Détermination des contraintes résiduelles par la méthode du trou
SINT Technology est une société Italienne située à Florence. La société, en partenariat avec HBM, a développé et fabrique le MTS 3000, un système automatique destiné à la mesure des contraintes résiduelles en utilisant la méthode perçage.
Des contraintes résiduelles peuvent être présentes dans de nombreuses structures mécaniques suite des causes multiples. Celles-ci peuvent être dues à des processus technologiques, comme la déformation plastique des pièces ou lors de soudures, pendant la fabrication des composants au cours de laquelle les pièces subissent différentes opérations ou bien en raison d'une entaille ou encore de certains traitements extérieurs comme le grenaillage, l’écrouissage ou le durcissement.
Les contraintes résiduelles ont un rôle important dans la déformation d’une structure au même titre que les contraintes usuelles. Cependant, alors que les contraintes dues aux charges externes peuvent être calculées avec un degré d'exactitude, il est difficile de prévoir les contraintes résiduelles. Il est, donc, très important d’avoir une méthode fiable capable de mesurer directement sans occasionner de dommages à la surface.
C'est pourquoi la méthode de trou par perçage a été développée. Fondamentalement, la méthode consiste à forer un petit trou dans le matériau du composant au centre d'une jauge dite rosette. Les contraintes résiduelles, du morceau de matière enlevée, sont réduites en permettant aux contraintes extérieures d'être mesurées par la jauge de contrainte. Un modèle mathématique approprié est alors employé pour évaluer les contraintes résiduelles réduites des mesures de déformation.
Le système MTS 3000 est consisté de:
- Un système mécanique et optique (pour réaliser physiquement le trou)
- Une unité de contrôle (pour piloter la machine et faire les mesures avec l’amplificateur Spider 8-30 de HBM
- Logiciel pour l’opération de perçage et de contrôle (perçage manuel ou automatique)
- Logiciel de retraitement (retraitement des données en utilisant les différentes méthodes évaluations).
Le trou est fait à l'aide d'une turbine à air comprimée qui tourne à 400.000 tr/mn de sorte qu'aucune contrainte résiduelle ne soit ajoutée pendant le forage.
Le logiciel de retraitement permet aux efforts résiduels dans le matériau d'être calculés à partir des contraintes mesurées.
Le choix de la méthode de post calcul est très important en produisant la représentation la plus précise du vrai état de contraintes. Beaucoup de chercheurs ont contribué, et continuent à contribuer, à la littérature décrivant la méthode de forage du trou.
Actuellement, trois méthodes différentes de calcul existent dans le logiciel de retraitement : Uniform Stress Method, Méthode Kockelmann et méthode intégrale.
Méthode de Kockelmann
La méthode Kockelmann est basée sur la théorie la méthode est basée sur la théorie qu'il y a une fonction de corrélation entre la dérivée de la contrainte et la distribution de la déformation exprimés en fonction de la profondeur du trou. Le lien est constitué par une paire de coefficients (Kx et Kx), calculés sur un modèle de simulation, qui relie la déformation et la contrainte.
De ces valeurs de contraintes, il est possible de calculer les contraintes principales et l'angle en employant le cercle de Mohr.
Méthode Intégrale
Cette méthode, proposée par G.S. Schajer, fournit une analyse séparée des contraintes résiduelles à chaque incrément de profondeur dur trou percé. Dans cette méthode, les contributions de toutes les relaxations mesurées de contrainte à toutes les profondeurs sont considérées simultanément en donnant une résolution dans l’espace plus élevée que les autres méthodes.
Pour simplifier le problème de l'évaluation de la contrainte résiduelle, Schajer a proposé que le champ de contrainte pourrait être décrit au moyen de fonctions par étapes dont la valeur est constante à travers les profondeurs partielles du trou. En utilisant cette hypothèse, Schajer a établi les coefficients numériques qui sont employés pour le calcul. La profondeur maximum pour laquelle méthode peut être employée est de 0.5 fois le rayon moyen de la jauge - rosette employée pour l'essai.
La méthode intégrale devrait être choisie quand on s'attend à ce que des contraintes résiduelles changent de manière significative avec la profondeur; cependant, elle a également une sensibilité la plus élevée aux erreurs de tests.
Nouvelle! ASTM E837-08
Il y a une nouvelle norme sur les contraintes résiduelles qui introduit le calcul des contraintes non-uniformes. La méthode Intégrale est employée pour ce calcul et la régularisation de Tikhonov peut être employée pour réduire les erreurs dans les contraintes calculées en utilisant un grand nombre de profondeurs de trou.
