matÉriaux, techniques et conditions...

Méthodes et procédure expérimentales

CHAPITRE II

MATÉRIAUX, TECHNIQUES ET CONDITIONS

EXPÉRIMENTALES

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II-1. Matériau étudié : alliage de cuivre-zinc (60/40)

Le matériau utilisé dans cette étude est un alliage de cuire-zinc. Sa composition chimique est

donnée dans le tableau II-I.

Elément Cu Zn Al Si

Teneur, % 61,61 38,19 0,12 0,08

Tableau II-I : Composition chimique de l’alliage de cuivre-zinc

La microstructure du métal a été révélée après polissage au papier abrasif (SiC, grade 1200),

suivie d’une attaque métallographique avec un réactif de composition : 3,5g chlorure ferrique,

25 cm3 d’acide chlorhydrique et 75 cm3 d’alcool éthylique à 95°. Cette attaque a mis en

évidence deux phases : α et β’ (Fig. II-1). La phase β’ est attaquée préférentiellement par

rapport à la phase α puisqu’elle contient plus de zinc.

(a) (b)

β’

α

20 µm

Figure II-1 : (a) Observation au MEB, (b) analyse EDX, de la surface d’alliage de cuivre-zinc (60/40) après attaque métallographique

Le spectre obtenu d’analyse EDX (Fig. II-1b) indique la présence du cuivre, du zinc, du

silicium et des traces d’oxygène. Le spectre de diffraction des rayons X, présente les raies

caractéristiques des phases α et β’ de l’alliage de cuivre-zinc (60/40) (Fig. II-2).

Les raies observées relatives aux phases α,β’ sont en accord avec celles observées lors de

l‘élaboration de l’alliage cuivre-zinc (60/40) par S. Gialanella [136]. Il a utilisé la technique

de solidification rapide à travers une filière et par le broyage à haute énergie.

44


45

40 60 80 100 120 1400

5

10

15

20

25

30

β' C

u-Zn

[311

]

α C

u-Zn

[331

]

α C

u-Zn

[400

]

β' C

u-Zn

[222

]α

Cu-

Zn [2

22]

α C

u-Zn

[311

]

α C

u-Zn

[220

]

α Cu-Zn [200]

β ' Cu-Zn [111]

α Cu-Zn [111]

Inte

nsité

x 1

03

2-Thêta

Figure II-2 : Spectre de diffraction des rayons X de l’alliage cuivre-zinc(60/40).

II-2. Techniques expérimentales.

L’étude du comportement à la corrosion et l’évaluation du pouvoir protecteur d’un composé

et/ou d’un revêtement polymère ont été réalisées par des méthodes électrochimiques

stationnaires (courbes et résistance de polarisation, ….) et non stationnaires (spectroscopie

d’impédance électrochimique) couplées à l’émission acoustique.

II-2-1. Méthodes électrochimiques

II-2-1-1. Courbes de polarisation

Un métal plongé dans un milieu électrolytique quelconque tend à se dissoudre et à se charger

électriquement avec création d’une double couche électrochimique assimilable à un

condensateur électrique. Au bout d’un temps suffisamment long pour qu’un régime

stationnaire soit établi, l’électrode métallique prend par rapport à la solution un potentiel,

appelée potentiel de corrosion (Ecorr). Ce potentiel ne peut être connu en valeur absolue. Il est

repéré par rapport à une électrode de référence.

Si, à l’aide d’un générateur extérieur et d’une contre électrode, on fait passer un courant à

travers l’électrode métallique, son état stationnaire est modifié, sa surface prend une nouvelle

valeur de potentiel. Les courbes E = f(I) ou I = f(E) constituent les courbes de polarisation.


Le tracé des courbes de polarisation renseigne sur la cinétique de l’étape la plus lente du

processus global de corrosion qui se compose de différentes réactions élémentaires (transfert

de charge, transfert de matière, adsorption des espèces sur l’électrode…). Etant donnée que la

vitesse de la réaction globale est déterminée par celle de l’étape la plus lente, le tracé des

courbes de polarisation peut être exploité pour mesurer la vitesse de corrosion.

Trois types de courbes de polarisation sont observés en fonction de la cinétique de la

réaction :

o Cinétique d’activation (ou transfert de charge) : dans ce cas on obtient une relation

linéaire entre le potentiel et le logarithme du courant mesuré E =b log I + a (loi de

Tafel). L’extrapolation de la droite de Tafel au potentiel de corrosion fournit le

courant de corrosion (Fig II-3a). la densité de courant de corrosion n’est pas affectée

par la rotation de l’électrode de travail.

o Cinétique de diffusion (ou transfert de matière) : les courbes de polarisation font

apparaître un palier de diffusion auquel correspond un courant limite IL. La vitesse de

corrosion est égale à la densité du courant limite de diffusion. Dans ce cas la vitesse de

corrosion est affectée par l’agitation de la solution ou de la rotation de l’électrode

(Fig II-3b).

o Cinétique mixte : grâce à une correction de diffusion à l’aide de la formule

I1 =

1I* +

1IL

où I est le courant mesuré, correspondant au processus mixte, I* le courant corrigé de la

diffusion et IL le courant du palier de diffusion, on obtient une relation linéaire de type Tafel

et Icorr est obtenu par extrapolation au potentiel de corrosion, comme dans le cas d’une

cinétique d’activation pure (Fig II-3c).

Figure II-3 :Représentation schématique des courbes intensité-potentiel caractéristique d’une cinétique : d’activation (a), sous contrôle diffusionnel (b) et sous contrôle mixte (c)

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II-2-1-1-1. Avantages et inconvénients de la technique

• Cette méthode permet d’estimer assez rapidement les vitesses de corrosion ;

• Elle est suffisamment sensible pour déterminer à la fois les fortes et faibles vitesses de

corrosion ;

• Sa mise en œuvre est relativement aisée dans le cadre d’un laboratoire ;

• Néanmoins, il faut noter que son principe repose essentiellement sur l’hypothèse selon

laquelle les réactions anodiques et cathodiques occupent chacune la totalité de la

surface et prend en considération le potentiel mixte et non pas le potentiel d’équilibre

thermodynamique.

II-2-1-2. Mesure de la résistance de polarisation

La mesure de la résistance de polarisation consiste à faire un balayage de quelques millivolts

∆V autour du potentiel naturel de la corrosion et de déterminer le courant ∆I correspondant

(Fig. II-4). La pente de la droite permet de calculer la résistance de polarisation Rp (inverse de

la pente). Elle est définie par la formule de Stern et Geary [137].:

∆E∆I = Rp =

ba bc2,3 (ba + bc)

1Icorr

= k

Icorr

II-2-1-2-2. Avantages et inconvénients de la méthode

Cette méthode permet des mesures rapides en raison de la simplicité du principe.

L’interprétation de ces mesures est très souvent délicate, du fait, d’une part de la

détermination des coefficients de Tafel ba et bc, et d’autre part, son application est limitée

principalement au mécanisme d’activation.

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Figure II-4 : Perturbation d’un système électrochimique non linéaire en un point de fonctionnement stationnaire (Io, Eo).

II-2-1-3. Electrode à disque tournant

L’étude des phénomènes de corrosion, surtout ceux qui sont sous contrôle d’une cinétique de

diffusion, est très sensible vis-à-vis de l’épaisseur de la couche diffusionnelle dépendant elle-

même des conditions hydrodynamiques. Il convient alors d’utiliser une électrode à disque

tournant afin d’assurer une parfaite reproductibilité des conditions de transport de matière à la

surface de l’électrode. Ces dispositifs assurent, en effet, un écoulement laminaire du fluide

selon la vitesse de rotation avec une vitesse constante sur toute la surface du disque,

l’épaisseur de la couche de diffusion ne varie sensiblement pas, le transport de matière peut

être supposé uniforme.

Pour un potentiel correspondant à un palier de diffusion (concentration nulle du réactant à

l’interface) le courant limite de diffusion est proportionnel à la racine carrée de la vitesse de

rotation de l’électrode et sa valeur est donnée par la loi de Levich [138]:

I = 0,62 n F C∞ D2/3 ν-1/6 ω1/2

où n est le nombre d’électrons mis en jeu, F la consta nte de Faraday, C∞ la concentration au

sein de la solution de l’espèce électroactive (mole.cm-3), D le coefficient de diffusion de

l’espèce électroactive (cm2.s-1), ν- la viscosité cinématique de la solution (cm2.s-1) et ω la

vitesse de rotation du disque tournant (rad.s-1).

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Le tracé des courbes I = f(ω1/2) pour un potentiel donné, permet de confirmer l’existence

éventuelle d’un phénomène de diffusion pouvant contrôler partiellement ou totalement la

vitesse de corrosion. Il permet aussi, à potentiel anodique imposé, de distinguer les

phénomènes de "passivation" par couche barrière (produits de corrosion insolubles mais peu

adhérents) d’un vrai phénomène de passivité, pour lequel le film superficiel est insensible à

l’agitation.

II-2-1-4. Spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS)

La spectroscopie d’impédance électrochimique est une méthode non stationnaire qui permet

d’avoir des informations sur les étapes élémentaires qui constituent le processus

électrochimique global. Son principe consiste à superposer au potentiel de l’électrode une

modulation de potentiel sinusoïdale de faible amplitude et à suivre la réponse en courant pour

différentes fréquences du signal perturbateur (Fig. II-5).

A l’instant t, la valeur du potentiel de l’électrode est exprimée en fonction de sa composante

stationnaire Eo et d’un terme sinusoïdal :

Et = Eo + |∆E| sin ωt

où ωt représente la pulsation du signal (reliée à la fréquence par ω = 2πf) et ∆E son

amplitude.

La perturbation sinusoïdale du potentiel induit un courant sinusoïdal, superposé au courant

stationnaire et déphasé d’un angle φ. Sa valeur est donc donnée par :

It = Io + |∆I| sin (ωt - φ)

I = f(E)

∆E

∆I

Eo

Io

E

I

Figure II-5 : Schéma de principe de l’impédance électrochimique

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Pour une fréquence donnée, l’impédance électrochimique est définie par le rapport :

Z(ω) = EtIt

qui après réarrangement mathématique devient :

Z(ω) = |∆E||∆I| (cos φ + j sin φ) = |Z| exp jφ.

Dans le plan complexe l’impédance représente un vecteur, caractérisé par le module |Z| et

l’angle de déphasage φ. On peut aussi l’écrire comme une somme vectorielle d’une partie

réelle et d’une partie imaginaire Z = Zre + j Zim. On démontre que |Z| = ,Z2re + Z2

im et

tanφ. = Zim Zre

.

La représentation graphique d’une impédance Z = Zre + j Zim dans le plan complexe pour

différentes fréquences est appelée diagramme de Nyquist. Dans ce cas la fréquence n’apparaît

qu’indirectement sur le diagramme.

Le diagramme de Bode par contre, consiste à porter le logarithme du module et l’angle de

déphasage de l’impédance en fonction du logarithme de la fréquence.

L’analyse en fréquence de l’impédance électrochimique permettra de différencier les divers

phénomènes élémentaires en fonction de leur fréquence caractéristique (ou constante de

temps). Les phénomènes électrochimiques rapides (transfert de charge) sont sollicités dans le

domaine des hautes fréquences, tandis que les phénomènes lents (diffusion, adorption) se

manifestent à basses fréquences.

Dans certains cas, notamment lorsque les constantes de temps des étapes élémentaires sont

mal découplées, il est utile de modéliser l’impédance d’un système électrochimique par celle

d’un circuit électrique équivalent composé d’éléments passifs. Le circuit équivalent de la

figure II-6 décrit une interface électrochimique simple : Re représente la résistance de

l’électrolyte, Rct la résistance de transfert de charge et Cdl la capacité de double couche. Le

diagramme de l’impédance de ce système dans le plan complexe (diagramme de Nyquist) et

en représentation Bode est indiqué sur la figure II-6.

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Figure II-6 : Schéma électrique équivalent et diagramme d’impédance correspondant au circuit électronique (Rt, Cdc) [139]

II-2-1-4-2. Application de la SIE aux revêtements

Dans le cas idéal, un revêtement polymère protège le substrat métallique contre la corrosion

car il est isolant, adhérent et étanche. Aucun contact n’est alors possible entre une électrode

recouverte de polymère et la solution d’électrolyte. Et on ne peut pas effectuer de mesure de

type électrochimique. L’interface se comporte alors comme un condensateur plan dont les

armatures sont le métal et l’électrolyte, le polymère constituant le diélectrique.

Cependant, dans la réalité, on arrive généralement à mesurer un potentiel d’électrode de

travail correspondant à un potentiel de corrosion du métal. Cela est dû à la présence de défauts

de continuité et de porosité qui permettent à l’électrolyte d’accéder au métal et au courant

d’osciller entre les électrodes : transport par diffusion à travers les pores, perte d’adhésion du

polymère, transfert de charges à l’interface métal/polymère, attaque du métal, dégradation

méchano-chimique du polymère par une solution agressive. La SIE présente un bon moyen

pour étudier ces phénomènes de corrosion [139-143]. d’après Walter [139,143], on peut

modéliser un revêtement organique par un circuit (Rf, Cf), comme le montre la figure suivante

(Fig. II-7). En parallèle se trouve un autre circuit (Rt, Cdc) représentant la surface métallique

(Cdc capacité de la double couche et Rt résistance de transfert de charge).

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Figure II- 7 : Modélisation d’un revêtement organique par spectroscopie d’impédance [139,143].

L’étude des revêtements organiques par impédancemétrie fait parfois apparaître des

phénomènes de diffusion. En effet, si l’on suppose un substrat métallique recouvert d’une

couche polymère protectrice et si l’on suppose que le phénomène de corrosion résulte de la

réaction de l’électrolyte avec le métal, alors il faut tenir compte du transport des espèces

réactives dans ce même électrolyte. Ce transport de matière peut se manifester par trois

phénomènes : la convection, la migration ou la diffusion due au gradient de concentration qui

s’établit dans l’électrolyte du fait de l’appauvrissement ou l’enrichissement en réactif au

voisinage de la surface de l’électrode.

Dans la pratique, l’électrolyte est immobile et nous pourrons négliger les phénomènes de

convection. De plus ; si nous disposons d’un électrolyte support, nous pourrons nous

affranchir du terme de migration. Le processus est alors contrôlé par la diffusion.

La figure II-8 représente le schéma électrique équivalent d’une électrode lorsque celle-ci est le

siège simultané d’une réaction de transfert de charge et d’un transport de matière par

diffusion.

Figure II-8 : Schéma électrique équivalent et diagramme d’impédance correspondant du système électrochimique lors d’un processus de transport de charge et de matière dans le cas ou les trois

processus sont bien discernables.

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L’impédance de Warburg Zω est définie par [7]: Zω = RD th

⎩⎪⎨⎪⎧

⎭⎪⎬⎪⎫jωδ2

Di

jωδ2

Di

Avec RD terme réel dépendant de la concentration au sein de la solution Ci, du

coefficient de diffusion Di et de la cinétique à l’interface métal/film

δ épaisseur du film

Di coefficient de diffusion de l’espèce i

A basses fréquences, l’impédance de diffusion tend vers RD, appelée résistance de diffusion,

la connaissance de Fmax de cette boucle permet de calculer l’épaisseur de la couche de

diffusion de Nernst δ selon la formule suivante [144] : Fmax = 2,5 Di

2πδ2 .

II-2-1-5. Détermination de la vitesse de corrosion

Une méthode indicatrice de détermination de la vitesse de corrosion consiste à appliquer la

formule de Stern et Geary [137] valable pour des réactions simples de transfert de charge :

Icorr = )(3,2 bcba

babc+

1Rp

= RpB

où ba et bc sont les coefficients anodique et cathodique de Tafel, tandis que la résistance de

polarisation Rp est définie comme la tangente à la courbe de polarisation au potentiel de

corrosion.

Rp = dEdi

La détermination de Rp est effectuée préférentiellement par un balayage potentiodynamique et

au voisinage du potentiel de corrosion, afin de s’assurer de la linéarité de la courbe de

polarisation.

Lorsque le processus cathodique est sous contrôle diffusionnel c.à.d. bc ⎯→ ∞ la formule de

Stern et Geary est réduite à :

Rpba3,2

Icorr =

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La vitesse de corrosion est déterminée aussi à partir de l’exploitation des courbes intensité-

potentiel (voir Fig. II-3).

La spectroscopie d’impédance électrochimique permet également d’accéder à la valeur de la

résistance de polarisation qui dans ce cas est définie comme :

Rp = R0

lim→ω

e (Zf) E

Re (Zf) E correspond à la partie réelle de l’impédance complexe Zf au potentiel E et ω

représente la fréquence du signal sinusoïdale (ω= 2πf).

Dans certains systèmes électrochimique, notamment en présence de plusieurs constantes de

temps et des comportements inductifs, il semble que la résistance de transfert de charge et non

la résistance de polarisation devrait être considérée pour le calcul de la vitesse de corrosion

[137]. la formule de Stern et Geary prend alors l’allure :

Icorr = ba bc

2,3 (ba + bc) 1

Rct =

BRct

W.A.Badawy et al. [145] utilisent cette équation en y introduisant les résistances de

polarisation évaluées à partir des diagrammes d’impédance, pour calculer le courant de

corrosion du l’alliage cuivre-zinc (75/25) dans des solutions acide, neutre et basique. Ils

comparent les résultats ainsi obtenus expérimentalement avec ceux obtenus théoriquement en

utilisant la méthode de simulation électronique. L’impédance correspondante au circuit choisi

est de la forme suivante :

Z = Rp

1 + (jCωRp)α

α représente l’inhomogénéité de la surface [145], elle est liée à la dissolution sélective des composés

actifs présents sur la surface de l’alliage.

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II-2-2. Emission acoustique

II-2-2-1. Définition

Selon la norme ASTM, l’émission acoustique (EA) se définit comme “l’ensemble des

phénomènes dans lesquels des ondes élastiques transitoires sont générées par des dissipations

d’énergie provenant de sources localisées à l’intérieur d’un matériau, où les ondes transitoires

élastiques ainsi générées” [146]. Par extension l’EA désigne également la discipline

scientifique étudiant et utilisant ces phénomènes. L’ensemble des fréquences des ondes

concernées s’étend dans le domaine ultrasonore, entre quelques kHz et quelques MHz.

II-2-2-2. Historique

La première manifestation du phénomène d’EA dans les matériaux a sans doute été le fameux

“cri” de l’étain. En effet, les spécialistes estiment que ce dernier a pu être entendu dès 2600

avant J.C.. A partir du huitième siècle, de nombreux alchimistes ont décrit le “cri” de l’étain

ainsi que des bruits similaires entendus lors de la déformation des métaux tels que le zinc et le

cadmium. Au tournant du vingtième siècle, le développement de la métallurgie en tant que

science à part entière, a engendré une grande quantité de travaux consacrés à l’étude du

maclage et de la transformation martensitique. Au cours de ces études, beaucoup de

chercheurs constatèrent les sons émis par les métaux tels que l’étain, le zinc, le cadmium et

certains alliages de fer. En 1936 Förster et Scheil [147] effectuent la première expérience

réellement consacrée à l’utilisation de l’EA pour étudier les bruits générés lors de la

déformation de martensite. Les études réalisées à cette époque ont permis la transition entre

les observations accidentelles du phénomène d’EA et son étude délibérée. Enfin, dès 1950, à

la suite des travaux de thèse de Kaiser [148], la technique d’EA prend réellement son essor.

Les recherches se sont attachées d’une part, à l’étude des mécanismes physiques, sources

d’EA et d’autre part, à l’application de la technique comme moyen d’analyse du

comportement des matériaux. En 1970, après une période de fort enthousiasme, quelques

échecs d’application de la technique ont provoqué un désenchantement chez les utilisateurs

[149] et le retour de la méthode au sein des laboratoires universitaires pour l’étude plus

approfondie de ses potentialités. Depuis le début des années 80, l’EA connaît à nouveau un

essor important. Les progrès de l’électronique (numérisation rapide des données) et de

l’informatique (facilité de traitement des données) ont largement contribué à ce regain

d’intérêt.

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II-2-2-3. Sources d’émission acoustique associées à l’endommagement des métaux

La figure II-9 montre qu’en corrosion, d’un point de vue microscopique [150], les sources

potentielles d’EA sont nombreuses. Selon le phénomène étudié, les sources d’EA peuvent par

exemple être le mouvement de dislocation, le phénomène de maclage, des micro-fractures de

clivage, des micro-fractures intergranulaires, des décohésions d’inclusions, des

transformations de phase à l’état solide [151], des dégagements gazeux [152], des impacts

mécaniques, du frottement, des fuites (gaz ou liquide), de la cavitation,… [27,150,154].

Figure II-9 : Sources potentielles d’EA dans les phénomènes de corrosion [150]

II-2-2-4. Relation entre une source d’EA et un signal

Lorsqu’une source d’EA émet, elle génère des ondes de plusieurs types [153] : ondes

longitudinales, ondes transversales, ondes de surface (ou de Rayleigh) et ondes de plaque (ou

de Lamb). Toutes ces ondes se propagent à des vitesses différentes et dépendent du matériau

étudié. Le signal fourni par le capteur d’EA est un signal complexe résultant du produit de

convolution de trois fonctions de transfert selon la relation suivante :

V(t) = S(t) ∗ G(t) ∗ R(t) ∗H(t)

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S(t) représente la source acoustique étudiée. G(t) représente la fonction de Green ou la

réponse impulsionnelle du milieu. Elle prend en compte la propagation des ondes élastiques

tout au long de leur parcours. R(t) est une fonction propre au capteur. Selon le capteur utilisé,

elle peut avoir une très grande influence sur le signal final. H(t) est une fonction propre au

système d’acquisition. Elle prend en compte les préamplificateurs et les différents filtres de

fréquence présents dans le système.

II-2-2-5. Intérêt de la technique d’émission acoustique et domaines d’application

Lorsqu’un défaut se développe, par sollicitation en fonctionnement ou par sollicitation

artificielle, il provoque la génération d’ondes mécaniques élastiques qui se propagent au sein

du matériau. Ces ondes peuvent être enregistrées par la technique d’émission acoustique en

particulier grâce à l’utilisation de capteurs appropriés. Il est alors possible de détecter la

présence de défauts évolutifs et de les localiser. Par analyse des signaux recueillis, il est

également possible d’évaluer leur gravité.

Ces possibilités présentent un grand intérêt, en particulier pour le suivi des processus de

fabrication et de contrôle non destructif des installations industrielles [155]. Aujourd’hui,

l’EA est appliquée dans des domaines variés [156]. Dans le pétrole et la chimie, elle permet

de vérifier l’intégrité des réservoirs et réacteurs sous pression, des conduites et réservoirs de

stockage. Dans l’industrie nucléaire, elle est utilisée pour signaler la présence de

discontinuités dans les structures des générateurs nucléaires ou, par exemple, pour étudier

l’endommagement physico-chimique d’alliages nobles (base nickel, zirconium,…). Elle est

également couramment appliquée dans des domaines tels que la construction chaudronnée,

l’industrie électronique ou le génie civil [26,27,30,31,34,35,154].

II-2-2-6. Chaîne d’acquisition acoustique

En principe, l’acquisition des signaux d’EA nécessite simplement l’utilisation d’un capteur et

d’un oscilloscope. En réalité, depuis quelques années, du fait du regain d’intérêt pour cette

technique, des dispositifs commerciaux d’acquisition et de traitement sont disponibles. Ces

appareils, de plus en plus performants, peuvent être utilisés aussi bien en recherche qu’en

essai de routine. Pour mesurer des signaux d’EA, il suffit donc de relier un ou plusieurs

capteurs au système d’acquisition (Fig. II-10).

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Figure II-10 : Chaîne classique d’acquisition des signaux d’émission acoustique

Les capteurs utilisés pour l’EA sont souvent des capteurs de type piézo-électrique. Ils ont la

propriété de convertir des ondes mécaniques qui les excitent en ondes électriques. Selon le

domaine des fréquences ultrasonores des ondes générées par le phénomène qu’il étudie,

l’utilisateur peut choisir un capteur de type résonant ou de type à large bande. L’utilisation de

plusieurs capteurs permet de localiser les sources d’EA au sein du matériau. Chaque capteur

est mis en contact avec le matériau étudié par l’intermédiaire d’un couplant. Ce dernier assure

la bonne transmission des ondes mécaniques entre les deux parties. En général, le couplant est

une huile ou une graisse visqueuse.

Les ondes reçues par les capteurs sont transformées en ondes électriques, puis transmises au

système d’acquisition par le biais d’un préamplificateur. Ce dernier permet d’une part de

mettre en valeur les signaux les plus importants par rapport au bruit de fond et d’autre part, de

filtrer les fréquences indésirables.

Lorsqu’une source d’EA émet, elle génère des ondes de plusieurs types [153] : ondes

longitudinales, ondes transversales, ondes de surface (ou de Rayleigh) et ondes de plaque (ou

de Lamb), toutes ces ondes se propagent à des vitesses différentes et dépendent du matériau

étudié. Le signal fourni par le capteur d’EA est un signal complexe résultant du produit de

convolution de trois fonctions de transfert : la fonction de Green (réponse impulsionnelle),

une fonction liée au capteur et une fonction liée au système d’acquisition (préamplificateurs et

filtres) [154],

L’objectif d’un test d’EA est de détecter la présence de sources émissives et de tirer un

maximum d’informations sur leur évolution. Pour cela, il est nécessaire de suivre des

58


procédures d’étude bien établies. En particulier, pour caractériser avec exactitude la majorité

des salves d’EA acquises pendant un essai : le seuil, le gain du préamplificateur et les

paramètres permettant de déterminer les dépassements du seuil et les amplitudes maximales

rencontrées au cours du temps

II-2-2-7. Paramètres d’acquisition.

Le seuil est un paramètre déterminant pour effectuer une acquisition correctement exploitable

d’émission acoustique. Un ajustement adéquat du seuil permet en effet de s’affranchir des

bruits parasites dus à l’environnement. Dans notre cas, une valeur trop faible induit une

acquisition polluée par du bruit parasite, et une valeur trop élevée implique qu’on se prive

d’une partie des signaux et donc de l’information disponible. Le seuil utilisé lors des études

préliminaires était de 31dB. De plus, l’application d’un filtre analogique en fréquence, en

parfait accord avec la plage fréquentielle de sensibilité du capteur WD utilisé (100kHz – 1000

kHz), permet d’éliminer totalement les signaux parasites basse fréquence ( < 100 kHz).

Les paramètres temporels d’acquisition d’émission acoustique sont au nombre de trois : le

PDT, le HDT et le HLT :

Le PDT (Peak Definition Time) est une fenêtre temporelle glissante qui se déclenche au

premier dépassement de seuil du signal. Le système détecte l’amplitude maximale atteinte par

le signal sur cette fenêtre. Chaque fois que cette amplitude maximale est atteinte ou dépassée

sur la durée de la fenêtre, le système réinitialise la fenêtre temporelle dont l’origine est alors la

date d’apparition de la nouvelle alternance d’amplitude maximale. Cette opération est ainsi

répétée pour chaque maximum atteint sur la fenêtre. Lorsque, sur toute la durée de la fenêtre,

l’amplitude de l’alternance maximale n’est pas dépassée, le système enregistre ce pic

d’amplitude comme étant l’amplitude maximale de la salve. Le PDT est donc essentiel pour la

définition des temps de montée, de l’amplitude maximale et du nombre de coups au pic. Si le

PDT est trop court, on enregistre un maximum local du signal qui n’est pas représentatif de

l’amplitude maximale réelle de la salve enregistrée. En revanche, un PDT trop long peut

conduire à une mauvaise séparation des signaux et à l’obtention artificielle d’émission

continue. Le PDT est fixé dans notre étude à 100µs.

59


Le HDT (Hit Definition Time) est la seconde fenêtre glissante temporelle utilisée pour définir

la durée les salves. Cette fenêtre se déclenche aussi au premier dépassement de seuil. A

chaque dépassement de seuil observé sur la fenêtre, celle-ci est déplacée et prend pour origine

la date de cet ultime événement. Le HDT est essentiel pour définir par exemple la durée,

l’énergie et le nombre de coups de chaque salve. Si ce paramètre est trop petit, les

caractéristiques des signaux sont sous-évaluées. Si le HDT est trop grand, ces caractéristiques

sont par contre surestimées, et une émission artificiellement continue peut ainsi être induite.

Le HDT choisi ici est de 300µs.

Le HLT (Hit Lockout Time) est un temps mort qui suit l’acquisition de chaque salve. Ce

temps permet l’enregistrement des données. Il impose d’avoir une démarche statistique dans

l’utilisation de l’EA et est fixée dans le cadre de ce travail à 1000µs.

La fréquence d’échantillonnage utilisée dans cette étude est de 4MHz. Cette fréquence permet

en effet d’obtenir une excellente définition des signaux en évitant toutefois de trop encombrer

la carte d’acquisition.

Dans la plupart des cas, l’EA se manifeste par des signaux électriques transitoires ayant un

début bien précis et dont l’amplitude diminue assez rapidement pour se noyer dans le bruit de

fond électronique situé sous le seuil. On parle alors d’émission par salves (Fig. II-11a).

Lorsque l’activité acoustique d’une ou plusieurs sources est très importante, l’EA peut se

manifester de telle façon que le signal soit continuellement au-dessus du seuil. Dans ce cas, on

parle d’émission continue (Fig. II-11b).

Lorsque l’émission acoustique se fait par salves, les systèmes d’exploitation permettent de

calculer en temps réel et pour chacune des salves l’ensemble des paramètres représentés sur la

figure II-12 et définis de la façon suivante :

o Seuil de référence (dBEA 2) : tension électrique prédéfinie devant être dépassée pour

qu’il y ait détection d’une salve. Il est réglable et peut être fixe ou flottant.

o Nombre de coups ( sans dimension) : nombre de fois où l’amplitude du signal excède

la valeur du seuil.

o Durée (µs) : résultat de la mesure du temps qui sépare le premier et le dernier

dépassement du seuil dans chaque salve.

60


o Amplitude maximale (dBAE)1 : amplitude maximale du signal pendant toute la durée

d’une salve.

o Temps de montée (µs) : intervalle de temps qui sépare le premier dépassement du seuil

de l’instant où l’amplitude maximale est atteinte.

Selon le système d’acquisition utilisé, d’autres paramètres acoustiques peuvent également être

calculés. Les plus courants sont par exemple :

o Fréquence moyenne (kHz) : nombre de coups de la salve divisé par sa durée.

o Energie(W) : intégrale du carré de l’amplitude de la salve sur toute la durée du signal

E = ⌡⌠ [A(t)]2 dt

o Tension efficace moyenne (µV) : notée aussi RMS, il s’agit de la racine carrée de

l’amplitude de l’intégrale du carré de l’amplitude de la salve sur une durée

correspondante à une constante de temps prédéfinie.

Enfin, en utilisant en particulier la transformée de Fourier, l’EA peut être caractérisée par

analyse spectrale (annexe 2).

(a)

(b)

Figure II-11 : Types de signaux d’émission acoustique : (a) par salve, (b) continue [157]

1 dBAE :unité acoustique utilisée en émission acoustique, référencée au microvolt-capteur :

61


0 50 100 150 200 250 300 350

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

amplitudeCoups

Durée 242 µs

Temps de montée 54 µs

Seuil

A

mpl

itud

e (m

V)

Temps (µs)

Figure II-12 : Paramètres d’émission acoustique calculés sur une salve

II-2-3. Techniques d’analyse, d’observation et de caractérisation de surface

II-2-3-1. Microscope électronique à balayage

Le principe de la microscopie électronique à balayage repose sur l'exploitation des signaux

liés aux interactions entre les électrons primaires de fortes énergies et le matériau [158,159].

Un faisceau d'électrons d'énergie Eo émis par un canon thermoionique (filament de W) frappe

la surface du matériau à observer. Cette dernière, sous l'impact des électrons primaires, réagit

en émettant différents types de signaux. Une détection synchrone entre le balayage du

faisceau et les électrons émis par le matériau permet de reconstituer un signal observable sur

un écran vidéo.

Il en résulte que le contraste des images observées par MEB est un contraste d'émission

d'électrons : pour un matériau conducteur, les parties claires sur l'image correspondent à des

zones de fortes émissions et inversement pour les zones sombres. Dans le cas d'une image en

électrons secondaires, une forte émission d'électrons est la conséquence combinée d'un effet

de relief (contraste topographique), du numéro atomique moyen élevé possédant un grand

nombre d'électrons périphériques (contraste chimique) ou d'un effet de conduction

électronique ( contraste de charge). Pour une image en électrons rétrodiffusés, le contraste est

essentiellement d'ordre chimique.

Gain = 20xLog[V] avec V: tension électrique mesurée à la sortie du capteur en µV.

62


Le principe de l'analyse X sur MEB est de recueillir et de classer les rayons X issus des

interactions entre l'échantillon observé et les électrons primaires incidents du MEB. Ces

rayons sont ensuite collectés à travers un détecteur qui émet un signal proportionnel à

l'énergie du photon X incident. Ce signal est ensuite amplifié jusqu'à être incrémenté sur le

spectre X par l'intermédiaire d'un système à impulsion de type "analyseur multicanal".

L'obtention d'un spectre X en énergie se présente sous forme d'un histogramme avec, en

abscisse l'énergie et, en ordonnée, le nombre d'impulsion détectée par canal d'énergie.

Plusieurs pics caractéristiques apparaissent correspondant aux éléments chimiques de

l'échantillon. L'appareillage utilisé est un JEOL 5800 auquel est adjoint un système d'analyse

des signaux X émis par le matériau.

Un microscope optique de marque REICHERT a aussi été utilisé dans cette étude pour

observer les surfaces étudiées.

II-2-3-2. Diffraction des rayons X et mesure des contraintes internes. II-2-3-2-1. Principe

La technique de détermination des contraintes résiduelles par diffraction X est

particulièrement bien adaptée à ce type de problème, car c’est une technique non destructive

qui ne prend en compte que les couches superficielles du fait de la faible pénétration des

rayons X utilisés en diffraction (qq. µm). Elle donne en outre, simultanément avec les

contraintes résiduelles, une information sur l’état de déformation plastique de la zone

analysée. L’état mécanique des surfaces vu à travers la technique de diffraction X, est donc

défini par un aspect macroscopique (contraintes résiduelles) et un aspect microscopique (la

déformation plastique) analysés tous les deux dans des couches superficielles d’épaisseur

correspondant à quelques micromètres ou dizaines de micromètres.

Le principe est de prendre comme jauge de déformation la distance interréticulaire dhkl, dont

on mesure les variations de longueur imposées par les contraintes [160,161]. Cette

déformation (ε) est donnée par dérivation de la loi de Bragg (Fig. II-13) :

ε = -1/2 cotg θo ∆2θ

63


Figure II-13 : Principe de mesure d’une déformation par diffraction X

Cette relation montre que la mesure de la déformation est reliée à la détermination de ∆2θ,

c’est-à-dire à la mesure du déplacement de la raie de diffraction correspondant à la famille de

plans hkl que l’on étudie. Pour augmenter la précision de cette mesure il est nécessaire de

choisir des plans hkl correspondant à des angles θ les plus grands possible (facteur cotg θo).

II-2-3-2-2. Déformations aux échelles macro et microscopiques

La déformation peut être considérée comme uniforme à l’échelle macroscopique, produisant

ainsi un déplacement du pic de diffraction. Mais elle peut aussi être considérée comme non-

uniforme à l’échelle microscopique conduisant alors à un élargissement du pic. Ces deux

effets-déplacement et élargissement- sont schématisé sur la figure II-14

Si l’on considère le cas d’un matériau biphasé, chaque phase conduit à des anneaux de

diffraction qui lui sont propres. Pour chaque phase, on peut définir des contraintes

macroscopiques à l’échelle de la phase (σIIM), des contraintes microscopiques à l’échelle du

grain (σIIm) et enfin des contraintes à l’échelle du réseau cristallin (σIII). Le déplacement des

rais de diffraction résulte du σIIM et son élargissement de la somme σIIm + σIII [149,150]

(Fig. II-15).

64


Dép

D

Elarg

Figure II-14 : Déplacement et élargissement d’un pic de

Figure II-15 : Influence des ordres de contraintes sur la diffrcas d’un matériau biphasé[151].

II-2-3-3. Spectroscopie d’absorption infrarouge à transfor

La spectroscopie infrarouge exploite l’absorption par l’

électromagnétiques de bandes d’absorption comprise entre 400

l’infrarouge moyen). Les observations proviennent de l’interacti

et les liaisons chimiques du produit dont la fréquence de vibratio

faisceau incident. Les absorptions permettent donc de déduire

fonctionnels des composés examinés. Les analyses ont été réali

transformée de Fourier de marque Brucker, modèle IFS25.

65

Déformation uniforme ou

marocontrainte

lacement du pic de diffracton

éformation non uniforme ou

microcontrainte

issement du pic de diffracton

diffraction [162]

action des rayons X :

mée de Fourier (FT-IR)

échantillon des radiations

0 et 400 cm-1 (domaine de

on entre le faisceau incident

n est égale à la fréquence du

la nature des groupements

sées avec un spectromètre à


II-2-4. Cellule et conditions expérimentales

Le dispositif expérimental utilisé dans cette étude est constitué de deux systèmes, une chaîne

d’acquisition des paramètres acoustiques couplée à un montage électrochimique

(Fig. II-16).

La chaîne d’acquisition acoustique est composée d’une carte d’acquisition MISTRAS, d’un

préamplificateur et d’un capteur.

Le système électrochimique comporte un potentiostat de type RADIOMETER PGZ 30 et une

cellule électrochimique dans laquelle est placée l’électrode de référence (ECS ou Ag/AgCl) et

l’électrode de travail, la contre électrode (Pt) est placée à extérieur pour éviter tout

perturbation acoustique de l’échantillon.

Les milieux corrosifs sont :

1- une solution de chlorure de sodium à 3%, obtenue par dissolution de NaCl dans l’eau

desionisée,

2- une solution à pH tampon (9,2), elle contient 0,1 molL-1 d’ammoniaque, et 0,1 molL-1

de chlorure d’ammonium, en présence et en absence de NaCl à 3%.

Potentiostat TACCUSSEL PGZ 301

Electrolyte support préamplificateur

électroDe

électrodde réf.

électrodauxiliair

Cellule

ECS

alliage solution

Capteur d’émission acoustique

Système d’acquisition

MISTRAS (EPA)

Figure II-16 : Dispositif expérimental

66


67

matÉriaux, techniques et conditions...

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