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Perfectionnements aux macnines pour l'essai de métaux au choc.
La manière dont se comportent les métaux quand ils sont soumis aux efforts de choc est une question d'une impor- tance capitale.
Il existe divers manuels donnant, pour les efforts statiques, des chiffres de résistance et des coefficients de travail permettant à l'ingénieur constructeur de résoudre tous les problèmes qui se présentent relativement à ces efforts mais il n'en est pas ainsi pour les efforts dynamiques et sur- tout pour les efforts de choc; l'incertitude est grande devant ce genre de travaux et s'accroit brusquement s'il faut consi- dérer la résistance des matériaux à la fatiguer comme il ar- rive presque toujours qu'apparaissent des efforts de choc.
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Cet état de choses est dû à ce qu'il n'existe pas ac- tuellement d'éléments convenables pour les essais de ce genre, car les machines utilisées pour ceux-ci donnent seulement des chiffres isolés et sans liaison entre eux, de sorte qu'ils servent seulement à aonner une faible indication.
Jusqu'à présent, les essais au choc, dans toutes les macriines utilisées dans ce but, se recuisent à obtenir le tra- vail nécessaire à la rupture, qui n'est qu'une donnée compara- tive, permettant seulement de juger d'un métal par rapport à d'autres.
Cela ne permet pas de déterminer d'avance quels tra- vaux pourront ëtre effectués avec une matière donnce sans dé- passer les limites de sécurité admissibles.
Il est nécessaire de pouvoir déterminer la limite dy namique d'élasticité, qui sera une base ferme pour fixer les coefficients de travail.
Comme résultat d'études sur ce point, l'inventeur a trouvé la façon pratique d'obtenir la limite dynamique d'élas- ticité et la limite de fatigue au choc, de sorte qu'il soit facile de mettre en rapport les deux chiffres.
Parmi les machines destinées à des essais de choc il n'y en a aucune qui permette d'effectuer les épreuves de la façon qu'on vient de mentionner. Toutes donnent, chacune dans son but, des chiffres de grand intérêt et de précision, mais l'on sait qu'il'est pratiquement impossible de mettre en rap- port les résultats obtenus d'une machine avec ceuxobtc-nus d'une autre.
Toutes ces considérations ont amené l'inventeur à construire une nouvelle machine qui mène à ces fins, et c'est elle qui fait l'objet de la présente demande de brevet.
Cette machine permet de trouver les chiffres suivants:
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Travail de rupture,
Limite dynamique d'élasticité, et
Limite de fatigue.
On comprendra que ces trois chiffres étant obtenus sur la même machine ils'auront entre eux un rapport qu'il sera relativement facile de connaître
Le type aaopté pour la. machine est celui d'un pendule, avec les accessoires ou mécanismes nécessaires pour pouvoir étaolir les rapport,,, cherchés entre les résultats isolés, ob- tenus dans chaque épreuve.
Le travail de rupture est obtenu en faisant travailler le penaule d'une façon analogue à celle des pendules connus, dans les limites données par sa puissance maximum de travail.
Afin de déterminer la limite dynamique d'élasticité, on dispose le pendule de façon que, quel que soit l'angle de départ auquel on opère, on connaisse la puissance vive de la masse quana elle heurte l'éprouvette, et de cette façon on pourra régler le degré de force au coup, jusqu'à ce que l'é- prouvette accuse le commencement des déformations permanentes ; on comprendra qu'on pourra:ainsi obtenir une limite pratique d'élasticité qui sera d'autant plus précise que le chiffre que donne le mécanisme de mesurage des déformations de l'é- prouvette est exact.
Finalement, afin de pouvoir chercher le rapport exis- tant entre la limite ce fatigue, à l'épuisement d'une matière par des chocs répétés, et la limite dynamique d'élasticité; chiffre que son travail ne pourrait atteindre sans perdre tou- te sécurité, il faudra munir la machine d'un dispositif qui permette de travailler par des chocs répétés à tous les degrés 1 de force qu'adment le pendule.
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La macnine est représentée dans son emsemeble sur les figures 1 et 2; les autres figures représentent des détails des différents,mécanismes nécessaires pour les diverses opé- rations qui peuvent être faites avec'la machine.
Le pendule proprement dit est formé par une armature 1 et la lentille ou masse 2 (figs. 1 et 2); et il est fixé so- lidement à l'arbre 3 monté sur le support de l'appareil avec ses paliers à billes, boites à graisse, écrous de fixation,etc.
Le support du pendule est constitué par une base 5 et deux flasques 6, qui portent les paliers de l'arbre tournant.
Les flasques 6 portent les logements 7 pour les supports des éprouvettes à essayer; ces supports seront décrits à part. Se- lon cette disposition, quand on laisse tomber le penaule d'un angle de chute déterminé, il arrivera dans son mouvement à frapper contre l'éprouvette placée sur les supports 7 et, s'il en produit la rupture, il continuera sa marcne entre les sup- ports en montant jusqu'à un angle qui dépendra de la résistan- ce qu'il aura trouvée sur son chemin.
Ces deux angles d'élévation et de chute, il faut les connaître avec toute précision; à cet effet est adjoint à l'un des flasques 6 un disque en laiton 8, fig.2, aivisé en degrés et dont la graduation est double et va en croissant vers le haut, à partir du 0 qui 'se trouve au point le plus bas, à l'ex- trémité. du diamètre vertical.
Les angles d'élévation sont marqués de façon très sim- ple; on laisse tomber le pendule jusqu'à ce qu'il prenne la position verticale, et on déplace à la main l'aiguille 9, qui tourne à frottement doux autour du disque 8, jusqu'à ce qu'el- le marque 0 Alors on tourne, à la main aussi, l'aiguille cour- be 10, montée sur l'arbre du pendule, jusqu'à ce qu'elle s'ap- puie sur l'aiguille 9 par son côté gauche;
après cela on serre
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la vis de réglage 11 (fig.l),en reliant ainsi l'aiguille 10 fermement à l'arbre 3 et par conséquent au penaule, qu'elle accompagne dans son mouvement. évidemment, si le penaule est placé à une inclinaison quelconque et si l'aiguille 9 est amenee à la main à coïncider avec l'aiguille déjà fixée 10, cette dernière entraînera. l'aiguille 9 dans le mouvement de chute du pendule et la laissera fixée sur le degré à la droite du disque qui correspond à 1'angle d'élevation atteint.
Pour fixer les angles de cnute, on uispose la macnine de la façon suivante: sur l'arbre tournant 3 du penaule (fig.2) sont montées deux roues dentées 12 qui suivent ses mouvements; deux cliquets 13 fig.1 qui tournent autour de 14, engrènent dans les dents de ces roues et les bloquent dans la position désirée. Si l'on fait tourner la masse du pendule à la main vers la gauche jusqu'à ce qu'elle atteigne la hauteur à laquel- le on désire opérer, les cliquets la maintiendront dans cette position.
Si, quand la masse était verticale, on a amené l'ai- guille 9 sur 0 et si, quand elle était dans cette position, on a fait coïncider avec elle la courte aiguille 10, il est évident que lorsqu'on soulève le pendule., l'aiguille 10 déjà fixée au pendule, L'accompagnera dans son mouvement en entraî- nant l'aiguille 9,qui indiquera par conséquent l'angle de chu- te sur la graauation de la moitié gaucne du disque
Comme il peut être nécessaire, dans les opérations qui devront se faire avec ce pendule, de donner soit une seule chute, soit des chutes répétées du pendule depuis cnacune des différentes positions qu'il peut occuper, on a besoin de deux
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mécanismes de ciécienciiement.
Pour proauire une chute isolée, on provoque le déclen- chement à la main au moyen du mécanisme suivant (fig.l): on agit à la main sur le levier 15 pivotant sur l'axe 16, ce qui
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met en mouvement le double jeu de tiges articulées 17, dont l'extrémité porte le véritable déclencheur 18 et dont 1'axe de pivotement est situé en 19 ; suite de ce pivotement le talon du déclencheur appuie sur le bout des leviers 20 et.les fait tourner autour de leur axe 14, déclenchant par conséquent les cliquets 13 qui forment l'autre extrémité de ces leviers
20 et libérant le pendule,qui se met en mouvement.
Pour produire des coups répétés, on n'empioie plus le mécanisme que l'on vient de décrire. Ces coups répétés sont produits de la façon suivante: au moyen du moteur électrique
21 (fig.2), placé sous le banc de la machine de la courroie
22 et de la poulie 23 on met en mouvement l'arbre 24 (figs.l et 2), dont l'autre bout 25 (fig.l) constitue une vis sans fin qui fait tourner la roue 26 et avec elle les aisques 27 montés . sur le même arbre.
Quand ces disques 27 tournent, les bielles
28, dont l'axe excentrique 29 est monté sur cet arbre (figs.l et 2),,reçoivent un mouvement de va-et-vient; ce mouvement est transmis par les pièces 20' (figs.l et 3 articulées en 14, aux leviers 20 qui, quand ils heurtent dans leur mouvement de descente les têtes des vis 30 vissées dans les pièces 31 tournent et déclenchent ainsi les cliquets 13 en libérant le pendule.
La stabilité de l'ensemble des bielles 28 et des le- viers 20 est maintenue par les deux pièces 20?,montées sur un collier fou sur l'arbre 3 et qui supportent l'axe 14 des cliquets (figs: 1,2 et 3
Mais., comme les disques continuent à tourner, il est évident qu'il arrivera un moment où le mouvement ues bielles
28 sera inversé; ces bielles commencent alors à monter et en montant elles entraînent les leviers 20 et 20 ; lescliquets glissent alors sur les dents de leurs roues 12 et continuent ainsi jusqu'à ce que le mouvement de montée des bielles cesse ;
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quand ce mouvement sera de nouveau renversé, les leviers 20 descendront, les dents des cliquets 13 engrèneront dans les roues 12 et celles-ci entraîneront avec elles le pendule, le faisant monter jusqu'à un certain angle. Il est évident que, quand durant cette descente des bielles 28, les leviers 20 ren- contrent les vis 30 ils pivotent et libèrent de nouveau le pendule.
Donc si une éprouvette a été placée dans le support 7 (fig.l), la masse du pendule la neurtera une fois à chaque tour des disques 27 c'est-à-dire que 1-' on aura produit les chocs répétés qui causeront la fatigue de la matière de l'é- prouvette.
On comprend facilement qu'en réglant l'excentricité de l'axe 29 ainsi que la position de 1'axe 14', ajustable sui- vant la longueur du cadre 32, on modifiera l'amplitude du pen- dule, et il suffira de varier la longueur libre des têtes des vis 30 en les vissant plus ou moins dans leur écrou-support 31, pour produire ainsi la chute de la tête ou masse du pendu- le au moment voulu.
L'excentricité des axes 29 peut être variée en dépla- cant les glissières 33 (fig.l) le long de leurs boites-guides sur les disques 27 pour cela il suffit de tourner les vis, qui sont adjointes à ces disques et dont l'écrou tracile dans la glissière. Des divisions par m/m sur les bords des boites- guides et des index sur les glissières permettent de rendre é- gales les deux glissières. La position des axes 14' peut être modifiée d'une façon analogue en tournant les vis fixes 35 et les écrous adjoints aux axes 14 des graduations aux bords des cadres 32 et des index sur les pièces 14 permettent d'a
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juster les pièces de la même façon des deux côtés.
Si pour chaque pendule on a dressé une table dans la- quelle se trouvent, exprimés en fonction de chaque valeur de l'angle de chute de la masse, les degrés ou marques qui corres- pondent aux glissières 33 et 14' et aux longueurs de saillie des vis 30, il sera très simple de disposer la machine pour ses,travaux à n'importe quel angle de chute ou, ce qui revient au même, à n'importe quelle valeur de puissance vive du choc de la masse contre l'éprouvette.
Les éprouvettes sont placées dans des dispositifs dif- férents selon les divers travaux à effectuer, et on décrira ci- après ces dispositifs dans les différents cas.
Travaux de flexion au choc.
--------------------------- RUPTURE (fig.4). L'éprouvette 1 à rompre est placée dans les supports 2 qui sont mis dans les logements 7 fig.1 disposes dans ce but sur les deux flasques 6 du support du pendule.
L'éprouvette est centrée dans ses supports au moyen d'un gaba- rit convenable, de façon que son entaille se trouve exactement dans la direction du tranchant du couteau, comme on le voit sur la fig. 4. Quand l'éprouvette s'est rompue, les supports per- mettent la sortie des deux morceaux en lesquels elle a été di visée. Pour la mise en place des supports 2 on n'a qu'à intro- duire les boulons 3 et à les fixer par les écrous 4.
Dans cet essai on opère en partant d'un angle determi né de chute et en faisant le declenchement à la. main et, quand l'éprouvette s'est rompue, on lit l'angle que l'aiguille en- traînée a atteint sur la moitié droite du disque. En fonction de l'angle de départ et de l'angle lu en dernier lieu et à l'aide des tables respectives, on trouvera le travail absorbé
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dans la rupture.
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Ll:rl'l' 'LL!'l'l.t1"L (figs 1 et 5). Pour cette déter- mination, on place l'éprouvette sur les supports tubulaires 2 fixes au support du pendule au moyen des pièces 3 qui sont assujetties par leurs tiges 4 et par les écrous 5, comme dans le cas precéaent.
Après son centrage, on immobilise l'éprouvette dans sa position en vissant dans leurs logements les tiges 6, ma- noeuvrées par leurs têtes moletées 7, jusqu'à ce que les tiges viennent en contact avec l'éprouvette, évitant ainsi tout dé- placement latéral de celle-ci. Afin d'éviter. que, quand l'é- prouvette reçoit le choc qui doit la déformer, les supports ne le supportent en même temps, déjouant l'effet qu'il s'agit de produire, ces supports 2 peuvent pivoter autour des axes 8, de sorte qu'il est évident que la déformation peut se produi- re en toute liberté.
Les déformations qui se produisent doivent être mesu- rées pour qu'on puisse les mettre en rapport avec la puissance vive qui les a produites. Dans ce but, l'eprouvette porte un miroir en acier inoxydable 9 fixé à un cadre 10 qui embrasse l'éprouvette et dont la fixation est telle qu'on puisse don- ner au miroir les inclinaisons appropriées. Par le télescope 36 fig.1 situé au bout du banc, on vise le miroir et, si on a donné à celui-ci l'inclinaison convenable, on y verra reflétée une division de l'échelle 37 qui, pour en faciliter la. lecture, est éclairée par la lampe 38. Les vis 39 et 40 permettent les mouvements vertical et horizontal du télesco- pe et la vis 41 en permet la mise au point. L'échelle 37 est circulaire.
Les déviations lues dans le miroir permettent de déterminer les'déformations moyennant un calcul spécial ou à
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l'aide de tables calculées d'avance.
Pour opérer, on augmente progressivement l'angle de chute, en lisant par le télescope les divisions coincidantes avec le miroir, avant et après chaque coup, et en faisant le déclenchement de chaque coup à la main, jusqu'à ce qu'on arri- ve à obtenir la déformation permanente qui peut être jugée comme suffisante pour considérer la puissance vive du pendule par laquelle elle a été produite, comme limite pratique d'é- lasticité.
Il est évident qu'en opérant ainsi.on pourra tracer des courbes mettant en rapport les puissances vives employées avec les déformations produites dans les éprouvettes; ces cour- bes seront les courbes classiques de déformations-charges et pareilles à celles qu'on obtient aux essais mécaniques stati- ques.
Fatigue à la flexion¯par choc.
On emploie le même support d'éprouvette qu'à la figu- re 5 et le mécanisme de déclenchement automatique de coups répétés déjà décrit.
A l'aide des tables déjà mentionnées et au moyen des glissières 14' et 33 (fig.l), on règle la puissance vive à laquelle on désire que le pendule heurte l'éprouvette,puis on met en marche le moteur pour produire les coups.
Pour corriger les irrégularités qui, en raison des différentes élasticités des matériaux essayés, pourraient se présenter, causées par les petites différences de temps néces- saires pour que le pendule retourne à la perpendiculaire après son rebond sur l'éprouvette, on se sert d'une petite résistan- ce intercalée dans le circuit du moteur; ses variations se traduisent par une petite variation dans la vitesse des mou-
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vements des cliquets 13 qui tarderont plus ou moins de temps à engrener leurs roues dentées 12 suivant la nature de la ma- tière à l'étude.
Pour de grands angles,on atteint le même but au moyen de secteurs en tôle adossés aux dents des roues 12 et qui peu- vent être déplacés et fixés sur elles à volonté; on obtient ainsi que les cliquets glissent sur ces secteurs sans pouvoir commander les roues jusqu'à ce qu'ils trouvent la dent qu'ils laissent libre et qui naturellement sera celle qui conviendra au degré désiré de force du pendule.
Dans ce travail la machine doit enregistrer le nombre de chocs auxquels la matière a résisté jusqu'à sa rupture, et dans ce but la machine est munie d'un compteur 43 qui est mis en mouvement par les coups successifs de la tige 44,fixée sur le levier 201, contre le talon 41 qui commande airectement le mécanisme du compteur.
Travaux de traction au choc.
On procède de la même manière que pour les travaux de flexion, et l'on peut effectuer la rupture, la fatigue et la détermination de la limite élastique. La variation consiste dans le forme des éprouvettes et dans le nouveau dispositif dans lequel elles sont placées (fig.6).
Les éprouvettes 1 sont cylindriques et filetées à leur: extrémités. Une de celles-ci est vissée à une crosse 2, et l'autre à la masse 3 du pendule. Dans les logements de la ma- chine qui jusqu'à présent ont servi aux supports des éprouvet- tes, on fixe les pièces 4 par les boulons 5 et par les écrous 6.
Quand la masse tombe, comme aux opérations déjà décri-
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tes, la crosse 2 heurte les pièces 4, entre lesquelles a passe la masse, et ainsi se produit la traction au choc. Le contact entre la crosse 2 et les. pièces 4 se fait au moment où le pen- dule arrive à la perpendiculaire.
Limite d'élasticité
On emploie le même dispositif, mais en se servant d'un élasticimètre à miroir pour accuser les déformations (figs. 1 et 6). Au moyen des colliers 7 et 8, qui sont fixés sur deux embases cylindriques disposées dans ce but à côté des têtes des éprouvettes, on relie à celles-ci les tiges articulées 9 et 10 qui, après avoir passé par les guides 11 reliés à la mas- se, sont articulées toutes deux à la tige transversale 12 qui porte le miroir 13.
Dans ces conditions si, après que l'on a visé avec le télescope 36 de la machine une division de l'échelle graduée 37 reflétée par le miroir 13 des chocs successifs sont pro- duits à différents degrés de force du pendule, il arrivera un moment où l'éprouvette éprouvera quelque déformation et alors, par suite de l'écartement des têtes de l'éprouvette et, avec elles,des extrémités des tiges articulées, la tige transversa- le 12 et par conséquent le miroir 13 tourneront, de sorte que l'on verra par le télescôpe une autre graauation de l'échelle et que la déformation sera ainsi accusée et enregistrée. On pourra donc tracer des courbes mettant les chutes en rapport avec les déformations qu'elles produisent, courbes pareilles en tout à celles mentionnées au sujet de la flexion.
Comme pendant l'étude de ces déformations il peut arri- ver qu'une charge produise la rupture de l'éprouvette, de sor- te que le pendule continue son mouvement d'oscillation, on court le risque d'endommager l'élasticimètre; il est donc né-
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cessaire de prévoir un moyen de le protéger. Dans ce but on dispose, pendant ces essais, une pièce de cuivre 14 (fig.6), qui est montée sur le bout du levier 15 pivotant sur 16 ; ce levier est monté à son tour sur le support 17 relié au sup- port de la machine. Quand, après rupture de l'éprouvette, la masse atteint dans son mouvement la pièce 14, elle fera tour- ner le levier et alors le ressort 18, relié au support 17 et à l'autre extrémité de 15, agira comme frein et empêchera ain- si que l'élasticimètre ne soit cassé.
Fatigue à la traction par choc.
Ayant disposé la machine comme dans le cas précédent mais sans élasticimètre, on produit les chocs par le mouvement automatique du pendule et en le réglant de la façon déjà dé- crite, et le compteur totalise le nombre d'oscillations néces- saires pour arriver à la rupture de l'éprouvette. Mais, comme avant d'arriver à la rupture, l'éprouvette subira évidemment des déformations qui se traduiront par des augmentations de sa longueur, au choc suivant la crosse n'appuierait plus par une de ses faces sur les pièces 4 au moment de la perpendicu- larité du pendule, mais y appuierait par une de ses arêtes et l'effort par conséquent serait dévié de l'axe de l'éprouvette, déviation qui se traduirait ensuite par une flexion de celle- ci. L'éprouvette est disposée de façon que cette cause d'erreur soit corrigée automatiquement.
Pour cela elle est vissée dans la pièce 19, qui se termine par deux tourillons représentés sur la figure; cette pièce est noyée dans la crosse 2 propre- ment Gîte, qui peut ainsi tourner sur ces tourillons 19. De cette façon, quand,par suite de l'allongement de l'éprouvette, il se produit un choc de la crosse contre les pièces 4, elle pivotera jusqu'à ce que son plan d'appui s'adapte aux plans
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des pièces 4, et c'est alors que la puissance vive disponible dans le pendule agira sur l'éprouvette sans aucune flexion due à cette cause.
Mais il reste encore dans cette opération une autre cause d'erreur; si l'éprouvette s'est allongée, quand la crosse s'appuie. sur les faces d'appui des pièces 4, le pendule aura dépassé la verticale ou, ce qui revient au même, son centre au- ra commencé à monter et, si la liaison entre l'éprouvette et la masse était rigide, dans ce cas non plus la traction ne se- rait pas exercée suivant l'axe de l'éprouvette.
Afin d'éviter cela, la pièce 20 qui reçoit la seconde tête filetée de l'éprouvette est reliée à la masse par deux tou- rillons 21, pivotant dans deux coussinets fixés à celle-ci et cette pièce se termine par la lentille de contre-poids 22, qui équilibre le poids de l'éprouvette et de la crosse, poids qui, s'il n'était pas équilibré, ferait pivoter le système autour de 21 Il est évident que, mëme si la traction sur l'éprouvette al longée ne commence qu'après que la niasse a dépassé la. verticale, l'assemblage articulé qui vient d'être décrit, fera que l'éprou- vette prendra toujours la direction de 1?effort, de sorte que le grave inconvénient de son décentrage est évité;
et comme pendant les oscillations, des secousses pourraient se produire dans le système 2 - 1 - 21 - 20 - 22, on dispose les ressorts 23 qui servent d'amortisseurs.
Essais de flexion aux chocs de sens opposés
La fatigue des matériaux par ce genre d'efforts est une forme d'essai très courante et intéressante, et la machine permet également ces essais (figs. 1 et 2). Sur les deux flas- ques de support du pendule sont montés les deux trains d'engre-
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nage, 1,2,3' dont les,pignons 3 peuvent être déplacés latérale- ment et désengrenés quand il faut faire cesser le ,fonctionnement de l'ensemble.
Les disques 27, commandés par le moteur, comme il a été expliqué, portent chacun un secteur denté 4 qui engrè- ne à chaque tour du disque avec le pignon 3 correspondant et fait tourner tout le système d'engrenages quand les pignons 3 sont engrenés; les pignons 1 engrènent à leur tour avec les rou- es 5 et celles-ci, qui sont calées sur les manchons 6 supportant 1-'éprouvette, tourneront-en entraînant l'éprouvette quand, par sui- te du mouvement des disques 27 tout le système d'engrenages tourne; ces engrenages, de même que le secteur 4, sont calculés de façon qu'à chaque tour du disque 27 ou, ce qui revient au mê- me, à chaque action complète du secteur 4, le pignon 5, et avec lui l'éprouvette, tournent de 180 .
Afin d'assurer la précision absolue de ce mouvement de rotation et d'éviter que le pignon 5 n'avance ou ne retarde un peu, le cliquet 7, commandé par le ressort 8, glisse sur la couronne 9 qui porte seulement deux encoches, aux extrémités du même diamètre, par lesquelles l'éprouvette est bloquée à chaque tour dans la position voulue pour recevoir alternative- ment un choc sur chacune de ses faces opposées.
Les manchons 6, qui supportent les éprouvettes, ont des logements cylindriques dans les pièces 10 reliées au support de la machine de la faç'on déjà expliquée. Les éprouvettes sont fixées latéralement par les tiges 11 à tête filetée, et pour les tenir dans leurs logements on se sert des pièces 12, dans lesquelles leurs têtes sont engagées.
Pour qu'on puisse facilement changer les éprouvettes, le manchon 6' peut être retiré latéralement, en soulevant le cliquet 7 et en quittant le ressort de fixation 8. Après avoir
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placé les têtes de l'éprouvette dans les logements des pièces 12, on les centre en plaçant les faces extérieures des cales 12 sur le même plan que celui des bases respectives des manchons 6 et 61.
REVENDICATIONS 1.- Machine pour l'essai de métaux au choc, caractérisée par le mécanisme d'élévation du pendule, ce mécanisme étant compo- sé de roues dentées fixées à l'axe du pendule et de cliquets qui engrènent dans ces roues dentées et sont commandés par des le- viers.
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Enhancements to macnines for impact testing of metals.
How metals behave when subjected to impact forces is a matter of utmost importance.
There are various manuals giving, for static forces, resistance figures and working coefficients allowing the construction engineer to solve all the problems which arise in relation to these forces, but this is not the case for dynamic forces. and above all for shock efforts; There is great uncertainty in the face of this type of work and increases sharply if it is necessary to consider the resistance of the materials to fatigue it, as it almost always happens that impact forces appear.
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This state of affairs is due to the fact that at present there are no suitable elements for tests of this kind, since the machines used for these give only isolated figures and without connection between them, so that they only serve to give a weak indication.
Until now, impact tests, in all the macriines used for this purpose, have been annealed to obtain the work necessary for failure, which is only a comparative datum, allowing only to judge one metal over others.
This does not make it possible to determine in advance what work can be carried out with a given material without exceeding the admissible safety limits.
It is necessary to be able to determine the dynamic limit of elasticity, which will be a firm basis for fixing the working coefficients.
As a result of studies on this point, the inventor found the practical way to obtain the dynamic limit of elasticity and the limit of impact fatigue, so that it is easy to relate the two figures. .
Among the machines intended for impact tests there is none which allows the tests to be carried out in the manner just mentioned. All give, each for its own purpose, figures of great interest and precision, but we know that it is practically impossible to compare the results obtained from one machine with those obtained from another. .
All these considerations have led the inventor to construct a new machine which achieves these ends, and it is this which is the subject of the present patent application.
This machine can find the following numbers:
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Breaking work,
Dynamic yield strength, and
Fatigue limit.
It will be understood that these three figures being obtained on the same machine they will have a relation between them which will be relatively easy to know.
The type has been adopted for the. machine is that of a pendulum, with the accessories or mechanisms necessary to be able to establish the relations ,,, sought between the isolated results obtained in each test.
The breaking work is obtained by making the pin work in a manner analogous to that of known pendulums, within the limits given by its maximum working power.
In order to determine the dynamic limit of elasticity, one arranges the pendulum so that, whatever the starting angle at which one operates, one knows the live power of the mass when it hits the test-tube, and in this way one will be able to regulate the degree of force at the stroke, until the test piece shows the beginning of permanent deformations; it will be understood that it will be possible: thus to obtain a practical limit of elasticity which will be all the more precise as the figure given by the mechanism for measuring the deformations of the test piece is exact.
Finally, in order to be able to find the relationship between the limit of fatigue, to the exhaustion of a material by repeated shocks, and the dynamic limit of elasticity; a figure that his work could not reach without losing all safety, it will be necessary to equip the machine with a device which makes it possible to work by repeated shocks at all degrees 1 of force admitted by the pendulum.
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The macnine is shown in its emsemeble in Figures 1 and 2; the other figures show details of the different mechanisms necessary for the various operations which can be done with the machine.
The pendulum itself is formed by an armature 1 and the lens or mass 2 (figs. 1 and 2); and it is firmly fixed to the shaft 3 mounted on the support of the apparatus with its ball bearings, grease boxes, fixing nuts, etc.
The pendulum support is constituted by a base 5 and two flanges 6, which carry the bearings of the rotating shaft.
The flanges 6 carry the housings 7 for the supports of the test specimens; these supports will be described separately. According to this arrangement, when the penaule is dropped from a determined angle of fall, in its movement it will strike against the test piece placed on the supports 7 and, if it breaks, it will continue its operation. between the supports, going up to an angle that will depend on the resistance it finds in its path.
These two angles of rise and fall must be known with complete precision; for this purpose is added to one of the flanges 6 a brass disc 8, fig. 2, sharpened in degrees and whose graduation is double and increases upwards, from 0 which 'is at the point lower at the end. vertical diameter.
The angles of elevation are marked in a very simple way; we drop the pendulum until it takes the vertical position, and we move the needle 9 by hand, which turns gently around the disc 8, until it marks 0 Then the curved needle 10, mounted on the pendulum shaft, is also turned by hand until it rests on the needle 9 on its left side;
after that we squeeze
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the adjustment screw 11 (fig.l), thus connecting the needle 10 firmly to the shaft 3 and therefore to the pin, which it accompanies in its movement. Obviously, if the penaule is placed at any inclination and if the needle 9 is brought by hand to coincide with the already attached needle 10, the latter will drive. needle 9 in the falling movement of the pendulum and will leave it fixed on the degree to the right of the disc which corresponds to the angle of elevation reached.
To fix the angles of cnute, the macnine is placed as follows: on the rotating shaft 3 of the latch (fig.2) are mounted two toothed wheels 12 which follow its movements; two pawls 13 fig.1 which turn around 14, engage with the teeth of these wheels and lock them in the desired position. If the mass of the pendulum is rotated by hand to the left until it reaches the height at which it is desired to operate, the pawls will hold it in this position.
If, when the mass was vertical, hand 9 was brought to 0 and if, when it was in this position, the short hand 10 was made to coincide with it, it is obvious that when the pendulum is raised ., the needle 10 already fixed to the pendulum, will accompany it in its movement by driving the needle 9, which will consequently indicate the angle of fall on the graauation of the left half of the disc.
As it may be necessary, in the operations which will have to be done with this pendulum, to give either a single fall, or repeated falls of the pendulum from any of the different positions which it can occupy, we need two
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mechanisms of care.
To produce an isolated fall, the release is caused by hand by means of the following mechanism (fig.l): the lever 15 pivoting on the axis 16 is acted on by hand.
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sets in motion the double set of articulated rods 17, the end of which carries the real trigger 18 and the pivoting axis of which is located at 19; Following this pivoting, the heel of the trigger presses on the end of the levers 20 and causes them to rotate around their axis 14, consequently triggering the pawls 13 which form the other end of these levers
20 and releasing the pendulum, which starts to move.
To produce repeated blows, the mechanism just described is no longer used. These repeated blows are produced as follows: by means of the electric motor
21 (fig. 2), placed under the belt machine bench
22 and pulley 23 we set in motion the shaft 24 (figs.l and 2), the other end of which 25 (fig.l) constitutes an endless screw which turns the wheel 26 and with it the boards 27 mounted. on the same tree.
When these discs 27 rotate, the connecting rods
28, whose eccentric axis 29 is mounted on this shaft (figs.l and 2) ,, receive a back and forth movement; this movement is transmitted by the parts 20 '(figs. 1 and 3 articulated at 14, to the levers 20 which, when they strike in their downward movement the heads of the screws 30 screwed into the parts 31 turn and thus trigger the pawls 13 in releasing the pendulum.
The stability of all of the connecting rods 28 and the levers 20 is maintained by the two parts 20?, Mounted on a loose collar on the shaft 3 and which support the axis 14 of the pawls (figs: 1,2 and 3
But., As the discs continue to spin, it is evident that there will come a point when the movement of the connecting rods
28 will be reversed; these rods then begin to rise and as they rise they drive the levers 20 and 20; the pawls then slide on the teeth of their wheels 12 and continue in this way until the upward movement of the connecting rods ceases;
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when this movement is again reversed, the levers 20 will descend, the teeth of the pawls 13 will mesh with the wheels 12 and these will drag with them the pendulum, causing it to rise to a certain angle. It is obvious that, when during this descent of the connecting rods 28, the levers 20 meet the screws 30 they pivot and again release the pendulum.
So if a test-tube has been placed in the support 7 (fig.l), the mass of the pendulum will neurter it once at each turn of the disks 27 that is to say that 1- 'we will have produced the repeated shocks which will cause the fatigue of the test-tube material.
It is easily understood that by adjusting the eccentricity of the axis 29 as well as the position of the axis 14 ', adjustable according to the length of the frame 32, the amplitude of the pendulum will be modified, and it will be sufficient to vary the free length of the heads of the screws 30 by screwing them more or less into their support nut 31, thus producing the drop of the head or mass of the hanger at the desired moment.
The eccentricity of the axes 29 can be varied by moving the slides 33 (fig.l) along their guide boxes on the discs 27 for this it suffices to turn the screws, which are attached to these discs and whose 'tracile nut in the slide. Divisions by m / m on the edges of the guide boxes and indexes on the slides make the two slides equal. The position of the axes 14 'can be modified in a similar way by turning the fixed screws 35 and the nuts attached to the axes 14 of the graduations at the edges of the frames 32 and of the indexes on the parts 14 allow to
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juster the pieces in the same way on both sides.
If for each pendulum we have drawn up a table in which are found, expressed as a function of each value of the angle of fall of the mass, the degrees or marks which correspond to the slides 33 and 14 'and to the lengths of protrusion of the screws 30, it will be very simple to arrange the machine for its work at any angle of fall or, what amounts to the same thing, at any value of the live power of the impact of the mass against the test tube.
The test pieces are placed in different devices according to the various work to be carried out, and these devices will be described below in the different cases.
Impact flexion work.
--------------------------- RUPTURE (fig. 4). The test piece 1 to be broken is placed in the supports 2 which are placed in the housings 7 fig.1 arranged for this purpose on the two flanges 6 of the pendulum support.
The test piece is centered in its supports by means of a suitable template, so that its notch is exactly in the direction of the cutting edge of the knife, as seen in fig. 4. When the specimen has broken, the supports allow the exit of the two pieces in which it has been split. To fit the supports 2, all you have to do is insert bolts 3 and secure them with nuts 4.
In this test one operates starting from a determined angle of fall and making the trigger at the. hand and, when the specimen has broken, the angle which the drawn needle has reached on the right half of the disc is read. Depending on the starting angle and the angle read last and using the respective tables, we will find the absorbed work
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in the break.
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Ll: rl'l '' LL! 'L'l.t1 "L (figs 1 and 5). For this determination, the test piece is placed on the tubular supports 2 fixed to the pendulum support by means of the parts 3 which are secured by their rods 4 and by nuts 5, as in the previous case.
After centering, the test piece is immobilized in its position by screwing the rods 6, operated by their knurled heads 7, into their housings, until the rods come into contact with the test piece, thus avoiding any loosening. lateral placement of it. To avoid. that, when the test piece receives the shock which must deform it, the supports do not support it at the same time, thwarting the effect that is to be produced, these supports 2 can pivot around the axes 8, so that it is obvious that the deformation can occur in complete freedom.
The deformations which occur must be measured so that they can be related to the living power which produced them. For this purpose, the specimen carries a stainless steel mirror 9 fixed to a frame 10 which embraces the specimen and the fixing of which is such that the mirror can be given the appropriate inclinations. Through the telescope 36 fig.1 located at the end of the bench, we aim at the mirror and, if we have given it the suitable inclination, we will see reflected there a division of the scale 37 which, to facilitate the. reading, is illuminated by the lamp 38. The screws 39 and 40 allow vertical and horizontal movements of the telescope and the screw 41 allows it to be focused. Scale 37 is circular.
The deviations read in the mirror make it possible to determine the deformations by means of a special calculation or by
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using tables calculated in advance.
To operate, the angle of fall is gradually increased, by reading through the telescope the divisions coinciding with the mirror, before and after each shot, and by triggering each shot by hand, until you arrive. - to obtain the permanent deformation which can be judged as sufficient to consider the live power of the pendulum by which it was produced, as a practical limit of elasticity.
It is obvious that by operating in this way, it will be possible to draw curves relating the active powers employed with the deformations produced in the test pieces; these curves will be the classical strain-load curves and similar to those obtained in static mechanical tests.
Shock flexion fatigue.
The same specimen holder as in Fig. 5 and the automatic repeated stroke trigger mechanism already described are employed.
Using the tables already mentioned and using the slides 14 'and 33 (fig.l), we adjust the live power at which we want the pendulum to strike the test piece, then we start the motor to produce the blows.
To correct the irregularities which, owing to the different elasticities of the materials tested, could occur, caused by the small differences in time necessary for the pendulum to return to the perpendicular after its rebound on the specimen, one uses a small resistor interposed in the motor circuit; its variations are reflected in a small variation in the speed of the movements.
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pawls 13 which will take more or less time to engage their toothed wheels 12 depending on the nature of the material under consideration.
For large angles, the same goal is achieved by means of sheet metal sectors backed by the teeth of the wheels 12 and which can be moved and fixed to them at will; the pawls are thus obtained to slide on these sectors without being able to control the wheels until they find the tooth which they leave free and which will naturally be the one which will suit the desired degree of force of the pendulum.
In this work the machine must record the number of impacts to which the material has withstood until it breaks, and for this purpose the machine is provided with a counter 43 which is set in motion by the successive strokes of the rod 44, fixed on the lever 201, against the heel 41 which directly controls the counter mechanism.
Shock traction work.
The procedure is the same as for bending work, and it is possible to perform fracture, fatigue and determination of the elastic limit. The variation consists in the shape of the test pieces and in the new device in which they are placed (fig. 6).
The test pieces 1 are cylindrical and threaded at their ends. One of these is screwed to a stick 2, and the other to mass 3 of the pendulum. In the housings of the machine which until now have been used to support the test tubes, the parts 4 are fixed by bolts 5 and by nuts 6.
When the mass falls, as in the operations already described
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tes, the butt 2 hits the parts 4, between which the mass passes, and thus the shock traction occurs. The contact between the butt 2 and the. pieces 4 is done when the pendulum arrives at the perpendicular.
Elasticity limit
The same device is used, but using a mirror elasticimeter to show the deformations (figs. 1 and 6). By means of the collars 7 and 8, which are fixed on two cylindrical bases arranged for this purpose next to the heads of the test pieces, the articulated rods 9 and 10 are connected to them which, after having passed through the guides 11 connected to the mass, are both articulated to the transverse rod 12 which carries the mirror 13.
Under these conditions if, after having aimed with the telescope 36 of the machine at a division of the graduated scale 37 reflected by the mirror 13, successive shocks are produced at different degrees of force of the pendulum, there will be a moment when the test piece experiences some deformation and then, as a result of the separation of the heads of the test piece and, with them, the ends of the articulated rods, the transverse rod 12 and consequently the mirror 13 will rotate, so that one will see by the telescope another graauation of the scale and that the deformation will thus be recognized and recorded. We can therefore draw curves putting the falls in relation to the deformations they produce, curves identical in all to those mentioned with regard to bending.
As during the study of these deformations it can happen that a load produces the rupture of the test piece, so that the pendulum continues its oscillating movement, we run the risk of damaging the elasticimeter; so he was born
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necessary to provide a means of protecting it. For this purpose there is, during these tests, a copper piece 14 (fig.6), which is mounted on the end of the lever 15 pivoting on 16; this lever is in turn mounted on the support 17 connected to the support of the machine. When, after rupture of the specimen, the mass reaches part 14 in its movement, it will turn the lever and then the spring 18, connected to the support 17 and to the other end of 15, will act as a brake and prevent so that the elasticimeter is not broken.
Shock traction fatigue.
Having arranged the machine as in the previous case but without an elasticimeter, the shocks are produced by the automatic movement of the pendulum and by adjusting it in the way already described, and the counter totals the number of oscillations necessary to arrive at rupture of the test piece. But, as before arriving at breakage, the test specimen will obviously undergo deformations which will result in increases in its length, on the following impact the stick would no longer support one of its faces on the parts 4 at the time of perpendicularity of the pendulum, but would rest on it by one of its edges and the force would therefore be deviated from the axis of the test piece, a deviation which would then result in bending thereof. The test piece is arranged so that this cause of error is corrected automatically.
For this it is screwed into part 19, which ends with two journals shown in the figure; this part is embedded in the stick 2 proper- ly Gîte, which can thus turn on these journals 19. In this way, when, as a result of the lengthening of the specimen, there is an impact of the stick against the parts 4, it will rotate until its support plane adapts to the planes
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parts 4, and it is then that the live power available in the pendulum will act on the test piece without any bending due to this cause.
But there is still another cause of error in this operation; if the specimen has elongated, when the butt rests. on the bearing faces of the parts 4, the pendulum will have passed the vertical or, which amounts to the same thing, its center will have started to rise and, if the connection between the test piece and the mass was rigid, in this case neither would the traction be exerted along the axis of the specimen.
In order to avoid this, the part 20 which receives the second threaded head of the test piece is connected to the mass by two bolts 21, pivoting in two bearings fixed to it and this part ends with the counter lens. -weight 22, which balances the weight of the specimen and the stick, which, if not balanced, would cause the system to rotate around 21 It is evident that, even if the pull on the specimen al lengthened begins only after the mass has passed the. vertical, the articulated assembly which has just been described, will make that the test piece always take the direction of the force, so that the serious inconvenience of its decentering is avoided;
and as during the oscillations, jerks could occur in the system 2 - 1 - 21 - 20 - 22, we have the springs 23 which serve as shock absorbers.
Bending tests at impacts from opposite directions
Fatigue of materials by this kind of stress is a very common and interesting form of testing, and the machine also allows these tests (figs. 1 and 2). The two gear trains are mounted on the two pendulum support flanges.
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swimming, 1,2,3 'whose, pinions 3 can be moved sideways and disengaged when it is necessary to stop the operation of the assembly.
The discs 27, controlled by the motor, as has been explained, each carry a toothed sector 4 which meshes with each revolution of the disc with the corresponding pinion 3 and turns the entire system of gears when the pinions 3 are engaged. ; the pinions 1 in turn mesh with the wheels 5 and these, which are wedged on the sleeves 6 supporting 1-the specimen, will rotate, driving the specimen when, by following the movement of the discs 27 all the gear system turns; these gears, as well as the sector 4, are calculated so that at each revolution of the disc 27 or, which amounts to the same thing, at each complete action of the sector 4, the pinion 5, and with it the test piece , turn 180.
In order to ensure the absolute precision of this rotational movement and to prevent the pinion 5 from advancing or delaying a little, the pawl 7, controlled by the spring 8, slides on the crown 9 which carries only two notches, at the ends of the same diameter, by which the test piece is blocked at each turn in the desired position to alternately receive a shock on each of its opposite faces.
The sleeves 6, which support the test pieces, have cylindrical housings in the parts 10 connected to the support of the machine in the manner already explained. The test pieces are fixed laterally by the threaded head rods 11, and to hold them in their housings parts 12 are used, in which their heads are engaged.
So that one can easily change the test pieces, the sleeve 6 'can be removed laterally, by lifting the pawl 7 and leaving the fixing spring 8. After having
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placed the heads of the specimen in the housings of the parts 12, they are centered by placing the outer faces of the wedges 12 on the same plane as that of the respective bases of the sleeves 6 and 61.
CLAIMS 1.- Machine for impact testing of metals, characterized by the pendulum lifting mechanism, this mechanism being composed of toothed wheels fixed to the axis of the pendulum and of pawls which mesh with these toothed wheels and are controlled by levers.