Développement et application d'une méthode à haute résolution angulaire pour la mesure des gradients d'orientation et des déformations élastiques par microscopie électronique à balayage PDF Download
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Book Description
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).
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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: ZHONGHUAI.. WANG Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 178
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UN MICROSCOPE A FORCE ATOMIQUE (AFM) INCLUANT LA POSSIBILITE D'OBTENIR DES CARTOGRAPHIES DES CARACTERISTIQUES FRICTIONNELLES ET VISCOELASTIQUES DES MATERIAUX A ETE DEVELOPPE POUR ETRE COMBINE A UN MICROSCOPE ELECTRONIQUE A BALAYAGER(MEB). CETTE ASSOCIATION PERMET DE LOCALISER UN DETAIL PARTICULIER DANS UN ECHANTILLON DE QUELQUES MM#2 A L'AIDE DU MEB POUR L'ANALYSER AVEC L'AFM AVEC UNE RESOLUTION EXCELLENTE, DE L'ORDRE DU NANOMETRE. UN ESPACE DE DONNEES MULTIDIMENSIONNEL PEUT DONC ETRE CONSTRUIT SUR UNE ZONE LOCALISEE D'UN ECHANTILLON. LA COMBINAISON DE CES DEUX INSTRUMENTS EST ATTRACTIVE PARCE QUE LES INFORMATIONS SONT COMPLEMENTAIRES EN TERME DE PROFONDEUR DE CHAMP, RESOLUTION VERTICALE ET LATERALE, CHAMP DE VUE, VITESSE ET CAPACITE A FAIRE DES IMAGES D'ECHANTILLONS ISOLANTS ET CONDUCTEURS. DES EXEMPLES D'APPLICATIONS DEMONTRANT L'INTERET DE CET INSTRUMENT COMBINE AFM/MEB SONT DONNES A TRAVERS DIVERS TYPES D'ECHANTILLONS BIOLOGIQUES ET METALLURGIQUES, ISOLANTS ET CONDUCTEURS. L'ACCENT EST MIS SUR L'INTERET DE LA CORRELATION DES IMAGES POUR EVITER LES MAUVAISES INTERPRETATIONS DUES AUX ARTEFACTS, NOTAMMENT CEUX DUS A LA DILATATION DES OBJETS RUGUEUX CAUSES PAR LA TAILLE MACROSCOPIQUE DE LA POINTE-SONDE DE L'AFM. L'INTERET DE LA COMBINAISON EST EGALEMENT MIS EN EVIDENCE POUR L'ETUDE DES ECHANTILLONS ISOLANTS NON METALLISES A TRAVERS L'EXEMPLE D'UN ECHANTILLON BIOLOGIQUE (TOXOPLASMA GONDII) ET D'UNE BIOCERAMIQUE AL#2O#3 TIN. SUR LE TOXOPLASME IL EST POSSIBLE DE DETECTER DES BILLES D'OR COLLOIDAL DE DIAMETRE 40 NM QUI SERVENT A MARQUER LA PRESENCE DE LAMININE SUR LE CORTEX MEMBRANAIRE. L'AFM S'AVERE, DANS CE CAS PRECIS, PLUS PERFORMANT QUE LA MICROSCOPIE ELECTRONIQUE PAR TRANSMISSION. EN CE QUI CONCERNE LA BIOCERAMIQUE, LES IMAGES DES CARACTERISTIQUES FRICTIONNELLES INDIQUENT QUE LES DIFFERENCES DE COEFFICIENT DE FRICTION ENTRE PHASES SONT FAIBLES ET QUE L'INTERPRETATION DES IMAGES EST COMPLEXE A CAUSE DES EFFETS DE TOPOGRAPHIE QUI PERTURBENT L'IMAGE DE FRICTION. NOTRE INSTRUMENT PERMET EGALEMENT D'EFFECTUER UNE SPECTROSCOPIE DE FORCES DYNAMIQUE DANS LE MODE MODULATION DE FORCES. CETTE METHODE SE REVELE TRES PUISSANTE POUR SEPARER DES PHASES DE MODULES ELASTIQUES DIFFERENTS DANS DES MATERIAUX COMPOSITES MEME SI CEUX-CI SONT TRES RIGIDES TEL QUE LES ACIERS AU CHROME NITRURE ET LES SUPERALLIAGES A BASE DE NICKEL. SUR L'ACIER AU CHROME NITRURE IL EST POSSIBLE DE LOCALISER LES PRECIPITES DE NITRURE DE CHROME DE DIMENSION INFERIEURE A 50 NM, CE QUI DEMONTRE LA HAUTE RESOLUTION SPATIALE DE CETTE TECHNIQUE. IL EST EGALEMENT MIS EN EVIDENCE, SUR LE SUPERALLIAGE A BASE DE NICKEL, QU'IL EST POSSIBLE DE SEPARER DES PHASES DONT LES MODULES ELASTIQUES SONT TRES PROCHES (115 GPA ET 135 GPA). L'INTERPRETATION DES RESULTATS OBTENUS EST DISCUTEE A PARTIR DU MODELE A DEUX RESSORTS ET DE LA THEORIE DE LA DEFORMATION ELASTIQUE DEVELOPPEE PAR HERTZ. NOS RESULTATS EXPERIMENTAUX MONTRENT QU'IL N'EST PAS POSSIBLE DE CONSIDERER QUE L'INTERACTION POINTE-SURFACE EST LINEAIRE QUAND LES MATERIAUX ETUDIES SONT BEAUCOUP PLUS RIGIDES QUE LE MICROLEVIER LUI-MEME. UNE METHODE DE MESURE SEMI-QUANTITATIVE DE L'ELASTICITE DES MATERIAUX RIGIDES EST PROPOSEE. LES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT POUR LESQUELLES CETTE METHODE PEUT ETRE UTILISEE SONT DEFINIES
Author: Henri Souchay Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 199
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Dans le contexte actuel de la microscopie à transmission quantitative a haute résolution, ce travail se propose de faire le lien entre les manipulations expérimentales et les analyses quantitatives auxquelles elles peuvent donner lieu. Pour y parvenir, trois éléments sont nécessaires : une théorie de la formation de l'image qui puisse donner lieu à des calculs numériques assez rapides ; un détecteur d'images électroniques performant ; et un outil logiciel permettant l'acquisition et le traitement des images, leur comparaison avec des simulations et les outils de base pour des reconstructions. Les principaux aspects de la formation d'image en haute résolution sont repris dans le premier chapitre, avec des rappels importants, et un calcul de l'image développe jusqu'aux effets non linéaires et la cohérence partielle pour des défauts cristallins. Dans le second chapitre, après un état de l'art des capteurs d'images électroniques, la propagation est décrite en détail, notamment les effets de l'étalement du signal sur sa variance. Le résultat montre que le bruit crée par la double scintillation était jusque-là sous-estime. Le développement d'une caméra, associe à ce travail, permet de présenter les méthodes de caractérisation de ce type de capteur, en insistant sur la distinction entre le transfert du bruit et du signal. Enfin, le dernier chapitre présente un cahier des charges pour le logiciel et explicite certains des algorithmes utilises, avant de proposer quelques applications : corrections du transfert dans la camera, alignement d'images, et application de la méthode des phases géométriques
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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 A VISE DANS UN PREMIER TEMPS AU DEVELOPPEMENT D'UNE TECHNIQUE DE MICROEXTENSOMETRIE LOCALE PAR L'ADAPTATION DES METHODES DE CORRELATION D'IMAGES NUMERIQUES, UTILISEES DEPUIS PLUSIEURS ANNEES EN IMAGERIE OPTIQUE MACROSCOPIQUE POUR DETERMINER DES CHAMPS DE DEPLACEMENTS LOCAUX DANS DES STRUCTURES, AUX IMAGES NUMERIQUES OBTENUES, A ECHELLE BIEN PLUS FINE, PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE (MEB). L'ETUDE A PERMIS DE REVELER LES DIFFICULTES SPECIFIQUES RENCONTREES POUR ATTEINDRE LA PRECISION THEORIQUE DE CES TECHNIQUES AVEC DES IMAGES DE MEB ET A CONDUIT A PROPOSER UN CERTAIN NOMBRE DE PROCEDURES POUR LES TRAITER. ON S'EST EN PARTICULIER ATTACHE A ANALYSER LES DEFAUTS D'IMAGES INDUITS PAR LES IMPERFECTIONS DE BALAYAGE DU MEB, PAR DE TRES FAIBLES VARIATIONS DE GRANDISSEMENT OU PAR LA DERIVE DU FAISCEAU, A ETUDIER LES CONSEQUENCES DES REGLAGES NON OPTIMAUX DU MEB, CONDUISANT A DES NIVEAUX DE BRUIT TROP ELEVES, OU ENCORE L'EFFET DE FORME DU REPERE POUR MARQUER LES ECHANTILLONS SUR LA PRECISION DE MESURE. CETTE TECHNIQUE DE MICROEXTENSOMETRIE A ENSUITE ETE APPLIQUEE A L'INVESTIGATION DES MECANISMES LOCAUX DE DEFORMATION DANS DES MATERIAUX HETEROGENES, NOTAMMENT AU COURS DU TOUT PREMIER STADE DE L'ECOULEMENT PLASTIQUE. ON S'EST INTERESSE PLUS PARTICULIEREMENT A LA MISE EN EVIDENCE, LA CARACTERISATION, LA QUANTIFICATION ET ENFIN LA MODELISATION DU PHENOMENE DE LOCALISATION PRECOCE DE LA DEFORMATION SOUS FORME DE BANDES DANS DES MATERIAUX ELASTOPLASTIQUES. UN MOYEN ORIGINAL POUR QUANTIFIER STATISTIQUEMENT LA PORTEE DES BANDES A ETE PROPOSE EN APPLIQUANT SUR LE CHAMP DE DEFORMATION LUI-MEME LES METHODES STATISTIQUES CLASSIQUEMENT UTILISEES POUR CARACTERISER LA DISTRIBUTION DES PHASES. CE PHENOMENE, DEJA OBSERVE DANS DES
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Les microscopes à force atomique (AFM) et à force latérale (LFM) permettent de réaliser respectivement, dans l'espace réel, des images topographiques et des images en force latérale de matériaux très variés, avec une résolution exceptionnelle pouvant aller jusqu'à la dimension atomique. Cette étude a deux objectifs. Le premier est de situer l'AFM par rapport aux autres moyens d'observation des surfaces. Le second est d'utiliser un LFM ambiant en tant que microtribomètre afin d'investir les phénomènes de frottement et d'usure à l'échelle du nanomètre. Dans un premier temps, à partir de traces d'usure macroscopiques faites par un test tribologique classique sur une céramique (du carbure de silicium SIC polycristallin) et un dépôt pulvérisé (du bisulfure de molybdène MoS2), nous montrons que l'AFM confirme et complète les observations réalisées en microscopie optique et à balayage électronique. Le contraste restitué par une technique permet de pallier les artefacts technologiques et les incertitudes de l'autre. Pour comprendre l'origine du très faible coefficient de frottement (0,001) des couches de MoS2, les investigations se sont poursuivies à l'échelle atomique. Elles confirment certaines hypothèses échafaudées à partir d'observations de films minces (TEM, HRTEM...) concernant l'implication de la structure cristalline dans le supra-frottement du MoS2. Dans un deuxième temps, la littérature ayant révélée que l'information est tributaire de l'appareil (pointe, levier) et de la physique du contact, nous modélisons le LFM pour comprendre et diminuer l'influence de l'appareil sur la mesure, de manière à pouvoir nous focaliser sur la denaturation physique. L'étude du contact révèle l'implication de la morphologie dans la force latérale, qui se décompose en une composante interfaciale induite par le frottement et une locale liée a la topographie. Cette distinction est a l'origine des deux procédures de calibration en force latérale proposées. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l'influence de la composante en frottement sur la résolution d'image. Pour cela, nous avons modifié la physicochimie d'une surface de silice pure et d'un dépôt métallique de cobalt en travaillant en milieu liquide (eau, huile, alcool). Une conséquence du frottement est une usure faible à l'échelle du nanomètre. Pour appréhender les processus d'usure à cette échelle, nous adaptons une méthode de triboscopie au LFM.
Author: Dongming Feng Publisher: John Wiley & Sons ISBN: 1119566584 Category : Science Languages : en Pages : 260
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Provides comprehensive coverage of theory and hands-on implementation of computer vision-based sensors for structural health monitoring This book is the first to fill the gap between scientific research of computer vision and its practical applications for structural health monitoring (SHM). It provides a complete, state-of-the-art review of the collective experience that the SHM community has gained in recent years. It also extensively explores the potentials of the vision sensor as a fast and cost-effective tool for solving SHM problems based on both time and frequency domain analytics, broadening the application of emerging computer vision sensor technology in not only scientific research but also engineering practice. Computer Vision for Structural Dynamics and Health Monitoring presents fundamental knowledge, important issues, and practical techniques critical to successful development of vision-based sensors in detail, including robustness of template matching techniques for tracking targets; coordinate conversion methods for determining calibration factors to convert image pixel displacements to physical displacements; sensing by tracking artificial targets vs. natural targets; measurements in real time vs. by post-processing; and field measurement error sources and mitigation methods. The book also features a wide range of tests conducted in both controlled laboratory and complex field environments in order to evaluate the sensor accuracy and demonstrate the unique features and merits of computer vision-based structural displacement measurement. Offers comprehensive understanding of the principles and applications of computer vision for structural dynamics and health monitoring Helps broaden the application of the emerging computer vision sensor technology from scientific research to engineering practice such as field condition assessment of civil engineering structures and infrastructure systems Includes a wide range of laboratory and field testing examples, as well as practical techniques for field application Provides MATLAB code for most of the issues discussed including that of image processing, structural dynamics, and SHM applications Computer Vision for Structural Dynamics and Health Monitoring is ideal for graduate students, researchers, and practicing engineers who are interested in learning about this emerging sensor technology and advancing their applications in SHM and other engineering problems. It will also benefit those in civil and aerospace engineering, energy, and computer science.
Author: Michael A. Sutton Publisher: Springer Science & Business Media ISBN: 038778747X Category : Science Languages : en Pages : 332
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Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements provides a comprehensive overview of data extraction through image analysis. Readers will find and in-depth look into various single- and multi-camera models (2D-DIC and 3D-DIC), two- and three-dimensional computer vision, and volumetric digital image correlation (VDIC). Fundamentals of accurate image matching are described, along with presentations of both new methods for quantitative error estimates in correlation-based motion measurements, and the effect of out-of-plane motion on 2D measurements. Thorough appendices offer descriptions of continuum mechanics formulations, methods for local surface strain estimation and non-linear optimization, as well as terminology in statistics and probability. With equal treatment of computer vision fundamentals and techniques for practical applications, this volume is both a reference for academic and industry-based researchers and engineers, as well as a valuable companion text for appropriate vision-based educational offerings.
Author: Clément Ernould
Author: Clément Ernould
Author: ZHONGHUAI.. WANG
Author: Henri Souchay
Author: Raphaël Moulart
Author: PASCAL.. DOUMALIN
Author: Hubert Pascal
Author: Dongming Feng
Author: Michael A. Sutton