Ce mémoire présente l'intégration des appareillages et le développement de procédures expérimentales pour la réalisation d'inspection non destructive effectuée par vibrothermographie stimulée par ultrasons. Le laboratoire de vision et systèmes numériques (LVSN) de l'Université Laval s'est doté, en 2005, de deux sources ultrasonores destinées à l'étude et le développement d'une technique non destructive manquante au laboratoire. Cette technique s'appelle la vibrothermographie stimulée par ultrasons du fait que l'on utilise une caméra infrarouge pour cartographier thermiquement, sans contact, la surface d'un matériau stimulé mécaniquement par ondes mécaniques de fréquences ultrasoniques. Après avoir lu ce mémoire, le lecteur devrait être capable de réaliser une inspection non destructive efficace par vibrothermographie stimulée par ultrasons. Ce dispositif intégré au cours de ma maîtrise est maintenant opérationnel au sein du laboratoire pour des fins d'élargissement des techniques d'inspection non destructive de matériaux.

Ce mémoire a pour but de comparer deux méthodes de contrôle non destructif : la thermographie modulée et la thermographie puisée, l'étude a été faite sur différents échantillons utilisés dans la construction aéronautique et est présentée sous forme de comparaison quantitative et qualitative, avec une explication des avantages et des inconvénients de chaque méthode.

La méthode des éléments finis est un outil mathématique puissant qui permet la résolution des équations différentielles décrivant un processus physique donné. Elle est particulièrement adaptée à la résolution de problèmes non linéaires ayant des géométries complexes. Une de ces applications est la modélisation du transfert de chaleur dans un objet soumis à une inspection par la technique de thermographie infrarouge pulsée (PT). Les résultats de ce travail ont prouvé que les solutions obtenues numériquement correspondent aux résultats expérimentaux, ceci malgré les contraintes liées à la puissance de l'ordinateur utilisé (capacité mémoire, disque, etc.) afin de résoudre le problème d'une manière adéquate. Par conséquent, le modèle numérique peut être considéré comme un outil complémentaire à la caractérisation des défauts par la PT. Dans le cas d'une procédure d'inspection où les différenst types de défauts présents dans le spécimen sont connus a priori, la modélisation numérique peut être utilisée efficacement afin d'améliorer la caractérisation de ces défauts, grâce à la combinaison modélisation MEF / expérience. En se basant sur l'analyse qualitative de l'évolution temporelle des profils de température obtenus en pratique, on a démotnré qu'il est possible de déterminer le type de défaut par une simple comparaison de la forme expérimentale de l'évolution du contraste qui est dépendante du type de défaut, avec les résultats obtenus grâce au modèle numérique. Une fois que le défaut est connu, en cas de structures complexes de type "sandwich", sa profondeur peut être réduite automatiquement puisque la plupart de ces défauts typiques apparaît sur les interfaces des couches de l'échantillon. Afin de procéder à la détermination de la taille du défaut, tâche qui est souvent très difficile en cas de structures multicouches à cause du contraste flou observé sur le défaut, provoqué par les effets latéraux de diffusion de chaleur, les expressions de régression obtenues à partir des résultats de modélisation peuvent être utilisées. Dans ce contexte, comme il a été démontré, la valeur du contraste thermique maximal obtenue expérimentalement n'est pas un paramètre fiable qui peut être utilisée avec confiance comme indicateur quantitatif des caractéristiques du défaut (dans ce cas-ci, sa taille latérale). Ceci est principalement dû au niveau élevé de l'incertitude sur le contraste maximal de température [delta]Tmax déterminé à partir de l'expérience, ainsi qu'à la force dépendance de [delta]Tmax à l'égard de la puissance de la source de chlauer appliquée. Ce problème devient signficatif dans le contexte de chauffage non-uniforme inévitablement présent dans les expériences de thermographie pulsée. En ce qui concerne l'incertitude des mesures, dans les cas où le signal thermique du défaut est faible, l'incertitude peut devenir égale ou même plus grande que la [delta]Tmax obtenu. Cependant, dans la plupart des cas, elle représente un pourcentage significatif du [delta]Tmax déterminé expérimentalement. D'autre part, les effets de l'excitation non-uniforme se sont avérés partiellement éliminés quand la procédure proposée pour la sélection de la région saine adéquate est utilisée. La procédure est basée sur l'utilisation de l'Image de Distribution de Source (IDS) reconstruite à partir de plusieurs thermogrammes initiaux acquis juste après que l'excitation soit appliquée à l'échantillon (alors que les effets possibles des défauts ne sont pas encore visibles sur la surface du spécimen). Une fois appliquée, la méthodologie s'assure que les régions défectueuses et saines aient reçu une quantité égale d'énergie (chaleur) durant l'excitation (jusqu'à une différence tolérable donnée). Cependant, aucune des corrections et mesures de précaution ne peuvent éliminer la nature fortement incertaine des valeurs expérimentales de [delta]Tmax. D'un autre côté, la période T max d'apparition de [delta]Tmax semble être beaucoup moins affectée par dse incertitudes de mesure et est relativement sensible aux caractéristiques du défaut (telles que sa taille et sa profondeur). On a démontré que même s'il existe des différences dans les valeurs absolues, les périodes de contraste maximal de température obtenues expérimentalement et numériquement peuvent être reliées par une simple relation algébrique, qui est réduite à une différence à une constante donnée. Une fois que ce rapport est établi, la régression obtenue par la modélisation peut être utilisée efficacement afin de fournir les informations désirées sur les caractéristiques inconnues du défaut. D'ailleurs, dans plusieurs cas où seulement un nombre limité de défauts est disponible dans l'échantillon calibré, pour que le procédé d'inversion soit établi, ou quand les données de mesure sont trop bruitées pour permettre la formulation d'une méthodologie d'inversion fiable, la modélisation numérique permet la déterminaison plus simple et plus directe des relations de régression pour de futures caractérisations de défauts. Par conséquent, le nombre illimité de simulations peu coûteuses pouvant être effectuées permet la création d'ensemble global et complet de relations entre les caractéristiques de défauts et les variables significatives de la PT, telle que la période d'apparition du contraste maximal de température.

L'augmentation rapide du niveau de concentration de dioxide de carbone dans l'air ambiant à la suite de diverses activités humaines est l'un des principaux défis environnementaux du XXIe siècle. Par conséquent, la résolution des problèmes d'émissions de carbone est l'une des principales tâches de la société moderne. Diverses technologies ont été développées et testées au cours des dernières décennies pour atténuer ce problème. La carbonatation minérale est reconnue comme l'une des technologies les plus sûres permettant de capturer et de stocker en permanence du carbone sous forme de carbonates thermiquement stables. La minéralisation passive du carbone par les résidus miniers en tant que processus naturel a lieu dans des conditions environnementales, partout où l'accès de l'air et de l'eau au tas de résidus miniers est possible. Le présent travail explore l'utilisation de la thermographie infrarouge comme méthode non destructive de surveillance du comportement exothermique au cours de la capture passive du carbone par la brucite. La configuration de carbonatation à deux cellules, consolidée avec une caméra infrarouge, a été conçue pour surveiller simultanément les variations thermiques de la surface du matériel dues à l'absorption de CO2 ainsi que le flux de chaleur échangé entre la brucite et son environnement. Les résultats montrent une influence significative de la température ambiante sur le système qui a contribué à l'échange thermique de la couche réactive avec l'environnement. La comparaison des profils de température entre les demi-cellules de référence et réactives montre des différences dans les variations thermiques par rapport à la température adiabatique à cause de l'influence de la température ambiante. L'élévation de température adiabatique par rapport aux profils de température de surface démontre une différence substantielle dans le taux de génération de chaleur de carbonatation en raison de l'échange de flux de chaleur avec l'environnement pendant le processus. / Rapid increment of the level of carbon concentration in ambient air in consequence of various human activities is one of the major environmental challenges of 21st century. Therefore, solving carbon emissions issues is one of the main tasks of the modern society. Variety of technologies have been developed and tested over the past decades to alleviate this concern. Mineral carbonation is recognized as one of the safest technologies that allows to capture and permanently store carbon in the form of thermally stable carbonates. Passive mineral carbonation by mining residues as a naturally occurring process takes place under environmental conditions anywhere where the air and water access to mining residue heap can be obtained. The present work explores the use of infrared thermography as a non-destructive method of monitoring exothermal behavior of passive carbon capture by brucite. Dual-cell carbonation setup consolidated with an infrared camera was designed in order to provide simultaneous monitoring of thermal variations on the surface of the material due to CO2 uptake as well as exchange of heat fluxes between brucite and its surroundings. The results show a significant influence of room temperature on the system that contributed to heat exchange of the reactive layer with the surrounding. The temperature profiles comparison between reference and reactive half-cells demonstrates striking differences in thermal variations than the adiabatic temperature due to the room temperature influence. Adiabatic temperature rise in comparison with surface temperature profiles demonstrates a substantial difference in carbonation heat generation rate due to heat fluxes exchange with surrounding during the process.

Ce travail porte sur l'amélioration de la méthode de la grille afin de mesurer avec de meilleures performances métrologiques des champs de déformation en surface d'éprouvettes soumises à des sollicitations mécaniques. Une procédure d'obtention directe des déformations à partir d'images de grilles a été proposée dans ce but. L'influence des défauts de la grille a également été caractérisée et une procédure adaptée a été développée pour l'éliminer. Les outils proposés ont été appliqués dans le cas de grilles unidirectionnelles et croisées. Les performances métrologiques ont été estimées avec des essais adaptés. Enfin, la méthode a été appliquée à un essai sur un multicristal d'aluminium, montrant ainsi sa mise en oeuvre dans un cas complexe de caractérisation de comportement de matériau

La compréhension et la modélisation des mécanismes de localisation observés lors de processus d'emboutissage représentent un enjeu industriel important. L'objectif de ce travail est d'étudier, par une approche expérimentale basée sur l'analyse des sources de chaleur, les manifestations de localisation pouvant se produire, sur des aciers, lors d'essais quasi-statiques de traction monotone.<br />A partir d'un traitement d'images thermiques infrarouge (effets) et de l'équation de diffusion de la chaleur, on propose une méthode permettant d'estimer les sources de chaleur (causes) générées par le processus de déformation.<br />Sur certains aciers doux, on met en évidence la propagation à vitesse uniforme d'une ou plusieurs bandes dissipatives étroites à travers la zone utile de l'éprouvette. Comparativement à ce premier mode (bandes de Lüders) où les effets dissipatifs sont soudains, intenses et très localisés, on met en évidence le caractère plus régulier et progressif de la concentration des zones où se développent les irréversibilités mécaniques menant à la striction localisée. Des "indicateurs de localisation énergétiques'' proposés pour détecter la localisation montrent qu'elle peut apparaître avant le maximum de la charge, dans plusieurs zones de l'éprouvette. Ce constat implique que la partie utile d'une éprouvette doit être considérée comme une structure et non comme un élément de volume réagissant de façon homogène, ce qui n'est pas sans conséquences sur les méthodes d'identification des modèles de comportement utilisés, en particulier, dans les approches théoriques de la localisation.<br />Enfin, d'autres expériences ont permis de mettre en évidence des manifestations énergétiques associées à des formes particulières de localisation : propagation de fronts de changement de phase (acier inoxydable A301), effets dissipatifs associés à des bandes de glissement (acier magnétique HiBiGO), effets dissipatifs localisés dans des bandes de cisaillement (polymère PVC).

Ce mémoire est consacré à la résolution des problèmes inverses. Il est divisé en deux parties, la première concerne les phénomènes mécaniques et la deuxième les phénomènes thermiques. Avant de proposer des algorithmes pour résoudre les problèmes inverses considérés, la résolution des problèmes directs est au préalable analysée en détail. Le premier thème développé dans la partie mécanique est l'identification des dix caractéristiques d'inertie d'un solide rigide. Les équations du mouvement sont formulées par une égalité entre matrices 4x4 antisymétriques, l'une associée au torseur dynamique, l'autre au torseur des efforts extérieurs. Les caractéristiques d'inertie sont regroupées en une matrice 4x4 symétrique défini-positive. Cette matrice intervient linéairement dans les équations du mouvement, la prise en compte de sa positivité est essentielle à la convergence de l'algorithme du type gradient conjugué projeté proposé pour l'identifier. Le deuxième thème abordé est l'identification du moment quadratique de la section droite d'une poutre en flexion. La partie thermique concerne l'identification de la conductivité thermique et de la chaleur volumique d'un solide dans le cas d'une propagation unidimensionnelle de la chaleur. La méthodologie développée est la suivante : Construction d'un algorithme A1 de résolution du problème direct, Construction d'un algorithme A2 de résolution du problème inverse, Validation de l'algorithme A2 à l'aide de simulations obtenues par l'algorithme A1, Identification des paramètres thermophysiques de trois polymères par exploitation de champs de température mesurés expérimentalement par thermographie infrarouge.

Les composites thermoplastiques sont de plus en plus privilégiées dans les structures aérospatiales au vue de leur tolérance aux dommages améliorée par rapport aux résines thermodurcissables. Néanmoins, ils restent sensibles à l’impact car il produit des endommagements complexes au sein du matériau, dont le délaminage est le plus critique. La propagation de ces endommagements en compression après impact (CAI) entraîne une réduction de la tenue résiduelle. D’abord, des essais ENF ont été menés afin de déterminer la ténacité interfaciale par le biais de la méthode de la complaisance et de la technique de thermographie infrarouge. Ensuite, l’essai « Short Beam Shear » est proposé afin d’investiguer le couplage entre la fissuration matricielle et le délaminage. L’effet de la vitesse de sollicitation a été également étudié. La valeur de ténacité mesurée semble indépendante à la vitesse de sollicitation car, lors des essais réalisés, la propagation est instable. Ensuite, le comportement d’une éprouvette académique été étudié à l’aide du « Discrete Ply Model » (DPM) permettant d’enchaîner la simulation d’impact et de CAI. Ce modèle est basé sur une approche semi-discrète modélisant le délaminage et la fissuration matricielle par des éléments cohésifs, permettant de prendre en compte le couplage entre ces deux endommagements. Une vaste campagne d'essais expérimentaux d’impact et de CAI a été mise en place sur quatre empilements différents impactés à trois niveaux d’énergie. Le modèle DPM a prouvé sa capacité à prédire correctement les endommagements d’impact et de CAI. Finalement, afin de se rapprocher des conditions de structures réelles, le comportement en compression après impact d’une plaque trouée a été investigué. / High-performance thermoplastic composite have been increasingly used in aerospace applications because of their advantageous mechanical properties. Nevertheless, impact damage leads to significant reduction in structure compressive strength although damage may remain unnoticed. Delamination is the most critical damage. Short Beam Shear (SBS) test has been proposed to reproduce impact damage chronology and characterize delamination toughness. Infrared thermography is used for local measuring of fracture toughness in this unclassical test showing unstable fracture growth. Mode II fracture toughness (GIIC) values are comprised between 0.9 and 1.7 N/mm and there was no influence of the loading rate in GIIC values. Discrete Ply Model (DPM) is therefore used to model impact and compression after impact tests on laminated composite structures. Tests have been conducted in order to validate DPM capacity to capture the effects of progressive damage and failure. Impact damage and specimen’s compressive strength is well predicted by DPM. CAI damage propagation is driven by the buckling of the structure. DPM is finally employed to study impact on an industrial sample with a large diameter hole. Impact damage correlates with tests but buckling is difficult to estimate, meaning that rupture of the specimen does not correlate to tests. Nevertheless, DPM shows a good ability to predict damage in thermoplastic composite.

Ce travail se propose de caractériser thermiquement des composites à microstructures complexes. Il s’agit de développer des méthodes d’estimation permettant d’identifier les propriétés thermiques des différentes phases en présence, ainsi que celles associées à leurs interfaces, à partir de mesures issues de la thermographie infrarouge. Cette estimation paramétrique nécessite la connaissance au préalable de la structure géométrique de l’échantillon. Le premier objectif concerne donc l’identification de la structure de l’échantillon testé par la discrimination des différentes phases et interfaces. Une fois la structure de l’échantillon connue, le second objectif est l’identification des paramètres thermiques des différents constituants ainsi que ceux de leurs interfaces. On se propose d’exploiter deux tests spécifiques utilisant le même dispositif expérimental. Deux méthodes mathématiques différentes ont été développées et utilisées pour exploiter les mesures de champ issues du premier test et permettre de retrouver la microstructure de l’échantillon. La première est fondée sur la décomposition en valeurs singulières des données de températures recueillies. Il est montré que cette méthode permet d’obtenir des représentations de la microstructure de très bonne qualité à partir de mesures même fortement bruitées. La seconde méthode permet de raffiner les résultats obtenus à l’aide de la méthode précédente. Elle repose sur la résolution d’un problème d’optimisation sous contraintes en exploitant la technique dite Level-Set pour identifier les frontières des différents constituants de l’échantillon. L’étape d’identification des propriétés thermiques des constituants et des interfaces exploite les mesures de champs issues du second test expérimental. La méthode développée, la SVD-FT combine des techniques de décompositions en valeurs singulières avec desfonctions tests particulières pour dériver des estimateurs linéaires des propriétés recherchées.Cette méthode permet de limiter les effets du bruit de mesure sur la qualité de l’estimation et de s’affranchir des opérations de filtrage des données. / This work reports on the thermal characterization of composites with a complex microstructure. It aims at developping mathematical methods to identify the thermal properties of the constituants and thoses associate at their interfaces. The first step consistsin discriminating the microstructure of the sample to be tested. Then, when the sample structure is known, the second step consists in estimating the thermal parameters of the different phases and those at their interfaces. One experimental device has been set up to realize those two steps. Two mathematical methods have been developped and used to discriminate the microstructure based on the images of the sample recorded bu an infrared camera. The first method is based on the singular value decomposition of the temperature data. It has been shown that this method gives a very good representation of the microstructure even with very noisy data. The second method allows to refine the results obtained by the first one. This method is based on the resolution of an optimization problem under constraints and use a Level-Set technic to identify the boundary of each phase. To estimate the thermal properties of each phase and its interface, the infrared images of the second experiment have been used. The SVD-FT method developed in this work combines the singular values decomposition technic with particular tests functions to derive linear estimat or for the thermal properties. As a result, a significant amplification of the signal/noise ratios is reached.

L'objectif ultime de ce travail de thèse consiste à établir un bilan énergétique à l'échelle du grain afin de caractériser et de vérifier la cohérence thermodynamique de modèles de comportement utilisés pour rendre compte du développement de la plasticité cristalline dans les matériaux métalliques. La première partie de ce travail a consisté à mettre en place un protocole d'élaboration du matériau permettant d'obtenir la microstructure souhaitée, compatible avec des moyens d'observations macroscopiques. Les échantillons d'aluminium à très gros grains (centimétriques) ainsi obtenus sont utilisés pour effectuer des essais cycliques durant lesquels les champs cinématiques et thermiques sont mesurés au moyen de techniques de Corrélation d'Images Numériques et de Thermographie Infra-rouge. Deux techniques de traitement d'image spécifiques ont été proposées. Elles permettent d'introduire des hypothèses sur les champs cinématiques et thermiques qui soient adaptées à la microstructure (ici continuité intra-granulaire du déplacement, de la température et du flux). Ces méthodes permettent d'accéder à des mesures complètement indépendantes d'un grain à l'autre tout en améliorant la robustesse des méthodes de mesure. Ces méthodes ont été validées numériquement en utilisant des images de synthèse sur lesquelles ont été appliqués des champs hétérogènes. Une campagne d'essais cycliques a enfin été menée sur les multi-cristaux d'aluminium élaborés. Les méthodes développées ont permis d'observer le développement de la plasticité intra-granulaire et le développement de la fissuration inter-granulaire. / The main objective of this PhD thesis is to establish an energy balance at the grain scale in order to assess the thermomechanical consistency of material models used to predict the development of crystal plasticity of metals.The first part of this work consists in setting a protocol allowing the material elaboration with the desired microstructure which is to be compatible with the use of classical macroscopic observation devices. The obtained coarse-grained aluminum samples (with centimeter grains) are used in cyclic tensile tests. During these tests, the kinematic and thermal fields are recorded with Digital Image Correlation and Infra-Red Thermography techniques.Two specific imaging techniques were developed. They allow introducing ad hoc hypotheses (i.e. consistent with microstructure) on the kinematic and the thermal fields. In this work, these hypotheses consist in intra-granular continuity conditions on the displacement, temperature and heat flux fields. These methods give independent measures on each grain while improving the robustness of the measurement methods. These methods were numerically validated using computer-generated images heterogeneously loaded.Cyclic tests were finally performed on the processed aluminum multi-crystals. The developed methods allowed the observation of the development of intra-granular plasticity and the development of inter-granular cracking.