FR2918173A1 - Mise en charge d'une machine d'essai de fluage - Google Patents

Abstract

Machine d'essai de fluage ou de fatigue en traction (10), comprenant un bâti (12) portant un moyen de fixation (22) d'une extrémité d'une éprouvette (20), et un levier (14) monté pivotant sur le bâti (12) autour d'un axe transversal (16) et portant un moyen de fixation (24,34,68) de l'autre extrémité de l'éprouvette (20), une extrémité du levier (14) portant une masse (30) pour appliquer un effort axial de traction à l'autre extrémité de l'éprouvette (20), caractérisée en ce que la masse (30) est supportée d'une part par des moyens élastiquement déformables (62) reliés au levier (14) et d'autre part par un élément mobile (54, 56, 58) déplaçable de façon commandée entre deux positions dans l'une desquelles il porte la totalité de la masse (30) et dans l'autre desquelles la masse (30) est entièrement supportée par les moyens élastiquement déformables (62) reliés au levier (14).

Description

1 Mise en charge d'une machine d'essai de fluage

La présente invention concerne les machines d'essai de fluage, et plus particulièrement les moyens de mise en charge d'une éprouvette 5 d'essai dans une machine de ce type. Les essais de fatigue en traction, qui consistent à soumettre une éprouvette d'essai à une succession de cycles alternant des phases d'effort et des phases de repos, pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers de cycles pour tester l'endurance d'un matériau soumis à des efforts 10 variables dans le temps, sont en général réalisés au moyen de machines relativement coûteuses car ces essais requièrent notamment un contrôle précis de la charge appliquée à l'éprouvette afin de répondre à des normes très strictes, imposant notamment que les variations de la charge appliquée suivent des courbes prédéfinies. 15 En revanche, les essais de fluage où l'on soumet une éprouvette d'essai à un unique cycle sont en général réalisés avec une machine de conception relativement simple et économique, comprenant un bâti portant un moyen de fixation d'une extrémité d'une éprouvette d'essai en forme de tige, et un levier monté pivotant sur le bâti autour d'un axe transversal et 20 portant un moyen de fixation de l'autre extrémité de l'éprouvette ainsi qu'une masse suspendue à l'une de ses extrémités pour appliquer un effort axial de traction à l'autre extrémité de l'éprouvette. La mise en service de ce type de machine s'effectue traditionnellement en rétractant un moyen mobile de support du levier, tel 25 qu'un vérin, de sorte que le levier puisse exercer sur l'éprouvette une force de traction proportionnelle au poids de la masse. Cependant, ces moyens ne permettent pas de contrôler la mise en charge de l'éprouvette d'essai, et obligent, pour modifier la force de traction exercée sur l'éprouvette, à modifier la masse suspendue au levier. 30 De surcroît, les conditions d'application d'une traction à l'éprouvette ne peuvent pas être maîtrisées précisément avec ce type de machine

2 d'essai. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients de la technique connue et d'améliorer une machine de fluage, de conception simple et économique, pour la rendre apte à la réalisation d'essais de fluage plus complexes et d'essais de fatigue en traction comportant un grand nombre de cycles. L'invention a en particulier pour but de permettre un contrôle précis et progressif de la force de traction appliquée à l'éprouvette dans une telle 10 machine. Elle propose à cet effet une machine d'essai de fluage ou de fatigue en traction, comprenant un bâti portant un moyen de fixation d'une extrémité d'une éprouvette d'essai en forme de tige, et un levier monté pivotant sur le bâti autour d'un axe transversal et portant un moyen de 15 fixation de l'autre extrémité de l'éprouvette, une extrémité du levier portant une masse pour appliquer un effort axial de traction à l'autre extrémité de l'éprouvette, caractérisée en ce que la masse est supportée d'une part par des moyens élastiquement déformables reliés au levier et d'autre part par un élément mobile déplaçable de façon commandée entre deux positions 20 dans l'une desquelles il porte la totalité de la masse et dans l'autre desquelles la masse est entièrement supportée par les moyens élastiquement déformables reliés au levier. Les moyens élastiquement déformables permettent de transmettre au levier une fraction plus ou moins élevée du poids de la masse, en 25 fonction de la position de l'élément mobile commandé. En effet, plus la masse est soutenue par l'élément mobile, moins elle sollicite les moyens élastiquement déformables et moins la force transmise au levier par ces moyens est grande. A l'inverse, plus l'élément mobile laisse la masse reposer sur les moyens élastiquement déformables, et plus la force de 30 traction transmise au levier est grande. Le contrôle de l'élément mobile permet donc de maîtriser la force de traction appliquée à l'éprouvette

3 d'essai et la vitesse d'application de cette force, et cela d'une façon totalement indépendante de la déformation de l'éprouvette, contrairement à ce qui se passe dans les machines de la technique antérieure. Les moyens élastiquement déformables comprennent de préférence au moins un ressort hélicoïdal, de raideur calibrée et de loi de comportement sensiblement linéaire, supportant la masse et reposant sur le levier ou sur une plaque suspendue au levier. Avec un tel ressort, l'intensité de la force de traction transmise au levier est proportionnelle à la déformation du ressort.

Avantageusement, l'élément mobile de support de la masse est déplacé en translation verticale par un vérin monté sur le bâti, l'élément mobile étant par exemple une tige de piston du vérin. Le contrôle du vérin permet ainsi de maîtriser la position verticale de la masse, et donc l'importance de la force de traction transmise au levier.

Selon une autre caractéristique de l'invention, la plaque suspendue au levier comprend un orifice central de guidage d'une tige, qui porte un plateau sur lequel est posée la masse, et qui est verticalement alignée avec la tige de piston du vérin. La plaque forme préférentiellement le fond d'une cage suspendue au levier et contenant la masse posée sur le plateau et le ressort monté entre le plateau et le fond de la cage. La cage assure la suspension de la plaque au levier et permet de transmettre au levier les efforts induits par la compression du ressort reposant sur la plaque.

La machine d'essai selon l'invention comprend avantageusement un capteur de mesure de la position axiale du plateau ou de la tige par rapport à la plaque, de manière à déterminer précisément la déformation du ressort, et donc la force de traction transmise au levier. Ce capteur permet un pilotage de la machine d'essai en fonction de la force de traction appliquée à l'éprouvette. Selon une autre caractéristique de l'invention, la machine d'essai

4 comprend un capteur de mesure de la position axiale du plateau ou de la tige par rapport à la tige de piston du vérin. Ce capteur permet de piloter le vérin de manière à maintenir, à pleine charge, un certain jeu entre la tige de piston du vérin et le plateau ou la tige supportant la masse, afin de garantir que la totalité du poids de la masse soit constamment transmise au levier. Avantageusement, l'un au moins des moyens de fixation comprend un capteur de force formé d'un élément suspendu déformable, par exemple à géométrie en S, équipé de jauges de contrainte.

Un tel capteur permet de mesurer directement la force de traction appliquée à l'éprouvette, et rend ainsi possible un pilotage très précis de la machine en fonction de la force de traction. La machine d'essai selon l'invention peut comprendre également un extensomètre monté sur l'éprouvette, pour mesurer l'allongement de cette éprouvette durant les essais, et permettre ainsi un pilotage de la machine d'essai en fonction de l'allongement de l'éprouvette. De manière générale, l'invention procure un avantage supplémentaire en éliminant les risques de surcharge du levier. En effet, en cas de dysfonctionnement du vérin, la charge maximale susceptible d'être appliquée au vérin est la charge correspondant à une transmission de la totalité du poids de la masse au levier. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une machine d'essai de traction selon l'art antérieur ; la figure 2 est une vue schématique en perspective d'une machine d'essai de traction selon l'invention ; les figures 3 et 4 sont des vues schématiques partielles, à plus grande échelle et en coupe, de la machine d'essai de la figure 2. On se réfère d'abord à la figure 1 représentant une machine d'essai de fluage 10 d'un type connu, comprenant un bâti 12 portant un levier 14 monté pivotant autour d'un axe transversal 16 et soutenu par un vérin 18, et une éprouvette d'essai 20, par exemple en forme de tige cylindrique, qui 5 est fixée à ses extrémités à une tige supérieure 22 de suspension au bâti 12 et à une tige inférieure 24 d'accrochage au levier 14, l'éprouvette 20 et les deux tiges 22 et 24 formant une ligne de charge qui définit un axe de traction 26 sensiblement vertical. L'extrémité supérieure de la tige supérieure 22 est reliée au bâti par 10 une rotule 28. L'axe de rotation transversal 16 du levier est éloigné d'une extrémité du levier portant une masse 30 d'une distance correspondant environ aux trois quarts de la longueur du levier, l'autre extrémité du levier portant un contrepoids d'équilibrage 32. L'extrémité inférieure de la tige inférieure 24 15 est reliée au levier 14 par une chape 34 montée rotative autour d'un axe transversal 36 du levier, disposé entre la masse 30 et l'axe de rotation 16 du levier et au voisinage de cet axe de rotation 16, de manière à bénéficier d'un bras de levier important, par exemple égal à dix environ. Le contrepoids d'équilibrage 32 est destiné à équilibrer le levier 14 en 20 l'absence de la masse 30 pour qu'au repos, aucune traction ne soit exercée sur l'éprouvette 20. La masse 30 repose sur un plateau circulaire 37 qui est suspendu au levier 14 par une tige 38 reliée à une chape 40 montée autour d'un axe transversal 42 du levier 14. 25 La machine d'essai de fluage fonctionne de la manière suivante : à l'arrêt, le vérin 18 est déployé comme représenté sur la figure 1 et soutient le levier 14 en compensant la force provenant du poids de la masse 30. En service, le vérin 18 est rétracté si bien que la chape 34 est soumise à une force de traction vers le bas dont l'intensité dépend à la fois du poids de la 30 masse 30 et du bras de levier, cette force de traction étant transmise par la tige 24 à l'éprouvette, qui tend alors à s'allonger sous l'effet de la traction.

6 Cette machine permet ainsi de réaliser des essais de fluage simples consistant à soumettre l'éprouvette à une traction constante et à observer l'évolution dans le temps de l'allongement de l'éprouvette, préalablement équipée d'un capteur de type extensomètre ou analogue pour mesurer cet allongement. Ce type de machine est fréquemment associé à un four disposé autour de l'éprouvette 20 pour réaliser des essais en température. L'invention a pour but d'améliorer la machine d'essai de fluage pour permettre un chargement progressif et contrôlé du levier, et donc de l'éprouvette.

Pour cela, comme le montrent les figures 2 à 4, une cage 44 est suspendue par la tige 38 au levier 14, cette cage 44 étant formée d'une plaque horizontale supérieure 46, de quatre barreaux verticaux 48, et d'une plaque horizontale inférieure 50, comprenant un orifice central circulaire 52 destiné au guidage d'une tige verticale 54 de support d'un plateau circulaire 56 sur lequel est posée la masse 30, la tige verticale 54 étant alignée verticalement avec et reposant sur une tige de piston 58, mobile en translation verticale, d'un vérin 60 monté sur le bâti 12. Le plateau 56 est également supporté par des ressorts hélicoïdaux 62, par exemple au nombre de quatre, reposant sur la plaque inférieure 50 de la cage 44, et destinés à transmettre à cette plaque 50 la partie du poids de la masse 30 qui n'est pas reprise par le vérin 60, cette partie dépendant directement de la déformation dX des ressorts 62, c'est-à-dire de leur niveau de compression. Ces ressorts 62 présentent une raideur k calibrée et une loi de comportement sensiblement linéaire, liant leur déformation dX à la force de compression F qui leur est appliquée, selon la formule LX=F/k, de manière à permettre une déduction simple de la force F à partir d'une mesure de la déformation dX des ressorts. Par ailleurs, comme le montre la figure 2, un extensomètre 64 est monté sur l'éprouvette d'essai 20 et comprend un câble de conducteurs électriques 66 destiné à délivrer un signal électrique proportionnel à l'allongement de l'éprouvette 20.

7 Un capteur de force à jauges de contraintes 68, comprenant une pièce élastiquement déformable en forme de S sur laquelle sont agencées des jauges de contrainte reliées à un câble de conducteurs électriques 70, est monté entre la tige inférieure 24 et la chape 34, pour délivrer un signal électrique proportionnel à la force de traction appliquée à l'éprouvette. Comme cela apparaîtra plus clairement par la suite, ce capteur de force 68 est facultatif, l'invention fournissant un autre moyen de mesure de la force de traction. Comme on le voit sur la figure 3, la tige verticale 54 est guidée dans l'orifice 52 par un rebord cylindrique 72 formé sur le pourtour de l'orifice 52 de la plaque inférieure 50. La tige verticale 54 et la plaque inférieure 50 portent respectivement deux éléments, disposés en regard l'un de l'autre, d'un premier capteur 74 de mesure de la position axiale de la tige verticale 54 par rapport à la plaque inférieure 50, dont il est aisé de déduire la déformation AX des ressorts 62, c'est-à-dire leur niveau de compression, cette déformation AX étant égale à la différence entre les distances axiales entre les deux éléments du capteur 74, lorsque les ressorts 62 sont comprimés d'une part, et lorsqu'ils sont au repos d'autre part.

De manière analogue, la tige verticale 54 et la tige de piston 58 du vérin 60 portent respectivement deux éléments, disposés en regard l'un de l'autre, d'un second capteur 76 de mesure de la position axiale de la tige verticale 54 par rapport à la tige de piston 58 du vérin 60. L'utilité de ce second capteur 76, qui est facultatif, sera précisée par la suite.

La machine d'essai selon l'invention fonctionne de la manière suivante : en début d'essai, le levier 14 est équilibré, le plateau 56, qui est éloigné d'une distance axiale A de la plaque inférieure 50, repose sur les ressorts 62 qui sont au repos, et la tige de piston 58 du vérin 60 est en contact avec la tige verticale 54 reliée au plateau 56. On dépose alors une masse 30 dont le poids est au moins égal à la force F que l'on veut appliquer à l'extrémité du levier 14. La totalité de l'effort est alors reprise

8 par la tige de piston 58 du vérin 60 (figure 3), puisque les ressorts 62 sont au repos, c'est-à-dire ne sont soumis à aucune force de compression. Connaissant la raideur k des ressorts 62, on calcule sur quelle distance axiale AX il faut comprimer les ressorts 62 pour obtenir cette force F, grâce à la loi de comportement linéaire des ressorts mentionnée ci-dessus. Pour effectuer la mise en charge, on commande alors une rétractation progressive de la tige de piston 58 du vérin 60 vers le bas, de sorte que le poids de la masse 30 soit progressivement transmis à la cage 44 par l'intermédiaire des ressorts 62, le vérin 60 étant déchargé d'autant. On laisse alors la descente du vérin 60 se poursuivre jusqu'à ce que l'éloignement de la tige verticale 54 par rapport à la plaque inférieure 50, mesuré par le premier capteur 74, corresponde à une compression des ressorts 62 égale à la déformation AX calculée précédemment, le plateau 56 étant alors éloigné d'une distance axiale B de la plaque inférieure 50 (figure 4). Sous l'effet du poids de la masse 30, le levier 14 exerce une force de traction axiale sur l'éprouvette 20, proportionnelle à la force F de compression des ressorts 62 et au bras de levier, ce qui provoque un allongement de l'éprouvette 20, ayant pour conséquence un léger basculement du levier 14 autour de son axe de rotation 16, et une descente verticale de la cage 44 sur une hauteur h. L'invention rend possible le suivi d'une courbe précise de mise en charge ou de déchargement, par une simple commande du vérin 60 de sorte que le déplacement de sa tige de piston 58 suive cette même courbe. Ainsi, pour une mise en charge linéaire, il suffit de rétracter la tige de piston 58 à vitesse constante afin qu'augmente linéairement la déformation AX des ressorts 62, et donc la force F. Le premier capteur 74 rend en outre possible un pilotage de la machine d'essai 10 en fonction de la force de traction appliquée à l'éprouvette 20, sans recourir au capteur de force à jauges de

9 contrainte 68. II est en effet simple de déduire la force de traction à partir de la force F de compression, en connaissant la valeur du bras de levier, la force F étant elle-même aisément déduite de la déformation dX des ressorts 62 mesurée par le premier capteur 74, comme expliqué ci-dessus.

Dans le cas d'un essai de fluage, la tige de piston 58 du vérin 60 peut descendre en fin de course, laissant ainsi toute la place disponible pour que la cage 44 puisse descendre pendant l'essai en fonction de l'allongement de l'éprouvette 20. Le chargement ne dépendant alors d'aucun système de pilotage, l'essai peut être de très longue durée, par exemple de plusieurs années, sans risque de dépassement de la charge, et avec une consommation énergétique très faible de la machine d'essai. Le vérin 60 est, de préférence, alimenté au moyen d'une alimentation électrique sans interruption (couramment désignée par l'acronyme anglais UPS), telle par exemple qu'un onduleur informatique équipé d'une batterie, pour permettre le pilotage du vérin pendant d'éventuelles coupures de courte durée du réseau électrique. Pour les coupures de longue durée, la machine peut être équipée d'un important condensateur électrique destiné à permettre une remontée de la tige de piston 58 du vérin 60 pour éviter tout risque de chargement de l'éprouvette d'essai pendant un temps trop long. La machine d'essai 10 selon l'invention peut aussi être utilisée pour réaliser des essais de fatigue cycliques, en suivant par exemple des courbes en trapèze, comprenant une mise en charge suivant une progression linéaire d'une durée d'une seconde par exemple, suivie d'un palier à charge constante d'une durée de 2 minutes puis d'un déchargement linéaire d'une seconde. Un tel essai peut par exemple comporter entre 8000 et 150000 cycles et durer typiquement de l'ordre de quelques semaines jusqu'à plusieurs années. Si la totalité du poids de la masse 30 est appliquée au levier 14 pendant le palier, il est possible d'utiliser le second capteur 76 pour piloter le vérin 60 en imposant un jeu minimum entre la tige verticale 54 de support du plateau 56 et la tige de

10 piston 58 du vérin 60 pour maintenir la charge constante pendant le palier. Il est également possible, pour piloter la machine d'essai 10, d'utiliser une boucle de régulation fermée sur le signal du capteur de force à jauges de contrainte 68 pour un pilotage en fonction de la force, ou de l'extensomètre 64 pour un pilotage en fonction de l'allongement de l'éprouvette d'essai 20. Dans ce cas, le rebord de guidage 72 et la tige 54 de support du plateau 56 ne sont pas nécessaires, la tige de piston 58 du vérin 60 pouvant supporter directement le plateau 56. La méthode de pilotage à partir du capteur de force 68 permet en particulier un gain de précision par rapport à la méthode de pilotage à partir du premier capteur de position 74 telle qu'expliquée ci-dessus, parce que le capteur de force 68 mesure directement la force de traction appliquée à l'éprouvette. On utilise alors une masse légèrement supérieure, par exemple de 0,25%, à la masse correspondant à la valeur maximum de la force de traction souhaitée, de sorte que la tige de piston 58 du vérin 60 reste en permanence en contact avec le plateau 56, et ce même pendant un éventuel palier à charge maximale de l'éprouvette d'essai 20, le vérin 60 étant piloté pour compenser l'allongement de l'éprouvette et maintenir ainsi le niveau de charge constant.

Dans le cas décrit ci-dessus, la force de traction est directement pilotée par rapport à la consigne, ce qui permet de réaliser des cycles complexes, comprenant par exemple une mise en charge pilotée selon la force de traction, de préférence à l'aide du capteur de force 68, puis un maintien de l'allongement, par exemple égal à 1%, par un pilotage selon la déformation de l'éprouvette 20 à l'aide de l'extensomètre 64. La machine d'essai 10 selon l'invention permet de réaliser des chargements rapides, par exemple en une seconde environ, tout en évitant les dépassements de charge. En effet, lors des chargements rapides, les ressorts 62 permettent d'amortir l'effet dynamique lié à l'arrêt de la masse 30 en fin de chargement. De par leur souplesse, les ressorts 62 assurent en outre une bonne répartition de l'effort dans la cage 44 et

11 compensent d'éventuels défauts de construction mécanique. De manière générale, la machine d'essai selon l'invention permet de définir et de contrôler avec précision une mise en charge de l'éprouvette d'essai indépendamment de la manière dont cette éprouvette s'allonge sous l'effet de la charge appliquée. La raideur des ressorts 62 est choisie en fonction de la puissance du vérin 60 et de l'ordre de grandeur des temps de chargement souhaités. La machine d'essai 10 selon l'invention peut être utilisée pour tout type d'essais de comportement, en suivant des cycles complexes et, si nécessaire, à haute température. Par ailleurs, la consommation en énergie d'une telle machine est environ trente fois inférieure à celle d'une machine d'essais de fatigue hydraulique traditionnelle, dont le coût d'achat est en outre nettement plus élevé que celui de la machine d'essai selon l'invention.15

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Machine d'essai de fluage ou de fatigue en traction (10), comprenant un bâti (12) portant un moyen de fixation (22) d'une extrémité d'une éprouvette d'essai (20) en forme de tige, et un levier (14) monté pivotant sur le bâti (12) autour d'un axe transversal (16) et portant un moyen de fixation (24,34,68) de l'autre extrémité de l'éprouvette (20), une extrémité du levier (14) portant une masse (30) pour appliquer un effort axial de traction à l'autre extrémité de l'éprouvette (20), caractérisée en ce que la masse (30) est supportée d'une part par des moyens élastiquement déformables (62) reliés au levier (14) et d'autre part par un élément mobile (54, 56, 58) déplaçable de façon commandée entre deux positions dans l'une desquelles il porte la totalité de la masse (30) et dans l'autre desquelles la masse (30) est entièrement supportée par les moyens élastiquement déformables (62) reliés au levier (14).

2. Machine d'essai (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens élastiquement déformables comprennent au moins un ressort hélicoïdal (62) supportant la masse (30) et reposant sur le levier (14) ou sur une plaque (50) suspendue au levier.

3. Machine d'essai (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le ressort (62) présente une raideur calibrée et une loi de comportement sensiblement linéaire.

4. Machine d'essai (10) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'élément mobile (54, 56, 58) de support de la masse est déplacé en translation verticale par un vérin (60) monté sur le bâti.

5. Machine d'essai (10) selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément mobile est une tige de piston (58) du vérin (60).

6. Machine d'essai (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que la plaque (50) suspendue au levier (14) comprend un orifice central (52) de guidage d'une tige (54) portant un plateau (56) sur lequel est posée la masse (30). 13

7. Machine d'essai (10) selon l'ensemble des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la tige (54) portant le plateau (56) est verticalement alignée avec la tige de piston (58) du vérin (60).

8. Machine d'essai (10) selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la plaque (50) forme le fond d'une cage (44) suspendue au levier (14) et contenant la masse (30) posée sur le plateau (56) et le ressort (62) monté entre le plateau (56) et le fond (50) de la cage (44).

9. Machine d'essai (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur de mesure (74) de la position axiale du plateau (56) ou de la tige (54) par rapport à la plaque (50).

10. Machine d'essai (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un capteur de mesure (76) de la position axiale du plateau (56) ou de la tige (54) par rapport à la tige de piston (58) du vérin (60).

11 Machine d'essai (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'un au moins des moyens de fixation (22, 24) comprend un capteur de force (68) formé d'un élément suspendu déformable, par exemple à géométrie en S, équipé de jauges de contrainte.

12. Machine d'essai (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un extensomètre (64) monté sur l'éprouvette (20).