Zero-group-velocity Lamb modes in laser ultrasonics : fatigue monitoring and material characterization

par Guqi Yan

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Vincent Tournat, Vitalij Gusev et de Samuel Raetz.

Soutenue le 20-11-2018

à Le Mans , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes) , en partenariat avec Laboratoire d'acoustique de l'Université du Mans (laboratoire) et de Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM (laboratoire) .

mots clés

• Vitesse de groupe nulle
• Ultrasons laser
• Fatigue accumulée
• Endommagements thermiques
• Non-linéarité
• Caractérisation non destructive (CND)
• Lamb, Ondes de
• Ultrasons lasers
• Matériaux -- Fatigue
• Contrôle non destructif

Titre traduit

Modes de Lamb à vitesse de groupe nulle en ultrasons laser : suivi de la fatigue et caractérisation de matériaux

Résumé

Ces dernières années, les modes de Lamb à vitesse de groupe nulle (ZGV) se sont révélés être un outil efficace pour sonder localement et précisément l'épaisseur d'un échantillon ou les propriétés mécaniques de matériaux isotropes ou anisotropes. Ce type particulier d'ondes guidées, telles de fortes résonances locales de la structure, résulte de l'interférence de deux ondes de Lamb ayant une vitesse de phase opposée et coexistant pour un couple fréquence-nombre d'ondes particulier. Les ultrasons laser ont démontré leur capacité à générer et détecter efficacement de telles résonances locales dans la gamme des MHz. En effet, la configuration tout optique, constituée d'une source laser pulsée pour générer les ondes élastiques et d'un interféromètre pour sonder le déplacement normal associé, évite tout contact avec l'échantillon, limitant ainsi l'élargissement ou la suppression de résonances. L'utilisation de modes ZGV pour suivre la fatigue des matériaux et sonder des phénomènes non linéaires reste cependant un défi et constitue le cœur des travaux de recherche présentés ici. La partie théorique porte sur la compréhension de l’effet de la fatigue mécanique sur les modes ZGV à travers l’analyse fréquence-nombre d’ondes des modes de Lamb. La partie expérimentale est consacrée à l’application de cette technique pour l'ECND et le suivi de la fatigue de plaques métalliques minces. Les modes ZGV en ultrasons laser montrent un grand potentiel pour localiser les dommages dus à la fatigue, prédire la vie en fatigue et évaluer qualitativement, voire quantitativement, les différents stades de dommages causés par la fatigue.

mots clés

• Zero group velocity (ZGV)
• Laser ultrasonics
• Cumulative fatigue
• Thermal damage
• Nonlinearity
• Nondestructive testing (NDT)

Résumé

In recent years, zero-group-velocity (ZGV) Lamb modes have proven to be an efficient tool to probe locally and very accurately the thickness of a sample or the mechanical properties of either isotropic or anisotropic materials. This particular type of guided waves, corresponding to sharp local resonances of the structure, results of the interference of two Lamb waves having opposite phase velocity and coexisting at a couple given frequency-wavenumber. The laser ultrasonic technique has demonstrated its ability to efficiently generate and detect such local resonances within the MHz frequency range. Indeed, the all-optical setup, consisting of a pulsed laser source to generate elastic waves and of an interferometer to probe the associated normal displacement, avoids any contact with the sample, hence limiting the broadening or suppression of the resonances. Yet, the use of ZGV Lamb modes to monitor material fatigue and to probe nonlinear phenomena remains challenging and is the core of the here-reported research. The theoretical part of this PhD research deals with the understanding of the effect of mechanical fatigue on ZGV Lamb modes through the frequency-wavenumber analyzes of the Lamb waves. The experimental part of the PhD research is dedicated to the application of this technique for the nondestructive characterization and for the monitoring of mechanical and thermal fatigue of thin metal plates. Zero-group-velocity Lamb modes in laser ultrasonics shows great promises to locate fatigue damage, to predict the fatigue lifetime, and to qualitatively, and even quantitatively, assess the different stages of fatigue damage in   m- to potentially cm-thick solid plates.