Département de génie mécanique
MEC-761 ESSAIS MÉCANIQUES ET CONTRÔLE NON DESTRUCTIF Examen de mi-session Date: Mercredi, le 19 octo bre 2005 de 8h45 à 11h45 11h45 Pondération: 30% Toute documentation permise Le questionnaire compor te 5 questions questions sur 7 pages REMETTRE REMETTRE LE QUESTIONNAIRE QUESTIONNAIRE AVEC LE CAHIER D'EXAMEN
Problème no 1 (5 poin ts)
Afin de s’assurer qu’un liquide pénétrant puisse s’introduire dans un défaut de surface, un pré-nettoyage est essentiel. Les méthodes de nettoyage proposées entrent dans deux catégories : les méthodes mécaniques (sablage, polissage, meulage, …) et les méthodes chimiques (acide, vapeur, solvants, solvants , …). Indiquez le groupe de méthodes qui doivent être privilégiées dans un procédé de ressuage. Justifiez votre réponse. Réponse
On doit éviter d’utiliser les méthodes mécaniques à tous prix parce qu’elles risquent de contaminer la surface à inspecter par des particules abrasives et/ou déformer plastiquement la surface de sorte à obstruer les fissures débouchantes. À l’inverse, les méthodes chimiques nettoient les surfaces et, dans le cas des acides, permettent de décaper ces surfaces de façon à dégager les fissures de surface.
Problème no 2 (20 poin ts)
Dans plusieurs types d’essais par courant de Foucault, une charte similaire à celle présentée dans la figure 1 est utilisée. Cette charte représente la variation de la résistance et de la réactance d’une sonde en fonction de la distance de retrait (lift-off) et de la résistivité des matériaux inspectés.
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e é s i l a m r o n e c n a t c a é R
1.0
Résistivité ( μΩ .cm)
0.9
170 (Alliage de titane)
1.2 0.8 1 0.7
53 (Alliage de Zirconium)
.5
0.6 0.5 0.0 0.0
21 (Plomb)
.2 7 (Laiton) 0 1.72 (Cuivre) Retrait (mm) 0.1
0.2
0.3
0.4
Résistance normalisée
Figure 1 : Graphe d’impédance normalisée a) Décrire le phénomène physique qui explique la diminution de la réactance et l’augmentation de la résistance en fonction de la diminution de la distance de retrait. Réponse
Plus la sonde s’approche de la pièce métallique, plus le matériau est exposé à un flux intense. Les courants de Foucault et le flux secondaire sont donc plus intenses. • augmentation des courants de Foucault = augmentation des pertes thermiques par effet Joule dans le métal. Donc, augmentation de la résistance équivalente de la sonde ( R = P I où P désigne les pertes et I désigne le courant d’excitation). • augmentation du flux secondaire = diminution du flux total. Pour un même courant d’excitation, la tension induite sera donc plus faible. Comme la réactance de la sonde est le ratio entre la tension induite dans cette sonde et le courant d’excitation, la réactance équivalente de la sonde diminue. 2
b) Expliquer la diminution de la réactance en fonction d’une diminution de la résistivité du matériau inspecté. Réponse
Comme on ne considère que des matériaux non-magnétiques, l’intensité du flux magnétique primaire est le même dans tous les cas. La tension induite dans les matériaux est donc la même dans tous les cas. Étant donné que l’intensité des courants de Foucault est proportionnel à la tension et inversement proportionnel à la résistivité des matériaux, on peut dire que : • plus la résistivité des matériaux est grande, moins les courants de Foucault sont intenses. • le flux secondaire est moins important. • le flux total est plus intense. • La tension induite dans la sonde est plus grande. • la réactance apparente est plus grande (ratio entre la tension induite et le courant d’excitation).
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Problème no 3 (20 poin ts)
Des ultrasons sont transmis dans une pièce d’inconel à travers un sabot de plastique. En se référant aux propriétés de ces deux matériaux donnés dans le tableau no.1, répondre aux questions suivantes : a) Une impulsion longitudinale arrive à incidence normale à l’interface entre les deux matériaux. En supposant une énergie incidente normalisée de 1, calculer l’énergie des impulsions réfléchie et transmise. Indiquer également la phase de ces impulsions par rapport à la phase de l’impulsion incidente. Réponse
• •
une onde longitudinale réfléchie avec une énergie normalisée de 0.7595. La phase de cette onde est de 180° par rapport à l’onde incidente. une onde longitudinale transmise avec une énergie normalisée de 0.2405. Cette onde est en phase avec l’onde incidente.
b) Un faisceau d’onde longitudinale arrive avec un angle d’incidence de 45° par rapport à la normale. Décrire les faisceaux d’onde réfractés (mode vibratoire et angle de réfraction). Réponse
• •
un faisceau d’ondes transversales réfracté à 51.78°. aucun faisceau d’ondes longitudinales réfracté (45° > angle critique).
c) Calculer les deux angles critiques qui doivent être considérés pour une onde incidente longitudinale. Qu’arrive-t-il au-delà de ces angles critiques? Réponse
angle critique pour une onde longitudinale : 28.17°. angle critique pour une onde transversale : 64.16°. Au-delà de ces angles critiques, les ondes ne sont plus réfractées. • •
d) Calculer l’angle d’incidence qui permettra la génération d’une onde de Rayleigh à la surface de la pièce d’inconel. Estimer la vitesse de cette onde de Rayleigh à partir des informations du tableau no.1. Réponse
• •
vitesse d’une onde de Rayleigh : 2.7876 km/s. angle d’incidence requise : 75.6°.
Tableau no.1 : Propriétés des matériaux utilisés dans le problème no.1 Matériau
Densité (g/cm 3)
Plastique Inconel
1.2 8.25
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Vitesse longitudinale (km/s) 2.7 5.72
Vitesse transversale (km/s) 1.1 3.0
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Problème no 4 (5 poin ts)
Expliquer la différence fondamentale entre les régimes d’ablation et thermoélastique dans l’utilisation du laser pour générer des ultrasons dans un matériau. Orienter la réponse sur une description de l’interaction entre le laser et la matière inspectée. Réponse
Dans les deux cas, une portion de l’énergie lumineuse du laser doit être absorbée par le matériau de façon à ce qu’il y ait un échauffement local soudain. La différence entre les deux régimes vient de l’intensité et de la soudaineté de l’absorption d’énergie (le gradient d’énergie absorbée). En régime thermoélastique, l’énergie absorbée résulte en une élévation soudaine de la température locale. Cette augmentation de température s’accompagne d’une brusque dilatation thermique qui se transmet dans le reste du matériau sous la forme d’une onde ultrasonore. En régime d’ablation, le gradient d’énergie absorbée est tellement important que la matière est littéralement pulvérisée laissant de petits cratères à la surface de la pièce inspectée. En réaction aux particules de matière qui sont ainsi éjectées de la surface, une force de recul produit une impulsion d’ondes ultrasonores qui se propagent suivant la normale à la surface de la pièce.
Problème no 5 (50 poin ts)
Répondre à la série de questions à choix multiples suivante. Indiquer la réponse en encerclant la lettre correspondante. Matériaux, procédés et défauts 1.
Le formage du métal, comme le laminage, entraîne : a) une déformation plastique du métal. b) l'allongement des défauts existants perpendiculairement au sens du laminage. c) des propriétés de déviation qui sont toujours bénéfiques pour les opérations secondaires de formage. d) l'aplatissement des défauts qui les rend plus facilement décelables par la plupart des méthodes d'essais non destructifs.
2.
Quand un métal (ou un alliage) passe en se refroidissant de l'état liquide à l'état solide, le métal liquide qui manque pour alimenter le retrait causera : a) des retassures, des soufflures et des cavités b) une texture spongieuse et des fissures à chaud c) rien de ce qui est indiqué ci-dessus d) à la fois a) et b)
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3.
Identifier le défaut qui se définit comme une fissure intercristalline plus ou moins profonde qui survient lorsque la contraction du métal est limitée par le moule ou une section adjacente déjà solidifiée. a) retassure b) déchirure c) crique d) scorie
Ressuage 4.
Il y a élimination excessive de pénétrant par l’émulsifiant lorsque : a) l’émulsifiant est trop actif b) le temps d’émulsification est trop long c) a et b d) ni a ni b
5.
Les révélateurs utilisés avec les pénétrants fluorescents : a) ne doivent pas être fluorescent b) doivent être sous forme de poudre en suspension dans l’eau (solution aqueuse) c) doivent être sous forme de poudre sèche d) aucune de ces réponses
6.
Il est préférable d’éliminer la saleté, même si elle ne remplit pas un défaut, car : a) la saleté peut empêcher le pénétrant de mouiller la surface et même de s’étaler b) la saleté peut contaminer le pénétrant dans les cuves d’immersion c) ni a ni b d) a et b
7.
La tendance qu'a un liquide d'imprégnation à pénétrer dans une discontinuité est surtout attribuable : a) à la viscosité du pénétrant b) aux forces de capillarité c) au fait que le liquide d'imprégnation est chimiquement inerte d) à la gravité spécifique du liquide d'imprégnation
8.
L'habilité d'un liquide à mouiller une surface est calculée d'après son angle de contact. De bons pénétrants devraient avoir : a) un très petit angle de contact b) un très grand angle de contact c) un angle de contact d'environ 45° d) un angle de contact supérieur à 90°
9.
Le suintement persistant d’une indication signifie que : a) la viscosité du liquide est trop faible b) le surplus de liquide est mal nettoyé avant l’application du révélateur c) la discontinuité correspondante possède un grand volume sous-cutané d) toutes ces réponses
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Magnétoscopie 10. Parmi les types de métaux suivants, choisir ceux qui peuvent être soumis au contrôle magnétoscopique : a) métaux ferromagnétiques b) acier à faible teneur en carbone c) aluminium d) cuivre e) bronze f) plomb g) magnésium h) titane i) nickel 11. Lorsque le champ magnétique à l’intérieur d’une pièce ferromagnétique atteint un point où il ne peut plus être augmenté par une élévation de l’intensité d’aimantation, la pièce est considérée comme étant : a) magnétique b) saturée c) coercible d) rémanente 12. Le champ à l’intérieur d’une section de tuyau magnétisée par conducteur central est plus élevé : a) aux extrémités du tuyau b) sur la paroi extérieure du tuyau c) sur la paroi intérieure du tuyau d) au centre de la paroi du tuyau 13. Pourquoi utilise-t-on de préférence de larges contacts mous, notamment des tresses en plomb ou en cuivre, comme surfaces de contact sur des pointes vives? a) pour augmenter la surface de contact b) parce que leur point de fusion est bas c) parce qu’ils aident à chauffer le métal, ce qui facilite l’induction magnétique d) pour créer un champ plus uniforme 14. Les fins défauts de surface notamment les cassures de fatigue sur les pièces polies ayant été en service, sont plus facilement décelable par : a) particules magnétiques sèches et par courant magnétisant continu b) procédé par voie humide et par courant magnétisant alternatif c) particules magnétiques sèches et par courant redressé (demi-onde) d) procédé par voie humide et par courant redressé (demi-onde) 15. La détection des défauts profonds (de 6 à 50 mm sous la surface) dans de lourdes pièces soudées : a) ressemble beaucoup à la méthode de détection des criques superficielles b) n’est pas difficile si le défaut est dû à de fines lignes d’inclusions non métalliques c) est facile si la largeur des défauts peut être déterminée de façon approximative d) n’est pas aussi simple que la détection des défauts de surface e) est facile si le défaut est allongé et au centre de la soudure MEC-761: Examen de mi-session
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16. Lesquels des facteurs suivants peuvent produire des indices magnétiques parasites? a) un joint brasé b) les joints de grain d’un métal polycristallin c) des stries superficielles produites par un outil à dégrossir d) toutes ces réponses 17. Les culasses électromagnétiques (yoke) sont beaucoup plus efficaces que les bobines (coil shot) en ce qui a trait à l’intensité du flux produit par unité de courant (ampère) de l’alimentation. Comment peut-on expliquer cette différence? a) la perméabilité magnétique des pôles de la culasse est très faible b) la réluctance du circuit magnétique de la culasse est plus faible que celle de la bobine c) la résistivité électrique des spires de la bobines est plus élevée que celle des spires de la culasse d) aucune de ces réponses
Courant de Foucault 18. La pénétration des courants de Foucault dans un matériau conducteur diminue quand : a) la fréquence de contrôle ou la conductivité du spécimen diminue b) la fréquence de contrôle diminue ou la conductivité du spécimen augmente c) la fréquence de contrôle, la conductivité du spécimen ou sa perméabilité augmentent d) la perméabilité du spécimen diminue 19. Lors du contrôle de matériaux magnétiques avec un champ alternatif, l’augmentation de l’intensité du champ : a) n’a aucun effet sur la profondeur de pénétration b) augmente la profondeur de pénétration des courants de Foucault c) diminue la profondeur de pénétration des courants de Foucault d) diminue la pénétration des courants de Foucault à une valeur minimale, puis l’augmente jusqu’à une valeur maximale correspondant à la saturation magnétique du spécimen 20. Pour diminuer la répercussion des variations de l’épaisseur d’une plaque sur la mesure de sa conductivité électrique : a) on devrait augmenter la fréquence de contrôle b) on devrait diminuer la fréquence de contrôle c) on devrait diminuer le facteur de remplissage d) il n’existe aucune méthode pratique pour diminuer cette répercussion 21. Lors d’un contrôle à l’aide d’une méthode par courants de Foucault, les discontinuités sont décelées plus facilement quand les courants de Foucault sont : a) coplanaires avec la dimension principale de la discontinuité b) perpendiculaires à la dimension principale de la discontinuité c) parallèles à la dimension principale de la discontinuité d) déphasés de 90° par rapport au courant dans la bobine
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22. L’utilisation d’une sonde différentielle permet les mesures suivantes : a) détection de fissures à la surface d’une pièce b) mesure de l’épaisseur d’un revêtement non-métallique c) mesure de la conductivité électrique du métal d) toutes ces réponses
Ultrason 23. Pour que les transducteurs électromagnétiques (EMATs) puissent générer des ultrasons dans des échantillons, ceux-ci doivent être : a) conducteurs b) ferromagnétiques c) paramagnétiques d) semi-conducteurs 24. Le transducteur électromagnétique de la figure 2 permet la génération d’ondes de surface dans un échantillon. En fonction de l’espacement d, calculer la longueur d’onde du signal produit : a) d b) 2d c) 1/d d) la longueur d’onde est indépendante de d, elle ne dépend que du rapport entre la fréquence du signal et la vitesse des ultrasons dans le transducteur
Figure 2 : Configuration d’un EMAT pour les ondes de Rayleigh 25. On cherche à développer une technique ultrasonore pour inspecter l’adhésion d’un revêtement de plastique sur un substrat métallique. Quel(s) paramètre(s) du signal doit-on observer à cette fin : a) l’amplitude du signal réfléchi b) le délai d’arrivée de l’écho d’interface c) la largeur de l’impulsion réfléchie d) la phase du signal réfléchi
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