Indentation haute fréquence : vers le contrôle non-destructif des structures

Frequency indentation: towards Non Destructive Test of structures

Département Matériaux et Structures Composites, ONERA, 29 avenue de la division Leclerc, 92322 Chatillon Cedex, France

^a Auteur de correspondance : bruno.passilly@onera.fr

Reçu : 8 Novembre 2016
Accepté : 24 Mars 2017

Résumé

La nanoindentation est couramment utilisée pour déterminer les propriétés mécaniques locales des matériaux. La matière est sollicitée de façon quasi statique en appliquant un indenteur sur la surface à analyser. À partir de la courbe représentant la charge appliquée par l’indenteur sur le matériau en fonction du déplacement de l’indenteur, les modèles classiques permettent de déterminer le module d’Young local en tout point de test [Oliver & Pharr, AIP Conference proceedings 7 (1992) 1564-1583; Doerner & Nix, J. Mater. Res. 1 (1986) 601-609; Loubet et al., Vickers indentation curves of elastoplastic materials, in American Society for Testing and Materials STP 889, Microindentation Techniques in Materials Science and Engineering, Blau & Lawn eds, 1986, pp. 72-89]. Cet essai est surtout utilisé sur de petites surfaces de matière (<1 cm²), qui doivent présenter un état de surface poli et plan afin de ne pas fausser la mesure, mais n’est pas adapté sur des pièces de structure de type tôle ou sandwich composite (>1000 cm²). Par extension de la méthode CSM (Continuous Stiffness Measurement) [Asif et al., Rev. Sci. Instrum. 70 (1999) 2408-2413], l’indenteur peut servir de générateur de vibrations. Pour cela l’indenteur est positionné sur un empilement de céramiques piézoélectriques et est appliqué sur la surface à analyser à une charge fixe de 1000 mN. L’indenteur est soumis à une oscillation à une fréquence de 5 kHz, alimenté à 10 V. Les ondes ultrasonores ainsi générées, dites «ondes de Lamb», induisent un déplacement nanométrique de la surface, détectable par un vibromètre laser. Il est alors possible de suivre la propagation du front d’onde et de détecter ses interactions avec d’éventuels défauts de la structure inspectée [Boro Djordjevic, Quantitative ultrasonic guided wave testing of composites, The 39th Annual Review of Progress, 2013]. Il en résulte une cartographie complète de la surface. L’indenteur peut aussi être utilisé comme récepteur de l’onde générée. Le positionnement d’indenteurs récepteurs en plusieurs endroits de la structure permet de mesurer le temps de vol de l’onde entre l’indenteur émetteur et l’indenteur récepteur. La connaissance précise de la distance entre les points d’émission et de réception de l’onde permet de mesurer les vitesses en fonction de l’anisotropie du matériau, ce qui, à terme, peut permettre de remonter à ses constantes d’élasticité.

Abstract

Nanoindentation is commonly used to determine local mechanical properties of materials. The material is tested with a load which is quasi-statically applied by an indenter, on the surface to be characterized. From the load/displacement curve, classic analytical models enable to determine Young modulus on every performing test point [Oliver & Pharr, AIP Conference proceedings 7 (1992) 1564-1583; Doerner & Nix, J. Mater. Res. 1 (1986) 601-609; Loubet et al., Vickers indentation curves of elastoplastic materials, in American Society for Testing and Materials STP 889, Microindentation Techniques in Materials Science and Engineering, Blau & Lawn eds, 1986, pp. 72-89]. This test is appropriate only for small surface of materials (<1 cm²) which has to be well polished and planned to have the best measurements but is not suitable for structural parts like sheet metal or composite sandwich (>1000 cm²). Through extension of the CSM (Continuous Stiffness Measurement) method [Asif et al., Rev. Sci. Instrum. 70 (1999) 2408-2413], the indenter can also be used as vibrations generator. It is positioned on a piezoelectric stack and is applied on the surface to analyze with a contact load of 1000 mN. It is then submitted to an oscillating frequency of 5 kHz under 10 Volts. Generated Lamb waves are received by a Laser vibrometer which is able to scan the material surface and to localize the impact damage of the structure [Boro Djordjevic, Quantitative ultrasonic guided wave testing of composites, The 39th Annual Review of Progress, 2013]. The indenter can also be used as the receiver of the generated wave. Receiver indenters are positioned in several locations in the structure to allow the measurement of time of flights between the emitting indenter and the receiver ones. The measurement of the distances between the emission point and the different reception points is required to measure the wave velocities and ultimately characterize the anisotropy of the metal sheet. Further studies could even lead to the assessment of the elastic properties.