Un suivi des processus microstructuraux prenant place au cours de la fatigue oligocyclique de l’aluminium pur est assuré par la technique d’émission acoustique EA par ces deux types: émission continue et discrète. Cette technique est intéressante car elle permet de suivre l’évolution dynamique de la structure tout le long de l’essai. Les différents stades du comportement macroscopique du matériau au cours des sollicitations cycliques sont clairement différenciés par l’activité acoustique. Nous distinguons cinq stades : écrouissage primaire, adoucissement primaire, écrouissage secondaire, adoucissement secondaire et rupture. Les trois premiers stades mettent en jeu des phénomènes microstructuraux liés à la plasticité du matériau tandis que des phénomènes relatifs à l’endommagement (micro et macro-fissuration) dominent les derniers stades. L’EA continue résulte de l’effet cumulatif de nombreux mouvements de dislocations de faible amplitude et décorrélés entre eux. Cette plasticité continue diminue au cours du 1er stade mais copie l’évolution de la réponse macroscopique de l’échantillon au cours des stades suivants. Ce comportement est lié aux structures de dislocations établies à travers les différents stades de fatigue. En revanche, l’EA de type discret enregistrée lors des trois premiers stades est associée à un autre type de plasticité : la plasticité intermittente, se manifestant à travers des mouvements coopératifs de grande ampleur, les avalanches de dislocations. Ces avalanches de dislocations génèrent des signaux acoustiques de tailles variables, distribuées en loi de puissance. La plasticité intermittente est alors invariante d’échelle tandis que la plasticité continue met en jeu des mouvements ayant une taille caractéristique. Nous mettons ainsi en évidence pour la première fois la coexistence de ces deux types de plasticité dans un matériau cubique à faces centrées CFC, qui ne sont donc pas incompatibles. Au cours des deux derniers stades de fatigue, les signaux acoustiques enregistrés se catégorisent également en deux groupes: l’un est caractérisé par des invariances d’échelle, l’autre associé à une taille caractéristique. La première catégorie comprend des signaux acoustiques indépendants, apparaissant aléatoirement au cours des cycles. Ces signaux sont générés par des phénomènes de microfissuration au sein du volume de l’échantillon (nucléation, percolation…). Le second groupe, réunit des signaux acoustiques générés quasiment au même niveau de contrainte sur plusieurs cycles successifs et ayant une signature acoustique quasi identique. Nous nommons ces signaux multiplets en référence à la sismologie. Nous émettons l'hypothèse que de tels multiplets d’EA sont la signature de la propagation, cycle après cycle, d'une fissure de fatigue dont la trace peut être vu post-mortem avec les stries de fatigue sur une surface de fracture, ou encore la signature de frottements entre les aspérités présentes de part et d’autre des lèvres de fissures. / An analysis of microstructural processes taking place during low-cycle fatigue of pure aluminum is performed by the Acoustic Emission technique (AE) with its two types: continuous and discrete. The main interest of this technique is that it enables the following of the dynamic evolution of the microstructure during the fatigue test. We distinguished five fatigue stages: primary hardening, primary softening, secondary hardening, secondary softening and failure. The various stages of the material’s macroscopic behavior during cyclic loading are clearly differentiated by the acoustic activity. During the first three stages, mainly microstructural phenomena related to plasticity of material are taking place, whereas damage (micro and macro-cracking) dominate the last two stages. The continuous AE results from the cumulative effect of many uncorrelated dislocations’ movements of low amplitude. This continuous plasticity decreases during the 1st stage but reproduces the evolution of the macroscopic behavior of the sample during following stages. This behavior is related to the dislocation structure established during the various fatigue stages. On the other hand, the discrete AE recorded at the time of the first three stages is associated to another type of plasticity: intermittent plasticity. This plasticity is associated to co-operative dislocation movements of great amplitude; dislocation avalanches. These dislocation avalanches generate acoustic signals power law distributed in amplitude and energies. Intermittent plasticity is then scale invariant while continuous plasticity is associated to dislocation movements with a characteristic size. We highlight for the first time the coexistence of these two types of plasticity in FCC materials, which are therefore not incompatible. During the last two stages of fatigue, the recorded acoustic signals are categorized in two groups: the first one is characterized by scale invariance whereas the other is associated to a characteristic size. The first category comprises independent acoustic signals, appearing randomly during cycles. These signals are generated by micro-cracking events within the volume of the sample (nucleation, percolation…). The second group contains acoustic signals generated almost at the same stress level during several successive cycles and having a nearly identical acoustic signature. We name these signals multiplets in reference to seismology. We put forth the hypothesis that such AE multiplets are the signature of fatigue crack propagation, one cycle after the other, whose trace can be observed post-mortem with fatigue striations on fracture surface, or a signature of frictions between the asperities present on both sides of the crack.

The fiber reinforced polymer (FRP) bars have been widely used in pre-stressing applications and reinforcing of the civil structures. High strength-to-weight ratio and high resistance to the corrosion make the FRP bars a good replacement for steel reinforcing bars in civil engineering applications. According to the CAN/CSA-S806-12 standard, the maximum recommended stress in FRP bars under service loads should not exceed 25% and 65% of the ultimate strength for glass FRP (GFRP) and carbon FRP (CFRP), respectively. These stress values are set to prevent creep failure in FRP bars. However, for in-service applications, there are few physical indicators that these values have been reached or exceeded. In this work analysis of acoustic emission (AE) signals is used. Two new techniques based on pattern recognition and frequency entropy of the isolated acoustic emission (AE) signal are presented for monitoring damage progression and prediction of failure in FRPs. / May 2017

Proposé dans le cadre d’une triple collaboration entre le Centre de Recherche en Science et Technologie de l'Information et de la Communication (CReSTIC) de l'Université de Reims Champagne-Ardenne (URCA), le Laboratoire d'Ingénierie et Sciences des Matériaux (LISM) de l'Université de Reims Champagne-Ardenne (URCA) et le Laboratoire Electronique et Télécommunication (LET) de l'Université Mohammed 1er, ce projet a pour objectif d’associer les compétences de ces laboratoires, le traitement du signal pour le CReSTIC et le LET et la caractérisation de l’endommagement des agro matériaux composites pour le LISM. Le travail de cette thèse consiste à développer une méthode de Contrôle Non Destructif CND) par Emissions Acoustiques (EA). En effet, durant le processus de dégradation des matériaux composites (sollicitations mécaniques, vieillissement), plusieurs mécanismes d’endommagement à l’échelle microscopique peuvent intervenir selon la nature du composite et de ses constituants (fibres et résine). L’EA permet d’analyser et d’identifier plus en détails ces mécanismes d’endommagement, à l’aide d’une classification. Cette méthode de classification sera basée sur l’utilisation de méthodes à noyaux (typiquement séparateur à vastes marges) dans le domaine temps-fréquence. Il s’agira de déterminer un (ou des) noyau(x) adapté(s) au problème posé, basé sur une mesure de similarité entre les signaux. Ce travail permettra ainsi d’analyser et classifier les mécanismes d’endommagement sans emploi de descripteurs. Cette nouvelle méthode de CND par EA permettra de fournir des informations pertinentes et de vérifier efficacement la fiabilité et l'état de santé en temps réel de structures en service, sans perturber l'exploitation tout en réduisant les coûts de maintenance. / The aims of this thesis consists in developing a method of Non-destructive testing (NDT) by Acoustic Emissions (AE). Indeed, during the process of degradation of composite materials several mechanisms of damage in the microscopic scale can intervene according to the nature of the composite and its constituents (fibers and epoxy). AE allows to analyze and to identify more in detail these damages mechanism, by means of a classification. This method of classification will be based on the use of kernel methods in the time - frequency domain. It will be a question of determining one adapted kernel in the proposed problem. This work will so allow to analyze and to classify mechanisms without using descriptors.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / A pesquisa teve como objetivo correlacionar diferentes defeitos e suas criticidades, em corpos de prova de aÃo ASTM A516 grau 60 para ensaio CTOD, cujos detalhes foram feitos no metal de base, no metal de solda e na zona termicamente afetada de uma junta soldada, com os sinais de emissÃo acÃstica obtidos durante os ensaios. Quatro mÃtodos de anÃlise fractal foram utilizados: anÃlise re-escalada de Hurst (R/S), dimensÃo de contagem de caixas, dimensÃo de cobetura mÃnima e anÃlise de flutuaÃÃo sem tendÃncias (DFA). Um nÃmero mÃnimo de pontos necessÃrios para a obtenÃÃo dos expoentes associados a cada mÃtodo de anÃlise foi determinado para os vÃrios sinais, bem como o efeito de diferentes mÃtodos de filtragem nesses expoentes. Verificou-se que nenhum dos mÃtodos isoladamente conseguiu caracterizar os defeitos nem os regimes de carregamento. Entretanto, utilizando-se representaÃÃes bidimensionais de todos os expoentes juntamente com o desvio padrÃo dos sinais foi possÃvel estabelecer, de forma satisfatÃria, uma caracterizaÃÃo hierÃrquica dos defeitos e regimes de carregamento. / The research aims to correlate different defects and their criticidades in specimens of ASTM A516 grade 60 CTOD test, details of which were made in the base metal in the weld metal and heat affected zone of welded joint with acoustic emission signals obtained during the tests. Four fractal analysis methods were applied: re-scaled analysis Hurst (R / S), the box counting dimension, cobetura minimum dimension and analysis of fluctuation without bias (DFA). A minimum number of points required to obtain the exponent associated with each method of analysis was determined for the various signals and the effect of different filtering methods such exponents. It was found that none of the methods alone failed to characterize or defects charging schemes. However, using two-dimensional representations of all the exponents with the standard deviation of signals could be made in a satisfactory way, a hierarchical characterization of defects and charging systems.

The industrial world is in constant demand for faster, cheaper and higher quality manufacturing. Robot utilisation and automation has evolved to become a necessary asset to master in order to stay competitive in the global market. With the growing dependency on robots, unexpected downtime and brakedowns can cause devastating loss of revenue. Consequently, this has lead to an increased importance for an accurate condition based way of performing robotic maintenance. As of writing, robots are predominantly maintained through time dependent maintenance. Part replacement is based on statistical models where maintenance is performed without taking the actual robot condition into consideration. As a result an overall level of uncertainty is ensued, where lacking the ability to properly diagnose the robot, also leads to superfluous repairs. Because of the costly impact this has on production, a condition based maintenance approach to robots would yield increased reliability at a lower cost of maintenance. This research focuses on trying to monitor vibrations in a robot, so as to infer about wear and to provide a first step in vibration based Robot Condition Monitoring. This research has been of multidisciplinary nature where robotics, tribology, mechanical component, signal analysis and diagnosis theory have overlapped in several areas throughout the project. The research has provided a vibration baseline and trends of the theoretical bearing defect frequencies for a hypocycloid gearbox installed on an ABB IRB6600 robot. The gearbox was not worn to a level that a severe gearbox degradation was irrefutably detectable and analysable. Accelerometers normally used on wind turbines were used for the project, and are believed to be sufficiently successful in capturing bearing related signals to accredit it for continued use at the preliminary stages of Robot Condition Monitoring development. A worn RV410F hypocycloid gearbox, was dismantled and analysed. Bearings found inside indicate high degrees of moisture corrosion and extensive surface wear. These findings had decisive roles in what future work recommendations where presented. Areas with great potential are condition monitoring through the use of Acoustic Emission and lubrication analysis. Further recommendations include investigating signal analysis techniques such as cepstrum pre-whitening and discrete wavelet transforms.

La technologie Smart Cut™ est un procédé générique de transfert de couches minces utilisé pour la fabrication des substrats silicium sur isolant (SOI) à l’échelle industrielle. L’implantation d’ions légers dans un substrat de silicium oxydé mène à la formation d’une zone fragilisée enterrée au sein du cristal. Ce substrat implanté est ensuite solidarisé à un support mécanique grâce à la technique de collage par adhésion moléculaire. Sous l’effet de la température, les espèces implantées évoluent sous la forme de microfissures qui se développent de manière parallèle à la surface. Après recuit, une fracture se déclenche au niveau de la zone implantée et permet le report de la fine couche monocristalline. L’objet de cette thèse est d’étudier l’aspect dynamique de cette étape de fracture.Pour ce faire, la vitesse de rupture et la déformation des plaques à l’arrière du front de fracture ont tout d’abord été mesurées à l’aide d’un montage optique original qui a ensuite été étendu aux études sur plaque entière 300mm. Ces données ont ensuite été modélisées. Dans un deuxième temps, l’interaction entre le front de fracture et des ondes acoustiques émises dynamiquement au cours de sa propagation a été étudiée. Celle-ci conduit à l’apparition récurrente d’un motif périodique sur le faciès de rupture qui consiste en une très faible variation de rugosité sur de très grandes périodes (mm). Des mesures expérimentales permettent tout d’abord de mettre en évidence cette émission acoustique et d’étudier ses caractéristiques. La modélisation physique du phénomène puis sa simulation numérique permettent ensuite de retrouver la forme typique de ce motif. Enfin, des solutions technologiques sont proposées pour empêcher son apparition sur le faciès de rupture des plaques SOI. / The Smart Cut™ technology is a generic way of transferring very thin layers of crystalline material onto a mechanical substrate. It is currently the industrial standard for Silicon On Insulator (SOI) manufacturing. The implantation of relatively high doses of gas ions in a thermally oxidized silicon substrate leads to the formation of a buried weakened layer in the crystal. The implanted wafer is then bonded onto a host substrate using direct wafer bonding. Under annealing, the implanted species evolve into microcracks lying parallel to the surface, and a controlled fracture process finally occurs along the implanted layer. The aim of this thesis is to study the dynamics of this fracture step.First of all, the fracture velocity and the deformation profile behind the crack tip have been measured using an original optical setup, which has been extended to full wafer studies. A model has been established to explain these data. Then, the interaction of the fracture front with self-generated acoustic waves has been studied. This interaction leads to the appearance of a macroscopic periodic pattern on post-split SOI wafers which is made of small variations of the SOI roughness on very large periods (mm). Experimental studies are first carried out to look at the fracture acoustic emission for different experimental conditions. Numerical simulations based on acoustic phase calculations are then performed to recover the typical pattern shape, with results consistent with experimental data. Finally, technologic solutions are proposed to prevent the pattern formation on the post-split SOI wafers.

La durabilité et la fiabilité sont deux facteurs clés dont la maîtrise est essentielle en vue de l’utilisation des composites à matrice céramique (CMC) pour des applications aéronautiques. Il est nécessaire pour cela de pouvoir estimer la durée de vie des structures en service. Cela requiert de quantifier l’endommagement mais aussi d’identifier les différents mécanismes qui en sont à l’origine. Il est donc indispensable d’une part de caractériser les matériaux et de définir les indicateurs d’endommagement les plus adaptés. D’autre part, l’utilisation ou le développement de modèles doivent permettre l’estimation de la durée de vie restante à partir de l’analyse des événements précurseurs associés à la croissance de l’endommagement. L’Emission Acoustique (EA) est une technique qui permet de répondre à cette problématique. En effet, les mécanismes d’endommagement s’accompagnent de libération d’énergie sous forme d’ondes élastiques transitoires. Leur détection, communément appelée émission acoustique, permet de suivre en temps réel le développement de l’endommagement du matériau. Ce moyen est mis en œuvre dans cette thèse qui comporte deux volets complémentaires. Le premier volet porte sur l’identification de la signature acoustique des différents mécanismes impliqués dans l’endommagement des composites à matrice céramique, en vue de permettre une caractérisation fine de la croissance de l’endommagement et de fournir des indicateurs pour la prévision de la rupture. Le second volet porte sur l’estimation de la durée de vie restante sous sollicitation de fatigue statique, à partir de l’émission acoustique en utilisant l’énergie des sources d’EA comme mesure de l’endommagement. Les travaux réalisés dans cette thèse montrent l’apport de l’EA pour l’analyse du comportement mécanique et la prévision de la durée de vie des CMC. Dans le premier volet, la caractérisation robuste des sources d’EA rend possible le suivi en temps réel de l’apparition de chaque mécanisme d’endommagement grâce à une analyse multivariable. Dans le second volet, deux indicateurs, calculables en temps réel, permettent d’identifier deux phases reproductibles dans le comportement des CMC sollicités en fatigue statique, à partir de la libération d’énergie des sources d’EA. La prévision en temps réel de la durée de vie restante est envisageable grâce à la détection de la seconde phase et à la modélisation, par une loi de type puissance, de la libération d’énergie associée. / Ceramic matrix composites (CMCs) are candidates for use in aeronautical applications for which durability and reliability are key factors. Beyond damage characterization, the current objective is to predict structures lifetime in service conditions. This requires quantifying damage evolution and identifying the various damage mechanisms that are involved. Therefore, it is necessary to characterize materials and define suitable damage indicators. The use or development of models would then allow the evaluation of remaining lifetime based on the analysis of precursory events. In this context, Acoustic Emission (AE) is a suitable technique. Indeed, damage mechanisms release energy in the form of transient elastic waves. Their recording, named Acoustic Emission, allows monitoring material damage growth. This technique is used in this work, which is composed of two complementary parts. The first part aims at identifying the acoustic signature of mechanisms involved in damaging of ceramic matrix composites. This would allow an accurate characterization of damage evolution and would provide indicators for rupture prediction. The second part focuses on the evaluation of remaining lifetime under static fatigue loading based on the energy of AE sources as a measure of damage. The following work shows the contribution of acoustic emission for the analysis of mechanical behaviour and lifetime prediction of CMCs. In the first part, a robust characterization of AE sources and the use of multivariate analysis allow monitoring the growth of each damage mechanism. In the second part, two reproducible phases in the behaviour of CMCs under static fatigue are identified on the AE sources energy release by two real-time indicators. The detection of the second phase and modelling of associated energy release by a power law would allow real-time prediction of the remaining lifetime.

<p>Thermal barrier coatings (TBC) are used for reduction of component temperatures in gas turbines. The service temperature for turbines can be as high as 1100ºC and the components are exposed to thermal cycling and gases that will cause the component to oxidize and corrode. The coatings are designed to protect the substrate material from this, but eventually it will lead to failure of the TBC. It is important to have knowledge about when this failure is expected, since it is detrimental for the gas turbine.</p><p>The scope of this thesis has been to see if an existing life model for thin TBC also is valid for thick TBC. In order to do so, a thermal cycling fatigue test, a tensile test and finite element calculation have been performed. The thermal cycling fatigue test and finite element calculation were done to find correlations between the damage due to thermal cycling, the number of thermal cycles and the energy release rate. The tensile test was preformed to find the amount accumulated strain until damage.</p><p>The thermal cycling lead to failure of the TBC at the bond coat/top coat interface. The measurment of damage, porosity and thickness of thermally grown oxide were unsatisfying due to problems with the specimen preparation. However, a tendency for the damage development were seen. The finite element calculations gave values for the energy release rate the stress intensity factors in mode~I and mode~II that can be used in the life model. The tensile test showed that the failure mechanism is dependent of the coating thickness and it gave a rough value of the maximum strain acceptable.</p>

Combining good material properties and low weight, composites have become increasingly popular over the past decades among conventional, well-studied engineering materials. With their anisotropic nature and laminated structure allowing for enhanced design potential compared to metals, the widening use of composites in operating structures has turned the need for reliable inspection and condition assessment into an issue of great importance. Unlike metals, failing due to a propagating critical crack, the inhomogeneous and anisotropic nature of composites renders a more complicated behavior: composite structures bear the applied design loads during the entire service life, while damage accumulates. High damage tolerance is thus another important advantage over metals. The main source of damage in a composite is mechanical and/or environmental loading. Several failure mechanisms are encountered during service: matrix cracking, debonding of the fibre-matrix interface, delaminations and fibre breakage are common damage modes. Although this is their actual temporal sequence in general, propagation and coalescence of failure mechanisms are often simultaneous and therefore, damage in the composite can be regarded as the superposition of various failure modes. Damage accumulation, either localized or distributed throughout the volume of the composite, leads to degradation of the composite material mechanical properties. Matrix cracking is one of the major damage mechanisms encountered in FRP composites during service. Although seemingly less critical than delaminations and fibre breakage, propagation and coalescence of matrix cracks precede and promote more severe damage modes. Characteristic consequences of matrix-dominated failure are debondings at the trailing edge or between stiffening components and the skin, in wind turbine rotor blades, and also material degradation due to ingress of fluids, in composite pipes. However, since formation of matrix cracks begins at sub-critical loading stages, appropriate non-destructive tools should contribute to reliable damage assessment throughout service. Aiming to damage assessment in composite materials, non-destructive inspection (NDI) relished rapid and broad development. Acoustic emission and acousto-ultrasonics are listed among well-established NDI techniques. These acoustic methods are able to reflect the integrated damage state of a structure. The scope of this dissertation is NDI assessment of distributed damage in glass/epoxy (Gl/Ep) fibre-reinforced (FRP) composites, using acoustic emission and acousto-ultrasonics. Most research on the use of acoustic methods for non-destructive inspection is concentrated on the detection of localized defects, generated either during fabrication or in-service. A considerable amount of publications is also focused on the more complicated, distributed damage, e.g. due to fatigue. In most cases, however, acoustic emission and acousto-ultrasonics are not suggested as stand-alone tools, but are rather used to indicate qualitative trends or to complement other methods in the investigation of damage progression. Although a common outcome from this approach is that AE and AU signal parameters are, in general, correlated with damage accumulation, no robust models for remaining life or strength prediction have been proposed. Such NDI tools for the assessment of strength degradation, due to fatigue, in fibre-reinforced composites, exclusively via acoustic non-destructive measurements, are proposed in the present work. Reliable engineering models, based on acoustic emission and acousto-ultrasonic measurements, are established and validated in dedicated chapters. Residual strength prediction in composite specimens, featuring matrix cracking due to fatigue, is thus accomplished. This thesis is based on experimental work performed on an improved Gl/Ep composite, used in the manufacturing of new generation wind turbine rotor blades. The work included thorough material characterization as well as a dedicated experimental series aiming to understand, model and assess the axial, transverse and shear strength degradation of the unidirectional composite. Besides preliminary and benchmark testing, the exhaustive experimental schedule included 713 valid mechanical tests. From these 713 specimens, 222 were tested in tension/compression, 236 were subjected to constant-amplitude fatigue loading and 29 to spectrum loading. Another 217 specimens were used to investigate strength degradation due to constant-amplitude loading and 9 due to variable-amplitude loading. To execute this grand experimental plan, our 4-member team occupied 3 testing machines for 52 months. Although scrupulous indeed, the material characterization stage was just a prerequisite for the residual strength experimental task. In common practice, residual strength tests are a combination of a damaging process, e.g. fatigue loading, and a static test to failure. However, the aim of this dissertation was strength degradation assessment using non-destructive techniques. Residual strength tests were thus accompanied with acoustic emission monitoring, stiffness degradation measurements and acousto-ultrasonic scanning. This increased the duration of the experiments at least 4-fold, while rendering the procedure much more complicated. However, a unique database was formed, including data from all discrete steps. This extensive and combined information is a novel contribution in the field of non-destructive inspection. Acoustic emission monitoring and acousto-ultrasonic measurements were herein used to assess material strength degradation due to fatigue-induced matrix cracking. The goal was accomplished with remarkable success and reliable engineering AE and AU-based models were introduced. These validated schemes were based on the largest experimental database so far produced. Moreover, the proposed models were generalized, i.e. applicable in all damage states examined. As obvious this could seem for acousto-ultrasonics, this is not the case regarding acoustic emission measurements. Thus, from the acoustic emission side, this generalization renders an original contribution. AE-based models proved able to assess tensile and also compressive strength degradation. This is another novel achievement. In this thesis, the proposed AE models were superior to the respective descriptor-based AU schemes. However, although performance of the second, using novel descriptors, was more than adequate, wave propagation in the specimen under consideration was also studied. This area failed to produce new descriptors or schemes, however indicated damage-associated qualitative trends in the recorded signals. Several issues related to the acousto-ultrasonic experimental technique were underlined and the complexness of the problem depicted. The experiments presented herein were performed in the frame of EC research project "OPTIMAT BLADES: Reliable Optimal Use of Materials for Wind Turbine Rotor Blades", ENK6-CT-2001-00552. Partial funding was provided by the Greek Secretariat for Research and Technology, F.K. 6660. It is emphasized that no other partner of the OPTIMAT BLADES project, engaged in non-destructive condition assessment, managed to propose successful engineering NDT models. / Συνδυάζοντας καλές μηχανικές ιδιότητες με το χαμηλό τους βάρος, τα σύνθετα υλικά αποδεικνύονται εξαιρετικά δημοφιλή σε σχέση με τα συμβατικά, κατά κόρον χρησιμοποιούμενα υλικά. Με την ανισότροπη φύση και την πολύστρωτη δομή τους να προσδίδουν επιπλέον δυνατότητες στο σχεδιασμό σε σύγκριση με τα μέταλλα, η διευρυνόμενη χρήση συνθέτων υλικών σε κατασκευές καθιστά την αξιόπιστη επιθεώρηση και εκτίμηση της δομικής τους ακεραιότητας ένα θέμα καταλυτικής σημασίας. Σε αντίθεση με τα μεταλλικά υλικά, που αστοχούν εξ’ αιτίας της διάδοσης μιας κρίσιμης ρωγμής, η ανομοιογενής και ανισότροπη φύση των συνθέτων παρουσιάζει πολυπλοκότερη συμπεριφορά: οι κατασκευές από σύνθετα υλικά υπόκεινται στα επιβαλλόμενα φορτία καθ’ όλη την προβλεπόμενη διάρκεια λειτουργίας τους, οπότε και η βλάβη συσσωρεύεται. Η υψηλή ανοχή στη βλάβη αποτελεί ένα επιπλέον πλεονέκτημα σε σύγκριση με τα μέταλλα. Την κύρια αιτία δημιουργίας βλάβης σε ένα σύνθετο υλικό αποτελεί η μηχανική και/ή περιβαλλοντική φόρτιση. Διάφοροι μηχανισμοί αστοχίας απαντώνται κατά τη λειτουργία: η ρηγμάτωση της μήτρας, η αποκόλληση στη διαπιφάνεια ίνας-μήτρας, οι αποκολλήσεις διαδοχικών στρώσεων και η θραύση ινών αποτελούν συνήθεις τρόπους αστοχίας. Παρ’ όλο που αυτή είναι εν γένει και η χρονική τους ακολουθία, η διάδοση και η συνένωση τρόπων αστοχίας είναι συχνά ταυτόχρονες και επομένως η βλάβη σε ένα σύνθετο μπορεί να θεωρηθεί ως η συμβολή διαφόρων μηχανισμών αστοχίας. Η συσσώρευση της βλάβης, είτε τοπική είτε κατανεμημένη στον όγκο του συνθέτου, οδηγεί στην υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Η ρηγμάτωση της μήτρας αποτελεί έναν από τους κύριους μηχανισμούς αστοχίας που απαντώνται σε ινώδη σύνθετα υλικά κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους. Αν και λιγότερο κρίσιμη φαινομενικά από τις αποκολλήσεις στρώσεων και τη θραύση ινών, η διάδοση και συνένωση ρωγμών στη μήτρα προηγείται και επισπεύδει σοβαρότερους τρόπους αστοχίας. Χαρακτηριστικά παραδείγματα συνεπειών της αστοχίας από ρηγμάτωση της μήτρας αποτελούν οι αποκολλήσεις των ενισχυτικών δοκίδων στα πτερύγια ανεμογεννητριών καθώς και η υποβάθμιση του υλικού λόγω εισροής υγρών, σε σωληνώσεις από σύνθετο υλικό. Ωστόσο, αφού η έναρξη δημιουργίας ρωγμών στη μήτρα παρατηρείται σε υποκρίσιμα επίπεδα φορτίου, κατάλληλα μη καταστροφικά εργαλεία αναμένονται να είναι αποτελεσματικά στην αξιόπιστη και έγκαιρη εκτίμηση της συσσώρευσης βλάβης κατά τη λειτουργία. Με σκοπό την εκτίμηση της βλάβης στα σύνθετα υλικά, η ανάπτυξη μη καταστροφικών μεθόδων ελέγχου (ΜΚΕ) ήταν ταχύτατη και ευρεία. Ανάμεσα στις συνήθεις μεθόδους ΜΚΕ συγκαταλέγονται και οι ακουστικές, όπως η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι. Οι μέθοδοι αυτές δύνανται να εκφράσουν τη γενικευμένη δομική ακεραιότητα της κατασκευής. Η διατριβή αυτή αποσκοπεί στην εκτίμηση, με μη καταστροφικούς τρόπους και συγκεκριμένα με τις παραπάνω ακουστικές μεθόδους, της κατανεμημένης βλάβης σε δοκίμια από εποξειδική ρητίνη ενισχυμένη με μακριές ίνες υάλου. Οι περισσότερες έρευνες πάνω στη χρήση ακουστικών μεθόδων ΜΚΕ εστιάζουν στον εντοπισμό τοπικών ατελειών, που δημιουργούνται είτε κατά την παραγωγική διαδικασία είτε κατά τη λειτουργία. Ένας σημαντικός αριθμός εργασιών επίσης αφορά την πολυπλοκότερη, κατανεμημένη βλάβη, παραδείγματος χάριν λόγω κόπωσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, όμως, η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι δεν συνιστώνται ως αυτόνομα εργαλεία, αλλά μάλλον χρησιμοποιούνται για να αναδείξουν ποιοτικές τάσεις ή να συμπληρώσουν άλλες μεθόδους στη διερεύνηση της συσσώρευσης της βλάβης. Αν και ένα σύνηθες συμπέρασμα της προσέγγισης αυτής είναι πως οι χαρακτηριστικές παράμετροι που προκύπτουν από τα σήματα ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων συσχετίζονται εν γένει με τη δομική ακεραιότητα, αξιόπιστα πρότυπα εκτίμησης εναπομένουσας αντοχής ή ζωής δεν έχουν προταθεί. Τέτοια εργαλεία ΜΚΕ για την πρόβλεψη της υποβάθμισης της αντοχής, λόγω κοπωτικής φόρτισης, σε ινώδη σύνθετα υλικά, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά μετρήσεις από ακουστικές μεθόδους, προτείνονται στην παρούσα εργασία: αξιόπιστα μηχανιστικά πρότυπα, βασισμένα στις μετρήσεις ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων εμπεδώνονται και αξιολογούνται σε ειδικά αφιερωμένα κεφάλαια. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται εκτίμηση της εναπομένουσας αντοχής σε δοκίμια από σύνθετο υλικό με ρηγμάτωση της μήτρας λόγω κόπωσης. Το πειραματικό μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε σε ένα βελτιωμένο σύνθετο από εποξειδική ρητίνη ενισχυμένη με μακριές ίνες υάλου, που χρησιμοποιείται στην παραγωγή πτερυγίων ανεμογεννητριών νέας γενιάς. Περιελάμβανε πλήρη χαρακτηρισμό του υλικού καθώς και μια στοχευμένη πειραματική σειρά με σκοπό την κατανόηση, προσομοίωση και εκτίμηση της υποβάθμισης της αξονικής, εγκάρσιας και διατμητικής αντοχής της μονοαξονικής στρώσης. Εκτός από τις προκαταρκτικές δοκιμές που απαιτήθηκαν, το εκτενές πειραματικό πρόγραμμα αποτελούταν από 713 πειράματα. Από αυτά, 222 ήταν σε στατικό εφελκυσμό/θλίψη, 236 σε κοπωτική φόρτιση σταθερού εύρους και 29 σε φασματική φόρτιση. Επιπλέον, 217 δοκίμια χρησιμοποιήθηκαν στη διερεύνηση της υποβάθμισης της αντοχής λόγω κοπωτικής φόρτισης σταθερού εύρους και 9 λόγω κοπωτικής φόρτισης μεταβαλλόμενου εύρους. Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων, η τετραμελής ερευνητική μας ομάδα απασχόλησε 3 μηχανές δοκιμών για 52 μήνες. Η εκτεταμένη διαδικασία χαρακτηρισμού του υλικού ήταν απαραίτητη στο μετέπειτα έργο της διερεύνησης της εναπομένουσας αντοχής. Σύμφωνα με τη συνήθη πρακτική, τα πειράματα εναπομένουσας αντοχής αποτελούνται από μια διαδικασία εισαγωγής βλάβης, παραδείγματος χάριν μια κοπωτική φόρτιση, και μία στατική δοκιμή έως τη θραύση. Ωστόσο, ο σκοπός της συγκεκριμένης διατριβής ήταν η πρόβλεψη εναπομένουσας αντοχής με μη καταστροφικούς τρόπους. Τα πειράματα, λοιπόν, συνοδεύτηκαν από καταγραφή ακουστικής εκπομπής, μετρήσεις υποβάθμισης της δυσκαμψίας και δοκιμές ακουστο-υπερήχων. Αυτό οδήγησε σε αύξηση του πειραματικού χρόνου τουλάχιστον τετράκις, καθιστώντας ταυτόχρονα την ακολουθούμενη διαδικασία αρκετά πολυπλοκότερη. Δημιουργήθηκε όμως μια μοναδική στο είδος της βάση δεδομένων, περιλαμβάνοντας δεδομένα από όλα τα επιμέρους βήματα. Αυτή η ευρύτατη και συνδυασμένη πληροφορία αποτελεί καινοτόμο συνεισφορά στο πεδίο του μη καταστροφικού ελέγχου. Η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι χρησιμοποιήθηκαν, στην εργασία αυτή, στην εκτίμηση της υποβάθμισης της αντοχής του υλικού από ρηγμάτωση στη μήτρα λόγω κοπωτικής φόρτισης. Ο σκοπός επιτεύχθηκε με αξιοσημείωτη επιτυχία με την εισαγωγή αξιόπιστων εμπειρικών προτύπων βασισμένων σε μετρήσεις ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων. Επιπλέον, τα προτεινόμενα πρότυπα ήταν γενικευμένα, δηλαδή εφαρμόσιμα σε όλες τις επιμέρους περιπτώσεις βλάβης που εξετάστηκαν. Όσο προφανές αυτό φαίνεται στην περίπτωση των ακουστο-υπερήχων, για την ακουστική εκπομπή αποτελεί καινοτόμο συνεισφορά. Επιπρόσθετα, τα πρότυπα ακουστικής εκπομής αποδείχτηκαν ικανά να εκτιμήσουν τόσο την εφελκυστική όσο και τη θλιπτική εναπομένουσα αντοχή των δοκιμίων, πράγμα που επίσης αποτελεί καινοτομία. Στην παρούσα διατριβή, τα προτεινόμενα πρότυπα ακουστικής εκπομπής αποδείχτηκαν ανώτερα σε επίδοση από τα προερχόμενα από μετρήσεις ακουστο-υπερήχων. Ωστόσο, η επίδοση και των δεύτερων, χρησιμοποιώντας νέες χαρακτηριστικές παραμέτρους, ήταν πολύ ικανοποιητική. Στο πλαίσιο αυτό μελετήθηκε επίσης η κυματική διάδοση στο υπό εξέταση δοκίμιο. Από το πεδίο αυτό δεν προέκυψαν νέες παράμετροι ή πρότυπα, όμως από την ανάλυση των καταγεγραμμένων σημάτων διαπιστώθηκαν ποιοτικές τάσεις σχετικές με τη συσσωρευμένη βλάβη. Αρκετά θέματα υπογραμμίστηκαν αναφορικά με το πειραματικό σκέλος των δοκιμών ακουστο-υπερήχων και τονίστηκε η πολυπλοκότητα του προβλήματος. Οι δοκιμές που παρουσιάζονται εδώ πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος "OPTIMAT BLADES: Reliable Optimal Use of Materials for Wind Turbine Rotor Blades", ENK6-CT-2001-00552. Μερική χρηματοδότηση δόθηκε από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας & Τεχνολογίας, Φ.Κ. 6660. Επισημαίνεται πως κανείς από τους συνεργάτες του προγράμματος οι οποίοι εφάρμοσαν τεχνικές ΜΚΕ, δεν κατόρθωσε να προτείνει οποιοδήποτε συναφές πρότυπο.

Thermal barrier coatings (TBC) are used for reduction of component temperatures in gas turbines. The service temperature for turbines can be as high as 1100ºC and the components are exposed to thermal cycling and gases that will cause the component to oxidize and corrode. The coatings are designed to protect the substrate material from this, but eventually it will lead to failure of the TBC. It is important to have knowledge about when this failure is expected, since it is detrimental for the gas turbine. The scope of this thesis has been to see if an existing life model for thin TBC also is valid for thick TBC. In order to do so, a thermal cycling fatigue test, a tensile test and finite element calculation have been performed. The thermal cycling fatigue test and finite element calculation were done to find correlations between the damage due to thermal cycling, the number of thermal cycles and the energy release rate. The tensile test was preformed to find the amount accumulated strain until damage. The thermal cycling lead to failure of the TBC at the bond coat/top coat interface. The measurment of damage, porosity and thickness of thermally grown oxide were unsatisfying due to problems with the specimen preparation. However, a tendency for the damage development were seen. The finite element calculations gave values for the energy release rate the stress intensity factors in mode~I and mode~II that can be used in the life model. The tensile test showed that the failure mechanism is dependent of the coating thickness and it gave a rough value of the maximum strain acceptable.