Modelling and experimental determination of ultrasonic attenuation in polycrystalline materials
Modélisation et détermination expérimentale de l’atténuation ultrasonore dans les matériaux polycristallins
Résumé
The flaw detection performance of ultrasonic non-destructive testing on polycrystalline materials can be impaired by a high attenuation of the ultrasonic beam induced by the scattering of ultrasonic waves through the grain boundaries. The objective of this research work is to identify the microstructural characteristics that influence attenuation in two types of materials: coarse-grained isotropic materials - represented here by a nickel-based alloy - and textured anisotropic materials, represented by austenitic steel welds. A finite element modelling approach is implemented by coupling the ATHENA® code with a description of the microstructure at grain scale (GSM). This approach makes it possible to study the contribution of scattering to the attenuation of longitudinal waves in these heterogeneous materials, taking into account their morphological, elastic and crystallographic properties. Simulations are carried out in 2D and 3D for both materials. Scattering attenuation is determined by two methods. On the one hand, it is calculated from the decay of the amplitude of multiple simulated bottom echoes. In this method, the contribution of scattering through the microstructure is isolated by comparison with an attenuation obtained in an equivalent homogenized material. On the other hand, it is calculated by decomposing the ultrasonic beam transmitted through the sample into an angular spectrum of monochromatic plane waves. The numerical results show the influence of many parameters on attenuation such as grain size, grain size distribution, crystallographic orientation, grain boundaries and sensor frequency. Finally, the numerical results are compared with experimental data and theoretical predictions obtained by analytical models. This comparison shows the capability of the GSM approach, including 3D simulation to reproduce scattering attenuation in complex microstructures of non-textured isotropic and textured anisotropic materials.
Les performances de détection de défauts des contrôles non destructifs par ultrasons sur les matériaux polycristallins, peuvent être altérées par une forte atténuation du faisceau ultrasonore induite par la diffusion des ondes ultrasonores par les joints de grains. L’objectif de ce travail de thèse est d’identifier les caractéristiques microstructurales influentes sur l’atténuation dans deux types de matériaux : les matériaux isotropes à gros grains – représentés ici par un alliage à base nickel et les matériaux anisotropes texturés, représentés par les soudures en acier austénitique. Une approche de modélisation par éléments finis est implémentée en couplant le code ATHENA®, avec une description de la microstructure à l’échelle des grains (GSM). Cette approche permet d’étudier la contribution de la diffusion à l’atténuation des ondes longitudinales dans ces matériaux hétérogènes, en tenant compte de leurs propriétés morphologiques, élastiques et cristallographiques. Des simulations sont effectuées en 2D et 3D pour les deux matériaux. L’atténuation par diffusion est déterminée par deux méthodes. D’une part, elle est calculée à partir de la décroissance de l’amplitude des échos de fond multiples simulés. Dans cette méthode, la contribution de la diffusion par la microstructure est isolée par comparaison avec une atténuation obtenue dans un matériau homogénéisé équivalent. D’autre part, elle est calculée par décomposition du faisceau ultrasonore transmis à travers l’échantillon en spectre angulaire d’ondes planes monochromatiques. Les résultats numériques montrent l’influence de nombreux paramètres sur l’atténuation tels que la taille de grains, la distribution des tailles de grains, l’orientation cristallographique, les joints de grains et la fréquence du capteur. Enfin, les résultats numériques sont comparés avec des données expérimentales et des prédictions théoriques obtenues par des modèles analytiques. Cette comparaison montre la capacité de l’approche GSM, notamment la simulation 3D à reproduire l’atténuation par diffusion dans les microstructures complexes de matériaux isotropes non texturés et anisotropes texturés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)