Inspection de blocs d’acier forgé de grand volume par ultrasons multi – éléments

Dans le domaine des aciers de haute performance, le contrôle par ultrasons des composants constitue un enjeu majeur, car il permet de contrôler l’intégrité des blocs sans les endommager.

Lors des procédés de forgeage et des différents traitements thermiques, les microstructures polycristallines sont façonnées afin que l’acier réponde à des propriétés techniques précises. Il en résulte un matériau complexe possiblement hétérogène et anisotrope. De nos jours, plusieurs domaines sont très demandeurs pour ce type d’acier en vue d’applications de pointes. Les blocs doivent donc répondre à des critères très exigeants tels que la dureté, la microstructure et surtout être exempts de défauts. Le produit final peut être utilisé dans des domaines tels que le secteur de l’automobile avec la production de moule destiné à la fabrication de pièces plastiques injectées, l’industrie minière pour la production d’outil ou encore l’aéronautique. Dans ce cas d’application, un défaut présent dans le bloc serait transposé du moule à la pièce affectant ainsi la qualité visuelle et structurelle du produit fini. Pour cela, des procédures sont mises en place afin de vérifier que les aciers correspondent aux normes de qualité exigées pour la livraison. Afin d’en inspecter l’intérieur, le contrôle non destructif (CND) par ultrasons (UT) représente plusieurs avantages majeurs.

Depuis les années 1970, les ultrasons ont été largement étudiés permettant ainsi de nouvelles applications industrielles. Leur utilisation a évolué du simple scan manuel avec la recherche de défaut par réflexion d’onde propagée aux techniques bien plus avancées telles que l’imagerie (ou échographie dans le domaine médical) combinant les propriétés de réflectivité et d’interférométrie des ondes. De nos jours, la recherche dans le domaine des ultrasons se diversifie dans de nouveaux champs d’applications tels que le développement de nouvelles méthodes d’imagerie comme la super résolution, l’amélioration de la vitesse d’acquisition, ou l’inspection des matériaux anisotropes, fortement atténuants ainsi que de nouvelles géométries. Dans cette optique, l’objectif de ce travail est d’appliquer l’imagerie par ultrason à des blocs d’aciers de grandes dimensions (plus de 1000 mm dans chaque direction).

Finkl Steel, partenaire industriel de ce projet, est spécialisé dans la production de blocs d’acier de grandes dimensions. Dans le cas de la détection de défauts, fissures ou hétérogénéités ayant une taille supérieure à 1.59 mm (1/16ʺ), les blocs sont systématiquement rejetés. La plupart du temps, la zone contenant le défaut est découpée puis analysée au microscope afin de déterminer l’origine et corriger la production. L’imagerie par ultrason permet une analyse plus poussée du défaut ainsi qu’une localisation de celui-ci. En effet, la forme et la dimension du défaut reconstruit par imagerie peuvent être reliées au type de ce dernier (fissure, manque de consolidation, inclusion, etc.) et donc à son origine (coulée, forgeage, traitement thermique, etc.). Enfin, la localisation du défaut est déterminante, car elle permet de déterminer si celui-ci est critique ou s’il est amené à être retirée (lors de l’usinage par exemple) auquel cas, la pièce peut être livrée au client avec son accord. Ainsi, dans les deux cas, l’imagerie est un gain de temps ayant une répercussion directe sur la production ou sur le laboratoire d’analyse. Ce gain est considérable compte tenu du nombre de pièces produites par jour ainsi que leur tarif pouvant atteindre près de 400 000 $.

Métallurgie des aciers
Avant les années 60, il était considéré que le matériau n’avait pas de structure interne. Par la suite, les industriels ont utilisé la mise en forme à chaud pour optimiser la microstructure du produit final. La métallurgie est la science dominante dans le domaine de recherche attenant aux aciers. Elle permet de comprendre l’élaboration, les propriétés et le traitement des métaux. Sa maitrise doit être parfaite afin d’obtenir des aciers forgés de qualité supérieure. Cette première partie a pour but de présenter les procédés d’élaboration des aciers qui seront ensuite inspectés lors du contrôle ultrasonique et d’en donner les propriétés aux différentes échelles connues ainsi que les différents défauts reliés à leur origine pendant la production.

Processus d’élaboration
L’acier est un alliage composé de fer et de carbone comme constituants principaux, d’éléments d’additions, d’éléments d’accompagnements et d’impuretés. Il est élaboré en fonction d’un cahier des charges mécanique et chimique. On distingue quatre grandes étapes lors de l’élaboration d’un acier. La première est la métallurgie primaire dont le but est de transformer le minerai pour aboutir à un métal liquide. La deuxième étape est la métallurgie secondaire, elle comporte plusieurs opérations. On distingue notamment l’affinage (élimination des éléments nocifs), la mise à la nuance qui donne les propriétés chimiques du matériau par l’ajout des composants additionnels. L’acier liquide peut être solidifié par la coulée continue ou dans les lingotières. Les aciers utilisés pour la construction et la carrosserie des voitures sont produits par la coulée continue puis laminés à chaud et à froid avant d’être utilisé. Les aciers à haute résistance mécanique comme ceux utilisés dans cette étude sont coulés en lingotières avec des lingots qui peuvent même peser jusqu’à 300 tonnes métriques. Vient ensuite la mise en forme, cette phase donne une partie des propriétés mécaniques finales. Le lingot est forgé et traité thermiquement par une trempe et des cycles de revenu si nécessaire. Enfin vient la dernière étape de façonnage qui correspond à l’usinage et les traitements de surface (Philibert, Vignes, Bréchet, & Combrade, 1998).

L’un des atouts de l’acier réside dans la flexibilité des valeurs qu’il est possible d’obtenir pour le module d’élasticité E (ou module de Young), la limite élastique Re et la résilience K en fonction de son élaboration. On distingue plusieurs types d’aciers selon le pourcentage massique de carbone. Ce pourcentage varie de 0.03 et 1.7% de masse de carbone (Beaudet, 2009). Plus la teneur est faible et plus l’acier est dit « doux ». Les aciers alliés se distinguent par la présence de certains éléments d’alliage. Ils peuvent être subdivisés en deux catégories : les aciers faiblement alliés contenant moins de 5% massique en éléments d’alliage et les aciers fortement alliés avec plus de 5%. Les autres éléments d’addition ont chacun un rôle. Dans le cas de l’acier utilisé dans cette étude, le manganèse (Mn) augmente la trempabilité, l’usinabilité et favorise la présence d’austénite qui améliore la ténacité, le silicium (Si) accroit la résistance à la déformation, le molybdène (Mo) augmente la trempabilité, la résistance au fluage et la résistance à haute température et enfin le chrome (Cr) forme des carbures qui augmentent la résistance mécanique. Lors de la coulée, la répartition des différents éléments dans les blocs d’aciers peut être considérée comme une diffusion homogène et symétrique (Beaudet, 2009). Cependant, dans le cas des grands lingots, un phénomène connu sous le nom « macroségrégation » peut se produire. Ce phénomène résulte en une répartition hétérogène des éléments d’alliage dans certaines zones. La macroségrégation dans les lingots de grandes tailles doit être contrôlée car elle peut conduire à des variations non acceptables des propriétés mécaniques et, par le fait même au rejet de la pièce.