FR3091349A1

FR3091349A1 - Machine d’essai de traction-compression à chaud

Info

Publication number: FR3091349A1
Application number: FR1874289A
Authority: FR
Inventors: Fabien GUILLORET
Original assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Current assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: FR3091349B1

Abstract

Machine de traction-compression à chaud L’invention concerne une machine de traction-compression à chaud d’une éprouvette longitudinale (30) comprenant : un dispositif de déformation (15) pour étirer et comprimer ladite éprouvette longitudinale (30) ; un organe de chauffage (38) pour fournir de l’énergie thermique à ladite éprouvette (30) ; un extensomètre (44) adapté à être porté en contact avec ladite éprouvette (30) pour mesurer l’amplitude d’allongement ; un organe de commande (60) commandant ledit dispositif de déformation (15) durant une période de temps donnée à basse fréquence et selon une amplitude fonction de l’amplitude mesurée par ledit extensomètre (44). La machine comprend en outre un actionneur (54) relié audit extensomètre (44), et ledit organe de commande (60), commande après que ladite période de temps a expiré, ledit actionneur (54) pour écarter ledit extensomètre (44) de ladite éprouvette (30), et ledit dispositif de déformation (15) durant une autre période de temps donnée à haute fréquence. (Figure 1)

Description

Titre de l'invention : Machine d’essai de traction-compression à chaud

[0001] La présente invention se rapporte à une machine d'essai de traction-compression pour pouvoir solliciter une éprouvette métallique de manière cyclique et en déduire le comportement du matériau qui la compose dans le temps lorsqu'il est soumis à des contraintes.

[0002] Cette sollicitation traction-compression cyclique de l'éprouvette, ou chargement de fatigue, se distingue des sollicitations purement monotones de traction permettant d'apprécier la résistance mécanique du matériau.

[0003] Ce chargement de fatigue permet de manière connue d'élaborer des courbes, par exemple la courbe dite « courbe de Wôhler », représentant l'amplitude de la contrainte exercée sur l'éprouvette en fonction du nombre de cycles jusqu'à sa ruine.

[0004] Pour ce faire, il est connu de mettre en œuvre des machine d’essai comprenant un dispositif de déformation en traction-compression comportant une cellule de charge, pour étirer et comprimer alternativement l'éprouvette selon sa direction longitudinale et un extensomètre adapté à être porté en contact avec ladite éprouvette pour pouvoir déformer l'éprouvette à amplitude de déformation constante. Il est en effet impossible de contrôler l'amplitude réelle de déformation de l'éprouvette au moyen d'un capteur de mouvement intégré au dispositif de déformation car ce dernier subit lui-même une déformation. Partant, grâce à l'extensomètre directement appliqué contre l'éprouvette, on contrôle précisément l'amplitude de sa déformation. La machine d'essai comprend alors en outre un organe de commande, qui permet de commander le dispositif de déformation en fonction de la valeur de déformation fournie par l'extensomètre et de la valeur de consigne. Aussi, l'organe de commande commande ledit dispositif de déformation durant une période de temps donnée et à une fréquence donnée.

[0005] De plus, il est usuel de réaliser ces essais en portant l'éprouvette à une température prédéterminée, par exemple 800 °C. Conséquemment, l'éprouvette est installée à l'intérieur d'un four durant l'essai.

[0006] Toutefois, pour certains types d'essai il est nécessaire, non plus de solliciter l'éprouvette selon une amplitude de déformation constante, mais selon une contrainte constante. Aussi, le dispositif de déformation en traction-compression est muni d'une cellule de charge qui permet alors de contrôler cette contrainte. Ce type d'essai est réalisé à une fréquence supérieure par rapport à un essai à amplitude de déformation constante.

[0007] Pour certains autres types d'essai, il est requis de procéder successivement à des essais à amplitude de déformation constante puis à contrainte constante, où l'extensomètre doit être retiré au risque de l'endommager.

[0008] Aussi, pour réaliser cet autre type d'essai, au terme de l'essai à amplitude de déformation constante, un opérateur procède au retrait de l'extensomètre, puis au contrôle de sa température de manière à ce que l'éprouvette retrouve la température qu'elle avait au terme de l'essai à amplitude de déformation constante. Ensuite, l'opérateur ordonne à l'organe de commande de commander le dispositif de déformation selon le mode à contrainte constante.

[0009] Cet autre type d'essai est relativement long et partant, son coût en est augmenté.

[0010] Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est de fournir une machine d'essai de traction-compression à chaud permettant de réduire la durée des essais.

[0011] Dans ce but, il est proposé une machine d’essai de traction-compression à chaud d’une éprouvette métallique longitudinale comprenant : un dispositif de déformation en traction-compression comportant une cellule de charge, pour étirer et comprimer alternativement une éprouvette longitudinale selon la direction longitudinale de ladite éprouvette ; un organe de chauffage pour fournir de l’énergie thermique à ladite éprouvette ; un extensomètre mobile adapté à être porté en contact avec ladite éprouvette pour mesurer l’amplitude d’allongement de ladite éprouvette ; un organe de commande commandant ledit dispositif de déformation durant une période de temps donnée à basse fréquence et selon une amplitude fonction de l’amplitude mesurée par ledit extensomètre pour pouvoir étirer et comprimer ladite éprouvette selon une amplitude prédéfinie. La machine d'essai comprend en outre un actionneur relié mécaniquement audit extensomètre, et ledit organe de commande, commande successivement après que ladite période de temps a expiré, ledit actionneur pour écarter ledit extensomètre de ladite éprouvette, et ledit dispositif de déformation durant une autre période de temps donnée à haute fréquence et selon un effort fonction de l’effort mesuré par ladite cellule de charge pour pouvoir étirer et comprimer ladite éprouvette selon un effort prédéfini.

[0012] Ainsi, une caractéristique de l'invention réside dans la mise en œuvre d'un actionneur commandable permettant d'écarter automatiquement l'extensomètre de l'éprouvette à l'issue de la première période de temps où le dispositif de commande fonctionne à basse fréquence. La période de temps donnée est par exemple de 24 heures et la basse fréquence est par exemple de 1 Hz. Partant, le nombre de cycles de déformation est de 86 400. L'utilisation ici de « haute » et « basse » fréquence permet de distinguer un premier régime de fonctionnement du dispositif de déformation par rapport à un second régime de fonctionnement selon lequel la fréquence est supérieure à celui du premier. Elle est par exemple cinq fois supérieure, soit de 5 Hz dans l'exemple précité.

De la sorte, la mise en œuvre de l'actionneur commandable permet de s'affranchir d'un opérateur pour aménager la machine entre les deux régimes d'essai, et par conséquent, de réduire le coût des essais.

[0013] En outre, ledit organe de chauffage comprend préférentiellement un four présentant une paroi d’isolation, adapté à recevoir ladite éprouvette. Le four est par exemple un four en coquille présentant deux parties sensiblement hémicylindriques destinées à être refermées autour de l'éprouvette et partiellement autour du dispositif de déformation comme on l'expliquera plus en détail dans la suite de la description. Le four permet de porter la température de l'éprouvette, installée dans le dispositif de déformation, par exemple à 1000 °C durant les périodes de temps de l'essai. De la sorte, il est possible de tester la résistance mécanique de matériaux dans des conditions extrêmes de température.

[0014] Selon une caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, ledit extensomètre comprend deux tiges sensiblement parallèles entre elles présentant chacune une extrémité libre de contact. L'extensomètre comporte également un boîtier à l'intérieur duquel l'une des branches est installée en position fixe, tandis que l'autre branche est montée pivotante à l'intérieur dudit boîtier. Ainsi, l'écartement des deux branches permet de générer un signal représentatif de la distance qui s'étend entre leurs deux extrémités libres. Aussi, ladite extrémité libre de contact présente, préférentiellement, une arête en arc de cercle. Les éprouvettes présentent une surface externe de forme cylindrique contre laquelle vient s'appuyer parfaitement l'arrête en arc de cercle des extrémités libres de contact des branches. De la sorte, les extrémités libres de contact demeurent parfaitement en contact avec l'éprouvette lorsqu'elle est déformée alternativement.

[0015] De plus, selon une autre caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, lesdites deux tiges traversent librement ladite paroi d’isolation. Ainsi, le boîtier duquel s’étendent les deux branches demeure à l'extérieur du four tandis que les deux branches en traverse la paroi librement. Par exemple, les deux branches traversent la paroi du four au niveau du plan de joint des deux parties hémicylindriques comme on l'expliquera plus en détail ci-après, de manière à éviter l’ouverture du four.

[0016] En outre, et selon une variante de réalisation particulièrement avantageuse, ledit actionneur est un actionneur pneumatique. L'utilisation de l'air comprimé est généralisée dans les environnements d'essai et par conséquent, un actionneur pneumatique est peu coûteux à mettre en œuvre. Aussi, la machine d'essai comprend en outre, de préférence, un support pour supporter ledit extensomètre et ledit actionneur. Par exemple, ledit actionneur comprend une partie formant glissière solidaire dudit support et une partie formant coulisseau reliée audit extensomètre. Plus précisément, le boîtier de l'extensomètre est solidaire de la partie formant coulisseau, tandis que les deux branches sont portées en contact avec l'éprouvette. De la sorte, lorsque l'organe de commande commande l'actionneur, ce dernier entraîne l'extensomètre selon une direction sensiblement parallèle aux deux branches et dans un sens opposé à l'éprouvette. Partant, les deux branches sont entraînées en translation à travers la paroi du four qu'elles traversent, sans perturber l'équilibre thermique de celui-ci. Conséquemment, l'organe de commande peut commander le dispositif de déformation selon le mode à contrainte constante, dès après le premier à amplitude de déformation constante. Ainsi, il n'y a aucune perte de temps entre les deux modes de déformation.

[0017] Préférentiellement, ledit extensomètre et ladite partie formant coulisseau sont reliés ensemble par des organes élastiques. De la sorte, les deux branches peuvent être maintenues en contrainte axiale de manière à ce que leurs extrémités libres de contact demeurent en appui contre l'éprouvette.

[0018] Aussi, selon un autre mode de mise en œuvre particulièrement avantageux, ledit organe de commande, commande ledit dispositif de déformation durant ladite autre période de temps donnée après un temps d’attente prédéfini démarrant après l’écartement de l’extensomètre de ladite éprouvette. Dans certaines circonstances en effet, le simple mouvement axial des deux branches peut perturber l'environnement thermique de l'éprouvette et il est alors nécessaire de prévoir un temps de latence relativement court, par exemple quelques minutes, pour démarrer le mode a contrainte constante.

[0019] D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[0020] [fig.l] est une vue schématique en coupe axiale montrant une machine d’essai de tractioncompression à chaud conforme à l’invention et dans un premier état de fonctionnement

[0021] [fig.2] est un organigramme de fonctionnement de la machine d’essai représenté sur la Fig.

1; θί,

[0022] [fig.3] est une vue de détail de la Fig. 1 montrant la machine d’essai de traction-compression dans un second état de fonctionnement.

[0023] La Figure 1 montre une machine d’essai 10 comportant un dispositif de déformation 15 en traction-compression. Le dispositif de déformation 15 comprend un bâti 12 présentant une table 14 et à l'opposé une traverse 16. La table 14 et la traverse 16 sont reliées ensemble par un dispositif hydraulique 18 permettant de les entraîner en mouvement l'un vers l'autre. Le dispositif de déformation comprend en outre un mors inférieur 20 relié à la table 14 au moyen d'une bride 22, et un mors supérieur en regard 24 relié à la traverse 16 successivement par une bride supérieure 26 et une cellule de charge 28. Les mors inférieur 20 et supérieur 24 s'étendent coaxialement l'un en regard de l'autre et une éprouvette longitudinale 30 présentant une extrémité inférieure 32 opposée à une extrémité supérieure 34 est en prise entre les deux mors 20, 24. L'extrémité supérieure 34 est en prise dans le mors supérieur 24, tandis que l'extrémité inférieure 32 est en prise dans le mors inférieur 20.

[0024] L'éprouvette 30 est en métal, par exemple en acier, et elle présente une zone intermédiaire de travail 36 de section circulaire constante, tandis que les extrémités inférieure 32 et supérieure 34 sont renflées. Aussi, la surface cylindrique de la zone intermédiaire de travail 36 est polie de manière à ne laisser aucune amorce de fissure.

[0025] La machine d’essai 10 comprend également un four résistif 38. Il présente une paroi cylindrique d’isolation 40 divisée en deux demi-coquilles, et sur la Figure 1, le four 38 est représenté en coupe suivant le plan de joint des deux demi-coquilles. Le four 38 de referme dans sa partie supérieure autour du mors supérieur 24 et dans sa partie inférieure, autour du mors inférieur 20. De la sorte, l’éprouvette est confinée thermiquement, et la température interne du four 38 n’est pas perturbée par la convection externe.

[0026] Aussi, le four résistif 38 permet de porter la température de l’éprouvette à des températures élevées, comprises par exemple entre 200°C et 1000°C.

[0027] En outre, la machine d’essai 10 comprend également un extensomètre 42 présentant un boîtier 44 situé en dehors du four 38 et deux tiges 46, 48 s’étendant du boîtier 44 parallèlement l’une à l’autre jusqu’à la zone intermédiaire de travail 36 de l’éprouvette 30. Les deux tiges 46, 48 traversent la paroi 40 du four 38 dans un décrochement 50 du plan de joint des demi-coquilles. Aussi, Les deux tiges 46, 48 sont réalisées en céramiques pour pouvoir résister à la température élevée du four 38.

[0028] Le boîtier 44 de l’extensomètre est relié à la table 14 par l’intermédiaire d’un pied 52 formant support et d’un actionneur pneumatique 54. Selon un mode de mise en œuvre non représenté, l’actionneur pneumatique présente une glissière solidaire du pied 52 dans lequel un coulisseau est monté à coulissement. Le boîtier 44 de l’extensomètre est alors solidaire du coulisseau et ce dernier est en outre relié à la glissière au moyen d’un vérin pneumatique.

[0029] Les tiges 46, 48 présentent respectivement une extrémité libre de contact 56, 58, formant une arête en arc de cercle pour épouser la forme cylindrique de la zone intermédiaire de travail 36 de l’éprouvette 30. Aussi, l’actionneur pneumatique 54 est en extension, et le boîtier 44 est relié à l’actionneur pneumatique 54 par des organes élastiques non représentés pour que les extrémités libres de contact 56, 58, impriment un effort contre la zone intermédiaire de travail 36. Cet effort doit être suffisant pour permettre aux extrémités libres de contact 56, 58, de demeurer en contact avec la zone intermédiaire de travail 36, et au niveau d’une même zone de contact, lorsque celle-ci est déformée, comme on l’expliquera ci-après. En revanche, cet effort ne doit pas être trop important afin de ne pas provoquer d’entaille ou même de rainure sur la surface de la zone intermédiaire de travail 36.

[0030] Les éléments ci-dessus exposés de la machine d’essai 10 sont commandés par un organe de commande et de contrôle 60. Il inclut par exemple un microcontrôleur pour ce faire.

[0031] L’organe de commande et de contrôle 60 est relié au dispositif hydraulique 18 par un premier faisceau 62 de conducteurs électriques de commande, pour pouvoir commander un mouvement alternatif de la traverse 16 vis-à-vis de la table 14 à une fréquence donnée, et comme on l’expliquera ci-après, dans certaines circonstances, avec une amplitude de mouvement donnée.

[0032] L’actionneur pneumatique 54 est relié à l’organe de commande et de contrôle 60 par un deuxième faisceau 64 de conducteurs électriques de commande pour pouvoir le commander.

[0033] L’organe de commande et de contrôle 60 est relié à l’extensomètre 44 par un premier faisceau de conducteur électrique de mesure 66 et à la cellule de charge par un deuxième faisceau de conducteur électrique de mesure 68, tandis que la température du four est mesurée par un capteur non représenté et relié à à l’organe de commande et de contrôle 60 par un troisième faisceau de conducteur électrique de mesure 70.

[0034] Ainsi, l’extensomètre 44 fournit en temps réel à l’organe de contrôle un signal représentatif de l’écartement entre les deux extrémités libres de contact 56, 58 des tiges 46, 48 et partant, de la déformation axiale de la zone intermédiaire de travail 36. Quant à la cellule de charge 28, elle fournit en temps réel à l’organe de commande et de contrôle un signal représentatif de l’effort exercé axialement sur l’éprouvette 30, tant en compression qu’en extension.

[0035] On se référera maintenant à la Ligure 2, illustrant l’organigramme de fonctionnement de la machine d’essai 10. La machine d’essai 10 est mise en œuvre selon deux modes de fonctionnement successifs et de façon automatique.

[0036] Ainsi, selon une première étape 72, l’organe de commande est programmé et on y enregistre, tout d’abord la fréquence et le nombre total de cycle du mouvement alternatif de la traverse 16 par rapport à la table 14, selon le premier mode de fonctionnement. Aussi, on enregistre l’amplitude de déformation longitudinale maximale de l’éprouvette. La fréquence, selon le premier mode, est par exemple comprise entre 0,3 Hz et 3 Hz, avantageusement 1,5 Hz. Aussi, le nombre de cycle est par exemple compris entre 80000 et 100000, par exemple 86000. Puis on enregistre dans l’organe de commande 60 la fréquence et le nombre de cycle selon un deuxième mode de fonc7 tionnement. La fréquence, selon le second mode de fonctionnement est par exemple comprise entre 5 Hz et 15 Hz, préférentiellement 10 Hz et le nombre de cycle est par exemple compris entre 5.10⁴ et 5.10⁶, avantageusement 2.10⁶.

[0037] Ensuite, on procède au démarrage de la machine d’essai selon une deuxième étape 74, et le dispositif de déformation 15 fonctionne selon le premier mode de fonctionnement jusqu’à atteindre 86000 cycles soit pendant une durée de 637 minutes, puisque la fréquence est de 1,5 Hz. Ainsi, selon ce premier mode et durant cette période, l’éprouvette 30 est déformée longitudinalement et alternativement avec ladite amplitude de déformation longitudinale maximale. Aussi, les tiges 46, 48 sont alternativement écartées et rapprochées l’une de l’autre et elles génèrent en temps réel un signal représentatif de l’allongement de l’éprouvette 30. Conséquemment, l’extensomètre 44 fournit en temps réel à l’organe de commande 60, les informations sur la déformation longitudinale de l’éprouvette, et celui-ci compare cette déformation à l’amplitude maximale préenregistrée pour pouvoir commander le dispositif hydraulique 18 en conséquence et respecter ainsi la consigne. Aussi, durant cette période, l’organe de commande et de contrôle 60 enregistre les valeurs des efforts mesurées grâce à la cellule de charge 28, lesquelles forment une courbe périodique. Cette courbe permet de repérer les anomalies ou les défauts du matériau testé.

[0038] Lorsque le nombre de cycles préprogrammé est atteint l’organe de commande et de contrôle 60, commande d’abord l’arrêt du dispositif hydraulique 18 selon une troisième étape 76, puis l’actionneur pneumatique 54 selon une quatrième étape 78. L’actionneur pneumatique 54 entraîne alors en translation l’extensomètre 44 dans un sens opposé à l’éprouvette 30 et conséquemment, les tiges 46, 48 sont entraînées en translation selon une direction parallèle à la leur, de sorte que les extrémités libres de contact 56, 58 s’écartent de la zone intermédiaire de travail 36 de l’éprouvette 30 sans toutefois quitter l’intérieur du four 38, comme illustré sur la Ligure 3. En conséquence, l’équilibre thermique du four 38 est très peu perturbé.

[0039] Aussi, selon une cinquième étape 80, l’organe de commande et de contrôle 60, commande le dispositif de déformation 15 selon le second mode de fonctionnement, et dans l’exemple précité, jusqu’à atteindre 2.10⁶ cycles soit pendant une durée sensiblement supérieure à 55 heures et 30 minutes, puisque la fréquence est de 10 Hz. Avantageusement, l’organe de commande et de contrôle 60, commande le dispositif de déformation 15 après une courte période d’attente de l’ordre de la minute afin que l’éprouvette retrouve sa température initiale. Cette période d’attente est par exemple déclenchée, si la température de l’éprouvette baisse de quelques degrés.

[0040] Lorsque les 2.10⁶ cycles sont atteints, l’organe de commande et de contrôle 60 commande l’arrêt du dispositif hydraulique 18.

[0041] Ainsi, selon ce second mode et durant cette période, l’éprouvette 30 est déformée longitudinalement et alternativement, non plus en contrôlant ladite amplitude de déformation longitudinale maximale, mais en contrôlant un effort maximal prédéfini grâce à la cellule de charge 28.

[0042] De la sorte, la séquence d’essais a permis de solliciter l’éprouvette 30 selon deux modes successifs de sollicitation, sans l’intervention d’un opérateur. Le résultat de l’essai est considéré comme étant positif, lorsqu’au bout du second mode de sollicitation, l’éprouvette 30 est intacte.

Claims

Revendications [Revendication 1] Machine d’essai de traction-compression à chaud d’une éprouvette métallique longitudinale (30) comprenant : - un dispositif de déformation (15) en traction-compression comportant une cellule de charge (28), pour étirer et comprimer alternativement ladite éprouvette longitudinale (30) selon la direction longitudinale de ladite éprouvette (30) ; - un organe de chauffage (38) pour fournir de l’énergie thermique à ladite éprouvette (30) ; - un extensomètre mobile (44) adapté à être porté en contact avec ladite éprouvette (30) pour mesurer l’amplitude d’allongement de ladite éprouvette ; - un organe de commande (60) commandant ledit dispositif de déformation (15) durant une période de temps donnée à basse fréquence et selon une amplitude fonction de l’amplitude mesurée par ledit extensomètre (44) pour pouvoir étirer et comprimer ladite éprouvette (30) selon une amplitude prédéfinie ; caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un actionneur (54) relié mécaniquement audit extensomètre (44), et en ce que ledit organe de commande (60), commande successivement après que ladite période de temps a expiré, ledit actionneur (54) pour écarter ledit extensomètre (44) de ladite éprouvette (30), et ledit dispositif de déformation (15) durant une autre période de temps donnée à haute fréquence et selon un effort fonction de l’effort mesuré par ladite cellule de charge (28) pour pouvoir étirer et comprimer ladite éprouvette (30) selon un effort prédéfini. [Revendication 2] Machine d’essai selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit organe de chauffage comprend un four (38) présentant une paroi d’isolation (40), adapté à recevoir ladite éprouvette (30). [Revendication 3] Machine d’essai selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit extensomètre (44) comprend deux tiges (46, 48) sensiblement parallèles entre elles présentant chacune une extrémité libre de contact (56, 58). [Revendication 4] Machine d’essai selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite extrémité libre de contact (56, 58) présente une arête en arc de cercle. [Revendication 5] Machine d’essai selon les revendications 2 et 3 ou 4, caractérisée en ce que lesdites deux tiges (46, 48) traversent librement ladite paroi

d’isolation (40). [Revendication 6] Machine d’essai selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ledit actionneur (54) est un actionneur pneumatique. [Revendication 7] Machine d’essai selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un support (52) pour supporter ledit extensomètre (44) et ledit actionneur (54). [Revendication 8] Machine d’essai selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit actionneur (54) comprend une partie formant glissière solidaire dudit support (52) et une partie formant coulisseau reliée audit extensomètre (44). [Revendication 9] Machine d’essai selon la revendication 8, caractérisée en ce que ledit extensomètre (44) et ladite partie formant coulisseau sont reliés ensemble par des organes élastiques. [Revendication 10] Machine d’essai selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ledit organe de commande (60), commande ledit dispositif de déformation (15) durant ladite autre période de temps donnée après un temps d’attente prédéfini démarrant après l’écartement de l’extensomètre (44) de ladite éprouvette (30).

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