Photoélasticimétrie

La photoélasticimétrie fut développée au début du XX^e siècle par Ernest George Coker et L. N. G. Filon (en) de l'université de Londres. Leur livre Treatise on Photoelasticity (Traité de photoélasticité), publié en 1930, devint un standard sur le sujet. En parallèle, un travail expérimental important était réalisé avec des améliorations et des simplifications de la technique et l'équipement. Cette méthode devint rapidement très utilisée et de nombreux laboratoires spécialisés furent créés. L'étude en continu des structures fut ensuite créée, ce qui permit le développement de la photoélasticimétrie dynamique, très utile pour l'étude des phénomènes de fracture des matériaux.

Schéma de principe de la photoélasticimétrie plane par réflexion

Cette méthode est basée sur la biréfringence des matériaux acquise sous l'effet des contraintes. Cette biréfringence peut être étudiée en analysant la façon dont la polarisation de la lumière est transformée après le passage à travers le matériau. Par exemple, une onde lumineuse polarisée rectilignement pourra ressortir polarisée elliptiquement. Cela s'explique par le fait que les deux composantes de l'onde subissent un retard l'une par rapport à l'autre. Ce retard est directement relié aux contraintes présentes dans le matériau. On peut donc mesurer les contraintes grâce à cette modification de la polarisation.

Le retard entre les deux composantes de l'onde correspond à un déphasage qui dépend de la longueur d'onde, c'est-à-dire de la couleur. C'est pourquoi les images obtenues avec de la lumière blanche présentent des irisations colorées.

Expérimentalement, on peut simplement utiliser la méthode suivante : une lumière monochromatique est polarisée à l'aide d'un polariseur, envoyée sur l'échantillon à analyser, puis passe à travers un second polariseur. Une lentille convergente permet ensuite de faire l'image de l'échantillon sur un écran. Un rayon de lumière polarisée de façon rectiligne va subir une certaine biréfringence différente selon le trajet qu'il emprunte dans le matériau. Sa polarisation va alors être transformée différemment selon le trajet et le second polariseur va donc éteindre ou pas ces rayons. On verra ainsi apparaître des zones claires ou sombres.

De plus, en utilisant de la lumière blanche, chaque couleur éclaircirait des zones différentes, et on verrait apparaître des irisations colorées .

Photoélasticimétrie d'un patin protecteur de tapis par la biréfringence de son plastique et son reflet dans un miroir.

Les intérêts et les applications de la photoélastimétrie sont nombreux. Pour comprendre l’utilité de cette méthode optique, citons parmi les plus usitées :

- Applications industrielles : la photoélasticimétrie permet de prédire la répartition des contraintes, et de dimensionner en conséquence des composants qui seront sollicités mécaniquement [1]. Elle permet également de détecter d’éventuelles contraintes résiduelles pouvant accidentellement se retrouver dans des pièces après usinage ou thermoformage [2]. Ainsi, les industries automobile et aéronautique recourent à cette méthode, qui leur permet d’éprouver l’efficacité des protocoles de fabrication des pièces et de les contrôler [3].

- Applications en architecture : la construction d’édifices architecturaux ou de génie civil nécessite la connaissance fine des contraintes au sein de la structure, afin d’en prévenir de possibles ruptures. Par exemple, en réalisant une maquette miniature de l’édifice en matériau photoélastique, il est possible d’accéder à des données pour étudier et comparer a posteriori les méthodes de construction des cathédrales de Chartres et Bourges[4].

- Applications en biomécanique : la méthode apporte des éléments pertinents, notamment pour améliorer les systèmes de consolidation par plaques et vis dans le traitement des fractures complexes[5].

• Microscopie en lumière polarisée
• Polarimétrie