Le comportement hydro-mécanique des roches argileuses indurées étudiées par l'ANDRA, pour la faisabilité de l'enfouissement des déchets radioactifs, est identifié expérimentalement à différentes échelles complémentaires dans le but de fournir des éléments pour l'élaboration future de modèles micromécaniques. La localisation spatiale et temporelle des déformations et de l'endommagement est analysée par des mesures de champs (corrélation d'images numériques) et par l'enregistrement d'émissions acoustiques. Les évolutions de la roche au cours des succions sont revisitées de par les apports des observations de la microstructure et des mesures locales de déformations associées aux évolutions de masse. Aux faibles humidités, la perte d'eau induit de la contraction avec refermeture des fissures existantes. Pour les fortes humidités, du gonflement est associé à de la prise d'eau. L'ouverture des fissures existantes et la création d'un nouveau réseau de fissures (de taille millimétrique et d'ouverture de la dizaine de micromètres) contribuent au gonflement apparent observé. Les caractéristiques mécaniques apparaissent dépendantes de la microstructure initiale de la roche (argilosité) et de la microstructure induite par les transferts hydriques (fissuration hydrique). Les états secs présentent des déformations réparties de façon homogène à l'échelle macroscopique et en lien avec la nature hétérogène des phases minérales à l'échelle locale. A cette échelle, la déformabilité est maximale pour les zones à prédominance argileuse. Pour les états humides, aussi bien globalement que localement, la distribution des déformations est hétérogène, dictée à la fois par la microstructure composite de la roche et par la présence du réseau de fissures hydriques.

Les phénomènes d'émission d'ondes acoustiques générées par les mécanismes de fissuration des échantillons de roche sous contrainte, sont étudiés expérimentalement, et les résultats interprétés comparativement avec les phénomènes sismiques de l'écorce terrestre. On s'intéresse ici, dans une analyse de type statistique, à l'influence des conditions de sollicitations et celle des matériaux étudiés sur les caractéristiques diverses des événements microsismiques enregistrés. On a pu ainsi mettre en évidence les influences du facteur temps et de l'histoire de la sollicitation sur la taille des microséismes et leur répartition spatiotemporelle, les processus invoqués semblant présenter des analogies avec les phénomènes de terrain. Les fréquences dominantes des spectres expérimentaux semblent correspondre à des tailles moyennes de source assez proches de la dimension des grains de la roche considérée. Une évolution du contenu spectral des signaux avec la contrainte appliquée (pouvant être éventuellement utilisée comme moyen de prédiction d'un phénomène majeur " in situ") a pu être observée et interprétée en termes de mécanismes à la source.

Le contrôle non destructif (CND) par émission acoustique (EA) est utilisé dans un grand nombre de domaines tels l'énergie nucléaire, le secteur pétrolier et gazier, le génie civil ou l'industrie mécanique afin de vérifier l'intégrité des structures sous contrainte. Selon le rapport entre la longueur d'onde et l'épaisseur de la structure, l'énergie libérée par un défaut sous contrainte peut se propager sous forme d'ondes guidées (cas des structures minces) ou sous forme d'onde de Rayleigh (cas des structures épaisses). L'analyse des signaux issus de cette méthode ultrasonore " passive " présente des difficultés liées principalement à la complexité des signaux typiquement mesurés. L'objectif de la thèse est de développer des modèles permettant la simulation d'expériences de CND par EA dans le cas des structures épaisses ou minces. Les modèles développés sont basés sur un couplage entre un modèle de source d'EA, un modèle de propagation des ondes et un modèle de capteur d'EA. Dans le cas des structures épaisses, deux modèles 2D (concernant le contrôle de pièces de surface plane et cylindrique) et un modèle 3D (surface plane) ont été développés afin de prédire le signal correspondant à l'onde de Rayleigh émise par un défaut sous contraintes. Concernant les structures minces, un modèle 2D a été développée permettant de prédire le signal correspondant aux modes guidés émis par une fissure sous contrainte. Plusieurs études paramétriques ont été menées afin de définir l'influence des différentes données d'entrée des modèles sur les signaux d'EA et ainsi aider à l'interprétation des contrôles par EA.

Cette thèse s'inscrit dans une démarche d'investigation des mécanismes d'endommagement de réfractaires électrofondus à très haute teneur en zircone. L'accent est en particulier mis sur la compréhension du phénomène de microfissuration, mécanisme de dégradation le plus dommageable pour ces matériaux. S'opérant au refroidissement, il conduit à la fracture des blocs électrofondus. Réalisés dans le cadre du programme NOREV (NOouveau REfractaires Verriers) soutenu par l'ANR, les travaux présentés sont le fruit d'une collaboration avec Saint Gobain CREE, le Centre des Matériaux P.M. FOURT de l'Ecole des Mines de Paris, le laboratoire GEMH de l'ENSCI de Limoges, ICAR et Euro Physical Acoustics. Ils font suite aux travaux réalisés lors du programme PROMETHEREF (2002-2005). Des expériences préliminaires ont permis de définir et d'affiner les orientations de l'étude. Prenant en considération l'anisotropie de dilatation de la zircone monoclinique et quadratique décrite dans la littérature, l'imagerie des électrons rétrodiffusés a notamment permis de révéler un lien entre l'arrangement de domaines cristallographiques et la fissuration observée. D'autres expérimentations conduites dans le domaine de l'émission acoustique ont mis en lumière son applicabilité et ses apports pour notre problématique ainsi que la nécessité de développer un algorithme de traitement adapté. Ainsi, trois axes de recherche ont été développés. Ils visent, par leur complémentarité, à permettre une analyse à plusieurs échelles de l'endommagement des matériaux de l'étude tout en s'appuyant sur leur comparaison. Ils permettent respectivement d'évaluer l'endommagement de manière indirecte, d'en examiner les origines à l'échelle microscopique et d'en déterminer l'occurrence en température à l'échelle globale de l'échantillon. Le premier volet consiste en une évaluation des propriétés mécaniques en températures soulignant les incidences de la fissuration. La mise en évidence de la fissuration sous-critique, l'évolution des propriétés élastiques ainsi que la détermination des propriétés à la rupture apportent autant d'éléments qui permettent ensuite d'enrichir l'étude fractographique. Le deuxième volet s'attache, après une interrogation quant à la présence simultanée de zircone monoclinique et quadratique, à déterminer les paramètres de maille et les coefficients de dilatation de ces deux structures pour les différents matériaux. La modélisation des mailles correspondantes se révèle alors d'un grand intérêt pour l'analyse de cartographies EBSD. Enfin, la validation et l'application d'un process de traitement novateur des données d'émission acoustique, intégrant un algorithme génétique, permet de quantifier l'endommagement et d'apporter des précisions quant à son action en température. Ces constatations sont confortées par des suivis par acousto-ultrasons.

L'objectif de cette thèse est de démontrer que l'Emission Acoustique (AE) est une technique appropriée pour devenir un outil de diagnostic de l'état de charge, de santé et de sécurité pour les batteries lithium-ion. Ces questions sont actuellement des points clés important pour l'amélioration des performances et des durées de vie de la technologie. La structure de ce document est organisée en deux principaux chapitres expérimetaux l'un consacré à deséléments lithium-ion composés de composés d'intercalation et l'autre à desalliages de lithium.Dans le premier cas, les résultats présentés concernent le suivi par AE de la formation de la SEI et de la première intercalation des ions lithium dans la structure du graphite pour des éléments LiFePO4/C. Les événements AE provenant de plusieurs sources ont été identifiés et correspondent à la formation de gaz (bulles) et à des phénomènes de craquelures (ouvertures du bord des plans de graphène quand la SEI est formée et l'écartement quand les stades d'insertion du graphite-lithium sont finis). De plus, une étude par spectroscopie d'impédance a été menée durant un vieillissement calendaire en température sur des éléments formés à différents régimes de courant. Dans le second cas, le mécanisme d'insertion/extraction du lithium dans des éléments LiAl/LiMnO2 a été étudié en associant plusieurs techniques incluant des techniques électrochimiques, AE et post-mortem pour évaluer les mécanismes de dégradation. Lors du cyclage, les événements acoustiques sont plus intenses lors du processus de décharge et ils peuvent être attribués principalement à l'alliage avec la transformation de phase de -LiAl en -LiAl accompagnée d'une expansion volumique importante. L'émission acoustique peut ainsi offrir une nouvelle approche pour gérer le fonctionnement des technologies lithium-ion basées non plus seulement sur des paramètres électrochimiques classiques mais aussi sur des paramètres acoustiques. Des nouveaux d'états de santé et de sécurité peuvent ainsi être envisagés.

Les matériaux composites se caractérisent par une forte dispersion de leur durée de vie qui peut s'étendre de quelques minutes à plusieurs semaines lors d'un test de fluage. Lors d'un essai en fluage de ces matériaux nous distinguons trois phases de temps caractérisées chacune par une activité acoustique propre. Dans la première phase, le taux d'apparition des signaux d'EA est important, puis le taux diminue et atteint une valeur constante relativement faible durant la seconde phase, ensuite ce taux d'apparition s'accélère annonçant la troisième phase qui se termine par la rupture. Les caractéristiques des signaux d'émission acoustique (EA) émis dans la phase précédant la rupture sont différentes de celles des autres phases. Le premier volet de cette étude consiste à utiliser des méthodes d'apprentissage relevant de l'intelligence artificielle (réseaux de neurones, machines à vecteurs de support et classifieurs bayésiens) afin de prédire si les signaux recueillis à partir d'un matériau sous test se trouve dans la phase de pré-rupture ou non. Ce sont des méthodes qui, appliquées à l'émission acoustique, permettent d'identifier parmi un grand nombre de signaux, caractérisés par des paramètres principaux, des classes de signaux ayant des paramètres voisins et donc provenant probablement de la même phase. Ces méthodes se sont avérées très performantes en classification, nous atteignons avec les SVM une sensibilité de 82 % et une spécificité de 84% pour les résultats en validation croisée, et une sensibilité de 90 % et une spécificité de 94 % pour les résultats en test, avec un temps de calcul acceptable.Le deuxième volet de l'étude effectué dans le cadre de cette thèse concerne l'estimation de la durée de vie restante des les matériaux composites. La normalisation des courbes cumulées des signaux d'émission acoustique en fonction du temps prouve que les réponses en fluage des éprouvettes mises en test sont parfaitement ressemblantes. Un modèle a été établi pour caractériser le comportement de ce matériau lors de ce test. Deux approches sont utilisées pour déterminer le temps de rupture. Par rapport à la littérature, la première approche proposée améliore la détection des temps de transition des différentes phases. Cette approche fournit également une meilleure corrélation avec le temps de rupture. La deuxième approche est fondée sur la corrélation du temps de rupture avec le temps de référence correspondant à la diminution de la vitesse d'un certain pourcentage. Les résultats de cette dernière approche sont très intéressants : l'estimation du temps de rupture pour une éprouvette ayant une durée de vie de 1 heure peut être possible dès les 15 premières secondes, avec une erreur de l'ordre de 4 %.

Aujourd'hui les structures multi-matériaux à base de bois sont en plein essor. Ces structures mixtes sont à la fois originales et mécaniquement prometteuses. En revanche, leur utilisation est encore récente. Cela se traduit par une certaine méconnaissance de leur comportement et notamment vis-à-vis de la présence des endommagements pouvant conduire à la dégradation de leurs propriétés mécaniques. Dans ce cadre, l'émission acoustique peut être une alternative pour l'inspection et le contrôle de ces structures. Afin de caractériser l'évolution de l'endommagement dans les structures multi-matériaux, il est indispensable de commencer par la caractérisation de l'endommagement de chaque matériau isolé. Le travail de recherche présenté dans ce document porte donc sur la caractérisation par émission acoustique de l'endommagement du matériau principal de la structure qui est le matériau bois. L'une des difficultés associée à son suivi par émission acoustique tient en particulier à la variation de sa réponse acoustique selon la structure du matériau, le type d'essence et la sollicitation appliquée. Dans cette étude, à partir de trois types d'essais mécaniques normalisés (traction, compression et flexion), l'endommagement de trois essences de bois (Douglas, sapin pectiné et peuplier) a été caractérisé par la technique d'émission acoustique. Les résultats obtenus montrent que l'émission acoustique est une technique performante pour la détection précoce de l'endommagement du matériau bois. Elle permet également d'affiner les scénarios d'endommagement et de différencier les signatures acoustiques des différents mécanismes par le biais d'algorithmes de reconnaissance de forme. En outre, les résultats obtenus ont vérifiés que la réponse acoustique est dépendante de l'essence et du type de sollicitation. / The application of wood-concrete-composite hybrid materials in a mechanical structure is increasing day after day. These multi-material structures are both original and mechanically promising. Nevertheless, their use is still recent. This results are in a certain lack of knowledge about their behavior and in particular with regard to the presence of damage which may lead to the degradation of their mechanical properties. In this context, acoustic emission (AE) may be an appropriate non destructive method for the inspection and control of these structures. In order to characterize the evolution of damage in multi-material structures, it is essential to characterize the damage of each constituent material. This work presents the first part of the project for assessment of hybrid structures. It concerns the characterization by acoustic emission of the damage of wood material. One of the difficulties associated with acoustic emission monitoring of wood is the variability and the complexities in its response, because the AE response depends on the structure of the wood specie and the loading condition. In this study, under different mechanical loading (standard tensile, compression and bending tests), damage of three wood species (Douglas fir, Silver fir and poplar) is characterized by the technique of acoustic emission. Results obtained show that the acoustic emission is efficient for the early detection of the damage of the wood material. It also allows to refine the damage scenarios and to differentiate the acoustic signatures of different mechanisms by means of unsupervised pattern recognition algorithms. Moreover, the results confirm that the acoustic response is dependent on the wood specie but also on the loading condition.

Les matériaux composites se caractérisent par une forte dispersion de leur durée de vie qui peut s'étendre de quelques minutes à plusieurs semaines lors d'un test de fluage. Lors d'un essai en fluage de ces matériaux nous distinguons trois phases de temps caractérisées chacune par une activité acoustique propre. Dans la première phase, le taux d'apparition des signaux d'EA est important, puis le taux diminue et atteint une valeur constante relativement faible durant la seconde phase, ensuite ce taux d'apparition s'accélère annonçant la troisième phase qui se termine par la rupture. Les caractéristiques des signaux d'émission acoustique (EA) émis dans la phase précédant la rupture sont différentes de celles des autres phases. Le premier volet de cette étude consiste à utiliser des méthodes d'apprentissage relevant de l'intelligence artificielle (réseaux de neurones, machines à vecteurs de support et classifieurs bayésiens) afin de prédire si les signaux recueillis à partir d'un matériau sous test se trouve dans la phase de pré-rupture ou non. Ce sont des méthodes qui, appliquées à l'émission acoustique, permettent d'identifier parmi un grand nombre de signaux, caractérisés par des paramètres principaux, des classes de signaux ayant des paramètres voisins et donc provenant probablement de la même phase. Ces méthodes se sont avérées très performantes en classification, nous atteignons avec les SVM une sensibilité de 82 % et une spécificité de 84% pour les résultats en validation croisée, et une sensibilité de 90 % et une spécificité de 94 % pour les résultats en test, avec un temps de calcul acceptable.Le deuxième volet de l'étude effectué dans le cadre de cette thèse concerne l'estimation de la durée de vie restante des les matériaux composites. La normalisation des courbes cumulées des signaux d'émission acoustique en fonction du temps prouve que les réponses en fluage des éprouvettes mises en test sont parfaitement ressemblantes. Un modèle a été établi pour caractériser le comportement de ce matériau lors de ce test. Deux approches sont utilisées pour déterminer le temps de rupture. Par rapport à la littérature, la première approche proposée améliore la détection des temps de transition des différentes phases. Cette approche fournit également une meilleure corrélation avec le temps de rupture. La deuxième approche est fondée sur la corrélation du temps de rupture avec le temps de référence correspondant à la diminution de la vitesse d'un certain pourcentage. Les résultats de cette dernière approche sont très intéressants : l'estimation du temps de rupture pour une éprouvette ayant une durée de vie de 1 heure peut être possible dès les 15 premières secondes, avec une erreur de l'ordre de 4 %. / The composite materials are characterized by a high dispersion of their lifetime, which may extend from several minutes to several weeks in a creep test. When tested in creep of these materials we distinguish three phases, each characterized by its own acoustic activity. In the first phase, the occurrence rate of the AE signals is important, and then the rate drops to a relatively low constant value during the second phase, then this occurrence rate accelerate announcing the third phase which ends by a rupture. The characteristics of the acoustic emission (AE) signals in the phase preceding the rupture are different from those of other phases.The first part of this study is to use learning methods from artificial intelligence (neural networks, support vector machines and Bayesian classifier) to predict if the signals collected from the material under test in the pre-rupture or not. These are methods which, when applied to acoustic emission, identify among a large number of signals, characterized by key parameters, classes of signals having similar parameters and thus probably from the same phase. These methods have proved highly effective in classification; we reach the SVM with a sensitivity of 82 % and a specificity of 84 % for cross-validation results, and a sensitivity of 90 % and a specificity of 94 % for test results, with an acceptable calculation time.The second part of the study in the framework of this thesis concerns the estimation of the remaining life of composites. Standardization of signals accumulated acoustic emission curves as a function proves that the responses of the creep test pieces are set perfectly similar. A model was developed to characterize the behavior of this material during this test. Two approaches are used to determine the time of rupture. Compared to the literature, the first proposed approach improves the detection time of transition phases. This approach also provides a better correlation with the rupture time. The second approach is based on the correlation of rupture time with the reference time corresponding to the decrease of the speed by a percentage. The results of this latter approach is very interesting : the estimation of the rupture time for a test piece having a life of one hour may be possible from the first 15 seconds, with an error of about 4 %.

La plupart des études de fretting analyse la réponse des matériaux en contact à partir de critères issus directement des paramètres caractéristiques des cycles de fretting (ouverture du cycle, énergie dissipée, raideur de contact...). La première partie de cette étude s’intéresse à l’influence du dispositif, premier élément du triplet tribologique, sur la réponse en glissement total d’un contact sphère/plan. Le rôle du mode de commande (déplacement imposé ou force actionneur imposée), de la rigidité statique et dynamique du dispositif (analyse vibratoire) et de la nature des matériaux (ductile, fragile ou peu adhérent) sur la forme des cycles est analysée de manière à distinguer les contributions respectives du dispositif et des matériaux. La seconde partie de cette étude est consacrée à une analyse de l’influence des paramètres opératoires (charge normale, déplacement, fréquence, intensité électrique) de couples CuSn6-CuSn6 pour application à la connectique embarquée bas niveau, où le fretting représente l’une des principales causes des défaillances des contacts électriques par perte de conductivité électrique. Une analyse de la variance a permis de hiérarchiser et d’identifier les couplages existants entre les paramètres opératoires et les réponses tribologiques et électriques. Un examen approfondi des signaux d’émission acoustique (amplitude EA, émissivité, énergie absolue, fréquence du centroïde…) et de la résistance électrique du contact a permis une compréhension temporelle des mécanismes locaux de dégradation des contacts synthétisée par une approche troisième corps. / Most fretting studies analyze material’s responses using criteria directly issued from characteristic parameters of the fretting loops (loop aperture, dissipated energy, contact stiffness...). The first part of this study concerns the influence of the device, first element of the tribological triplet, on the gross slip response of a ball-on-flat contact. The role of the static and dynamic device stiffness (vibratory analysis), of the control system mode (imposed displacement or imposed actuator force) and of the material type (ductile, brittle or non-adherent) on the loop shape is analyzed in order to distinguish the respective contributions of devices and materials. The second part of this study concern the analysis of the influence of operating parameters (normal force, displacement, frequency, current intensity) for CuSn6-CuSn6 pairs for low current onboard connectors applications. An analysis of variance allowed to prioritize and identify existing linkages between the operating parameters and the tribology and electrical responses. An examination of acoustic emission signals (amplitude AE, emissivity, absolute energy, centroid frequency…) and the electrical resistance of contact allowed a temporal understanding of local mechanisms of degradation synthesized by an approach third body.

Ce travail de thèse porte sur le contrôle de santé intégré par émission acoustique desmatériaux composites stratifiés et sandwichs. Le capteur d’EA est d’une part implanté dans lamasse du matériau et d’autre part collé à la surface de ce dernier. Une première étude estconsacrée à l’étude de l’influence de l’implant piézoélectrique dans le volume du matériau surle comportement et les caractéristiques mécaniques en statiques, en fatigue cyclique et enfluage sous sollicitations en traction et en flexion. Les signaux d’émission acoustique sontcollectés au cours des essais sur les différents matériaux. Les mécanismes d’endommagementde chaque matériau sont identifiés et caractérisés en utilisant une analyse multiparamétrique(k-moyennes) des signaux collectés. La dynamique de chaque mécanisme est suivie jusqu’à larupture permettant de discriminer les mécanismes les plus critiques conduisant à la rupture dumatériau. Une étude comparative des signaux d’EA entre matériau instrumenté en surface etcelui instrumenté en volume avec insertion d’élément piézoélectrique est également menée.Elle a montré que les matériaux avec capteurs intégrés sont plus sensibles à l’émissionacoustique, améliorant ainsi l’identification des mécanismes d’endommagement et le contrôlede santé intégré des matériaux composites étudiés. Enfin, la dernière partie du travail a étéconsacrée à l’étude de l’influence de l’intégration de plusieurs capteurs dans des structures encomposites stratifiés et sandwichs. L’analyse des résultats expérimentaux et l’observation dessignaux d’EA obtenus dans ces structures soumises à différentes sollicitations ont permis dedéfinir les principaux signatures acoustiques des différents modes d’endommagementprépondérants dans chaque type de structure. La localisation des sources d’endommagement amis en évidence que les événements acoustiques sont apparus loin des positions des capteursintégrés. De point de vue comparaison entre matériau instrumenté et matériau noninstrumenté, l’activité acoustique montre clairement l’avantage de l’intégration del’instrumentation au sein du composite. Cet avantage réside dans le fait de la détectionexpérimentale des modes d’endommagement précoces et leur chronologie d’apparition,faisant ainsi révéler les performances du composite instrumenté vis-à-vis à sa réponse enversl’initiation, la propagation et l’accumulation des défauts microscopiques. / The increasing demands to improve the performance of aerospace and other engineering Systems require a new class of structures, such as smart structures. These can be defined as the system that has built-in capability or with intrinsic sensors that perceive and process the operating environments, and take effective action to fulfil the intended mission. The future of smart structure technology is very promising. There has been considerable interest in the use of piezoelectric materials in conjunction with the light-weight and high-strength/modulus polymeric composites as one type of smart structures. This work presents a health monitoring study of composites incorporating an integrated piezoelectric sensor. Firstly, experimental research is focused on examining the effects of the embedded sensors on the structural integrity of composites subjected to tensile and 3-point bending loads. A series of specimen composites (laminated composites and sandwich) with and without embedded piezoelectric sensors were fabricated. The composite specimens with PZT sensors embedded in the mid-plane were tested in static, fatigue and creep loading while continuously monitoring the response by the acoustic emission technique. The acoustic signals were analysed using the classification k-means methoc in order to identify the different damage and to follow the evolution of these various mechanisms for both types of materials (with and without sensor).