Développement et mise en oeuvre d'une méthode de mesure de champs de déformation à l'échelle micrométrique PDF Download
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Book Description
Ce travail de thèse présente la mise au point d'une méthodologie de mesure de champs de déformations planes à l'échelle micrométrique. La mesure cinématique est faite par une méthode de grille qui analyse les déformations d'un réseau périodique attaché à la surface à étudier. Les grilles ont été réalisées par photolithographie interférentielle directe. Pour l'observation et la numérisation des réseaux, le choix s'est porté sur la microscopie interférométrique en lumière blanche qui donne accès à la topographie 3D de la surface d'intérêt. Une étude de bruit à permis d'optimiser la réalisation des réseaux pour l'application mécanique auxquels ils étaient destinés. Par ailleurs, l'application de déplacements de corps rigide a permis de mettre en évidence un problème de corrélation spatiale de ce bruit qui ne pouvait être ignoré. Ainsi, et en apportant un soin particulier sur la réalisation expérimentale des essais mécaniques, la résolution en déformation obtenue est de l'ordre de 1 à 2×10−3 pour une résolution spatiale d'environ 20 μm. Une première application concernant l'étude des déformations élasto-plastiques d'un acier ferritique a permis de valider la présente méthode, de l'étendre à l'étude de régions d'intérêt de plus grandes tailles et d'en souligner les points forts mais aussi les limites
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Ce travail de thèse présente la mise au point d'une méthodologie de mesure de champs de déformations planes à l'échelle micrométrique. La mesure cinématique est faite par une méthode de grille qui analyse les déformations d'un réseau périodique attaché à la surface à étudier. Les grilles ont été réalisées par photolithographie interférentielle directe. Pour l'observation et la numérisation des réseaux, le choix s'est porté sur la microscopie interférométrique en lumière blanche qui donne accès à la topographie 3D de la surface d'intérêt. Une étude de bruit à permis d'optimiser la réalisation des réseaux pour l'application mécanique auxquels ils étaient destinés. Par ailleurs, l'application de déplacements de corps rigide a permis de mettre en évidence un problème de corrélation spatiale de ce bruit qui ne pouvait être ignoré. Ainsi, et en apportant un soin particulier sur la réalisation expérimentale des essais mécaniques, la résolution en déformation obtenue est de l'ordre de 1 à 2×10−3 pour une résolution spatiale d'environ 20 μm. Une première application concernant l'étude des déformations élasto-plastiques d'un acier ferritique a permis de valider la présente méthode, de l'étendre à l'étude de régions d'intérêt de plus grandes tailles et d'en souligner les points forts mais aussi les limites
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Ce travail de thèse est basé sur l'étude des déformations dans les matériaux à l'échelle nanométrique. En effet, depuis une dizaine voire une quinzaine d'années, le développement de nouveaux matériaux structuraux ou destinés à l'industrie de la microélectronique nécessite la maîtrise des phénomènes de déformation à une telle échelle. La demande de caractérisation se trouve donc en forte croissance, avec des contraintes de plus en plus forte en termes de résolution spatiale et de sensibilité en déformation. La mise au point et/ou l'amélioration de techniques repondant à ces critères est donc nécessaire. Le microscope électronique en transmission étant l'un des seuls instruments capables de mesurer quantitativement des déformations à l'échelle nanométrique, quatre différentes techniques liées à cet appareil ont été étudiées : la technique des moirés, la diffraction en faisceau convergent, la nanodiffraction et l'holographie en champ sombre. La disponibilité du microscope de dernière génération FEI Titan a permis d'obtenir des résultats marquants pour chacune de ces techniques. Les quatre techniques étudiées font l'objet d'une étude poussée sur leur résolution, leur sensibilité en déformation, leurs limites d'utilisation, leur mode d'acquisition et les contraintes qu'elles imposent dans la préparation d'échantillons. Ainsi, la technique des moirés possède une résolution de l'ordre de la vingtaine de nanomètre avec une sensibilité de 4.10^-4 mais nécessite des échantillons particuliers. La diffraction en faisceau convergent est la technique possédant la meilleure résolution spatiale (1 à 2 nm) combinée à une excellente sensibilité en déformation (2.10^-4). Cependant, l'inhomogénéité du champ de déplacement dans l'épaisseur de l'échantillon, phénomène très présent dans les lames minces, rend cette méthode difficile à utiliser de façon courante. La nanodiffraction est probablement la technique la plus facile à mettre en place et s'applique à la plus grande partie des matériaux ou objets. Elle possède une résolution intéressante (jusqu'à 3 nm) mais une sensibilité en déformation limitée à 6.10^-4 dans le meilleur des cas. Pour finir, l'holographie en champ sombre, technique très récente, offre une bonne résolution (autour de 4 ou 5 nm) avec une excellente sensibilité en déformation (2.10^-4). Ces quatre techniques sont comparées entre elles sur des échantillons le permettant.
Author: Guillaume Brunetti Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 32
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The knowledge of strains and stresses is important for a better understanding of the materials properties. Several experimental techniques are available (XRD, Raman ...), but only one allows the determination of the strain at a microscopic scale: the Convergent Beam Electron Diffraction (CBED). This technique is known for its high spatial resolution (of a few nanometers), which comes from its use in a Transmission Electronic Microscope (TEM). The diffraction patterns acquired with a convergent beam are constituted of HOLZ lines whose localization depends on the values of the lattice parameters or strain of the material. The comparison of the lines position between an experimental and a simulated pattern allows the determination of the lattice parameters. In this work, we have applied a new approach for the lattice parameters determination. It is based on the algebraic equation of "K-lines" and enables to work simultaneously on several diffraction patterns. We have quantified the uncertainty linked to the KLEBS approach. The causes of the uncertainty have been presented and we have proposed a statistical approach (multiple patterns) to reduce its value. Then, the multiple patterns approach has been applied to the study of the single crystal nickel based superalloys, and a new method for the misfit determination has been proposed. The last part of this work deals with the study of the strain heterogeneities in a material plastically strained
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La compréhension des mécanismes de déformation dans les matériaux cristallins passe par la caractérisation fine des microstructures. Dans le cadre de la microscopie électronique à balayage, la mesure précise des gradients d'orientation et des déformations élastiques du cristal est l'objectif des méthodes dites à haute résolution angulaire. Pour cela, elles emploient des techniques de corrélation d'images numériques afin de recaler les clichés de diffraction électronique. Cette thèse propose une méthode de recalage originale. Le champ de déplacement à l'échelle du scintillateur est décrit par une homographie linéaire. Il s'agit d'une transformation géométrique largement utilisée en vision par ordinateur pour modéliser les projections. L'homographie entre deux clichés est mesurée à partir d'une grande et unique région d'intérêt en utilisant un algorithme de Gauss-Newton par composition inverse numériquement efficace. Une correction des distorsions optiques causées par les lentilles de la caméra lui est intégrée et sa convergence est assurée par un pré-recalage des clichés. Ce dernier repose sur des algorithmes de corrélation croisée globale basés sur les transformées de Fourier-Mellin et de Fourier. Il permet de rendre compte des rotations allant jusqu'à une dizaine de degrés avec une précision comprise typiquement entre 0,1 et 0,5°. La détermination de l'homographie est indépendante de la géométrie de projection. Cette dernière n'est considérée qu'à l'issue du recalage pour déduire analytiquement les rotations et les déformations élastiques. La méthode est validée numériquement sur des clichés simulés distordus optiquement, désorientés jusqu'à 14° et présentant des déformations élastiques équivalentes jusqu'à 5×10−2. Cette étude montre que la mesure précise de déformations élastiques comprises entre 1×10−4 et 2×10−3 nécessite de corriger la distorsion optique radiale, même lorsque la désorientation est faible. Finalement, la méthode est appliquée à des clichés acquis par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) et en transmission en utilisant la nouvelle configuration TKD on-axis (transmission Kikuchi diffraction). Des métaux polycristallins déformés plastiquement ainsi que des semi-conducteurs sont caractérisés. La méthode retranscrit des détails fins de la microstructure d'un acier martensitique trempé et revenu et d'un acier sans interstitiels déformé de 15% en traction, malgré la détérioration du contraste de diffraction induit par la déformation plastique. Les structures de déformation sont également analysées dans de l'aluminium nanostructuré obtenu par déformation plastique sévère grâce au couplage de la méthode de recalage et de la configuration TKD on-axis. Ce couplage permet d'atteindre simultanément une haute résolution spatiale (3 à 10 nm) et une haute résolution angulaire (0,01 à 0,05°). Des cartes de déformation élastiques sont obtenues à l'échelle de quelques nanomètres dans une lame mince de SiGe et les densités de dislocations dans un monocristal de GaN sont déterminées avec une résolution voisine de 2,5×10−3 μm−1 (soit 8×1012 m−2).
Author: Valéry Valle Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 159
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CE TRAVAIL DE THESE A POUR OBJET DE DEVELOPPER ET DE METTRE EN UVRE, POUR DES SOLLICITATIONS DYNAMIQUES, UNE METHODE DE MESURE LOCALE DES DEFORMATIONS PAR VOIE OPTIQUE. CETTE ETUDE EST REALISEE DANS LE CADRE DE NOTRE COLLABORATION AU GROUPEMENT DE RECHERCHE IMPACT MATERIAUX. LA METHODE CONSISTE EN UNE ANALYSE SPECTRALE D'UN RESEAU DE TRAITS CROISES UTILISANT LE PHENOMENE DE DIFFRACTION OPTIQUE D'UN FAISCEAU LASER. LE PRINCIPE PHYSIQUE DE DIFFRACTION EN INCIDENCE OBLIQUE D'UN FAISCEAU LASER PAR UN RESEAU NOUS PERMET DE CALCULER, EN MESURANT LA POSITION DES TACHES DE DIFFRACTION OBTENUES POUR UN ETAT DE REFERENCE ET UN ETAT DE CHARGEMENT, LE TENSEUR DES DEFORMATIONS (DEUX DEFORMATIONS PRINCIPALES ET UNE ROTATION DE SOLIDE RIGIDE), MAIS AUSSI DE DETERMINER TOUS LES MOUVEMENTS DE SOLIDE DE LA BASE DE MESURE. AFIN DE SEPARER SUR UN MEME PLAN FILM LES TACHES DE DIFFRACTION ISSUES DE PLUSIEURS ETATS DE CHARGEMENT, NOUS UTILISONS DES DEFLECTEURS ACOUSTO-OPTIQUES QUI PERMETTENT D'ATTAQUER LE RESEAU AVEC UNE INCIDENCE DIFFERENTE AU COURS DU TEMPS. DANS LE BUT DE DIRIGER VERS LA BASE DE MESURE LES FAISCEAUX ISSUS DES MODULATEURS ACOUSTO-OPTIQUES ET S'ECARTANT DE L'AXE OPTIQUE, NOUS AVONS REALISE UN ELEMENT OPTIQUE HOLOGRAPHIQUE CONSTITUE DE LENTILLES HOLOGRAPHIQUES. NOUS DEVELOPPONS UNE NOUVELLE TECHNIQUE DE MESURE DES POSITIONS DES TACHES DU FILM. UNE ACQUISITION GLOBALE DU PLAN FILM EST EFFECTUEE PAR CAMERA CCD MUNIE D'UN OBJECTIF PHOTOGRAPHIQUE EN VUE DE LOCALISER L'ENSEMBLE DES TACHES DE DIFFRACTION. CETTE OPERATION EST SUIVIE D'UNE VISUALISATION TACHE PAR TACHE, AFIN DE DETERMINER AVEC PRECISION LA POSITION DE CHACUNE D'ENTRE ELLES AU MOYEN DE LA CAMERA CCD EQUIPEE D'UN OBJECTIF DE MICROSCOPE PAR ACQUISITION DES INFORMATIONS AU COURS DU DEPLACEMENT MICROMETRIQUE DU PLAN FILM. LA METHODE DEVELOPPEE EST APPLIQUEE EN STATIQUE ET EN DYNAMIQUE AFIN DE MONTRER LES PERFORMANCES DE CETTE TECHNIQUE DE MESURE DES DEFORMATIONS
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CETTE ETUDE A POUR OBJET LA MESURE OPTIQUE DE CHAMPS DE DEPLACEMENTS HORS PLAN, DE PLUSIEURS MILLIMETRES, AVEC UNE PRECISION DE L'ORDRE DE 0,02 MM. CECI AFIN DE REPONDRE AUX EXIGENCES DES METHODES NUMERIQUES D'IDENTIFICATION DE LOIS DE COMPORTEMENT ELASTIQUE ORTHOTROPE DE MATERIAUX EN PLAQUE. UNE PREMIERE PARTIE PORTE SUR L'AMELIORATION DES PERFORMANCES DE LA TECHNIQUE DU MOIRE D'OMBRE. AFIN D'ATTEINDRE LA PRECISION SOUHAITEE, NOUS AVONS DU INTRODUIRE UNE TECHNIQUE DE CALCUL DE PHASE PAR QUASI-HETERODYNAGE. APRES AVOIR MONTRE QUE LES DEPHASAGES NE PEUVENT ETRE OBTENUS QUE PAR TRANSLATIONS DE L'OBJET, NOUS AVONS DEVELOPPE UNE PROCEDURE NUMERIQUE, BASEE SUR LA FFT, QUI PERMET D'ACCEDER A LEURS VALEURS PRECISES. AVEC CE PROCEDE NOUVEAU, L'ASSOCIATION DU MOIRE D'OMBRE ET DU QUASI-HETERODYNAGE A PERMIS DE CONSTITUER UNE TECHNIQUE DE MESURE DE RELIEFS, SANS CONTACT, OFFRANT LA PRECISION SOUHAITEE. ENSUITE, LES CHAMPS DE DEPLACEMENTS HORS PLAN SONT OBTENUS PAR DIFFERENCE DE RELIEFS ENTRE DEUX ETATS DE CHARGEMENT. QUELQUES EXEMPLES D'APPLICATION A LA MESURE DE RELIEFS, DE PENTES, DE RAYONS DE COURBURE ET DE CHAMPS DE DEPLACEMENTS HORS PLAN SONT PRESENTES. LA SECONDE PARTIE CONCERNE LA CONCEPTION ET LA MISE EN PLACE D'UN DISPOSITIF D'ESSAIS DE FLEXION DE PLAQUES. DES TESTS ONT ETE REALISES SUR DES PLAQUES DE DIVERS MATERIAUX (PLEXIGLAS, COMPOSITE, CARTON ONDULE...). LES DEFLEXIONS MESUREES EXPERIMENTALEMENT ONT ENSUITE ETE UTILISEES DANS UN ALGORITHME D'IDENTIFICATION AFIN DE DETERMINER LES CONSTANTES ELASTIQUES ORTHOTROPES
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Les mesures optiques dimensionnelles sont des techniques en plein essor dont la maîtrise et l'exploitation soulèvent encore de nombreuses questions. Pour une meilleure compréhension d'un système de mesure par stéréo-corrélation d'images, des études de caractérisation et d'évaluation de l'erreur de mesure en corrélation à partir d'images synthétiques et en stéréovision à partir d'images réelles ont été réalisées. Les résultats mettent en avant l'influence de plusieurs paramètres : fenêtre de corrélation, déformation et gradient de déformation. La dernière partie de l'étude est consacrée à l'identification de comportements constitutifs à partir des mesures de champs. Deux méthodes sont mises en œuvre : la méthode des champs virtuel pour l'identification des paramètres élastiques d'un matériau et l'identification paramétrique par recalage éléments finis pour le cas des comportements élasto-plastiques.
Author: Samuel Blanchard Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 133
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Cette étude consiste à développer des outils permettant de mieux caractériser le comportement de matériaux ayant subi des transformations lors du procédé de fabrication d’une structure (mise en forme, assemblage). Pour cela, la démarche mise en place s’organise autour de quatre chapitres. Dans le premier, une étude bibliographique permet de faire l’état de l’art des différentes méthodes d’identification de loi de comportement non linéaires. A la suite de cette étude, la Méthode des Champs Virtuels, couplée à des mesures par stéréo corrélation d’images, est mise en œuvre pour identifier les paramètres d’une loi de comportement (élastoplastique) à partir de champs de déformation fortement hétérogènes. Le but de cette étude est de mieux comprendre quels sont les facteurs expérimentaux et numériques pouvant corrompre les résultats de l’identification. Le second chapitre est consacré au développement et à la validation des outils numériques qui seront utilisés pour caractériser le comportement du matériau. Le troisième porte sur l’étude des conséquences de l’utilisation de données expérimentales (imparfaites) sur le calcul de l’équation d’équilibre à la base de la procédure d’identification. Enfin, dans le dernier chapitre, les paramètres du modèle de comportement matériau sont identifiés à partir d’essais fortement hétérogènes (essais Arcan 0°, 45° et 90°). Les résultats obtenus mettent en évidence l’importance des hypothèses utilisées pour modéliser le comportement du matériau ainsi que le fort potentiel de la Méthode des Champs Virtuels pour caractériser le comportement de matériau. Fort potentiel qui peut d’ailleurs être un inconvénient si le problème est mal défini.
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Du fait de leur rapport surface / volume très élevé, la mécanique de objets issus des techniques de micro fabrication (MEMS) est pilotée par des phénomènes de surface plutôt que de volume. C'est ce qui fait l'intérêt des objets de dimensions micrométriques dans le développement de capteurs environnementaux ou biologiques. L'analyse des phénomènes mis enjeux impose de relever trois défis : Mettre en place une mesure de champs de déplacements nanométriques à l'échelle micrométrique ; Prendre en compte les hétérogénéites des chargements surfaciques et des propriétés mécaniques des objets et valider des modèles de description choisis a priori ; Modéliser de nouveaux couplages, forts, d'origine surfacique. En progressant sur ces trois axes, cette étude a permis de dégager le rôle des principaux paramètres expérimentaux intervenant dans la conception de "puces à ADN" mécaniques.
Author: Raphaël Moulart
Author: Raphaël Moulart
Author: Armand Béché
Author: Guillaume Brunetti
Author: Clément Ernould
Author: Valéry Valle
Author: René Rotinat
Author: Gérard Mauvoisin
Author: Marina Fazzini
Author: Samuel Blanchard
Author: Fabien Amiot