Approche multi-échelle de caractérisation des surfaces fondée sur l'analyse fractale et multifractale : application en analyse fractographique.

par Djedjiga Ait Aouit

Thèse de doctorat en Traitement du signal et de l'image

Sous la direction de Abdeldjalil Ouahabi.

Soutenue le 23-10-2008

à Tours , dans le cadre de Ecole doctorale Santé, sciences, technologies (Tours) , en partenariat avec SST/EA 2640 - Laboratoire de Mécanique et Rhéologie (équipe de recherche) et de Université François Rabelais (Tours). Ecole polytechnique universitaire (laboratoire) .

Le président du jury était Rachid Harba.

Le jury était composé de Patrice Abry, Patrick Siarry, Stéphane Jaffard, Jean-Marc Girault, Denis Kouame.


  • Résumé

    Notre environnement quotidien est constitué de multiples exemples d’éléments ou de structures susceptibles de se rompre par fatigue. En effet, si le secteur du transport aérien, terrestre et maritime, est à l’origine de nombreuses avancées dans le domaine de l’endommagement, les problèmes de fatigue concernent aujourd’hui des domaines d’activité très divers tels que la production d’énergie, le biomédical, l’automobile… D’une manière générale, on estime aujourd’hui qu’environ 80% des ruptures en service sont dues à une mauvaise prise en compte de l’endommagement par fatigue au stade de la conception et/ou du dimensionnement. En mécanique de la rupture, la « fractographie » est une science qui consiste à expertiser les débris d’une pièce rompue en vue de comprendre les mécanismes de l’endommagement, et ainsi définir l’histoire et les causes de la rupture. Une telle stratégie peut permettre d’améliorer par la suite la qualité du matériau pour mieux résister à la fatigue. Cette thèse est consacrée à l’analyse de ces débris que nous appelons surfaces de fracture, avec comme objectif la discrimination de trois étapes d’endommagement préconisées en mécanique de la rupture: l’étape d’amorçage de la fissure, l’étape de propagation stable et l’étape de la rupture finale du matériau. La rugosité de ces zones de fissuration est différente car la vitesse de fissuration change d’une zone à une autre. En effet, la fissure s’amorce à une vitesse, se propage à une autre vitesse et s’accélère pour mener le matériau à la rupture finale. Ces trois modes de comportement de la fissure sont confirmés par les graphes d’évolution de la fissure en fonction du nombre de cycles à la rupture, estimés à l’aide de la nouvelle stratégie de suivi de fissure développée durant cette thèse. Elle peut être adaptée à tout type de matériaux indépendamment de leur texture ou de leur conductivité électrique, avec une précision de l’ordre de 8 µm. Une campagne d’essais de fatigue a été conduite sur un ensemble d’éprouvettes d’un matériau élastomère destiné à la fabrication de pièces d’accouplements souples en industrie automobile. Les essais de fatigue ont été menés jusqu’à la rupture. Les surfaces de fracture ainsi obtenues sont numérisées à l’aide de deux techniques : l’interférométrie pour obtenir des cartes de hauteurs et la microscopie électronique à balayage pour obtenir des images microscopiques qui décrivent la texture de ces surfaces. La caractérisation de la rugosité de ces zones demande une classification très fine des irrégularités estampillées par la propagation de la fissure. D’où la nécessité d’adopter des méthodes de traitement de signal performantes pour quantifier d’une manière efficace ces structures singulières. Nous exploitons le paramètre de rugosité globale, appelé « exposant de Hurst », pour identifier l’axe de fissuration et par analyse fractale des profils de fracture (coupes transversales des cartes de hauteurs) nous montrons qu’il est possible de reconstruire le parcours de la fissure. L’analyse multifractale basée sur les maxima locaux de la transformée en ondelettes de ces profils a permis la discrimination des trois zones de fissuration à l’aide des spectres de singularités qui quantifient la force des singularités et leur distribution sur les trois zones d’intérêt.

  • Titre traduit

    No title available


  • Résumé

    This thesis is devoted to analyse the fracture surfaces of a broken piece. The aim is to discriminate the three principles damage stages advocated in the field of fracture mechanics: fracture initiation stage, fracture propagation stage and finale rupture of the material. The behaviour of these fracture modes is confirmed by the graphs of the fatigue crack growth according to the number of fatigue cycles. These graphs are estimated using a new strategy developed for monitoring fatigue crack growth based on thermographic measures applicable to a wide range of materials regardless of their electrical conductivity and their surface texture. A campaign fatigue testing was conducted on a set of an elastomeric material samples, this material is used for the manufacture of parts of flexible couplings automotive industry. The fracture surfaces are digitized using two techniques: interferometry to obtain maps of heights and scanning electron microscopy to obtain microscopic images. The fracture phenomena being highly nonlinear and non-stationary; therefore, the classical roughness parameters measurement of fracture lines development is not adapted for their characterization. In this investigation, multifractal analysis based on the continuous Wavelet Transform Modulus Maxima method (WTMM) is proposed to give the discrimination of the profile lines development at three principal fracture stages. Indeed, the discrimination of these three fracture stages provides a powerful diagnostic tool to identify the fracture initiation site, and thus delineate the causes of the cracking of the material. We have used the global roughness parameter, called Hurst exponent, to identify the axis of cracking. The fractal analysis of the fracture profiles show that it is possible to reconstruct the crack path. It was established that multifractal analysis based WTMM describes reasonably well the scaling properties of local regularity of the fracture. It performs a fine discrimination of the three fracture zones using the singularities spectra which quantify the strength of singularities and their distribution.

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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2008 par SCD de l'université de Tours à Tours

Approche multi-échelle de caractérisation des surfaces fondée sur l'analyse fractale et multifractale : application en analyse fractographique.


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Informations

  • Sous le titre : Approche multi-échelle de caractérisation des surfaces fondée sur l'analyse fractale et multifractale : application en analyse fractographique.
  • Détails : 1 vol. (235 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 225 - 235
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