Caractérisation ultrasonore de l’élasticité et de l’endommagement anisotropes des matériaux composites

Ultrasonic characterization of anisotropic elasticity and damaging of composite materials

¹ Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux GEMPPM - UMR CNRS 5510 INSA de Lyon - 20 avenue Albert Einstein, 69621 Villeurbanne cedex
² INSA de Lyon - 20 avenue Albert Einstein, 69621 Villeurbanne cedex

Résumé

La caractérisation des propriétés d’élasticité des matériaux anisotropes et l’évaluation de leur endommagement est réalisée à l’aide d’un dispositif ultrasonore à immersion. Les vitesses de propagation sont mesurées en incidence variable. Le problème inverse qui consiste à déterminer la matrice des constantes d’élasticité est résolu par optimisation en minimisant l’écart quadratique entre les vitesses ultrasonores théoriques et expérimentales. Ce processus est d’abord appliqué à un composite à matrice aluminium renforcée par des particules de carbure de silicium, qui est entièrement caractérisé. Ensuite, le comportement élastique d’un composite verre-époxy en vieillissement hygrothermique, à 70°C dans de l’eau distillée, est caractérisé par ultrasons. La dégradation qui en résulte est évaluée en terme de perte de rigidité et au travers d’une variable d’endommagement. Une observation au MEB permet de valider les mesures macroscopiques ultrasonores et l’anisotropie de l’endommagement.

Abstract

Elastic behaviour characterization and damage evaluation of composite materials are performed using ultrasonic immersion measurements. An optimization process is performed to resolve the inverse problem that consists in the identification of the elastic stiffness constants from the ultrasonic velocities. First, this process is applied to an aluminium matrix composite reinforced with 20% volume fraction of silicon carbide particles which is fully characterised. The effects of hygrothermal ageing at 70°C in distilled water, on the elastic behaviour of an unidirectional glass-fibre reinforced epoxy composite are studied. The elastic constants are then assessed for each state of ageing. The damage is assessed quantitatively through the loss of stiffness in terms of elastic constants and through the variation of the damage parameters. Finally, SEM observations allow the validation of the ultrasonic measurements.