitre de Conf6rences fi l'Universit6 de Montpellier-II, Laboratoire de G6nie Civil. 1. INTRODUCTION 1.1. Analyse exp6rimentale de pi6ces travaillant en plasticit6. M6thodes actuelles Les m6thodes d'analyse exp6rimentale actuelles de pi6ces travaillant dans le domaine plastique sont ~ notre connaissance essentietlement le prolongement des m6thodes acquises dans le domaine 61astique. Ces m6thodes s'int6ressent avant tout /~ des mesures de d6formations par des techniques telles que l'extenso- m6trie par jauges 61ectriques, le moir6 [1] et [2], la chromoplasticit6 [3 ], la photoplasticim6trie par trans- mission [4], [5] et [6], ou la photo-61asticim6trie par r6flexion [7], Coil l'on en d6duit les contraintes par des lois de comportement. En fait la plasticit6 offre h t'exp6rience un domaine suppl6mentaire si l'on fait intervenir l'aspect thermique du ph6nom6ne qui n'est plus insignifiant comme en 61asticit& D'ofi l'id6e de rechercher des m6thodes exp6ri- mentales qui vont droit h la mesure de la quantit6 mise en cause, /t savoir la puissance dissip6e par unit6 de volume. 0025-5432/1979/457/$ 4.00/ BORDAS-DUNOD 457

Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

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Page 1: Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers r6sultats exp6rimentaux

C. Saix ( ' ) , P. Jouanna (2)

Cet article prOsente une mOthode d'analyse expOrimentale de piOces de faible @aisseur travaillant en plasticitO par thermographie de surface. Si, au plan qualitat~ la raise en Ovidence de phOnomdnes thermiques par thermographie de surface est une technique largement employ6e, il restait f ddmontrer la possibilitO de l'utiliser d desfins quantitatives dans le domaine de la plasticitO des pidces mOtalliques. Nous rapportons et interprOtons ici les premieres expOriences qui prouvent que la mOthode est applicable et permettent d'envisager son extension fi des pikces surfaciques de 9OomOtrie plus complexe. Il s'agit de trois essais de torsion simple sur @rouvette tubulaire en acier avec mesures ponctuelle, linOique et surfacique des OlOvations de tempdrature de surface.

N O T A T I O N S UTILISl~ES

qb (p, t),

AT (P, t),

P~ C, a,

W,

0",

T, R, C, 2, #, (D,

(t), c (t),

dissipation intrins+que volumique au point P et /~ l'instant t(W/m3); 616vation de temp6rature de surface au point P et ~ l'instant t (~ masse volumique du milieu (kg/m3); chaleur massique du milieu (J/kg.~ diffusivit6 thermique (mZ/s); puissance rayonn6e par unit6 de surface (W/m/); facteur d'6rhission; constante de Boltzmann (W/m2.~ temp6rature absolue (~ facteur de r6flexion; constante ((W/~ conductivit6 thermique (W/m. ~ longueur d'onde (m); taux de rotation (rd/s); d~formation impos~e (o); couple de torsion (mN).

(1) Assistant fi l 'Universit6 de Montpellier-lI, Laboratoire de G6nie Civil.

(2) Maitre de Conf6rences fi l'Universit6 de Montpellier-II, Laboratoire de G6nie Civil.

1. I N T R O D U C T I O N

1.1. Analyse exp6rimentale de pi6ces travaillant en plasticit6. M6thodes actuelles

Les m6thodes d'analyse exp6rimentale actuelles de pi6ces travaillant dans le domaine plastique sont ~ notre connaissance essentietlement le prolongement des m6thodes acquises dans le domaine 61astique. Ces m6thodes s'int6ressent avant tout /~ des mesures de d6formations par des techniques telles que l'extenso- m6trie par jauges 61ectriques, le moir6 [1] et [2], la chromoplasticit6 [3 ], la photoplasticim6trie par trans- mission [4], [5] et [6], ou la photo-61asticim6trie par r6flexion [7], Coil l'on en d6duit les contraintes par des lois de comportement.

En fait la plasticit6 offre h t'exp6rience un domaine suppl6mentaire si l'on fait intervenir l'aspect thermique du ph6nom6ne qui n'est plus insignifiant comme en 61asticit& D'ofi l'id6e de rechercher des m6thodes exp6ri- mentales qui vont droit h la mesure de la quantit6 mise en cause, /t savoir la puissance dissip6e par unit6 de volume.

0025-5432/1979/457/$ 4.00/�9 BORDAS-DUNOD 457

Page 2: Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

Vol, 12 - N ~ 72 - Mat6riaux et Constructions 1.2. Methode proposee

Dans la lign~e des travaux de Taylor [8] et [9], Dillon [10], [11] et [12], et Harry [13], nos etudes ont ~t6 axees dans deux directions :

a) au plan qualitatif : visualisation locale et instantanee des ph~nom~nes de plastification dans le cas de pisces metalliques de faible 6paisseur comme application de la methode generale de thermographie de surface;

b) au plan quantitatif : estimation de l'~nergie dissipee par unit~ de temps et de volume.

Le but de cet article est essentiellement de rapporter les premiers resultats experimentaux obtenus dans te cadre de l'~tude a), visualisation locale et instantan~e des phenomSnes de plastification. Cependant on rappel- lera bri~vement les fondements theoriques de la methode d'analyse permettant d'acc&ter ~ une interpretation quantitative.

La grandeur fondamentale, qui permet de quantifier 6nerg~tiquement les phenom~nes de mise en plasticitY, est l'energie mecanique dissipee sous forme de chaleur, par unit6 de temps et de volume, encore appelee << dissi- pation intrinseque volumique >>, [14], p. 146, notee

(P, t). Cette grandeur apparait comme un terme source de

quantit6 de chaleur par unit6 de temps, dans l'equation locale de la chaleur, que l'on peut ecrire sous la forme

~ (P, t)=p'C { c~ AT (P' t) } - a . L a p ( A T ( P , t)) . (1) 8t

En dehors d e toute question d'unicite du problerne sous des conditions thermomecaniques initiales et aux limites donnees, la valeur de ~b (P, t) est obtenue par l'equation (1),/t la condition de connaitre les champs

8 A g (P, t) et Lap (A T (P, t))

8t (Lap = laplacien).

Ces champs peuvent s'obtenir directement ~ partir du seul relev6 experimental du champ AT (P, t), condition que ce relev6 soit continu dans le temps et l'espace et offre une precision suffisante sur la valeur des d&rivees tempore]les et spatiales.

Nous proposons d'acceder ~ la mesure du champ A T (P, t) par thermographie de surface, ~t l'aide d'une camera infrarouge. La limitation de la methode reside dans l'impossibilit6 de mesurer des 616vations de tempe- rature au sein de la mati6re. Pratiquement on considerera des pieces peu 6paisses, dans lesquelles les gradients de temperature entre surface et interieur sont negligeables. En fait cette methode permet l'examen de toutes les structures lineiques ou surfaciques, qui couvrent une grande partie des besoins de l'ingenieur.

1.3. Choix du dispositif exp6rimental

Le choix du dispositif experimental s'est port6 sur

458

une machine de torsion. En effet l'essal de torsion simple sur eprouvette tubulaire de faible epaisseur presente les avantages suivants :

- essai simple sur piece de geomatrie classique permettant la mise au point de la methode;

- essai permettant la raise en jeu de puissances importantes, donc facilement mesurables, grime

des deformations elevees sans rupture; - calcul simplifie de la puissance des contraintes

dans la deformation plastique rendant plus aisee l'interpretation des resultats experimentaux;

- vis~e ponctuelle du radiometre infrarouge qui volt defiler devant lui plusieurs points materiels representant les etats successifs d'un seul et meme point materiel au cours de l'essai, l'etat de contrainte et d'e deformation etant independant de la genera- trice consideree. Cela revient/t mesurer la tempe- rature en un point materiel que l 'on suit dans son mouvement.

2. DISPOSITIF EXPI~RIMENTAL ET CHAiNE DE MESURE

2.1 . Dispositif exp6rimentai

Le dispositif de chargement permet de realiser des essais de torsion simple. Dens tous les cas de chargement, la deformation est impos~e par un verin dont la vitesse de deplacement est constante, ce qui permet d'appliquer un taux de rotation constant en fonction du temps 1,5 % pros (fig. 1).

b~fi v~rin

~~ //'~ b l J ~ d e lev~er

Fig. 1. - D i spos i t i f de chargement .

Page 3: Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

unit~ 61ectronique du radion~tre I ]

enrecjistreur ~ ~ ._

amplificateur ] ~

bati unite optique du radiom~re

Fig . 2. - Chalne de mesure ponctuelle.

Radiom6tre / \ unit~ optique unit~ ~lectronique

corps vis~

amplificateur

I

i 1

enrecjisfreur

Vig. 3. - Chaine de mesure ponctuelle donnant A T ( P c . t ) .

2.2. Chalne de mesure

2.2.1. Chaine de mesure ponctuelle

La chaine de mesure permettant d'effectuer des mesures ponctuelles d'alavations de temparature d T (Po, t), en un point P0, en fonction du temps t, est donnae par la figure 2 et reprasentae schamatiquement par la figure 3. Elle comprend un radiomatre infrarouge suivi d'un atage d'amplification et d'un enregistreur. Le radiomatre

C, Saix - P. Jouanna

donne la temparature de surface d'un corps ~ partir de l'anergie qu'il 6met par rayonnement. La puissance rayonnee est donnae par la loi de Stafan-Boltzmann [15 ] �9

W = ~. a. T 4. (2)

Pour la plupart des corps e est fonction de la longueur d'onde du rayonnement, de l'angle d'amission, de la temparature et de l'atat de surface du corps. Afin d'6liminer ces facteurs parasites, les mesures sont faites sous inci- dence normale, /~ temparature pratiquement constante et en recouvrant la surface du corps par une peinture noire dont le coefficient d'amission est tras voisin de 1.

Le datecteur de rayonnement est un bolometre de type Ge-Se-S qui opare dans les longueurs d'onde de 2 & 26/zrn et ~ temparature ambiante. L'appareil est ragla pour une visae fi 1,02 met pour une tache de mesure de 8 mm de diamatre. La temparature donnae par le radiom6tre est la temparature moyenne de cette tache. La sensibilit6 est de l'ordre de 2 & 3/100 de degra, la precision de la mesure est de + 3/100 de degr6.

Le rayonnement incident provenant du corps visa est g chaque instant compar6 au rayonnement d'un corps noir de rafarence. Le signal alternatif donna par le datecteur est damodul6 et filtra. Le signal continu qui en rasulte est amplifi6 avant enregistrement.

L'atalonnage de la chaine de mesure peut se faire soit indirectement par le raglage de la partie alectronique, soit directement en visant une source de temparature rigoureusement connue.

2.2.2. Chaine de mesure linEique

Afin de rhaliser des mesures de temphrature en des points P, ~ l'instant to, on introduit dans la chaine de mesure pracedente un appareil supplamentaire, << le scanner >> qui permet de balayer la piace vishe suivant une ligne et d'obtenir la rhpartition des 416vations de temparature de surface sur cette ligne (fig. 4 et 5).

L'alament essential du systame de balayage est un miroir placa/t 45 ~ par rapport & l'axe de visae du radio- matre et se dapla~ant suivant cet axe. Le temps de balayage d'une ligne est de 3 secondes avec un arr~t en bout de course de 1 seconde. La vitesse de dhplacement est de 30 mm/s. Elle a ata daterminae en fonction du temps de raponse de la cha~ne de mesure (3= 150 ms) afin d'enregistrer correctement d'aventuels << pics >) en temparature.

II est nacessaire, si l'on ne veut pas faire de correction, d'obtenir un excellent coefficient de raflexion dans toute la plage de longueurs d'onde utilisaes. Ce coefficient est donna par la relation suivante [16] :

R = 100-c/, , / ,~.IL. (3)

On a choisi un miroir en or, qui poss&te un facteur de raflexion tras voisin de 1, ce qui a ata confirma par des mesures de temparature avec et sans miroir.

Pour assurer avec exactitude la correspondance entre l'enregistrement et les 616vations de temparature sur

459

Page 4: Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

V o l . 1 2 - N ~ 7 2 - M a t 6 r i a u x e t C o n s t r u c t i o n s

Fig. 4. - Chaine de mesure lin~ique.

Fig, 5. - Chalne de mesure lin~ique dormant A T (P, to).

460

Fig. 6. - Camera Aga thermovision 750.

la ligne balay~e, on utilise une << fen6tre froide ~> de largeur 16g6rement sup6rieure/t la Iongueur de la partie d6form6e, placde /t l'avant du corps vis6 afin que le faisceau coup6 par une surface froide donne un <~ p i c , n6gatif de tempdrature. Une impulsion enregistr6e est d6tivr6e en bout de course de chaque batayage.

2.2.3. Chaine tie mesure surfacique

On a 6galement utilis6 une troisi6me chaine de mesure (Jig. 6 et 7) qui donne essentiellement des rdsultats qualitatifs tout en indiquant les ordres de grandeur des 616vations de temp6rature. I1 s'agit d'une cam6ra infra- rouge (AGA Thermovision 750). Celle-ci donne l'image infrarouge de la piace vis6e. On peut obtenir, soit le thermogramme montrant une graduation continue dans les tonalit6s du gris en fonction des variations de tempd- rature de la pi6ce, soit une image avec les isothermes correspondant /~ une temp6rature pr6alablement s~lectionn6e.

Dans tous les cas, il est possible, soit d'effectuer un enregistrement photographique, soit un enregistrement << vid6o et reproduction >> permettant la visualisation continue de l'image.

La plage des temp6ratures va de - 2 0 /t 900~ La discrimination thermique est de 0, 2~ pour une temp6- rature d'objet de 30~ ce qui reste n6anmoins insuffisant pour des 6tudes quantitatives.

3. P R E M I E R S R I ~ S U L T A T S E X P I ~ R I M E N T A U X

3.1. Pi~ces ~tudi6es

Le schema des pi6ces 6tudi6es est donn6 ',i la figure 8. I1 s'agit d'6prouvettes de torsion dont la partie d6form6e est un tube de faible 6paisseur e=2 mm, de diam6tre moyen Dm=65 mm et de longueur L = 5 0 m m .

On s'int6resse a deux aciers, XC 38 et XC 18. Toutes les 6prouvettes ont subi un traitement de recuit de 30 minutes "~ 880~

Une extr6mit6 de l'6prouvette vient s'emboiter dans un mors solidaire du bilti de chargement, alors que l'autre extrdmit6 est reli6e au levier de chargement.

Page 5: Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

3.2. Param6tres mesur6s

Ils sont au nombre de trois :

- couple de torsion en fonction du temps, C (t);

- rotation globale entre les extr~mit~s 0 et L du tube de diam~tre D~=65mm, soit e (t);

- ~l~vation de temperature de surface en fonction du temps, en un ou plusieurs points, AT (P, t).

En particulier, la mesure des ~t~vations de temperature avec le syst~rne de balayage permet d'obtenir, soit la r~partition des ~l~vations de temperature sur une @n~ra- trice /t un-instant donn~ to, ,t T (x, to), soit l'~l~vation de temperature en un point donn6 de la @n6ratrice x o, ~ r (Xo, t).

3 . 3 . P r e m i e r s r ~ s u l t a t s

3.3.1. ROsultats ponctuels et interprOtation

Les 6prouvettes utilis~es dans ces essais sont en acier XC 38. Les caract~ristiques de cet acier avant et apr~s recuit sont donn~es /~ la figure 9, Le recuit n'a aucune influence sur la contrainte limite 61astique. Seut le palier plastique est plus long, A, longueur du palier ~tant ~gale ~t 2,2 % au lieu de 0, 5 %.

On a r~alis~ deux essais de torsion simple (essais 1 et 2) avec une d~formation impos~e e (t) identique. Les trois param~tres mesur~s, e (t), C (t) e t /1T (Pro, t) off Pm est le milieu d'une g~n~ratrice, donnent lieu aux figures suivantes :

La figure 10 donne la dfformation impos& c~ (t) pour un taux de rotation constant o).

Dans l'essai 1, ~o= 2,06.10- 3 rd/s au-del/~ du seuil ~lastique.

Dans l'essai 2, o)=2, 10.10 -a rd/s au-del/t du seuil ~lastique.

Pour les deux essais, dans le domaine ~lastique, co=2, 13.10 -4 rd/s.

/ /

corps visd camdro

. . . . .

unitd de

visualisation

F i g . 7. - C h a l n e d e m e s u r e s u r f a c i q u e .

C. Saix - P. Jouanna

�9 67

o I

I I I I J I

I I

I I I I I I I I L. I I

I I

I I

I I I

1 I I I I l

~x I I

L i I I I

I f I I

0 I I

I I I

J I I I I

�9 58

IO 63

�9 73,5

F i g . 8. - P i e c e 6 t u d i 6 e .

70

apr~s recuit

60

50

40

:30.

2 , 2

20

I0

o- ( doN/mm2 ) o-

ovant recuit

. . . . . . . . . . . . . .

A %

I0 I0

A %

F i g . 9. - C a r a c t 6 r i s t i q u e s d e l ' a c i e r X C 3 8 d a n s u n e s s a i d e t r a c t i o n .

461

Page 6: Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

a

r

D .

._E

8

0

/ I I l I I I I

I0 50 Temps (s)

Fig. 10. - D6formation impos6e dans les essais 1 et 2.

La fu3ure 11 donne la variation du couple de torsion C en fonction de la dfformation a, dans le domaine 6lastique et dans le domaine plastique.

Dans le domaine plastique avec 6crouissage, les courbes exp6rimentales ont 6t6 approch6es par des droites au moyen d'une r6gression lin6aire dont le coeffi- cient de corr61ation est voisin de 0,99.

La figure 12 donne l'kl~ation de tempkrature de sur- face, A T (Pm, t) au milieu d'une g6n6ratrice du tube en fonction du temps.

2 ,5

i 1,5.

4000

5000

2000

I000

A Z

i !

Vol. 12 - N ~ 72 - Ma t6 r i aux et Cons t ruc t i ons

Acier XC 38

i I ! " "

0 I 2 3 4 5 Olform~ion impo~loe (0)

Fig. 1 1 . - Courbe exp6rimentale effort-d6formation pour les essais 1 et 2.

Ces premi6res exp6riences ne laissent planer aucun doute sur la validit6 et la sensibilit6 de la m6thode de mesure. D+s que le seuil 61astique est atteint (vers la 20 e seconde des essais) on observe imm6diatement un 6chauffement. Notons que des ph6nom6nes de refroidis- sement adiabatique dans le domaine 61astique n'ont pu 8tre clairement mis en 6vidence.

Lors de la mont6e en temp6rature (fig. 12) on observe deux zones pratiquement lin6aires et de pentes diff6- rentes. La premi6re d'une dur6e de 11 sec0ndes correspond exactement ~ la dur6e du palier plastique (.fig. 11) et donne un taux d'616vation de temp6rature de

d (A T (Pro, t))

dt = 0,08~

La deuxi+rne zone lin6aire, d'une dur6e de 40 secondes, correspond ~t l'6crouissage du mat6riau fi partir de la fin du palier plastique. Le taux d'61~vation de temp6rature est plus faible

d (A T (Pro, t))

dt

/ \ Aeier XC 38

=0,04~

0,5

462

0 J ~ I I I

0 50 I00 150 200 Temps (s)

Fig. 12. - Elevation de temp6rature de surface au milieu d'une g6n6ratrice pour ies essais l et 2.

Page 7: Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

60

avant recur

r 2 )

~pr~s recuit

50

40

30

20

10

~ = 3,5

A% ,,, A%

0 1(3 0 I0

Fig . 13. - Caract~ristiques de l'acier X C 18 dans un essai de traction.

On peut s'6tonner du fait que, passant de la zone de d6formation plastique parfaite (paIier) fi la zone de d6formation avec 6crouissage ce qui entraine une augmentation du travail foumi, le taux d'616vation de temp6rature chute. Ceci s'explique par le fait que dans la d6formation totale, proportionnelle au temps, inter- vient une part de d6formation 61astique, d6s que l'on quitte le palier plastique. Pour plus de pr6cisions, on devrait faire la part entre le travail de d6formation 61astique restituable et le travail de d6formation 61astique bloqu&

7

o /

4

3

2

I

= = d , , / d t

o ! I 1

0 10 50 Temps (s) Fig. 14. - D~formation impos~e dans I'essal 3.

C. Saix - P. Jouanna

L'61dvation de temp6rature maximale obtenue ft. la 70 ~ seconde de l'essai, fin de la d6formation, est de 2,48~ L'6prouvette retrouve sa temparature initiale au bout de 5 minutes environ.

3.3.2. R~sultats lin~iques et interpretation

L'6prouvette utilis6e dans l'essai 3 lin6ique est en acier XC 18. Nous avons chang6 d'acier afin de se rapprocher du mat6riau 61asto-plastique parfait, du moins pendant une partie de la d6formation. Les caract6- ristiques de cet acier avant et apr6s traitement de recuit sont donn6es & la figure 13. Contrairement ~ l'acier XC 38, on observe ici apr6s recuit une diminution de la contrainte limite 61astique alors que l'allongement du palier reste pratiquement le m~me tout en 6tant plus important que celui de l'acier XC 38.

La figure 14 donne la d~formation impos~e ~ (t) pour un taux de rotation constant, co=2,02.10 -3 rd/s au- delh du seuil 61astique.

Dans le domaine 61astique, co=2,70.10-4rd/s .

La figure 15 donne le couple de torsion en fonction de la d~formation C (~).

3000

2 0 0 0

I 0 0 0

A Z

Acier XC 18 .

i i

O I ' 2 3 4 5 D~forrnotion impor~e (*)

Fig . 15. - Courbe exp~rimentale effort-d~formation pour I'essai 3.

La figure 16 donne Ia r?partition des ~IOvations de tempOrature de surface sur une gOn~ratrice du tube A T (x, to), toutes les 4 secondes.

On peut 6tablir, entre la figure 15 donnant la relation couple-d6formation et la figure 16 donnant la r6partition des 616vations de temp6rature de surface sur une g6n6ra- trice, le parall61e suivant :

- l'616vation de temp6rature reste nulle pendant la d6formation 61astique d'une dur6e de 15 secondes;

- une lois atteint le couple limite 61astique, on observe une d6croissance graduelle du couple de l'ordre de 4 ~ 5 %. Pour les 6t6vations de temp6- rature de surface, ceci se traduit par une r6partition mouvementhe (fig. 16 autour des 19, 24 et 28 r secondes). Cette p6riode de l'essai correspond

463

Page 8: Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

Vol. 12 - N ~ 72 - Mat6riaux et Constructions

0,5

0 *... 0

0,5

_= o

"~ 0,5 E _=

~ o 19 erne s. L

~ 24eme s. !

I ~ 28 eme s. 0

o

ta 0,5

0 [ ~ 32~rne s. L

Acier XC 18 I

0 I I 37*~me s. 0 L

Fig. 16. - R6partition des 614vations de temp6rature sur une g6n6ratrice pour I'essai 3.

~t une concentration de la d6formation plastique dans les zones les plus faibles ce qui entraine au niveau de ces zones des << pics >> pour l'616vation de temp6rature;

l'augmentation du couple de torsion pendant l'6crouissage traduit le durcissement du m6tal. Pendant cette p6riode de l'essai les zones les plus faibles de d6formation plastique se consolident. La d6formation a tendance ~t se r4partir de faqon plus homog+ne. Ceci se traduit, pour les 616vations de temp6rature, par un 6crasement des << pics >) pr~c6dents et par une r6partition plus r6guli6re (fu3. 16 autour des 32 et 37 e secondes).

3.3.3. Rksultats surfaciques et interpretation

La cam6ra infrarouge a 6t6 utilis6e lors d'un essai de torsion simple sur une 6prouvette en acier mi-dur, sans traitement pr6alable, l'objectif essentiel de cet essai 6tant de donner des r6sultats purement qualitatifs.

Le principe de l'essai reste identique ~t celui des essais pr6c&lents. I1 a 6t6 proc&i6/~ un enregistrement photo- graphique de l'image infrarouge de la pi6ce toutes les 10 secondes au cours de l'essai, avec apparition sur l'image des points isothermes correspondant aux 616va- tions de temp6rature de A T = 1 ou 2~ Au cours de

l'essai, sur l'image infrarouge de la pi6ce, ces points apparaissent soit en couleur franchement blanche lorsqu'ils correspondent exactement ~t l'616vation affich6e, soit en blanc plus clair lorsqu'ils indiquent des zones qui vont atteindre ou ont d6pass6 l'~16vation affich4e.

Les figures 17 et 18, donnent quatre photographies et leur interpr6tation, faisant apparaitre les zones iso- thermes. Ces vues correspondent respectivement aux 6tats de d4formation au bout de 40, 50, 60 et 80 secondes.

Du point de vue qualitatif, cet essai a pennis de visualiser les zones en d6formation plastique pr4sentant une 614vation de temp&ature de surface de 1 ou 2~ En particulier, on notera la propagation sym6trique des zones isothermes ~t A T = I~ qui prennent naissance dans la partie centrale du tube d6form6 et se propagent par la suite vers les extr6mit6s.

4. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

4.1. Avantages de la m6thode, ses limitations

Ces premiers r6sultats montrent les possibilit6s offertes par la d6tection infrarouge dans le domaine de l'analyse exp&iro.entale de pi6ces travaillant en plasticit6.

Parmi les avantages de cette m6thode d'analyse, on peut citer :

- la possibilit6 de localiser et de suivre l'apparition de d6formations plastiques;

40 6me s.

o

5 0 ~me s.

z I i

- - t Nx\ \1 ~ L

\ \ 1

60~me s. 80 ~ e s.

~ zone isoth~me ~ AT= I*C ~ zone isc~herrne d AT= 2 *C

zone isotherme ~l AT .~ 2 =C

Fig. 18. - R6sultats de I'essai avec cam6ra thermique.

464

Page 9: Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

C. Saix - p. Jouanna

4 0 6me s. 60 ~me s.

zone isotherme ~ AT = IoC zone isotherme ~ AT= I~

z one

50 ~me s. 80 ~me s.

isotherme ~1 AT = I~ zone isotherme ~ AT = 2=C

F i g . 17. - Photographies de Hmage infrarouge de la pi6ce Iors de I'essai avec cam6ra thermique.

- l'acc6s/~ un r6sultat direct (616vation de temp6ra- ture de surface et r6partition de ces 616rations) sans aucune influence sur la mesure (pas de contact physique) et possibilit6 donc d'essais avec des d6formations tr+s importantes pouvant aller jusqu'fl la rupture;

- l'acc6s /t des probl6mes particuli6rement d61icats de plastification dans des recherches de charges limites vibratoires;

- de plus l'analyse fine des r6sultats exp6rimentaux permet d'acc&ter/~ une mesure 6nerg6tique, variable fondamentale en plasticit6.

La limitation actuelle de la m6thode est qu'elle ne permet l'exp6rimentation compl6te que sur des pi6ces minces : profil6s, plaques, coques, ou structures spatiales.

Cependant, pour des pi~ces 6paisses, cette m6thode conduit encore /t des indications tr6s pr6cieuses par l'apparition en surface de ph6nom6nes dissipatifs int6- rieurs. Dans ce cas, au point de vue quantitatif, cette m6thode conserve toute sa valeur comme qualification de mod61es math6matiques de connaissance.

4.2. Perspectives d'application

Les perspectives d'application de cette m6thode d'analyse exp~rimentale s'adressent ~t des essais sur structures r6elles ou sur maquettes, qui seront fi d6velopper avec des cam6ras thermiques de pr6cision, qui offrent, par rapport /~ l'instrument/~tion de base utilis6e ici dans les essais ponctuels et lin6ique, l'avantage d'un balayage rapide/1 condition de pr6server la sensi- bilit6 de la mesure.

465

Page 10: Dissipation plastique et thermographie de surface. Premiers résultats expérimentaux

V o l . 1 2 - N ~ 7 2 - M a t 6 r i a u x e t C o n s t r u c t i o n s

Parmi les appl ica t ions possibles de cette m6thode, on peut citer :

- la d6terminat ion du m6canisme de ruine pour des s t ructures pa r la raise en 6vidence de la format ion de rotules plast iques;

- la raise en 6vidence de la format ion de fissures;

- l '6tude de la fatigue;

- l '6tude de structures tr6s complexes, comme en chaudronner ie pa r exemple, off cette technique permet de localiser tr6s rap idement les zones les plus sollicit6es, et suppl+er, darts une certaine mesure, des calculs longs et d61icats.

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S U M M A R Y

P l a s t i c d i s p e r s i o n a n d s u r f a c e t h e r m o g r a p h y . F i r s t

e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . - The methods used at present for experimental analysis of members under plastic deformation are essentially the extension of methods traditionally used in the elastic field.

This article proposes an alternative, taking into account the thermal aspect of the plast~cation phenomenon. Thermography is used on thin metal samples to measure the increases in surface temperature which reveal the intensity of internal dissipation phenomena.

From the qualitative point of view, a scanning device gives a local and instantaneous picture of the plastification phenomena, for any time t and point P at the surface of the sample.

From the quantitative point of view, these measurements offer the possibility of assessing the energy dissipated locally.

This paper essentially studies the qualitative point of view. The results and interpretation of three torsional tests carried out on hollow cylinders with local, linear and surfacic measurements of temperature increases are given.

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