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1 CARACTÉRISATION DES MÉCHANISMES D’ENDOMMAGEMENT DES MATÉRIAUX COMPOSITES À MATRICE POLYMÈRE PAR ULTRASONS ET ÉMISSION ACOUSTIQUE CARACTERIZATION OF THE DAMAGE MECHANISMS IN POLYMER COMPOSITE MATERIALS BY ULTRASONIC WAVES AND ACOUSTIC EMISSION Walid HARIZI (a) , Salim CHAKI (a) , Gérard BOURSE (a) , Mohammed OURAK (b) (a) Département Technologie des Polymères et Composites et Ingénierie Mécanique, Ecole des Mines de Douai, 941 rue Charles Bourseul BP 10838, 59508 Douai Cedex, France (b) Département d’Opto-Acousto-Electronique, IEMN, URM CNRS 8520, Université de Valenciennes, Mont Houy BP 311, 59313 Valenciennes, Cedex, France Résumé Les matériaux Composites à Matrice Polymère (CMP) connaissent un essor considérable en remplaçant de plus en plus les matériaux métalliques dans l’industrie du transport aéronautique, automobile, ferroviaire, et même dans celle des équipements sous pression. Cependant, leur hétérogénéité et leur anisotropie rendent plus difficile la compréhension et la détection de leur endommagement sous sollicitation mécanique, qui est interne et multi-échelles, dépendant à la fois de la matrice et du renfort utilisés. Dans ce travail, nous nous intéresserons à la caractérisation non destructive des mécanismes d’endommagement des CMP en combinant deux techniques de Contrôle Non Destructif (CND): Ultrasons (US) et Emission Acoustique (EA). Les ondes longitudinales sont utilisées pour évaluer l’état initial du matériau à partir de cartographies (vitesse, atténuation, masse volumique) obtenues en mode C-scan. L’émission acoustique est utilisée quant à elle pour la détection et l’identification des endommagements générés sous sollicitation mécanique. L’objectif principal de ce travail consiste à analyser les types d’endommagement obtenus sous sollicitation mécanique, en cherchant à les relier aux imperfections de fabrication du matériau, détectées lors de la caractérisation de l’état initial. Abstract The Polymer Composite Materials (PCM) are experiencing strong growth today in industry while replacing metallic materials in many fields, such as aerospace, automotive, railway, and pressure equipments. However, their heterogeneous and anisotropic structure make more difficult the understanding and characterization of their damage under mechanical loading, which is internal and occurs in multi scales (micro, meso and macro). In this study, nondestructive characterization of the PCM damage mechanisms by combining two techniques, namely ultrasonic waves and acoustic emission was achieved. Longitudinal waves in C-scan representation were used to characterize initial state of the tested materials, where high resolution maps of velocity, attenuation and density were obtained and analyzed. The acoustic emission technique was used for detection and identification of the occurred damage mechanisms under uniaxial loading. The principal result of this work lies in linking the observed manufacture imperfections of the materials with occurring damage under mechanical loading.

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CARACTÉRISATION DES MÉCHANISMES D’ENDOMMAGEMENT DES MATÉRIAUX COMPOSITES À MATRICE POLYMÈRE PAR

ULTRASONS ET ÉMISSION ACOUSTIQUE CARACTERIZATION OF THE DAMAGE MECHANISMS IN POLYMER COMPOSITE MATERIALS BY ULTRASONIC WAVES AND ACOUSTIC

EMISSION

Walid HARIZI(a), Salim CHAKI(a), Gérard BOURSE(a), Mohammed OURAK(b)

(a) Département Technologie des Polymères et Composites et Ingénierie Mécanique, Ecole des Mines de Douai, 941 rue Charles Bourseul BP 10838, 59508 Douai Cedex, France

(b) Département d’Opto-Acousto-Electronique, IEMN, URM CNRS 8520, Université de Valenciennes, Mont Houy BP 311, 59313 Valenciennes, Cedex, France

Résumé

Les matériaux Composites à Matrice Polymère (CMP) connaissent un essor considérable en remplaçant de plus en plus les matériaux métalliques dans l’industrie du transport aéronautique, automobile, ferroviaire, et même dans celle des équipements sous pression. Cependant, leur hétérogénéité et leur anisotropie rendent plus difficile la compréhension et la détection de leur endommagement sous sollicitation mécanique, qui est interne et multi-échelles, dépendant à la fois de la matrice et du renfort utilisés.

Dans ce travail, nous nous intéresserons à la caractérisation non destructive des mécanismes d’endommagement des CMP en combinant deux techniques de Contrôle Non Destructif (CND): Ultrasons (US) et Emission Acoustique (EA). Les ondes longitudinales sont utilisées pour évaluer l’état initial du matériau à partir de cartographies (vitesse, atténuation, masse volumique) obtenues en mode C-scan. L’émission acoustique est utilisée quant à elle pour la détection et l’identification des endommagements générés sous sollicitation mécanique. L’objectif principal de ce travail consiste à analyser les types d’endommagement obtenus sous sollicitation mécanique, en cherchant à les relier aux imperfections de fabrication du matériau, détectées lors de la caractérisation de l’état initial.

Abstract

The Polymer Composite Materials (PCM) are experiencing strong growth today in

industry while replacing metallic materials in many fields, such as aerospace, automotive,

railway, and pressure equipments. However, their heterogeneous and anisotropic structure

make more difficult the understanding and characterization of their damage under

mechanical loading, which is internal and occurs in multi scales (micro, meso and macro).

In this study, nondestructive characterization of the PCM damage mechanisms by

combining two techniques, namely ultrasonic waves and acoustic emission was achieved.

Longitudinal waves in C-scan representation were used to characterize initial state of the

tested materials, where high resolution maps of velocity, attenuation and density were

obtained and analyzed. The acoustic emission technique was used for detection and

identification of the occurred damage mechanisms under uniaxial loading. The principal

result of this work lies in linking the observed manufacture imperfections of the materials with

occurring damage under mechanical loading.

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Mots clés : Composites à Matrice Polymère ; Endommagement ; CND ; Ultrasons; Emission Acoustique.

Keywords : Polymer Composite Materials; Damage; NDT; Ultrasonic Testing; Acoustic Emission.

1. INTRODUCTION

Les matériaux Composites à Matrice Polymère (CMP) sont des matériaux légers, résistant aux milieux corrosifs et présentant des propriétés mécaniques et physiques remarquables. Parmi ce type de matériaux figurent les composites fibres de verre/ matrice époxyde, leur mise en œuvre comporte plusieurs phases dont la plus critique est la réticulation de la matrice époxyde. Au cours de cette étape la pièce passe de l’état d’empilement des plis de préimprégné à l’état de structure rigide où la polymérisation s'accompagne, inévitablement, de l'apparition d'interstices fermés sous forme de porosités et d'inclusions gazeuses dont la forme, la taille et la répartition sont très variables selon le matériau et le procédé de fabrication. Malgré leur dépendance aux modes de sollicitations, les mécanismes d’endommagement des CMP sont généralement : la fissuration matricielle, la décohésion interfaciale entre fibre/matrice, le pull-out ou l’arrachement, la rupture des fibres ainsi que le délaminage entre les plis pour les composites stratifiés [1,2].

La méthode ultrasonore classique C-Scan peut être utilisée pour visualiser les défauts et caractériser les propriétés mécaniques ou l'endommagement des matériaux via des mesures de vitesse de propagation ou d'atténuation. La vitesse et l’atténuation des ondes ultrasonores sont deux paramètres sensibles à l’endommagement, et ne peuvent pas être mesurés sans la connaissance de l’épaisseur locale de l’échantillon étudié [3]. La densité est tout à fait nécessaire pour la détermination des propriétés élastiques locales. L’emploi des techniques ultrasonores pour la mesure de ces propriétés a fait l'objet de plusieurs travaux de recherche sur des plaques minces et épaisses. Une plaque est considérée comme épaisse, pour la propagation des ondes ultrasonores, si deux échos successifs peuvent être séparés dans le domaine temporel. Il est relativement simple, dans ce cas, de déterminer la vitesse et l’épaisseur simultanément. Dans le cas des plaques minces, où les échos se chevauchent, juste un ou deux de ces quatre paramètres sont mesurables simultanément [3]. Graciet et Hosten proposent [3] une méthode mixte pour la détermination simultanée de ces quatre paramètres: l’épaisseur et la vitesse longitudinale sont déterminées directement à partir des temps de vol, alors que la densité et l’atténuation sont déterminées par analyse fréquentielle des deux premiers échos. L’étude de l’évolution de la vitesse, l’atténuation et la masse volumique des pièces en CMP après la mise en service, en comparaison avec l'état initial, permet un suivi de l’évolution d’endommagement et une estimation de la durée de vie résiduelle de la structure.

Sous sollicitations mécaniques, la technique d'émission acoustique est largement utilisée pour la détection et le suivi en temps réel des endommagements opérés dans le matériau L'amplitude des salves d'émission acoustique est de loin le descripteur le plus utilisé, car le plus simple et le plus discriminant des signatures acoustiques des mécanismes d’endommagement susceptibles d’apparaitre dans les CMP [2,5]. En revanche, une analyse statistique multi-variables prenant en compte plusieurs descripteurs temporels et/ou fréquentiels et aussi dans le domaine temps-fréquence est souhaitable, par fois nécessaire, pour discriminer les mécanismes d'endommagements dans des configurations de matériaux et/ou de chargements complexes [4,6,7,8,9].

A la différence des matériaux métalliques classiques, les CMP renferment des défauts, tels que des porosités, hétérogénéité de répartition des fibres, etc., faisant partie inévitablement de leur composition. Sous sollicitations mécaniques, les divers mécanismes d’endommagement des CMP apparaitront autour de ces défauts présents à l’état initial du

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matériau, d’où la nécessité de les caractériser juste après fabrication et avant tout chargement mécanique pour comprendre le lien entre l'état initial et l'endommagement.

L’objectif de cette étude est la caractérisation par méthode ultrasonore et par émission acoustique de l’endommagement des CMP type fibres de verre/matrice époxyde sous sollicitation mécanique de traction pure. L’étude porte sur des échantillons « modèles » unidirectionnels dont la signature acoustique de chaque mécanisme d’endommagement est relativement facile à identifier. L'état initial des éprouvettes est caractérisé par C-Scan où des cartographies de vitesse, d'atténuation et de masse volumique sont obtenues avec une grande résolution (échantillonnage des signaux à 1 GHz) permettant de déceler les zones de faiblesse et de prédire, le cas échéant, l'emplacement de la rupture. L'endommagement des éprouvettes, quant à lui, est suivi en temps réel par émission acoustique. Les résultats obtenus seront exploités et discutés en vue d’améliorer les différentes étapes de cette étude expérimentale.

2. MATERAIU SUJET D’ETUDE

Il a été élaboré à partir de feuilles de fibres de verre, unidirectionnelles, de type E pré-imprégnées de résine époxyde non polymérisée Hexply M9/M10 (voir tableau 1). Les feuilles de fibres en tissu sergé 2/2 seront utilisées pour l'incorporation des talons aux plaques servant à fabriquer des éprouvettes pour les essais mécaniques.

Type de préimprégné

Composition Masse

volumique (g/cm3)

Volume fibre (%)

Epaisseur pli polymérisé

(mm)

Tissu équilibré Sergé 2/2

Fibre de verre E 2,6 50 0,46

Résine époxyde 1,2

Unidirectionnel Fibre de verre E 2,6

55 0,83 Résine époxyde 1,2

Tableau 1 : Propriétés structurales des préimprégnés

Les procédés de fabrication des plaques CMP en fibres de verre restent de nos jours, même à l'échelle industrielle, largement artisanaux, et chacun détient sa méthode en fonction des applications visées. Le procédé de fabrication des plaques CMP mis en œuvre dans cette étude a été optimisé pour avoir, dans la mesure du possible, des plaques à faces planes et parallèles leur assurant une épaisseur uniforme. Ces exigences favoriseront de bonnes conditions des mesures ultrasonores en particulier. Pour satisfaire ces exigences, nous avons opté pour le moulage par compression.

Les talons sont construits par le biais de bandes en tissu sergé 2/2 dont les fibres sont

orientées à 45°, collées sur les deux extrémités de l’empilement principal comme

préconise la norme NF EN ISO 527-5. La figure 1 montre un exemple de plaques unidirectionnelles 0° obtenues à l'aide de notre procédure.

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Figure 1: Plaque unidirectionnelle 0°

La micrographie (figure 2) effectuée par microscopie optique dans l’épaisseur sur un

échantillon prélevé dans la plaque 0° montre des zones pauvres en fibres de verre, ainsi que

l’existence de quelques porosités surfaciques. Evidemment, un matériau composite n’est

jamais parfait, structurellement parlant, il contiendra toujours et inévitablement des porosités

et des inclusions gazeuses de forme, de taille et de localisation très variables. Ce sont des

défauts internes dits interstices fermés, c'est-à-dire inaccessibles par des agents agressifs

extérieurs [10]. extérieurs [10].

Figure 4 : Micrographie prise par MO en épaisseur d’un échantillon sectionné à 90° de la plaque CMP

dont les fibres sont orientées à 0° par rapport à la direction de sollicitation.

Manque

du renfort

Porosités

Figure 2 : Micrographie optique dans l’épaisseur d’un échantillon prélevé à 90° dans la plaque CMP

dont les fibres sont orientées à 0° par rapport à la direction de sollicitation

Des éprouvettes de traction UD 0° et 90° sont découpées dans les plaques 0° et 90° par scie diamantée, leurs dimensions sont illustrées à la figure 3 et détaillées dans le tableau 2.

L

L1 L2h1

e

Figure 3 : Représentation en épaisseur des éprouvettes découpées à partir des plaques 0° et 90°

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Symboles Désignation Valeurs

(mm)

L Longueur totale 250

L1 Distance entre talons 150±1

L2 Longueur des talons ≥ 50

b Largeur 20±0,5

e Épaisseur de l’éprouvette 3,5±0,2

h1 Épaisseur des talons et zone utile 7,5

Tableau 2 : Dimensions des éprouvettes d’essai mécanique

3. PROCEDURES EXPERIMENTALES

3.1. C-Scan ultrasonore

Le dispositif expérimental mis en œuvre au cours de cette étude comporte deux plaques

de verre de faces planes et parallèles au fond de la cuve créant un volume d’air entre elles

(voir figure 4.a et 4.b) qui sera couvert par l'éprouvette CMP maintenue à l'aide d’un mastic

d’étanchéité (figure 4.a).

Figure 4 : Dispositif expérimental permettant la détermination simultanée de l’épaisseur et de la

densité du spécimen, la vitesse et l’atténuation de l’onde longitudinale

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L’ensemble sera immergé d’eau en maintenant sa température à 20°C. Le scan

ultrasonore se fait à une hauteur "Z" fixe entre les plaques de verre et le transducteur (figure

4.b). L’écho de référence est celui qui se propage dans l’eau et se réfléchit à l’interface

eau/verre, il sera représenté par l’écho S1. Une fois le transducteur est au dessus de

l'éprouvette CMP, deux échos apparaissent: S2 traduisant une propagation dans l'eau et une

réflexion sur l'interface eau/éprouvette, S3 correspond à une propagation composée

(eau/éprouvette/eau) avec une réflexion sur l'interface éprouvette/air (figure 4.c). Le volume

d’air créé entre les deux plaques de verre permet d'avoir une réflexion maximale au niveau

de l'interface éprouvette/air et donc la détectabilité aisée de l'écho S3.

Une représentation temporelle (A-scan) des signaux S1 et (S2,S3) est montrée à la figure

4.c. Soient t1, t2 et t3 respectivement les temps de vol (TOF : Time Of Light) des échos S1, S2

et S3. On peut ainsi déterminer l’épaisseur de l’échantillon (e) par la formule (1) et la vitesse

de l’onde longitudinale (VL) par (2).

01 2

2

Ce t t (1)

1 20

3 2

L

t tV C

t t (2)

où C0 est la vitesse de propagation ultrasonore dans l’eau.

Soit, S*(f) la transformée de Fourier discrète de S(t); on définit l’amplitude Ai(f0) à la fréquence f0, de l’écho i relativement au signal de référence S1 par :

0

0

1 0

i

i

S fA f

S f

(3)

On peut facilement démonter à partir des lois de l'acoustique ultrasonore les formules (4) et (5) indiquant respectivement la densité et l’atténuation ultrasonore du spécimen.

2 |0

2 |

1

1

eau verre

L eau verre

A RZ

V A R

(4)

3 0 |

0 2

|

1ln

2

eau verre

eau CMP

A f Rf

e T

(5)

Où Rij et Tij sont respectivement les coefficients de réflexion et de transmission à l’interface entre les milieux i et j en incidence normale. Z0=ρ0C0 est l’impédance acoustique de l’eau.

Mesurer l’atténuation dans des matériaux absorbants comme le notre impose à travailler à une gamme de fréquence bien choisie. Si la fréquence est assez élevée, les signaux seront très atténués, ainsi toute mesure sera impossible. La limite inférieure est imposée par la sensibilité; si la fréquence est faible, on n’aura pas une bonne sensibilité et les mesures seront non représentatives. Ainsi, on choisira un transducteur focalisé (Focal= 63,5 mm), de fréquence centrale 5 MHz et de 12,7 mm de diamètre ayant une tâche focale de 1,5 mm.

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A l'aide de ce dispositif expérimental et des équations précédentes, les cartographies de vitesse, d'atténuation et de masse volumique de l'échantillon ont été obtenues pour caractériser l'état initial des éprouvettes avant de les solliciter mécaniquement par traction pure.

3.2. L’émission acoustique (EA)

Comme indiqué précédemment, l'émission acoustique est utilisée en temps réel pour suivre l'endommagement des éprouvettes sous machine de traction. La vitesse de chargement choisie au cours de tous les essais est fixée à 0,5 mm/min. La photo du dispositif expérimental est montrée sur la figure 5.

Figue 5 : Dispositif expérimental pour les essais en émission acoustique

Il est constitué d'une machine de traction électrique de capacité 100 kN, un extensomètre micrométrique pour suivre l'allongement de l'éprouvette et un système d'acquisition d'émission acoustique. Ce dernier est composé de deux capteurs d'EA piézoélectriques Nano 30 de fréquence de résonance 300 kHz collés linéairement sur une face de l'éprouvette et reliés à des pré-amplificateurs (40dB de gain) connectés à un PC d'acquisition numérique et de traitement des signaux. Le seuil en amplitude pour l’acquisition des signaux a été fixé à 38 dB pour palier au bruit de fond environnant.

4. RESULTATS ET DISCUSSIONS

4.1. Résultats des C-scan ultrasonores

Les figures 6 et 7 présentent, respectivement, les résultats des C-scan en vitesse, masse volumique et atténuation pour les échantillons UD 0° et 90° à l'état initial. L'interprétation de ces cartographies n'est pas simple au regard de la complexité de la structure biphasée des matériaux CMP. Néanmoins, et à part l'hétérogénéité spatiale de ces cartographies (vitesse, atténuation et densité) au sein même d'une éprouvette, on remarque aussi l'existence de quelques concentrations de discontinuités de propriétés localisées et orientées selon la direction des fibres 0° ou 90°. Entre les trois cartographies, l'atténuation est la plus contrastée (3 couleurs) et donc la plus facile à interpréter et à considérer pour prédire les zones d'endommagement susceptibles d'apparaitre sous sollicitation mécanique par traction pure. Nous repérons par des lignes noires pointillées ces zones de faiblesses sur les cartographies d'atténuation pour les deux échantillons UD 0° et 90° et nous les comparerons avec les photos des éprouvettes après rupture.

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rupture.

mm

mm

Vitesse ultrasonore: VL (m/s)

20 40 60 80 100 120 140

5

10

15

mm

mm

Masse volumique: (g/cm3)

20 40 60 80 100 120 140

5

10

15

mm

mm

Atténuation fréquentielle à f0=4,68 MHz: (dB/mm)

20 40 60 80 100 120 140

5

10

15

3200

3400

3600

3800

4000

4200

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

4

6

c)

b)

a)

Figure 6 : Cartographies en US d’un échantillon UD 0° avant sollicitation mécanique Figure 6 : Cartographies en US d’un échantillon UD 0° avant sollicitation mécanique

mm

mm

Vitesse ultrasonore: VL (m/s)

20 40 60 80 100 120 140

5

10

15

mm

mm

Masse volumique: (g/cm3)

20 40 60 80 100 120 140

5

10

15

mm

mm

Atténuation fréquentielle à f0=4,68 MHz: (dB/mm)

20 40 60 80 100 120 140

5

10

15

2500

3000

3500

0.5

1

1.5

2

4

6

c)

b)

a)

Figure 7 : Cartographies en US d’un échantillon 90°avant sollicitation mécanique

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9

4.2. Résultats d'émission acoustique

Les essais de traction pure avec un suivi de l'endommagement par émission acoustique ont été pratiqués sur les deux éprouvettes ayant été testées précédemment en C-Scan.

Les propriétés mécaniques mesurées des échantillons UD 0° (3 échantillons) en terme de contrainte à la rupture, module d’Young et de déformation à la rupture sont présentées au tableau 3.

E (GPa) σR (MPa) εR (%)

42 ± 2 648 ± 39 1,4 ± 0,2

Tableau 3 : Propriétés mécaniques de l'UD 0°

La figure 8-a montre l’évolution de l’amplitude des salves d'émission acoustique en fonction du chargement mécanique pour l’échantillon 0°. Globalement, on remarque l'existence de deux plages d’amplitudes :

- [38-70dB] : commence massivement dès le début du chargement et continue jusqu’à la fin de l’essai, elle correspond à la fissuration matricielle;

- [70-100dB] : quelques apparitions en début d'essai et forte apparition à partir de 0,7% de déformation et continue jusqu'à la fin de l'essai. Elle correspond à la rupture de fibres.

Plusieurs algorithmes de classification des données sont utilisés dans la littérature [4,6,7,8,9] pour discriminer les mécanismes d'endommagement mis en œuvre. Nous ne les détaillerons pas dans cet article, mais nous exposerons les résultats du classificateur "k-means" appliqué aux données d'EA collectées pour les deux échantillons (pour plus de détails sur la méthode "k-means", le lecteur peut se référer à la référence [4]). La figure 8-b montre ces résultats pour l'échantillon UD 0°, où la fissuration matricielle contribue par 52% de salves alors que la rupture des fibres représente 48%.

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10

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Durée normalisée

Fré

qu

en

ce

mo

ye

nn

e n

orm

alis

ée

Cluster 1

Cluster 2

Centroids

52,37 %

47,63 %

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.80

100

200

300

400

500

600

700

Déformation (%)

Co

ntr

ain

te (

MP

a)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.830

40

50

60

70

80

90

100

Am

plit

ud

e (

dB

)

a)

b)

Figure 8 : Données en EA d’échantillon CMP UD 0° ; a) Evolution de l’amplitude des salves au cours

de l’essai de traction monotone, b) Application d’un classificateur (K-means) sur les données d’EA

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La figure 9 montre la photo de la rupture finale de l’échantillon UD 0° après l’essai de chargement mécanique en traction simple. Cette rupture est engendrée, en premier lieu, par des fissurations matricielles longitudinales le long des fibres, suivi à la fin par des ruptures de ces derniers. Ces résultats ont été bien décrits par l'émission acoustique et en majeure partie prédit par la cartographie d'atténuation des ondes ultrasonores de l'état initial de l'échantillon.

Figure 9: Rupture finale de l’éprouvette UD 0°

L'échantillon UD 90°, quant à lui, présente des propriétés mécaniques trop faibles par rapport à l'UD 0° (tableau 4).

E (GPa) σR (MPa) εR (%)

9,6 ± 0,5 26,2 ± 4,4 0,29 ± 0,03

Tableau 4: Propriétés mécaniques de l'UD 90°

L'évolution de l'amplitude des salves en fonction du chargement mécanique ainsi qu'un résultat de classification par la méthode k-means portant sur la fréquence moyenne et la durée des salves sont montrés à la figure 10-a et 10-b respectivement. La disposition verticale des fibres par rapport au sens de la traction ne permet, a priori, d'avoir que deux mécanismes d'endommagement à savoir la fissuration matricielle avec une contribution de l'ordre de 17 % des salves et la décohésion fibre/matrice qui est majoritaire et représente 83% des salves.

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35-5

0

5

10

15

20

25

30

Déformation (%)

Co

ntr

ain

te (

MP

a)

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.3540

45

50

55

60

65

70

75

Am

plitu

de

(d

B)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Durée normalisée

Fré

qu

en

ce

mo

ye

nn

e n

orm

alis

ée

Cluster 1

Cluster 2

Centroids

16,88 %

83,12 %

a) b)

Figure 10: Données en EA d’échantillon CMP UD 90° ; a) Evolution de l’amplitude des salves au cours de l’essai de traction monotone, b) Application de K-moyennes sur les données d’EA

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Comme prédit précédemment lors de la caractérisation ultrasonore par C-scan de l'état initial de cet échantillon, la rupture finale a eu lieu perpendiculairement au sens de la traction dans la zone prédite (x=46 mm, figures 11 et 7-a).

Figure 11 : CMP UD 90° après essai de chargement mécanique en traction monotone

5. CONCLUSION ET PERSPECTIVES

L'objectif de cette étude était la caractérisation de l'endommagement des CMP sous

sollicitation mécanique en traction pure en prenant en compte, lors de l'interprétation des

résultats, l'état initial des éprouvettes. Ce dernier a été caractérisé par des cartographies

ultrasonores de vitesse, de masse volumique et d'atténuation par C-scan. Cette étape

préliminaire a permis de déceler des zones de faiblesse de propriétés physiques et

mécaniques du matériau liées directement et inévitablement au procédé de fabrication. Ainsi,

des zones de rupture probables par traction pure ont été prédites à l'issue de cette étape

préliminaire et validées après la réalisation des essais mécaniques.

Les travaux en cours concernent des échantillons CMP unidirectionnels à 45° pour

favoriser l'apparition de l'arrachement des fibres "pul-out" afin de compléter la connaissance

des signatures acoustiques des différents mécanismes d'endommagement opérés dans une

structure stratifiée. Les travaux futurs concerneront donc des composites stratifiés avec plus

de valeur ajoutée au traitement des données par classificateurs et fusion de données multi-

variables.

6. REFRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] Berthelot J. M., “Relation between amplitudes and rupture mechanisms in composite

materials”. J. Reinforced Plastics and Composites, vol. 7, 1988, pp. 284-299.

[2] Barré S., Benzeggagh M.L., “On the use of acoustic emission to investigate damage

mechanisms in glass-fibre-reinforced polypropylene”. Composites Science and Technology,

vol. 52, 1994, pp. 369-376.

[3] Graciet C., Hosten B., “Simultaneous measurement of speed, attenuation, thickness and

density with reflected ultrasonic waves in plates”. Ultrasonics symposium, vol.1219, 1994,

pp. 1-4.

[4] Huguet S., “Application des classificateurs aux données d’émission acoustique:

Identification de la signature acoustique des mécanismes d’endommagement dans les

composites à matrice polymère”. Thèse de doctorat. INSA-Lyon, 2002.

[5] Bentahar M., “Acoustique non linéaire : Application à la caractérisation ultrasonore de

l’endommagement des matériaux hétérogènes et à la prédiction de la durée de vie”. Thèse

de doctorat. INSA-Lyon, 2005, pp. 29-31.

Page 13: Caractérisation de l endommagement des matériaux ... · masse volumique des pièces en CMP après la mise en service, en comparaison avec l'état initial, permet un suivi de l’évolution

13

[6] Huguet S., Godin N., Gaertner R., Salmon L., Villard D., “Use of acoustic emission to

identify damage modes in glass fibre reinforced polyester”. Composites Sciences and

Technology, vol. 62, 2002, pp. 1433-1444.

[7] Godin N., Huguet S., Gaertner R., Salmon L., “clustering of acoustic emission signals

collected during tensile tests on unidirectionnel glass/polyester composite using supervised

and unsupervised classifiers”, NDT&E international, vol. 37, 2004, pp. 253-264.

[8] Marec A., Thomas J.H., El guerjouma R.,”Discrimination des processus

d’endommagement de matériaux composites: étude multivariable et transformée en

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[9] Marec A., “Contrôle de santé des matériaux hétérogènes par émission acoustique et acoustique non linéaire : Discrimination des mécanismes d’endommagement et estimation de la durée de vie restante”, Thèse de doctorat. Université de Maine, 2008. [10] Ledru Y., Piquet R., Michel L., Schmidt F. et Berhnart G., “Quantification 2-D et 3-D de

la porosité par analyse d’images dans les matériaux composites stratifiés aéronautiques”.

Comptes Rendus des JNC 16-Toulouse 2009.