Évaluation locale des modules élastiques par ultrasons. Vers la cartographie des propriétés mécaniques des joints collés.

par Victor Gayoux

Projet de thèse en Mécanique

Sous la direction de Michel Castaings et de Mathieu Renier.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec I2M Institut de Mécanique et d'Ingénierie (laboratoire) et de APY : Acoustique Physique (equipe de recherche) depuis le 19-03-2019 .


  • Résumé

    Le recours au collage comme alternative aux autres procédés d'assemblages reste à ce jour limité par le manque de moyens non destructifs permettant de garantir ce procédé d'assemblage. Seules des mesures destructives de la contrainte à rupture, éventuellement corrélées à l'étude des faciès de rupture, permettent a posteriori d'évaluer l'adhésion. Dans les assemblages collés, deux types de défauts peuvent être à l'origine d'une rupture. Les premiers sont appelés 'cohésifs' car ils correspondent à une situation pour laquelle la rupture est attribuable à une faiblesse de l'adhésif lui-même. Les seconds, appelés 'défauts adhésifs' peuvent conduire à une rupture de l'assemblage localisée à l'interface adhésif-substrat. Ces derniers sont pour le moment difficiles à détecter et à évaluer avec des méthodes de contrôle non destructif (CND) classiques. Dans le cadre d'une thèse réalisée au laboratoire, nous avons montré qu'un défaut d'interface résultant d'un traitement imparfait des substrats avant assemblage, pouvait être clairement identifié via la mesure non destructive des modules apparents du joint adhésif. Cette mesure est basée sur le coefficient de transmission en ondes planes des ultrasons à travers l'assemblage immergé dans l'eau. Il a été montré qu'une anisotropie apparente anormale de l'adhésif pouvait être mesurée avec un degré d'autant plus fort que les interphases sont faibles. Il a également été possible d'évaluer des raideurs d'interface pour des assemblages présentant des niveaux d'adhésion variables. Ces résultats ont été comparés aux valeurs des contraintes à la rupture mesurées sur des échantillons présentant les mêmes variations d'adhésion. Ces comparaisons suggèrent que les raideurs d'interfaces, quantifiables de manière non destructive, pourraient permettre d'identifier de mauvaises conditions de préparation des substrats pouvant conduire à une rupture adhésive d'un assemblage. Le sujet de la thèse s'inscrit dans la continuité de ces travaux. Elle est financée par le CETIM (Centre technique des industries mécaniques). L'objectif est de proposer une méthode visant à être appliquée industriellement. Il s'agit dans un premier temps de développer les outils numériques de calcul du problème direct. Le modèle sera basé sur la méthode matricielle des raideurs de couches qui est, pour l'instant, développée avec l'hypothèse d'ondes planes. Il s'agira alors d'étendre les outils numériques existants aux cas de faisceaux bornés, puis de procéder à des séries de validations expérimentales avec divers types de matériaux, plusieurs types de transducteurs et dans différentes conditions de mesure (fréquence, angle d'incidence). Ensuite, résolution du problème inverse sera traitée et validée avec des simulations numériques pour lesquelles les données à trouver seront parfaitement connues. Puis, la transmission d'un faisceau ultrasonore borné sera mesurée pour des échantillons composés de matériaux isotropes immergés dans l'eau, et le problème inverse sera appliqué pour accéder aux caractéristiques mécaniques du milieu. Cela sera d'abord fait pour des échantillons monocouches puis pour des assemblages collés. Le phénomène d'anisotropie apparente, révélateur d'un défaut d'adhésion (i.e. la mesure des modules apparents du joint adhésif), sera alors étudié. Des mesures de cette anisotropie et les raideurs d'interface associées seront réalisées sur des assemblages collés dont les substrats auront subi différents traitement de surface afin de faire varier le niveau d'adhésion. La prise en compte des faisceaux bornés permettra de procéder à une évaluation plus locale de l'adhésion des joints collés. Des essais mécaniques destructifs seront aussi menés pour conforter les résultats obtenus par ultrasons, et y associer des niveaux de résistance mécanique des joints collés. Cette thèse devrait permettre de proposer une méthode non destructive innovante qui, à terme, pourrait être utilisée en environnement industriel pour la fabrication des composants mécaniques et leur inspection en service.

  • Titre traduit

    Local ultrasound evaluation of elastic moduli. Towards the mapping of bonded joint mechanical properties.


  • Résumé

    The use of bonded joints as an alternative method for assembly is currently limited due to the lack of non-destructive methods. As of today, only destructive methods allow the assessment of adhesion. Among bonded joints, two types of defect can be observed. Either cohesive defects, when the break is due to the weakness of the adhesive itself, or adhesive defects when located at the adhesive-substrate interface. The latter are, for now, difficult to detect and assess with classical non-destructive methods. Previous work have demonstrated that an interface defect resulting from an imperfect processing of substrate before assembly, could be identified via non-destructive evaluation of the bonded joint bulk modulus. This measurement is based on the transmission coefficient of plane waves through the immersed assembly underwater. An abnormal anisotropy of the adhesive can be measured to the same degree as the weaknesses in the interfaces. It is also possible to assess interfacial stiffness for assemblies with variable adhesion levels. These results have been compared with measurements of the mechanical strength made on samples with similar adhesive variables. These comparisons suggest that the interfacial stiffness, quantifiable with non-destructive methods, can lead to the detection of deficient preparation processes for substrates which could cause an adhesive breaking of the assembly. This thesis will develop previous works carried in the lab. It is funded by CETIM (Technical Center for Mechanical Industries). The aim is to propose a method that can be applied industrially. Firstly, numerical tools for solving the direct problem will be developed. The model will be based on the stiffness matrix method that is for now performed with plane wave assumption. It will require to expand those numerical tools to restricted beams, then compare those results with experimental measurements using different materials, different type of transducers and different experimental variables (frequency, incident angle). Thereafter, the inverse problem will be solved and validated with numerical simulations for which results are known. Then, the transmission of an ultrasonic beam will be measured for samples composed of isotropic materials immersed under water. Subsequently, an inverse problem approach will be applied to identify the environment's mechanical properties. Firstly, it will be carried out on monolayer samples, then on bonded assembly. The anisotropy behavior, indicative of an adhesive defect, will be studied. Measurements of this anisotropy and interfacial stiffness will be done on bonded joints made of different substrates which will have been treated differently in order to change the adhesion level. The use of ultrasonic beams will allow the assessment of the adhesive bonded joints over a more localized area. Destructive mechanical tests will be carried out in order to confirm the results obtained with ultrasonic beams. This will subsequently be associated with levels of mechanical resistance of bonded joints. This thesis will enable the development of a non-destructive method which, in the future, could be used in an industrial environment for the manufacturing and maintenance of mechanical components.