Chapitre 3 : Suivi de l’endommagement du matériau bois sous sollicitation de traction parallèle
II. 7.2 Suivi par EA et par TI d’un essai entier de traction
Toujours dans le but de labelliser les classes de signaux identifiées auparavant, on a réalisé cette fois-ci un essai de traction en continu jusqu’à rupture. L’essai est suivi entièrement par émission acoustique et thermographie infrarouge en parallèle.
Les signaux recueillis ont été classés par la même méthode exposée auparavant. Les résultats de la classification en terme d’amplitude sont montrés sur la figure 102. Quatre points marquants (A, B, C et D) sont représentés sur la courbe. Ces points sont associés à des
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photos de la surface de l’éprouvette extraites du film enregistré pendant l’essai et à des thermogrammes correspondants extraits du film thermique (figure 103).
Au point A aucun endommagement n’est observé sur la face de l’éprouvette. De plus, le thermogramme correspondant n’affiche aucun changement au niveau de la température (figure 103 Point A). Par contre au point B, bien qu’aucun endommagement visuel ne soit observé sur la surface de l’échantillon, le thermogramme montre un échauffement important au niveau des cernes du BI par rapport à ceux du BF (Figure 103b-Point B). Ceci indique la présence d’un comportement différent entre les cernes du BI et du BF qui pouvait indiquer la présence de microfissurations longitudinales soit au niveau de l’interface BI/BF soit dans le BI. Cette observation confirme donc que la technique d’EA est capable de détecter des endommagements à l’échelle du cerne de croissance (échelle mesoscopique). Ensuite, le point C représente le premier pic de charge associé à la première rupture macroscopique observée sur la surface de l’échantillon (Figure 103 Point C). Les modes d’endommagement observés au point C sont : une propagation de la fissure au niveau de l’interface BI/BF de type RL, une propagation de fissure inclinée traversant à la fois le bois initial et le bois final et la rupture des fibres. Quant à la deuxième rupture macroscopique qui se produit au point D, les modes d’endommagement observés sont: la rupture des fibres et une propagation longitudinale de fissure au niveau de l’interface BI/BF de type RL (figure 103a-Point D).
En terme de réponse acoustique, au point D, on retrouve principalement deux classes de signaux : la classe verte et la classe rouge. Donc ces deux classes pourraient être associées aux deux mécanismes identifiés au point D qui sont la rupture des fibres la fissure longitudinale au niveau de l’interface BI/BF. Or les signaux de la classe rouge sont beaucoup plus énergétiques que ceux de la classe verte donc ils sont attribués à la rupture des fibres ce qui semble cohérent avec nombreuses études de la littérature. Pour la classe verte, comme elle commence à l’échelle micro/méso, elle pourrait être attribuée aux microfissures longitudinales. De plus, la présence de microfissuration longitudinale a été confirmée par l’observation tomographique à l’arrêt 3 qui coïncide avec le point B (figure 102a-Point B). A ce stade, on peut très bien distinguer des signaux de la classe verte et de la classe bleue. En outre, la classe bleue est nettement visible au premier endommagement macroscopique qui coïncide avec le point C (figure 102a- Point C). Cette classe pourrait être attribuée aux autres types de microfissures telles que les microfissures transversales dans les parois des fibres.
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(b)
(c)
(d)
Figure 102 : Résultats de la classification (a) répartition temporelle des différentes classes de signaux (b) classe bleue (c) classe verte (d) classe rouge
35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 0 10 20 30 40 A m pl it ud e ( dB ) Temps (s) 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 0 10 20 30 40 A m pl it ud e ( dB ) Temps (s) 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 0 10 20 30 40 A m pl it ud e ( dB ) Temps (s)
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(a)
(b)
Figure 103 : (a) Photos de la surface de l’échantillon extraites du film à des points particuliers (b) Thermogrammes correspondants
Les valeurs moyennes des descripteurs qui caractérisent chaque classe identifiée dans l’essai de traction suivi par EA et TI simultanément sont résumées dans le Tableau 19. On peut constater que les valeurs moyennes de ces descripteurs sont proches de celles des descripteurs des trois classes identifiées dans la partie II.6 de ce chapitre (Tableau 18). Donc, pour le bois de Douglas sollicité en traction parallèle au fil, on peut suggérer la labellisation suivante pour les trois classes de signaux distinguées:
- Classe verte : microfissuration longitudinale - Classe bleue : microfissuration transversale - Classe rouge : rupture de fibres
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Tableau 19 : Valeurs moyennes et écarts-types dans les parenthèses des descripteurs acoustiques de chaque classe de signaux
II.9- Conclusion
Les travaux exposés dans cette partie comprennent l’étude du comportement en traction longitudinale du Douglas pendant des essais arrêtés et continus, des observations visuelles de la surface des éprouvettes au cours des essais ainsi que sur les faciès de rupture post-mortem, des observations tomographiques ainsi que des informations fournies par la thermographie infrarouge et enfin une analyse des signaux acoustiques recueillis.
L’analyse et le croisement de toutes les informations obtenues nous permettent tout d’abord de proposer une labellisation des trois classes de signaux identifiées. Ensuite nous pouvons conclure sur le scénario qui semble le plus probable pour décrire l’endommagement et la ruine du bois de Douglas sollicité en traction parallèle au fil.
Concernant l’activité acoustique enregistrée, elle peut être regroupée en trois classes : - Classe verte qui pourrait être attribuée à la microfissuration longitudinale
- Classe bleue dont les signaux proviennent de la microfissuration transversale - Classe rouge dont les signaux sont émis par la rupture des fibres
En ce qui concerne le scénario d’endommagement, la réponse acoustique des éprouvettes en Douglas peut être divisée en 3 phases :
La phase I représente le comportement linéaire de l’éprouvette où peu d’activité acoustique est observée. Même si dans certaines éprouvettes quelques salves acoustiques de la classe rouge (rupture de fibres) ont été décelées, les signaux de la classe bleue et de la classe verte sont majoritaires. En effet, sollicitées en traction dans le sens du fil, les trachéides dans le BI et dans le BF s’allongent de la même façon. Cela induit une contrainte de cisaillement longitudinale non seulement à l’interface BI/BF, mais aussi à l’interface fibre/rayon dans le BI et dans le BF à cause de la rigidité différente de deux matières qui constituent ces interfaces. Cette contrainte de cisaillement est d’autant plus importante vu l’important contraste au niveau des densités et des rigidités entre les deux types de bois chez le Douglas. Bien que le niveau de charge soit faible pendant cette phase, des défauts structuraux ponctuels peuvent provoquer une contrainte de cisaillement localement élevée à cause de la concentration de contraintes. Cette concentration de contraintes peut être critique et initie quelques microfissures longitudinales dans les plans (LT) et (LR) (classe verte). De plus, dans les rayons radiaux constitués par des cellules de parenchymes, la résistance en tension
Descripteurs Classe verte Classe bleue Classe rouge
% des signaux 47,7 43,9 8,4
Temps de montée (μs) 78 (178) 36 (59) 442 (2024)
Durée (μs) 371 (371) 226 (219) 3677 (10564)
Amplitude (dB) 44 (4) 46 (6) 65 (12)
Nombre de coups 14 (14) 16 (14) 152 (426)
Nombre de coups au pic 4 (6) 3 (3) 32 (160)
Energie absolue (aJ) 172 (337) 241 (482) 5 107 (2 108)
Fréquence moyenne (kHz) 40 (10) 75 (20) 55 (12)
Fréquence initiale (kHz) 152 (301) 226 (384) 237 (726)
Fréquence de réverbération (kHz) 33 (27) 66 (48) 50 (12)
Pic fréquentiel (kHz) 50 (26) 92 (24) 51 (28)
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transversale est très faible. Même si la contrainte en tension transversale est faible à ce stade, le rapport de résistance R pourrait être élevé. Par conséquent, les microfissurations transversales peuvent aussi s’amorcer dans le plan (RT) (classe bleue). Puisque la densité de ces microfissures est faible pendant cette phase, le changement de comportement global de l’éprouvette n’est rarement observé sur la courbe force-déplacement.
La phase II traduit un comportement non-linéaire de l’éprouvette jusqu’à une chute de charge évidente, où l’activité acoustique augmente de façon significative. Cette phase peut elle aussi être séparée en deux parties. Ceci est principalement lié à l’activité acoustique de la classe rouge.
Dans la partie II-1, l’activité acoustique de la classe rouge est relativement faible et les signaux de forte amplitude sont absents. Par contre, les émissions de la classe bleue et de la classe verte augmentent de manière progressive et régulière. On peut en déduire qu’aux interfaces BI/BF et fibre/rayon, les microfissures transversales et longitudinales continuent à naître et croître. La coalescence et la propagation de ces dernières sollicitées en mode II (figure 87a) forment des fissures macroscopiques longitudinales dans les plans (LT) et (LR). Par contre, la coalescence des microfissures transversales est quasi-absente puisque peu de rupture de fibres (classe rouge) est observé à la phase II-1.
Dans la partie II-2, en plus des mécanismes d’endommagement présentés dans la partie II- 1, les émissions de la classe rouge deviennent beaucoup plus nombreuses et énergétiques. Ceci caractérise la coalescence et la propagation de microfissures transversales accompagnées de la rupture des fibres. Celle-ci trouve son origine surtout dans le BI, où le rapport de résistance R est plus élevé que celui dans le BF. Effectivement, la propagation de la fissure transversale est plutôt de type LT et de type LR (figure 87b page 88) en mode I (figure 87a page 88). Quand un cerne du BI au bord de l’éprouvette est traversé par cette fissure, la charge n’est plus centrée par rapport à l’éprouvette. Dans ce cas, sous l’effet du couplage traction/flexion, à la pointe de la fissure qui se trouve à l’interface BI/BF une concentration de contrainte de pelage (mode I) et de cisaillement (mode II) (figure 87a page 88) va apparaître. Par conséquent, la fissure bifurque du plan (RT) au plan (LT°, une propagation longitudinale de la fissure de type RL (figure 87b page 88) se déclenche de façon instable en mode mixte I+II. Ceci entraine une chute brutale de charge, marquant la fin de la phase II-2. Ici, la rupture de quelques fibres dans le BF est décelée.
La phase III caractérise une phase de rupture accélérée. Suite de la partie 2 de la phase II, la fissuration de type RL est ralentie en attendant qu’une fissure transversale traverse le deuxième cerne du BI. Ces mécanismes permettent à la charge d’augmenter jusqu’à un autre pic de charge, où un deuxième paquet de fibres du BI casse, suivi par une fissuration longitudinale. Ceci par conséquent induit de nouveau une chute de charge. Ce processus se répète jusqu’à la rupture finale.
Enfin, les observations post mortem des éprouvettes montrent des lignes de rupture horizontales dans les bandes du BI. Ceci représente une rupture locale par traction (mode D de la figure 83 page 83). De plus, les fissures provenant de la propagation longitudinale de type RL sont également très visibles sur toutes les éprouvettes.
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