FR3093175A1 - Systeme de mesure d’une deformation de surface en flexion d’un materiau - Google Patents

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Abstract

SYSTEME DE MESURE D’UNE DEFORMATION DE SURFACE EN FLEXION D’UN MATERIAU L’invention concerne un système de mesure (1) d’une déformation de surface en flexion d’un matériau, adapté pour coopérer avec une machine d’essai en flexion muni d’un montage de flexion quatre points (80) permettant de déformer une éprouvette (70) dudit matériau, ledit système de mesure (1) comprenant :- une première partie comprenant des dents latérales (12), configurées pour être en appui contre une surface supérieure (71) de l’éprouvette, et un premier support de charge (20) relié aux dents latérales (12), configuré pour appliquer auxdites dents latérales (12) un effort constant orienté vers l’éprouvette (70), la première partie étant mobile en translation selon un axe (A) perpendiculaire au plan de la surface supérieure (71) de l’éprouvette,- une deuxième partie comprenant une dent centrale (32) parallèle aux dents latérales (12), configurée pour être en appui contre la surface supérieure (71) de l’éprouvette, et un deuxième support de charge (40) relié à la dent centrale (32), configuré pour appliquer à ladite dent centrale (32) un effort constant orienté vers l’éprouvette (70), la deuxième partie étant mobile en translation par rapport à la première partie selon un axe parallèle à l’axe (A) de la première partie,- un dispositif de mesure comprenant un capteur de déformation (50), le capteur de déformation comprenant un premier bras (51) relié à la première partie, un deuxième bras (53) relié à la deuxième partie, et dans lequel le premier bras (51) et le deuxième bras (53) sont séparés l’un de l’autre d’un écart variable (ΔB), le dispositif de mesure étant configuré pour mesurer ledit écart variable (ΔB). Figure pour l’abrégé : Fig. 9

Description

SYSTEME DE MESURE D’UNE DEFORMATION DE SURFACE EN FLEXION D’UN MATERIAU
La présente invention concerne le domaine des essais en flexion de pièces mécaniques, et plus particulièrement la mesure de la déformation de surface en flexion de ces pièces lors de la mise en œuvre de tels essais.
Les essais de flexion sont couramment utilisés dans l’industrie afin de tester en fatigue la surface des matériaux. En d’autres termes, ces essais permettent d’étudier la résistance mécanique en flexion de la surface des matériaux. Le matériau à étudier se présente typiquement sous la forme d’une éprouvette dont les dimensions sont adaptées à celles des machines d’essais.
Ces essais sont généralement pilotés en force. Un problème du pilotage en force est que cependant que l’amplitude de déformation augmente au cours de l’essai.
Une solution à ce problème est de piloter les essais en déformation. La mesure de la courbure de l’éprouvette lors de sa déformation nécessite au minimum deux capteurs, typiquement des capteurs LVDT (de l’anglais « linear variable differential transformer ») espacés pour mesurer le déplacement de l’éprouvette en deux points. Le calcul de la différence entre ces deux mesures permet d’obtenir la valeur de la courbure. Les espaces existant dans les machines d’essais actuelles sont cependant trop petits pour pouvoir y insérer ces capteurs.
Pour pallier ce problème, il est connu de coller des capteurs, sous forme de jauges de déformation, directement sur l’éprouvette.
Toutefois, ces jauges sont sensibles à la température, ce qui peut les rendre inutilisable en fonction des conditions thermiques des essais, et ont une durée de vie généralement inférieure à la durée de vie de l’essai.
Il est possible d’utiliser un dispositif, appelé généralement « extensomètre », comprenant des bras espacés les uns des autres, dits « touches », munis de capteurs et configurés pour venir au contact de l’éprouvette. La proximité des capteurs avec l’éprouvette ne règle cependant pas le problème de la réalisation d’essais à haute température.
Un exemple d’extensomètre est celui commercialisé par la société METCUT. Il comprend des touches courbées, dont une touche supérieure avec un point de contact au centre de la surface supérieure de l’éprouvette, et deux touches inférieures avec deux points de contact écartés sur la surface inférieure de l’éprouvette. Le corps de l’extensomètre est accroché à la partie fixe du montage. Un inconvénient est que lors du déplacement global de l’éprouvette, l’extensomètre a un mouvement de rotation qui introduit une erreur de mesure de la courbure.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
Un but de l’invention est de proposer un système de mesure d’une déformation de surface en flexion d’une pièce mécanique, qui s’affranchit des contraintes de l’état de l’art, en permettant la réalisation de mesures fiables et précises, pendant toute la durée des essais en flexion, indépendamment des conditions expérimentales auxquelles l’éprouvette est soumise pendant ces essais en flexion.
Le haut niveau de qualité des mesures permet de piloter l’essai en déformation sous différents rapports de déformation notamment moins 1. C’est-à-dire réaliser une déformation alternée positive négative qui permet de déterminer le nombre de cycles à amorçage d’une fissure.
A cette fin, l’invention concerne un système adapté pour coopérer avec une machine d’essai en flexion muni d’un montage de flexion quatre points permettant de déformer une éprouvette dudit matériau, ledit système de mesure comprenant :
  • une première partie comprenant :
  • des dents latérales, configurées pour être en appui contre une surface supérieure de l’éprouvette en deux zones d’appui latérales respectives,
  • un premier support de charge relié aux dents latérales, configuré pour appliquer auxdites dents latérales un effort constant orienté vers l’éprouvette,
    la première partie étant mobile en translation selon un axe perpendiculaire au plan de la surface supérieure de l’éprouvette,
  • une deuxième partie comprenant :
  • une dent centrale parallèle aux dents latérales, configurée pour être en appui contre la surface supérieure de l’éprouvette en une zone d’appui centrale agencée entre les zones d’appui latérales,
  • un deuxième support de charge relié à la dent centrale, configuré pour appliquer à ladite dent centrale un effort constant orienté vers l’éprouvette,
    la deuxième partie étant mobile en translation par rapport à la première partie selon un axe parallèle à l’axe de la première partie,
  • un dispositif de mesure comprenant un capteur de déformation, le capteur de déformation comprenant :
  • un premier bras relié à la première partie,
  • un deuxième bras relié à la deuxième partie,
    dans lequel le premier bras et le deuxième bras sont séparés l’un de l’autre d’un écart variable, le dispositif de mesure étant configuré pour mesurer ledit écart variable.
Les deux parties du système sont mobiles en translation par rapport à l’éprouvette et l’une par rapport à l’autre, et se déplacent au fur et à mesure de la déformation de la surface supérieure de l’éprouvette.
Le dispositif de mesure est lié à chacune des première et deuxième parties du système.
L’écartement relatif entre la dent centrale et les dents latérales est mesuré par le dispositif de mesure au cours de l’essai et donne une mesure de la déformation de la surface supérieure de l’éprouvette du matériau étudié.
On obtient alors une mesure fiable et répétable de déformation, tout en préservant l’intégrité du capteur qui est déporté de l’éprouvette. Il devient alors possible de réaliser des essais de déformation en flexion à haute température sans risquer de dégrader le capteur.
Dans le présent texte, les termes « supérieur » et « inférieur », « haut » et « bas », ou autres termes apparentés qui désignent une position, un agencement, ou une direction, doivent être compris selon une utilisation courante du montage de déformation en flexion et du système de mesure. Dans une utilisation courante du système de mesure, une éprouvette d'essai prélevée dans le matériau à caractériser et usinée à des dimensions normalisées est positionnée de manière sensiblement perpendiculaire à un plan d’appui du système, qui est typiquement le sol, la surface de l’éprouvette dont on étudie la déformation étant dite « surface supérieure » ou « surface exposée », et la surface de l’éprouvette opposée à la surface supérieure étant dite « surface inférieure » ou « surface d’appui ».
Les différents éléments constitutifs du système de mesure seront ainsi désignés en référence aux termes « supérieur » et « inférieur » tels que définis précédemment.
Selon d’autres aspects, le dispositif de mesure proposé présente les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon leurs combinaisons techniquement possibles :
  • L’extrémité des dents latérales et/ou l’extrémité de la dent centrale en appui contre la surface supérieure de l’éprouvette sont en biseau. L’appui des dents sur l’éprouvette est ainsi linéaire, ce qui permet de ne pas dégrader la surface de l’éprouvette, contrairement à des extrémités pointues qui ont tendance à creuser des trous dans laite surface, qui peuvent former une amorce de rupture.
  • Les dents latérales sont reliées à un tube creux qui s’étend selon un axe perpendiculaire au plan de la surface supérieure de l’éprouvette, et la dent centrale se présente sous la forme d’une tige coaxiale au tube, apte à dépasser axialement hors du tube depuis une extrémité inférieure dudit tube, la dent centrale étant configurée pour se déplacer en translation à l’intérieur dudit tube.
  • Le premier support de charge est relié au tube, le deuxième support de charge est relié à une portion supérieure de la tige apte à dépasser axialement hors du tube depuis une extrémité supérieure dudit tube, le premier bras du capteur de déformation est relié au tube, et le deuxième bras du capteur de déformation est relié à la portion supérieure de la tige.
  • Le premier support de charge comprend un balancier comprenant une barre qui s’étend de manière perpendiculaire à l’axe de translation de la première partie, et des masses montées aux extrémités de la barre, le deuxième support de charge comprend un balancier comprenant une barre qui s’étend de manière perpendiculaire à l’axe de translation de la deuxième partie, et des masses montées aux extrémités de la barre, et les masses du premier support de charge et du deuxième support de charge sont configurées pour que le centre de gravité des balanciers et du capteur de déformation soit aligné avec la dent centrale.
  • Le système de mesure comprend en outre une structure creuse comprenant une paroi latérale délimitant un volume interne ouvert en deux orifices situés au niveau d’une partie supérieure et d’une partie inférieure de la structure, ladite structure étant configurée pour loger au moins partiellement la première partie et la deuxième partie du système dans son volume interne, et la partie supérieure de la structure étant configurée pour être reliée à une machine de déformation de surface en flexion et la partie inférieure de la structure étant configurée pour être reliée au montage en flexion quatre points.
  • La paroi latérale de la structure comprend deux ouvertures traversantes en regard l’une de l’autre, délimitées par une bordure de la paroi, et au travers desquelles s’étendent les balanciers du premier support de charge et du deuxième support de charge, le balancier du premier support de charge comprend des roulements configurés pour rouler le long des bordures des ouvertures lorsque la première partie se déplace, et le balancier du deuxième support de charge comprend des roulements configurés pour rouler le long des bordures des ouvertures lorsque la deuxième partie se déplace.
  • Le système de mesure comprend en outre un bouchon centreur agencé dans l’ouverture de la partie inférieure de la structure, le bouchon centreur étant configuré pour guider la première partie en translation.
  • La première partie comprend un support comprenant deux parties de support collées l’une à l’autre de manière à enfermer une portion des dents latérales.
L’invention se rapporte également à un système d’essai en déformation de surface en flexion d’un matériau sous la forme d’une éprouvette, comprenant :
  • une machine d’essai en flexion muni d’un montage de flexion quatre points, ladite machine d’essai étant configurée pour appliquer une contrainte de déformation en flexion à l’éprouvette par l’intermédiaire du montage quatre points afin de déformer l’éprouvette en flexion,
  • un système de mesure tel que décrit précédemment, permettant de mesurer la déformation de surface en flexion de la surface supérieure de l’éprouvette en fonction de la contrainte de déformation appliquée par la machine d’essai.
A cette fin, la présente invention concerne un système…
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre d’exemple illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées suivantes :
est une vue en perspective des dents centrale et latérales du système de mesure ;
est une vue en perspective des dents centrale et latérales du système de mesure, en appui sur une partie centrale utile d’une éprouvette ;
est une vue schématique illustrant les zones d’appui des dents centrale et latérales sur l’éprouvette, l’éprouvette étant dans un état déformé ;
est une vue en perspective des supports de charge et du dispositif de mesure ;
est une vue du dessus des supports de charge et du dispositif de mesure de la figure 4 ;
est une vue en perspective rapprochée des supports de charge et du dispositif de mesure de la figure 4 ;
est une vue en perspective de la structure renfermant en partie le système de mesure ;
est une vue en perspective et en coupe de la structure de la figure 7 ;
est une vue de côté d’un système d’essai en déformation, comprenant le système de mesure relié à un montage quatre points.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION
Un premier objet de l’invention concerne un système de mesure d’une déformation de surface en flexion d’un matériau.
Le système de mesure s’intègre dans un système d’essai en déformation de surface en flexion, dans lequel il est configuré pour coopérer avec une machine d’essai en flexion et un montage de flexion quatre points permettant de déformer une éprouvette dudit matériau.
Le principe d’un montage quatre points est le suivant. Lors d’un essai de flexion en déformation, une machine d’essai impose via une cellule de force une contrainte mécanique sur une portion centrale utile de la surface supérieure de l’éprouvette en deux points de pression, tandis que des portions latérales de la surface inférieure sont supportés sur les deux autres points d’appui du montage.
L’éprouvette se déforme ainsi sous la contrainte mécanique. La surface supérieure dont on étudie la déformation subit ainsi une contrainte en compression, tandis que la surface inférieure subit une contrainte en traction.
Comparativement à un essai de flexion trois point, l’essai de flexion quatre point offre l’avantage de ne pas contraindre l’éprouvette au niveau de la zone de rupture, ce qui permet de ne pas endommager l’éprouvette et de conserver une contrainte constante en surface de la partie utile de l’éprouvette.
Un mode de réalisation du système de mesure va maintenant être décrit en référence aux figures 1 à 9.
En référence à la figure 1, le système de mesure 1 comprend un tube creux 11 qui s’étend selon un axe A sensiblement perpendiculaire à la surface supérieure 71 de l’éprouvette au repos. L’éprouvette 70 est dite « au repos » lorsqu’aucune contrainte mécanique ne lui est appliquée, typiquement avant la réalisation d’un essai de déformation en flexion.
Le système de mesure 1 comprend également un support 14 auquel est fixée une portion inférieure 19 du tube. Selon un mode de réalisation le support 14 se compose de deux parties 16 et 17 configurées pour venir au contact l’une de l’autre afin d’enserrer la portion inférieure du tube dans le volume interne du support ainsi formé. Les deux parties 16 et 17 du support sont maintenues collées l’une à l’autre par tout moyen de serrage adéquat, de préférence par des vis de serrage 15.
Le support 14 s’étend de manière sensiblement transversale, c’est-à-dire de manière perpendiculaire à l’axe A. Le support a de préférence une section carrée ou rectangulaire, et forme un parallélépipède rectangle dont la longueur s’étend en direction transversale et la largeur s’étend en direction axiale, c’est-à-dire de manière parallèle à l’axe A.
Le système 1 comprend en outre une tige 31 logée à l’intérieur du tube 11, et configurée pour se déplacer en translation le long du tube, et par rapport audit tube, selon l’axe A.
La tige 31 dépasse axialement hors du tube depuis les extrémités supérieure et inférieure du tube, et définit ainsi une portion supérieure et une portion inférieure de tige.
La portion inférieure de la tige qui dépasse du tube forme une dent centrale 32. La dent centrale 32 s’étend vers le bas, en direction de l’éprouvette, depuis le support 14. La dent centrale 32 est munie d’une extrémité 33 configurée pour venir en appui contre la surface supérieure 71 de l’éprouvette en une zone d’appui centrale 72.
Le système 1 comprend également des dents latérales 12. Les dents latérales 12 sont de préférence des tiges dont la structure est similaire à celle de la dent centrale 32. Les dents latérales 12 sont fixées au support 14, et s’étendent parallèlement à la dent centrale 32 depuis le support vers le bas en direction de l’éprouvette.
Les dents latérales 12 sont fixées au support de préférence par les vis de serrage 15 qui assurent à la fois le maintien des dents latérales en position fixe par rapport au support et le collage des deux parties 16 t 17 du support entre elles.
L’extrémité 13 des dents latérales 12 est configurée pour venir en appui contre la surface supérieure 71 de l’éprouvette en des zones d’appui latérales 73 respectifs agencés de part et d’autre de la zone d’appui centrale 72.
Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 1, l’ensemble comprenant la tige 31 munie de la dent centrale 32, les dents latérales 12, et le tube 11, forment une fourche, également désignée comme « palpeur de déformation », configurée pour venir en appui contre la surface supérieure 71 de l’éprouvette 70. La fourche reste au contact de la surface exposée via ses dents centrale 32 et latérales 12 pendant la déformation de l’éprouvette.
Ainsi, la fourche sert de lien physique entre la surface supérieure 71 et le dispositif de mesure 50 décrit dans la suite, et l’évolution du déplacement de la dent centrale 32 par rapport aux dents latérales 12 au cours de l’essai est mesuré par le dispositif de mesure relié auxdites dents, ce qui permet d’obtenir la déformation en flexion de la surface supérieure de l’éprouvette.
Plus en détail, la figure 3 illustre un différentiel ΔL qui est l’écart entre l’extrémité de la dent centrale 32 en appui contre la surface en une zone d’appui centrale 72 et l’extrémité des dents latérales 12 en appui contre la surface en des zones d’appui latérales 73. C’est ce différentiel ΔL qui est mesuré par le dispositif de mesure au cours d’un essai. La mesure de ce différentiel ΔL en fonction de la contrainte imposée à l’éprouvette pendant l’essai permet d’établir un profil de déformation de surface en flexion du matériau constitutif de l’éprouvette.
Les dents latérales 12 sont de préférence agencées chacune de part et d’autre et à égale distance de la dent centrale 32. Les dents latérales 12 fournissent ainsi des zones d’appui latérales 73 symétriques sur la surface 71 de l’éprouvette par rapport à la zone d’appui centrale 72, ce qui uniformise le contact de de l’ensemble des dents centrale et latérales sur l’éprouvette et améliore ainsi la précision de la mesure.
Il est possible de prévoir plus de deux dents latérales, préférablement réparties deux à deux de part et d’autre et à égale distance de la dent centrale.
De manière avantageuse, l’extrémité de la dent centrale 32 et/ou l’extrémité des dents latérales 12 sont en biseau. De cette manière l’appui des dents sur la surface de l’éprouvette se fait selon une ligne. Le biseau est réalisé de manière à ce que la ligne soit perpendiculaire à la longueur L de l’éprouvette comme on peut le voir sur la figure 2. Cet appui linéaire permet de ne pas dégrader la surface de l’éprouvette, contrairement à des extrémités pointues qui ont tendance à creuser des trous dans laite surface, qui peuvent former une amorce de rupture. Un autre avantage de cet appui linéaire est qu’il permet de réduire la surface de contact entre les dents et l’éprouvette, assure que toute la surface de l’extrémité des dents soit au contact de la surface exposée de l’éprouvette. Ceci améliore la qualité du contact entre les dents et l’éprouvette, et améliore ainsi la précision de la mesure.
De manière avantageuse, les dents centrale 32 et/ou latérales 12 sont fabriquées en tant que consommables. Ainsi, en cas de dégradation des dents lors de la rupture de l’éprouvette, les dents abîmées peuvent être facilement remplacées par des dents neuves.
Sur la figure 2, la fourche contacte une partie amincie 74 de l’éprouvette, dite partie « utile », dans laquelle ont été réalisées deux renfoncements 75. Ceci permet de réduire la résistance mécanique de l’éprouvette au niveau de la partie utile et de la rendre ainsi plus déformable.
Le dispositif de mesure 1 comprend en outre un dispositif de charge pour appliquer une charge constante sur les dents centrale 32 et latérales 12, afin de permettre auxdites dents de rester au contact de la surface supérieure 71 de l’éprouvette au fur et à mesure que l’éprouvette se déforme au cours de l’essai.
Le dispositif de charge comprend un premier support de charge 20 et un deuxième support de charge 40.
Le premier support de charge 20 est relié au tube 11, de préférence à la portion supérieure 18 du tube, et permet d’appliquer une charge constante sur ledit tube afin de le contraindre à se déplacer en translation selon l’axe A vers le bas, en direction de l’éprouvette 70, au fur et à mesure que la surface supérieure de l’éprouvette se déforme. Dès lors, le support 14 et les dents latérales 12 sont également contraints à se déplacer de manière solidaire au tube 11.
En référence aux figures 4, 5, et 6, le premier support de charge 20 comprend une barre 21 fixée au tube 11, positionnée de manière sensiblement perpendiculaire au tube. La barre 21 est fixée au niveau de sa partie centrale au tube par l’intermédiaire d’un moyen de fixation.
Le moyen de fixation comprend de préférence une pince 22 munie d’une bride 23 qui enserre la partie centrale de la barre 21, et des mâchoires 29 qui enserrent la portion supérieure 18 du tube, permettant ainsi la fixation de la barre 21 du support de charge au tube 11. On comprendra que d’autres moyens de fixation sont possibles, pour autant qu’ils assurent une fixation de la barre dans une position sensiblement perpendiculaire au tube.
Selon un mode de réalisation, la portion centrale de la barre 21 est filetée, et le moyen de fixation comprend en outre des écrou 80 adaptés pour être vissés sur le filetage de la barre 21 afin d’assurer la fixation de la tige à la bride 23.
Les mâchoires 29 de la pince sont maintenues refermées sur le tube grâce à des vis de serrage 24.
La barre 21 définit ainsi deux parties de barre 21a, 21b qui s’étendent de part et d’autre du tube 11, et qui ont sensiblement la même longueur.
Selon un mode de réalisation, les parties de barre 21a, 21b forment chacune une barre à part entière fixée à la pince 22.
Les parties de barre 21a, 21b comprennent chacune des roulements 28. Les roulements sont montés en rotation autour desdites parties de barre, et sont fixes en translation par rapport auxdites parties de tige.
Le premier support de charge 20 comprend en outre des charges 25 permettant d’appliquer une charge constante d’une valeur déterminée sur le tube 11.
Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 4 et 5, le premier support de charge 20 est un support de charge à balancier, dans lequel les charges 25 se présentent sous la forme de masses positionnées aux extrémités libres de la barre 21 pour équilibrer le balancier.
Le poids des masses est ajusté afin d’imposer un effort déterminé à la dent centrale 32 permettant de conserver la dent centrale en appui de contre la surface supérieure 71 de l’éprouvette lors de l’essai.
Le moyen de fixation de la barre 21 au tube 11 comprend également une pièce cylindrique 26 qui surmonte la pince 22. La pièce cylindrique 26 s’étend depuis la surface supérieure de la pince, autour de la portion supérieure 18 du tube incluant l’extrémité du tube. La pièce cylindrique 26 est avantageusement munie d’un alésage 82 dans lequel est reçue la portion supérieure 34 de la tige 31, et qui permet ainsi de guider ladite tige 31 dans le tube 11 de manière à ce qu’elle ne frotte pas contre la paroi interne du tube.
La pièce cylindrique 26 est munie d’une gorge 27 configurée pour recevoir le bec 52 du bras inférieur 51 du dispositif de mesure 50 qui sera décrit plus en détail dans la suite.
Le deuxième support de charge 40 est relié à la tige 31, de préférence à la portion supérieure 34 de la tige, et permet d’appliquer une charge constante sur ladite tige afin de la contraindre à se déplacer en translation selon l’axe A vers le bas, en direction de l’éprouvette, au fur et à mesure que la surface supérieure de l’éprouvette se déforme.
Le deuxième support de charge 40 comprend une barre 41 fixée à la tige 31, positionnée de manière sensiblement perpendiculaire à ladite tige. La barre 41 est fixée au niveau de sa partie centrale à la tige 31 de la fourche par l’intermédiaire d’un moyen de fixation.
Le moyen de fixation comprend de préférence une pince 42 munie d’une bride 43 qui enserre la partie centrale de la barre 41, et des mâchoires 49 qui enserrent la portion supérieure 31 de la tige, permettant ainsi la fixation de la barre 41 du support de charge à la tige 31. On comprendra que d’autres moyens de fixation sont possibles, pour autant qu’ils assurent une fixation de la barre 41 du deuxième support de charge dans une position sensiblement perpendiculaire à la tige 31.
Selon un mode de réalisation, la portion centrale de la barre 41 est filetée, et le moyen de fixation comprend en outre des écrou 81 adaptés pour être vissés sur le filetage de la barre 41 afin d’assurer la fixation de ladite barre à la bride.
Les mâchoires 49 de la pince sont maintenues refermées sur la tige 31 grâce à des vis de serrage 44.
Le positionnement axial de la pince 42 le long de la tige 31, ou hauteur de la pince, est ajusté de la manière souhaitée, puis la pince 42 est fixée à la tige 31, en particulier par les écrous 81.
La barre 41 du deuxième support de charge définit ainsi deux parties de barre 41a, 41b qui s’étendent de part et d’autre de la tige 31, et qui ont sensiblement la même longueur.
Selon un mode de réalisation, les parties de barre 41a, 41b forment chacune une barre à part entière montée sur la pince 42.
Les parties de barre 41a, 41b comprennent chacune des roulements 48. Les roulements sont montés en rotation autour desdites parties de barre, et sont fixes en translation par rapport auxdites parties de barre.
Le deuxième support de charge 40 comprend en outre des charges 45 permettant d’appliquer une charge constante d’une valeur déterminée sur la tige 31 de la fourche.
Le poids des masses est ajusté afin d’imposer un effort déterminé aux dents latérales 12 permettant de conserver les dents latérales 12 en appui de contre la surface supérieure 71 de l’éprouvette lors de l’essai.
Le moyen de fixation de la tige du deuxième support de charge à la tige de la fourche comprend également une pièce cylindrique 46 qui s’étend depuis la surface inférieure de la pince 42, autour de la portion supérieure 34 de la tige de la fourche. La pièce cylindrique 46 est avantageusement munie d’un alésage 83 dans lequel est reçue la portion supérieure 34 de la tige, et qui permet ainsi d’assurer l’alignement de la tige 31 avec l’axe A, et d’améliorer le guidage sans frottement de ladite tige 31 dans le tube 11.
La pièce cylindrique 46 est munie d’une gorge 47 configurée pour recevoir le bec 54 du bras supérieur 53 du dispositif de mesure 50 qui sera décrit plus en détail dans la suite.
Les pièces cylindriques 26 et 46 du premier et du deuxième support de charge 20 et 40 ménagent entre elles un espace 84 traversé par la tige 31.
Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 4 et 5, le deuxième support de charge 40 est un support de charge à balancier, dans lequel les charges 45 se présentent sous la forme de masses positionnées aux extrémités libres de la barre 41 pour équilibrer le balancier.
Lorsque le premier et le deuxième support de charge 20 et 40 sont des balanciers, les caractéristiques de chacune de leurs masses respectives, telles que leur forme, leur montage sur les balanciers, en particulier la longueur des parties de tige entre la portion centrale de la tige et les masses, ainsi que leur charge, sont ajustées de manière à maintenir le centre de gravité des balanciers avec le dispositif de mesure 50 dans l’axe A du tube 11 et de la tige 31, afin qu’il n’y ait pas de moment dans le tube. En d’autres termes, toute rotation du tube 11 et de la tige 31 autour de l’axe A est impossible. De ce fait, on évite tout frottement parasitaire entre ces différents éléments.
Les masses 25, 45 de chacun des balanciers peuvent ainsi avoir des caractéristiques identiques et des caractéristiques différentes l’une de l’autre. Sur les figures 4 et 5, l’une des masses de chacun des balanciers, située sur le côté gauche du tube 11 dans le plan de la feuille, est plus petite que l’autre afin de compenser le poids du dispositif de mesure 50 également positionné à gauche du tube 11.
Le dispositif de mesure 50 comprend un capteur 55, ainsi que deux bras 51, 53 qui s’étendent depuis le capteur. Le bras inférieur 51 est relié à la portion supérieure 18 du tube 11 par l’intermédiaire de son bec 52 inséré dans la gorge 27 de la pièce cylindrique 26 du premier support de charge 20. Le bras supérieur 53 est relié à la portion supérieure 34 de la tige 31 par l’intermédiaire de son bec 54 inséré dans la gorge 47 de la pièce cylindrique 46 du deuxième support de charge 40.
L’écart ΔB entre les bras 51, 53 du dispositif de mesure est donc fonction de l’espace entre les supports de charge 20, 40. Cet écart ΔB varie lors de la déformation de la surface exposée de l’éprouvette, de manière correspondante à la variation du différentiel ΔL entre l’extrémité de la dent centrale 32 et l’extrémité inférieure des dents latérales 12.
La mesure de la variation de l’écart ΔB entre les bras du dispositif de mesure 50 au cours de l’essai de déformation en flexion permet alors de déterminer la valeur de la déformation de la surface exposée de l’éprouvette en fonction de la force appliquée sur l’éprouvette par la machine d’essai. Cet aspect sera expliqué plus en détail dans la suite du présent texte.
Le système de mesure de l’invention permet ainsi de déporter le capteur de mesure, positionné dans l’état de l’art directement sur l’éprouvette ou à son voisinage, ce qui évite toute dégradation du capteur, et permet la réalisation d’essais de déformation en flexion sous haute température, la température étant choisie en fonction du matériau à examiner.
De plus un seul capteur suffit, contre deux habituellement, et ce capteur mesure uniquement la variation de la courbure. Ainsi, il est possible de prévoir un capteur avec une petite course afin d’avoir une grande précision de mesure (précision inférieure au micromètre).
De préférence, le système de mesure 1 comprend en outre une structure 60.
En référence à la figure 7, la structure 60 se présente sous la forme d’un tube creux, comprenant une paroi 61 qui s’étend autour de l’axe A du tube 11. La paroi définit un volume interne délimité par une ouverture supérieure 62 prévue dans la portion supérieure de la structure, et par une ouverture inférieure 63 prévue dans la portion inférieure de la structure.
En référence à la figure 9, la portion supérieure de la structure sert d’interface connecté à la cellule de force de la machine d’essai (non représentée), et la portion inférieure de la structure sert d’interface connecté au montage quatre points 80 via une ligne d’amarrage 81. La structure 60 prolonge ainsi la ligne d’amarrage, et assure le transfert des efforts mécaniques entre la machine d’essai et le montage quatre points 80.
Selon un mode de réalisation, le système de mesure comprend un bouchon centreur 68 positionné dans la ligne d’amarrage 81, au niveau de l’ouverture inférieure 63 de la structure, de manière à obturer au moins partiellement ladite ouverture inférieure.
Le bouchon centreur 68 a une forme cylindrique, et comprend une ouverture en son centre formant un passage dans lequel s’étend le tube 11. Le bouchon centreur permet ainsi de guider le tube 11 dans la ligne d’amarrage 81 le long de l’axe A.
Le volume interne de la structure 60 sert de logement à une partie du système de mesure 1.
La structure 60 renferme ainsi, dans son volume interne, les portions supérieures du tube 11 et de la tige 31, ainsi que les moyens de fixation 22, 42 des supports de charge 20, 40 au tube et de la tige.
La paroi 61 est avantageusement munie de deux orifices traversants 64 positionnés en regard l’un de l’autre. Les orifices 64 forment chacun passage pour les parties de barre 21a, 21b, et 41a, 41b des supports de charge 20 et 40, qui s’étendent au travers desdits orifices 64 vers l’extérieur de la structure 60. Les charges 25, 45 des supports de charge 20 et 40 sont ainsi agencées à l’extérieur de la structure.
De préférence, les orifices 64 forment un passage également pour les bras 51, 52 du dispositif de mesure 50, qui s’étendent au travers desdits orifices 64 vers l’extérieur de la structure 60. Le capteur 55 du dispositif de mesure est ainsi agencé à l’extérieur de la structure.
Les deux orifices 64 sont chacun délimités par une bordure 65 de la paroi. La bordure 65 de chacun des orifices comprend deux portions longitudinales 66 en regard l’une de l’autre qui s’étendent dans la longueur de la structure de manière parallèle à l’axe A, et deux portions latérales 67 en regard l’une de l’autre qui relient les deux potions longitudinales.
Selon le mode de réalisation représenté sur les figures 7 et 8, les orifices 64 ont une forme oblongue, dont les portions longitudinales 66 sont de grande longueur devant celle de leurs portions latérales courbées 67.
Les portions longitudinales 66 des orifices 64 forment un chemin sur lequel sont aptes à se déplacer les roulements 28, 48 des supports de charge inférieur et supérieur 20, 40.
Plus précisément, les roulements 28 du support de charge inférieur 20 se situent en regard des bordures 65 des orifices 64 et sont configurés pour rouler le long des portions longitudinales 66 desdits orifices lorsque le tube 11 se déplace en translation le long de l’axe A.
Les roulements 48 du support de charge supérieur 40 se situent en regard des bordures 65 des orifices 64 et sont configurés pour rouler le long des portions longitudinales 66 desdits orifices lorsque la tige 31 se déplace en translation le long de l’axe A.
Les portions longitudinales 66 des orifices 64 de la structure permettent ainsi de guider le tube 11 et la tige 31 selon un mouvement de translation axiale le long de l’axe A, et jouent le rôle d’une butée pour les roulements 28, 48 qui empêche toute rotation du tube 11 et de la tige 31 autour de l’axe A. Par conséquent, les supports de charge 20, 40 ainsi que le dispositif de mesure 50 sont contraints à se déplacer, avec le tube 11 et la tige 31, uniquement selon un mouvement de translation le long de l’axe A. Tout autre mouvement, en particulier de rotation autour de l’axe A, est évité, ce qui améliore la précision de la mesure.
Un avantage des orifices 64 de forme oblongue est qu’en fin de déplacement axial de la tige 31 ou du tube 11, lorsque les roulements 28, 48 se trouvent à proximité des portions latérales 67, la forme courbée desdites portions latérales 67 épouse celles des roulements, ce qui permet aux roulements de rouler sur les portions latérales courbées des bordures, et d’accompagner ainsi la fin du déplacement du tube 11 ou de la tige 31 sans former de butée nette. La précision de la mesure est alors améliorée.
Le fonctionnement du système de mesure 1 va maintenant être décrit.
A l’état initial, avant réalisation de l’essai, l’éprouvette 70 est au repos et s’étend de manière sensiblement linéaire entre les quatre points du montage 80.
La fourche est en appui contre la portion centrale utile de l’éprouvette. En détail, la dent centrale 32 est maintenue en appui contre la surface supérieure 71 de l’éprouvette grâce à l’effort imposé par le deuxième support de charge 40 sur la barre 21 de la fourche. Les dents latérales 12 sont maintenues en appui contre la surface supérieure 71 de l’éprouvette grâce à l’effort imposé par le premier support de charge 20 sur le tube et par suite sur les dents latérales 12.
L’écart ΔL entre l’extrémité inférieure de la dent centrale 32 et l’extrémité inférieure des dents latérales 12, noté ΔL0, est nul. A cet écart ΔL0correspond une valeur initiale notée ΔB0de l’écart ΔB entre les bras 51, 53 du dispositif de mesure 50.
Une contrainte mécanique est appliquée sur l’éprouvette via le montage quatre points 80, au moyen de la cellule de force de la machine d’essai. La contrainte mécanique est transférée la machine d’essai au montage quatre points par l’intermédiaire de la structure 60.
L’application d’une contrainte mécanique sur l’éprouvette 70 provoque une déformation de l’éprouvette, et en particulier une déformation en flexion de sa surface supérieure 71.
La portion utile de l’éprouvette dans un état déformé est représentée sur la figure 3.
Au fur et à mesure de la déformation de l’éprouvette 70, le tube 11 et le support de charge inférieur 20 se déplacent en translation selon l’axe A vers le bas du fait de l’effort imposé par les charges sur ledit tube, et suivent ainsi la déformation de la surface supérieure 71 de l’éprouvette. Les roulements 28 roulent le long des parois longitudinales 66 des ouvertures 64 de la structure 60, ce qui assure le guidage en translation du tube 11 et du premier support de charge 20 tout en empêchant tout mouvement de rotation autour de l’axe A. Les extrémités des dents latérales 12 demeurent ainsi en appui contre la surface supérieure de l’éprouvette pendant la déformation ladite surface.
Le bras inférieur 51 du dispositif de mesure 50, relié au tube 11, se déplace en translation selon l’axe A de manière solidaire audit tube.
La tige 31 de la fourche et le deuxième support de charge 40 se déplacent en translation selon l’axe A vers le bas du fait de l’effort imposé par les charges sur ladite tige 31. Les roulements 48 roulent le long des parois longitudinales 66 des ouvertures 64 de la structure, ce qui assure le guidage en translation de la tige 31 et du deuxième support de charge 40 tout en empêchant tout mouvement de rotation autour de l’axe A. L’extrémité de la dent centrale 32 demeure ainsi en appui contre la surface supérieure de l’éprouvette pendant la déformation ladite surface.
Le bras supérieur 53 du dispositif de mesure 50, relié à la tige 31 de la fourche, se déplace en translation selon l’axe A de manière solidaire à ladite tige.
Comme illustré sur la figure 3, la portion utile 74 de l’éprouvette dans un état déformé présente un profil en forme de V. En effet, la surface supérieure 71 de l’éprouvette est davantage comprimée au niveau de la zone d’appui centrale 72 qu’au niveau des zones d’appui latérales 73.
Dès lors, l’extrémité de la dent centrale 32 est plus basse que celle des dents latérales 12. L’écart ΔL entre la dent centrale 32 et les dents latérales 12 augmente donc par rapport à l’état initial, et est égal à ΔL1. A cet écart ΔL1correspond une variation correspondante de l’écart ΔB entre les bras du dispositif de mesure, notée ΔB1.
Au fur et à mesure de la déformation de l’éprouvette, la surface de l’éprouvette se déforme encore davantage au niveau de la zone d’appui centrale 72 comparativement aux zones d’appui latérales 73. Dès lors, la tige 31 continue de se déplacer par rapport au tube 11. L’extrémité inférieure de la dent centrale 32 dépasse alors encore davantage par rapport aux extrémités des dents latérales 12. Par conséquent ΔL augmente.
Une augmentation de ΔL induit une augmentation correspondante de ΔB, dont la mesure donne la déformation en flexion de la surface exposée de l’éprouvette.
L’appui simultané de la dent centrale 32 et des dents latérales 12 sur la surface supérieure 71 de l’éprouvette, maintenu grâce aux efforts constants appliqués par les dispositifs de charge 20, 40, permet d’obtenir une mesure précise et fiable de la déformation en flexion de ladite surface.

Claims (10)

  1. Système de mesure (1) d’une déformation de surface en flexion d’un matériau, adapté pour coopérer avec une machine d’essai en flexion muni d’un montage de flexion quatre points (80) permettant de déformer une éprouvette (70) dudit matériau, ledit système de mesure (1) comprenant :
    - une première partie comprenant :
    des dents latérales (12), configurées pour être en appui contre une surface supérieure (71) de l’éprouvette en deux zones d’appui latérales (73) respectives,
    un premier support de charge (20) relié aux dents latérales (12), configuré pour appliquer auxdites dents latérales (12) un effort constant orienté vers l’éprouvette (70),
    la première partie étant mobile en translation selon un axe (A) perpendiculaire au plan de la surface supérieure (71) de l’éprouvette,
    - une deuxième partie comprenant :
    une dent centrale (32) parallèle aux dents latérales (12), configurée pour être en appui contre la surface supérieure (71) de l’éprouvette en une zone d’appui centrale (72) agencée entre les zones d’appui latérales (73),
    un deuxième support de charge (40) relié à la dent centrale (32), configuré pour appliquer à ladite dent centrale (32) un effort constant orienté vers l’éprouvette (70),
    la deuxième partie étant mobile en translation par rapport à la première partie selon un axe parallèle à l’axe (A) de la première partie,
    - un dispositif de mesure comprenant un capteur de déformation (50), le capteur de déformation comprenant :
    un premier bras (51) relié à la première partie,
    un deuxième bras (53) relié à la deuxième partie,
    dans lequel le premier bras (51) et le deuxième bras (53) sont séparés l’un de l’autre d’un écart variable (ΔB), le dispositif de mesure étant configuré pour mesurer ledit écart variable (ΔB).
  2. Système de mesure selon la revendication 1, dans lequel l’extrémité (13) des dents latérales (12) et/ou l’extrémité (33) de la dent centrale (32) en appui contre la surface supérieure (71) de l’éprouvette (70) sont en biseau.
  3. Système de mesure selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
    - les dents latérales (12) sont reliées à un tube creux (11) qui s’étend selon un axe (A) perpendiculaire au plan de la surface supérieure (71) de l’éprouvette,
    - la dent centrale (32) se présente sous la forme d’une tige (31) coaxiale au tube (11), apte à dépasser axialement hors du tube depuis une extrémité inférieure (18) dudit tube, la dent centrale (32) étant configurée pour se déplacer en translation à l’intérieur dudit tube (11).
  4. Système de mesure selon la revendication 3, dans lequel :
    - le premier support de charge (20) est relié au tube (11),
    - le deuxième support de charge (40) est relié à une portion supérieure (34) de la tige (31) apte à dépasser axialement hors du tube (11) depuis une extrémité supérieure (18) dudit tube,
    - le premier bras (51) du capteur de déformation (50) est relié au tube (11),
    - le deuxième bras (53) du capteur de déformation (50) est relié à la portion supérieure (34) de la tige.
  5. Système de mesure selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
    - le premier support de charge (20) comprend un balancier comprenant une barre (21) qui s’étend de manière perpendiculaire à l’axe de translation (A) de la première partie, et des masses (25) montées aux extrémités de la barre (21),
    - le deuxième support de charge (40) comprend un balancier comprenant une barre (41) qui s’étend de manière perpendiculaire à l’axe de translation (A) de la deuxième partie, et des masses (45) montées aux extrémités de la barre (41),
    et dans lequel les masses (25, 45) du premier support de charge (20) et du deuxième support de charge (40) sont configurées pour que le centre de gravité des balanciers et du capteur de déformation (50) soit aligné avec la dent centrale (32).
  6. Système de mesure selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une structure creuse (60) comprenant une paroi latérale (61) délimitant un volume interne ouvert en deux orifices (62, 63) situés au niveau d’une partie supérieure et d’une partie inférieure de la structure, ladite structure (60) étant configurée pour loger au moins partiellement la première partie et la deuxième partie du système (1) dans son volume interne, et la partie supérieure de la structure (60) étant configurée pour être reliée à une machine de déformation de surface en flexion et la partie inférieure de la structure étant configurée pour être reliée au montage en flexion quatre points (80).
  7. Système de mesure selon les revendications 5 et 6 prises en combinaison, dans lequel :
    - la paroi latérale (61) de la structure (60) comprend deux ouvertures traversantes (64) en regard l’une de l’autre, délimitées par une bordure (65) de la paroi (61), et au travers desquelles s’étendent les balanciers du premier support de charge (20) et du deuxième support de charge (40),
    - le balancier du premier support de charge (20) comprend des roulements (28) configurés pour rouler le long des bordures (65) des ouvertures (64) lorsque la première partie se déplace,
    - le balancier du deuxième support de charge (40) comprend des roulements (48) configurés pour rouler le long des bordures (65) des ouvertures (64) lorsque la deuxième partie se déplace.
  8. Système de mesure selon la revendication 6, comprenant en outre un bouchon centreur (68) agencé dans l’ouverture (63) de la partie inférieure de la structure (60), le bouchon centreur (68) étant configuré pour guider la première partie en translation.
  9. Système de mesure selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première partie comprend un support (14) comprenant deux parties (16, 17) de support collées l’une à l’autre de manière à enfermer une portion des dents latérales (12).
  10. Système d’essai en déformation de surface en flexion d’un matériau sous la forme d’une éprouvette, comprenant :
    - une machine d’essai en flexion muni d’un montage de flexion quatre points (80), ladite machine d’essai étant configurée pour appliquer une contrainte de déformation en flexion à l’éprouvette (70) par l’intermédiaire du montage quatre points (80) afin de déformer l’éprouvette (70) en flexion,
    - un système de mesure (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, permettant de mesurer la déformation de surface en flexion de la surface supérieure (71) de l’éprouvette (70) en fonction de la contrainte de déformation appliquée par la machine d’essai.
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