Étude de l’endommagement de matériaux composites par ... · PDF file...

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  • N° ordre 2009-ISAL-0056 Année 2009

    Thèse

    Étude de l’endommagement de matériaux composites par tomographie X

    et émission acoustique

    Présentée devant L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon

    pour obtenir

    le grade de docteur

    École doctorale : Matériaux de Lyon ………………………………………

    Spécialité : Génie des matériaux

    Par

    Vincent CARMONA

    Soutenue le 15 Juillet 2009 devant la Commission d’examen

    Jury Directeur J. Courbon E. Maire Rapporteur L. SALVO J. WEISS Président J. LAMON

    Thèse préparée au laboratoire MATEIS de l’INSA de Lyon

  • Résumé

    Nos travaux s’intéressent à l’évolution de l’endommagement de matériaux composites. Cette évolution est mesurée à l’aide de deux techniques : l’émission acoustique et la to- mographie aux rayons X. L’originalité de nos travaux réside dans le couplage de ces deux techniques et dans l’utilisation d’une procédure rapide d’acquisition d’images.

    Les composites étudiés sont formés d’une matrice en alliage d’aluminium renforcée par des particules sphériques. Suivant la composition de la matrice et la taille des renforts, le mécanisme d’endommagement diffère. L’endommagement intervient par rupture des par- ticules ou décohésion de l’interface.

    La procédure d’acquisition rapide des images de tomographie permet la réalisation d’un essai de traction continu. La rapidité de l’acquisition permet aussi de multiplier le nombre d’états de déformation observés, ce qui améliore la description faite des différentes étapes de l’endommagement — amorçage, croissance et coalescence.

    La visualisation de l’endommagement facilite l’interprétation de l’émission acoustique enregistrée au cours d’un essai mécanique. Par rapport à des techniques classiques telles que la micrographie optique, la tomographie X peut apporter une observation tridimen- sionnelle et in-situ de l’endommagement. Au cours de nos travaux, nous avons confronté, notamment de manière quantitative, les mesures obtenues par chacune des techniques. Des corrélations ont ainsi pu être établies entre différents paramètres tels que l’activité acous- tique et le nombre de sites d’endommagement, l’énergie de l’émission acoustique et l’aire de fissuration. . .

    Mots clefs : composite à matrice métallique, endommagement, tomographie X, émis- sion acoustique.

    Abstract

    Acoustic emission and X-ray tomography are used to study damage evolution of compo- site materials. This work is characterized by the coupling of these two particular techniques and by a new and fast tomography acquisition procedure.

    The metal matrix composites studied are made of aluminium alloys reinforced by cera- mic particles. Depending on the matrix composition and the particle size damage occurs by decohesion or by particle fracture.

    The interpretation of the acoustic activity during a mechanical test is easier when da- mage is observed. And, actually tomography can provide a 3D imaging of damage during a mechanical test. This study confronts in a quantitative way results obtained by tomography and acoustic emission. Therefore, we have been able to ascertain several correlations bet- ween parameters from both techniques. For example, acoustic activity is linked to particles fracture whereas the acoustic emission energy is related to the fracture area.

    The fast tomography technique allows us to perform a continuous tensile test. The fast setup allows to increase of number of scans by test and thus improves the description of damage.

    Key words : metal matrix composite, damage, X-ray tomography, acoustic emission.

  • Remerciements

    Ce manuscrit propose un « résumé » de quatre ans de vie au sein du laboratoire GEMPPM/MATÉIS. Ce résumé, nommé thèse, présente une réalité altéré par le point de vue scientifique adopté. J’aimerai remercier chaleureusement les personnes qui m’ont supporté au cours de ces quatre ans, qu’elles aient contribué à l’avancement de ce projet doctoral ou non. Je ne citerai, ici, personne car j’espère fortement qu’elles se reconnaîtront. Je m’en tiendrai donc aux remerciements d’usage en évoquant les personnes sans qui mes travaux n’auraient pas eu lieu. Que les personnes oubliées dans cette page me pardonnent mon impolitesse.

    Je remercie tout d’abord le ministère qui a financé cette thèse, J.-Y. Cavaillé pour m’avoir accueilli au sein du laboratoire ainsi que l’école doctorale des matériaux de Lyon et son directeur : J.-M. Pelletier. Mes pensées se dirigent ensuite vers Joël Courbon et Éric Maire qui ont encadré mes études doctorales. J’exprime ma reconnaissance à l’ensemble du personnel du laboratoire et en particulier à l’équipe DUSI qui a animé mes semaines : Florent Philip, Lucien Deville, Maher Shaira, Marie-Aude Ploix, Nathalie Godin, Pape Arago Bodian, Phillippe Guy, Rafael Estevez, Stéphanie Deschanel, Thomas Monnier. . . Je pense aussi au personnel du secrétariat et de l’atelier sans qui peu serait accompli : G. Massal, J. Bigot, R. Rochette, S. Gonnet, V. Chassergue. . . J’en profite pour remercier Jérôme Adrien et Olivier Caty pour les différents coups de main rendus.

    Je remercie l’ensemble de la « plateforme TP physique 2eannée » avec qui j’ai eu plaisir à enseigner. Un grand merci à Émilie Pourchez/Rouèche, grâce à elle la vulgarisation scientifique devient un jeu d’enfants.

    Je témoigne de mon affectation à mes parents qui m’ont offert l’éducation qui est mienne. Je n’oublie pas non plus les différentes rencontres qui m’ont fait aimer la science.

    Je vous remercie enfin vous lecteurs : Aurélie, fidèle amie qui a corrigé les fautes de grammaire, J. Weiss et L. Salvo qui ont accepté de critiquer mon travail. . .

    5

  • L’amour, cette chose banale entre toutes, cette motiva- tion religieuse ultrastéréotypée, possédait plus de puissance, Sol le savait maintenant, que les interactions fortes, les interactions faibles, l’électromagnétisme ou la gravité. L’amour était toutes ces forces, et d’autres encore. L’amour n’était rien de moins que l’Espace qui Lie, cette impossibilité subquantique transportant les informations de photons à photons.

    Dan Simmons — La chute d’Hypérion

    Ici repose celui dont le nom était écrit dans l’eau.

    Épitaphe de John Keats

  • Table des matières

    Introduction 13

    I De l’endommagement, la tomographie X et l’émission acoustique. 15 I.1 Mécanismes d’endommagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

    I.1.1 Hétérogénéités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 I.1.2 Amorçage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    I.1.2.a Fissuration et inclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 I.1.2.b Fissuration et interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 I.1.2.c Fissuration et matrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 I.1.2.d Compétition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    I.1.3 Croissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 I.1.4 Coalescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

    I.2 Mesures de l’endommagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 I.2.1 Visualisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 I.2.2 Méthodes indirectes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 I.2.3 Tomographie X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    I.2.3.a Principes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 I.2.3.b Voir l’endommagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    I.2.4 Émission acoustique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 I.2.4.a Sources et propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 I.2.4.b Suivi de l’endommagement . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

    i Suivi de l’activité acoustique . . . . . . . . . . . . 27 ii Localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 iii Discrimination des modes d’endommagement . . 28 iv Loi puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 v Prédire la rupture . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    I.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

    II Matériaux et protocoles expérimentaux 35 II.1 Matériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    II.1.1 Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 II.1.2 Renforts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    II.1.2.a Dépôts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    9

  • II.1.3 Élaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 II.1.3.a Obtention des matériaux composites . . . . . . . . . . . . 38 II.1.3.b Traitement thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 II.1.3.c Usinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    II.2 Essais mécaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 II.2.1 Essais à l’ESRF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    II.2.1.a Procédure classique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 II.2.1.b Procédure d’acquisition en continu . . . . . . . . . . . . . 40

    II.2.2 Essais à