Suivi in-situ

Les travaux relativement récents de Krishnapillai et al. [70], présentent la thermographie infrarouge (IR) comme un outil puissant pour détecter les défauts dans des structures com-posites complexes. Les techniques de contrôle par thermographie IR se décomposent en deux groupes (gure 3.6.4) :

3.6. VISUALISATION DE L'ENDOMMAGEMENT

• La thermographie IR dite active

− l'échantillon est excité thermiquement par une source extérieure. La zone endommagée (zone de non contact partiel ou total) modie localement la conductivité thermique et donc l'évolution du champ de température de la surface observée. On enregistre alors la variation de température de la surface pour discerner les zones endommagées.

• La thermographie IR dite passive

− l'échantillon n'est soumis à aucune sollicitation thermique extérieure, on enregistre alors la variation de température de la surface dû à un phénomène dissipatif à c÷ur.

La thermographie IR passive permet de mettre en évidence un défaut en révélant les anomalies dans la variation du ux de chaleur émis naturellement par la pièce. Néanmoins dans un contexte de contrôle non-destructif par exemple, les structures n'émettent pas souvent de la chaleur. En perturbant l'échantillon avec une source externe et en analysant sa réponse thermique (thermographie IR active), des informations non accessibles spontanément sont décelées.

(a) Thermographie IR active (b) Thermographie IR passive

Figure 3.6.4 Schématisation des techniques de thermographie IR, adapté de Steinberger et al.[113]

Toubal et al. [119] ont couplé des essais de fatigue, sur un composite Epoxy/Carbone, à un suivi de la température par une technique de thermographie passive et ont montré que l'utilisation de cette technique permet de suivre l'évolution de l'endommagement lors de leurs essais. Les relations de thermoélasticité couplées à la thermodynamique des processus réver-sibles adiabatiques de solide isotrope élastique (équations 3. 2) permettent d'expliquer la varia-tion de température théorique lors de sollicitavaria-tions mécaniques. Il apparaît clairement qu'une augmentation de contrainte induit une diminution de la température et inversement.

           4ε= ⁽¹−2·ν) E 4σ+ 3·α4T 4T =− ^α ρC_p ·T · 4σ (3. 2) où

α est la coecient de dilatation thermique (K⁻1)

ρ est masse volumique (kg·m⁻3)

C_p est la capacité calorique (J ·kg⁻1·K⁻1)

Cependant l'évolution de température, lors d'un essai de fatigue, est plus complexe (gure 3.6.5). La température de fond ou moyenne augmentant continuellement sur le graphique indique un phénomène dissipatif continu s'accentuant (endommagement, plasticité, localisation de la déformation, ...). D'autre part, les variations successives autour de cette température, dues aux déformations élastiques, correspondent aux cycles de traction-compression alternatifs.

Figure 3.6.5 Evolution de la température d'un composite lors d'essai de fatigue, d'après Toubal et al.[119]

Dans le cadre de cette thèse, l'évolution de la température des échantillons lors d'essais de traction uniaxiale monotone a été enregistrée via une caméra IR modèle FLIR SC7000 équipée d'un objectif de 50mm (gure 3.6.6). Les essais ont été pilotés en vitesse de traverse en s'assurant que la vitesse de déformation initiale résultante est similaire à celle utilisée pour les essais de traction uniaxiale (c'est à dire 10⁻⁴s⁻¹ et10⁻²s⁻¹).

3.6. VISUALISATION DE L'ENDOMMAGEMENT

Figure 3.6.6 Conguration machine lors d'essai de traction uniaxiale avec enregistrement de la variation de température

La déformation plastique et l'endommagement des matériaux sont accompagnés d'une dis-sipation d'énergie, l'utilisation d'une caméra IR couplée à des essais de traction permet donc de mettre en évidence et de suivre les zones de dissipation forte et ainsi comprendre l'évolution de l'endommagement pendant ces essais. L'obtention de la température absolue par thermogra-phie IR est complexe et demande une phase de calibration de l'émissivité des échantillons or la température réelle n'est pas nécessaire dans l'optique de visualiser l'amorçage et la propagation de l'endommagement dans les diérentes formulations. Les diérentes acquisitions ont donc été réalisées pour une émissivité de 1 et seules les tendances et les évolutions des températures sont à considérer.

(a)ε˙= 10⁻4s⁻1 (b)ε˙= 10⁻2s⁻1

Figure 3.6.7 Evolution de la température lors d'un essai de traction de PPC20 Les évolutions de température d'un point localisé sur la surface de rupture (gure 3.6.7), pour les deux vitesses de déformation, font apparaître deux domaines distincts (zone viscoélas-tique et zone de propagation de l'endommagement). Pendant le premier domaine, la

tempé-rature diminue correspondant à une zone où les déformations sont majoritairement élastiques, puis la température augmente indiquant le début de la phase de dissipation où l'endommage-ment s'amorce et se propage. La phase de propagation de l'endommagel'endommage-ment (augl'endommage-mentation de la température) est rapidement suivie de la rupture de l'échantillon, indiquant une rupture sans signe précurseur fort et conrme davantage les conclusions des essais de traction uniaxiale sur la rupture quasi-fragile des composites (section 3.5).

Les thermogrammes IR aux temps caractéristiques - c'est à dire aux instants initiaux, aux débuts de l'amorçage de l'endommagement et à la rupture - pour ces deux essais sont fournis sur la gure 3.6.8. Ces images conrment l'hypothèse énoncée dans la section 3.5, après examen des éprouvettes post-mortem (gure 3.5.6), sur la présence de deux modes d'endommagement. En eet, à faible vitesse de déformation 10⁻⁴s⁻¹ (gure 3.6.8a) l'endommagement s'amorce et se propage dans une seule et unique zone alors qu'à vitesse plus importante 10⁻2s⁻1 (gure 3.6.8b) de multiples zones d'endommagement s'initient sur toute la partie utile de l'éprouvette.

température initiale Amorçage de l'endommagement Rupture de l'éprouvette

(a) Champ de température pourε˙= 10⁻4s⁻1

température initiale Amorçage de l'endommagement Rupture de l'éprouvette

(b) Champ de température pourε˙= 10⁻²s⁻¹

Figure 3.6.8 Images en fausse couleur de l'évolution de la température de PPC20 sollicité en traction uniaxiale

3.6. VISUALISATION DE L'ENDOMMAGEMENT