WO2015055795A1 - Suivi de la striction d'un materiau quel que soit son aspcect par deux cameras - Google Patents

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WO2015055795A1
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Benoit Pierre Bernard HUE
Jean-Michel Gloaguen
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Universite Lille 1-Sciences Et Technologies
Centre National De La Recherche Scientifique
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Definitions

  • the present invention relates to a necking tracking device and method for the management and analysis of a tensile test.
  • the method includes recording a plurality of images representing a plurality of deformation states and digitally analyzing said images by recognizing a contour of the workpiece to calculate the measurement of at least one transverse external dimension of the workpiece, identifying a necking zone. and measure the longitudinal and transverse deformation of this necking zone, or even in the three main directions.
  • the images and the data are continuously collected and calculated, so as to achieve servocontrol of the imaging devices, and / or control of the traction machine according to the course of the test including deformations local in the area of necking.
  • the invention is applicable for measuring the deformation of a material in necking, regardless of its appearance and even for small thicknesses
  • the invention thus provides a three-dimensional in-situ video device, intended to be coupled to a traction device, thus enabling the observation of the behavior of the sample, in particular the evolution of the three-dimensional characteristics, ie voluminal local stresses and deformations, and allowing to control the molecular characteristics during the deformation.
  • a tensile test is an experiment that consists in applying a determined tensile stress in two parts of a part, called a sample, to measure characteristics of a material, for example the breaking strength and the deformation. More particularly, necking is the phenomenon of significant plastic elongation with shrinkage cross-section and decrease in resistance occurring in a specimen subjected to the simple tensile test. Necking appears after a phase of elastic elongation, then plastic, and shortly before rupture. It generally occurs in a very localized way on a part of the length of the sample subjected to the tensile force. The study of the necking allows for example to evaluate the ductility of a material.
  • a specimen of perfectly defined geometry is embedded at both ends in jaws or jaws.
  • One of these jaws, fixed, is connected for the measurement of the forces, to a dynamometric system by a ball joint, so that the axis of the forces applied is confused with that of the specimen.
  • the other jaw, mobile is connected to a drive system with constant or controlled displacement speed, or more rarely load.
  • the jaws are for example direct tightening by screws, pneumatic or self-locking, or fingerprint clamping.
  • Dynamometric determinations that is to say the measurement of forces, are typically done using electronic sensors, generally consisting of an elastic element (beam, ring, etc.) of high rigidity, which is measured the small deformation due to the force applied with an electrical system (strain gauges, variable inductances, capacitances, etc.). These devices are the most accurate in the range of speeds used.
  • the usable force range generally ranges from 1 N to 100 kN.
  • a conventional method consists in measuring the deformation of the specimen between the jaws, or better between two marks on the calibrated portion of the specimen.
  • the mobile jaw is driven by a worm whose rotation is provided by a geared motor with electronic variator.
  • a gear mounted on the screw drives a recording drum through a reduction system. It is thus possible to record the overall elongation of the specimen between jaws with different amplification rates. It should be noted, however, that the quantity supplied is the sum of the elongation of the calibrated part, the deformation in the jaws and in the leaves, and the different games of the mechanism.
  • a more accurate method is to measure the strain on the specimen itself.
  • Such a measurement on the test piece can be done for example by fixing to the test-tube electronic extensometers or strain gauges, which pinch the test-tube at marks or are stuck on the test-tube.
  • test-tube electronic extensometers or strain gauges which pinch the test-tube at marks or are stuck on the test-tube.
  • they measure only one dimension, defined between two determined markers. They also have, in some cases, disadvantages due to their weight supported by the specimen and / or clamping grippers which result in local stress concentrations, and therefore possible failure primers. For example for these reasons, they are not suitable for testing on films.
  • care must be taken in selecting adhesives and surface preparation techniques appropriate for the test material, with the many constraints and limitations that this entails.
  • Another method of measurement on the specimen is to use optical means by digital shooting, for example through the glass of a thermostatically controlled enclosure.
  • a sample usually in the form of a test tube, is marked with round spots.
  • the test piece is then subjected to traction to generate a deformation phenomenon.
  • the measurement of the necking of the material is carried out a digital imaging system which records different images in different states of deformation. These images are analyzed by recognition and determination of the centroids of these tasks. The distance variations observed and measured between the spots are then used to calculate the deformations of the sample.
  • FIGURE 1a and b is illustrated the use of a tensile test piece according to such a state of the art.
  • the flat test piece 110 is prepared by producing on its surface a marking using patterns. typically round tasks.
  • the geometry of this pattern before deformation is measured and recorded, for example a length L10 between the centers of two tasks M1 and M4, and a width W10 between the centers of two tasks M2 and M3.
  • the test piece 111 is elongated in a manner that is measured through the evolution of this pattern.
  • the tasks were spread along the longitudinal axis Y19 of tension under the effect of the elongation of the test piece. This distance is measured by the new length LU between the centroids of the tasks M 1 and M 4, which is larger than the original length L 10. They approached on the transverse axis X19 to the traction axis Y19 and in the plane of the specimen under the effect of the necking. This approximation is measured by the new width W1 between the centroids of the tasks M2 and M3, which is smaller than the original width W10.
  • the measurement accuracy of the transversal deformation is less good, for example because its amplitude is smaller and also when the small width of the part allows the drawing of fewer tasks less numerous .
  • this type of method does not measure the deformation of the piece thickness for thin parts, for example sheets or films.
  • the imaging system collects the position of the pixels forming the image of the sample. Then a correspondence between, on the one hand, determined pixels and, on the other hand, determined areas of the observed material is established by a pattern recognition algorithm for each of the different images collected. This correspondence is then used to evaluate the displacement of each zone between two different images, and therefore between two different states.
  • optical movement measurement systems are proposed by the German company Limess. It is an image correlation device capable of measuring the displacement and deformation of a part. This device relies on digital cameras, shifted to give a stereographic image, which record the process of deformation of the sample. The harvested images are analyzed with an image correlation algorithm to provide a state of local deformations in the different areas within the room.
  • An object of the invention is to overcome the disadvantages of the state of the art.
  • the invention seeks in particular to obtain a better accuracy and homogeneity of the measurements, with a lesser preparation, for many types of materials and specimen shapes.
  • the necking phenomenon thus poses specific problems when it is desired to characterize a material by tensile tests
  • the diagram of FIGURE shows it the typical shape of the curve of the nominal stress as a function of the nominal deformation of a specimen which is stretched at constant elongation rate.
  • the curve in nominal values has a peak which represents the maximum of the nominal stress ⁇ ", just before the necking appears.
  • necking phenomenon appears at a geometrical defect, such defects still exist in the specimens, and corresponds to a heterogeneous deformation of the specimen.
  • deformation and rate of deformation are greater in the region where necking occurs.
  • the stress is also higher in the necking zone due to the reduction of the section, and it can be shown that the locally concave contour profile induces dilatant triaxiality with positive radial and circumferential components.
  • the curve falls sharply when the necking begins.
  • the curve In the far right part of this descent, the curve has a very long slope, which illustrates the great amplitude of the elongation that can be obtained for the necking zone of this type of material, while maintaining a certain resistance. This important lengthening presents particular difficulties, and also interesting possibilities, in many technical and industrial applications, it is therefore important to be able to study it.
  • An object of the invention is thus to allow a more detailed study of the detailed behavior of a necking material during a tensile test, in order to determine the various parameters of its mechanical behavior.
  • the invention proposes a method for managing and analyzing a tensile test, of the type comprising an application of a traction force by a traction machine in a so-called longitudinal direction on a piece of material to be tested, said method comprising
  • said method comprises:
  • these data are used by a system or a computer center and / or visualization for analysis of the test, for example by analyzing the behavior of the part and / or the material that composes it.
  • the invention proposes a device for monitoring the necking deformations of a piece of a test material subjected to such a tensile test, and comprising means arranged to implement this method.
  • the invention also proposes a traction test system comprising such a necking tracking device connected to and communicating with such a traction machine.
  • the invention makes it possible to perform the three measurements in X, Y but also in Z, in real time and more precisely, and in a more homogeneous manner independently of the problems related to the marking. This can be applied to a large number of materials, regardless of their visual appearance, even for uniformly colored materials such as polymers, including for transparent materials.
  • the method according to the invention comprises an operation performing an identification of the necking zone by recognition of a region in which the pixel values of the image within the contour of the sample differs from the rest of the sample by at least one determined threshold.
  • This operation is carried out in real time by a processing of the images obtained, comprising an analysis of the pixel values, for example in brightness levels (for example gray levels) and / or in color tone values from the image to the image. inside the sample outline.
  • these pixel values are for example evaluated according to a model of the RGB (for "Red Green Blue”) or YSL (for "Yue Saturation Luminance”) type.
  • This analysis is particularly suitable for necking materials, which tend to change their appearance and / or hue in the area of necking, and for example to bleach in the damaged area.
  • the system uses a first threshold of brightness for the identification of the contours, then a second threshold of brightness possibly different for the identification of the damaged zone, alternatively with the recognition of the contour of the zone of necking or in combination with it.
  • test piece represents the macroscopic scale. This is where the main standardized tests are located. The measurements are simple (length, force %) but, most often, they have no real intrinsic meaning if the deformation and the structure are heterogeneous. At the other extreme, macromolecular and crystalline microstructures are the subject of complex microscopic deformation processes. It is therefore useful to define a homogeneous medium equivalent to a mesoscopic scale, sufficiently small compared to macroscopic plastic instabilities and large enough to include a large number of microscopic processes.
  • document US 2003/0182069 proposes a tensile test system for measuring the resistance characteristics of a sample of deformable material, more particularly a biological material such as a bioartificial tendon (see [ 0037]). It may be noted that the targeted materials are not materials with marked necking, contrary to the objectives of the invention.
  • This document also proposes to provide this system with two cameras that observe the sample in two transverse directions to each other and to the direction of traction. These two cameras communicate with the control system 28, which allows the user to observe and record the images of the test, so that these characteristics can be determined later, for example by measuring the cross-sectional area on the images. of the sample.
  • this document does not propose to control the operation of the machine according to the course of the test. It proposes even less to perform such a servocontrol as a function of the overall displacement or elongation of the sample, or a fortiori according to a measurement of a local elongation in a zone of necking or a calculation of a deformation or a local stress, and even less volumic.
  • this method further comprises:
  • this method further comprises, starting from the position of the contour of the part under test in two different states of deformation having (both) a zone of necking:
  • the device comprises control means arranged to communicate with the traction machine and control its operation.
  • the invention thus makes it possible to control the machine according to the progress of the test, for example to repot in situ the speed of the machine in longitudinal deformation, ie including local longitudinal deformation inside the machine. the zone of necking. That is, he is possible thanks to the invention to achieve in real time many complementary calculations, for example giving access to corrected or deduced values. Thus, at any moment, it is possible to use the results of these calculations to define the commands to be sent to the traction machine and thus adjust the rest of its behavior, and thus to choose as the scenario of the including the local longitudinal deformation.
  • these result values can be, for example, a "true” deformation calculation, that is to say reduced to the behavior of the material itself, independently of the effect of the shape of the piece or macroscopic heterogeneity due to the necking phenomenon.
  • the behavior of the test piece tested results in a curve connecting the nominal stress (force relative to the initial section) to the nominal strain or relative elongation (l-lo) / lo-
  • the true curves are obtained from the following two quantities: the true stress, that is to say the ratio between the force and the section at a given instant (minimum section if there is necking), and the true strain where this section is measured.
  • true and nominal constraints on the one hand, and the true and nominal deformations on the other hand differ greatly when the nominal deformations are greater than a few tens of percent.
  • An interest of true curves lies not only in connecting the constrained quantities and deformations characteristic of the state of matter, but also in overcoming the macroscopic heterogeneity of the deformation caused by the necking phenomenon for which the deformation is located in only part of the specimen.
  • a true curve can therefore be considered as representative of the intrinsic properties of the material, even if the deformation is measured locally in the thinned area of the specimen (necking).
  • This type of measurement is made possible by the invention by making it possible to drive a tensile test, for example at a constant local deformation speed.
  • it is also possible, from the measured quantities to calculate the volume deformation of the material in the zone studied, that is to say the local volume deformation in the necking zone, which informs about its damage during the test.
  • control means of the traction machine by the tracking device are programmed to calculate and send in real time, to the calculator of the traction machine or its actuators, displacement control data. in position or speed, constituting a servocontrol according to at least one computed value representing a true constraint, in one or two or three dimensions. It thus becomes possible to perform a creep test within the necking zone.
  • the method is applied to necking tests on thermoplastic materials, for example polyethylene, rubber-like materials, natural or synthetic, elastomers, or even certain high-stretchability materials such as rubber, natural or synthetic, or elastomers.
  • thermoplastic materials for example polyethylene, rubber-like materials, natural or synthetic, elastomers, or even certain high-stretchability materials such as rubber, natural or synthetic, or elastomers.
  • the frontal and lateral images are recorded continuously to form an animated sequence representing the evolution of the deformations of the part.
  • the steps of numerical analysis and deformation calculation are then carried out as and when and in real time from said images.
  • the cameras are cameras of a type allowing a continuous optical recording to form an animated sequence representing the evolution of the deformations of the part, and in that the means of numerical analysis and calculation of deformation are arranged to process images received as and when and in real time.
  • the invention makes it possible to collect the images from the cameras and to provide measurement data continuously and in real time.
  • the invention also allows to enslave the cameras to follow the necking in better conditions and with more precision.
  • the method may then further comprise calculating and sending a plurality of position or speed displacement control data constituting for the traction machine a servo-control as a function of at least one transversal or longitudinal deformation noted on the piece in test, especially local (s) ie in the zone of necking.
  • the invention thus makes it possible to control the machine in real time as a function of the progress of the test, in particular of the unwinding of the necking, for example according to slaving or unfolding rules defined in advance.
  • These rules may include servocontrol according to local stress or local, transversal (s) and / or longitudinal deformation.
  • the two cameras are arranged or adjusted with focal lengths different from each other, so as to provide an image including the longitudinal contours of the piece in the observed area:
  • the necking device further comprises one or more motorized mobile supports, supporting one or more of the cameras that perform the front and side images.
  • It comprises calculation means arranged to calculate and send a plurality of displacement commands to said motorized movable supports, so as to move and / or enlarge or shrink the area covered. by said frontal or lateral images as a function of the position and / or the amplitude of a necking deformation occurring in the part under test.
  • the invention makes it possible to obtain material characteristics that are difficult or impossible to obtain in this type of test, for example to control the molecular characteristics of the latter.
  • the invention makes it possible to obtain material characteristics that are difficult or impossible to obtain in this type of test, for example to control the molecular characteristics of the latter.
  • the invention makes it possible to obtain material characteristics that are difficult or impossible to obtain in this type of test, for example to control the molecular characteristics of the latter.
  • by using measurements of deformation measurements in the necking zone to calculate the volumetric variations during the test it becomes possible to control the macro-molecular characteristics of a material whose characteristics relating to the disposition of the materials are known beforehand. molecular macro chains along the axis of traction.
  • FIGURE 1a and FIGURE 1b are diagrams that illustrate the evolution of a tensile specimen prepared with a round stain marking for the follow-up of the test according to a state of the art;
  • FIG. 1a is a tensile curve in nominal stress as a function of the nominal strain, with different diagrams representing the evolution in traction of a polyethylene test tube;
  • FIGURES 2a to FIGURE 2e are diagrams that illustrate four different stages of the behavior of a test piece during a tensile test to failure
  • FIG. 3 illustrates a tensile test system with necking tracking according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4, FIGURE 5 and FIGURE 6 are photographs showing, in an exemplary embodiment of the invention, the screen of a device for monitoring the necking of a specimen cut from a sheet or a sheet. , in an exemplary embodiment of the invention simultaneously displaying the frontal image on the left and the lateral image on the right:
  • FIGURE 7 is a photograph illustrating an exemplary configuration of the test system of FIGURE 4 through FIGURE 6.
  • FIGURE 2a to FIGURE 2d are illustrated four different stages of the behavior of a specimen in a tensile to failure test.
  • a specimen 210 in its initial state in the form of a thin plate cut to present a test zone ZT2 of width W20 and section S20 uniform throughout its length L20.
  • such a test piece has a thin shape, for example cut from a sheet or a plate or a sheet, with for example a thickness representing less than 1/5 ° of the width, or even less than 1/10 ° or less than 1/20 °.
  • This may be for example tests carried out on products within an industrial manufacturing process, for example a packaging film or a sheet at the entrance of a stamping line.
  • the test piece 211 under a certain traction force 291 in a so-called longitudinal direction Y29, the test piece 211 has an elongation substantially distributed over the entire length L21 of the test zone.
  • the width W21 and the section S21 decreased in a weak and substantially uniform manner over the entire length L21 of the test zone. This state is typically an elastic elongation, possibly with a beginning of plastic elongation.
  • FIGURE 2e is shown an example of a tensile curve of such a test specimen, shown on the ordinate the stresses or stresses and deformations on the abscissa.
  • the highest point M21 corresponds to the maximum resistance provided by the specimen
  • the rightmost point F21 corresponds to the maximum elongation before rupture.
  • FIGURE 3 is schematically illustrated a tensile test system with necking tracking, according to an exemplary embodiment of the invention.
  • test piece 21 is fixed at its two ends to the two opposite parts 321 and 322 of a traction machine 32, by fastening means such as jaws or any other type of mounting. It is implemented load under a tensile force 39, for example by one or more cylinders included in the machine 32.
  • the tracking device 33 comprises a so-called frontal digital camera 34, arranged and oriented in a so-called frontal direction 349 for recording images 341 of the widest face of the specimen, called the front face 21F. It also includes a so-called lateral digital camera 35, arranged and oriented in a so-called lateral direction 359 for recording images 351 of the slice of the specimen, called the lateral face 21L.
  • Each of these images 341, 351 is sent to computing means, for example a computer 36, which stores them and can display them simultaneously in real time on a screen 361, as illustrated in FIG. 4, FIGURE 5 and FIGURE 6.
  • computing means for example a computer 36, which stores them and can display them simultaneously in real time on a screen 361, as illustrated in FIG. 4, FIGURE 5 and FIGURE 6.
  • This computer analyzes each of these images to recognize the pixels representing the outer contour C34, C35 of the specimen.
  • these images can be obtained with conventional lighting, ambient lighting or illuminating the sample.
  • background illumination brighter than that of the specimen, for example a reflective or luminous panel 340, 350 disposed behind the specimen 21 relative to each camera 34, respectively 35. This gives an image giving a "shadow effect" a very marked contrast and easier to analyze to recognize the outline.
  • FIGURE 4, FIGURE 5 and FIGURE 6 are photographs showing a part of the graphic window that can be displayed on the screen 361 of the tracking device 33 during the necking of a specimen 21 cut from a sheet or sheet, by example of metal or a polymeric material.
  • a necking phenomenon occurs in a ZS2 region of the test piece 212, most often a very localized zone, that is to say a small length compared to the length of the test zone ZT2.
  • the tracking device 33 displays on the screen 361 a window 400 comprising two sub-windows 401 and 402 in which the front and lateral images 341 and 351 of the test piece are displayed.
  • FIGURE 4 it can be seen that the frontal image and the lateral image collected at this stage constitute two images 341 and 351 taken with a similar focal length and are centered in a similar manner, thus allowing monitoring and analysis of the behavior of the image. set of test area ZT2 of specimen 21.
  • these two images are analyzed to recognize the contours of the test area, C41 for the front image 341 and C51 for the side image 351.
  • control means of the traction machine 32 by the tracking device 33 are programmed to calculate and send in real time, to the computer of the traction machine or its actuators, control data D32 of displacement in position or in speed, constituting a servo-control as a function of at least one transverse or longitudinal deformation noted on the specimen 21 under test, for example as a function of the variation of the length L21 obtained from the D33 data recorded by the tracking device and received by its computer 36.
  • FIGURE 5 shows the on-screen display of the front and end images 342 taken at a later stage of the necking, with the same framing and positioning of the cameras 34 and 35.
  • the decrease in the thickness E22 is not very visible on this scale and difficult to evaluate with precision.
  • the method then furthermore comprises a calculation and sending of a plurality of displacement control data D34 and D35 to one or more motorized movable supports 340 and 350 along one or more axes M34 and M35. and supporting one or more of the cameras 34 and 35 which produce the front and side images 342 352, for example to move and / or enlarge or shrink the area covered by said front or side images according to the position and / or the amplitude of a ZS2 necking deformation occurring in the test piece.
  • the tracking device 33 identifies and stores on the front images 341 and 342 the position and the dimensions of the necking zone ZS2. According to this dimension, it controls a change of focal length of the side camera 35 to make it zoom in on this zone ZS2. Depending on the position, he commands the motorized foot 350 of the same camera 35 to shift the new lateral image on this necking zone, thereby obtaining an enlarged lateral image 353 and thus presenting a better resolution on the scale of the test tube 21.
  • FIGURE 7 is shown a photograph of an exemplary embodiment of the test system of FIGURE 4 to FIGURE 6.
  • the digital video cameras 34 and 35 are each mounted on a motorized support 340 and 350 each formed by a plate mounted on a pantograph adjustable in height by a motorized worm, itself mounted on a motorized rail for adjustment in the front-rear position.
  • a luminaire 350 forming a light panel is disposed in front of the side camera 35, allowing it to maintain a sufficient image contrast even with a large magnification.

Abstract

L'invention concerne un dispositif (33) et un procédé de suivi en striction pour la gestion et l'analyse d'un essai en traction. Ce procédé comprend un enregistrement des images (341, 342, 351, 352, 353) représentant plusieurs états de déformation (210, 211, 212, 213) et une analyse numérique (36) desdites images par reconnaissance d'un contour d'une pièce (21), pour calculer la mesure d'une dimension extérieure transversale (W22, E22) de la pièce, identifier une zone de striction (ZS2) et mesurer la déformation longitudinale et transversale de cette zone. Les images peuvent être collectées en continu en fonction du déroulement de l'essai. L'invention fournit ainsi un dispositif de vidéo in-situ en trois dimensions,

Description

SUIVI DE LA STRICTION D'UN MATERIAU QUEL QUE SOIT
SON ASPCECT PAR DEUX CAMERAS
La présente invention concerne un dispositif et un procédé de suivi en striction pour la gestion et l'analyse d'un essai en traction. Ce procédé comprend un enregistrement de plusieurs images représentant plusieurs états de déformation et une analyse numérique desdites images par reconnaissance d'un contour de la pièce, pour calculer la mesure d'au moins une dimension extérieure transversale de la pièce, identifier une zone de striction et mesurer la déformation longitudinale et transversale de cette zone de striction, voire dans les trois directions principales.
Elle concerne en outre un tel procédé et dispositif dans lequel la machine de traction est commandée par le dispositif de suivi.
Selon des particularités, les images et les données sont collectées et calculées en continu, de façon à réaliser un asservissement des appareils d'imagerie, et/ou un asservissement de la machine de traction en fonction du déroulement de l'essai y compris en déformations locales dans la zone de striction.
L'invention est applicable pour mesurer la déformation d'un matériau en striction, quel que soit son aspect et y compris pour des faibles épaisseurs
L'invention fournit ainsi un dispositif de vidéo in-situ en trois dimensions, prévu pour être couplé à un dispositif de traction, permettant ainsi l'observation du comportement de l'échantillon, notamment l'évolution des caractéristiques tridimensionnelles c'est à dire des contraintes et déformations locales volumiques, et permettant d'en contrôler les caractéristiques moléculaires pendant la déformation.
Etat de la technique
Un essai de traction est une expérience qui consiste à appliquer un effort de traction déterminé en deux endroits d'une pièce, dite échantillon, pour mesurer des caractéristiques d'un matériau, par exemple la résistance à la rupture et la déformation. Plus particulièrement on appelle striction le phénomène d'allongement plastique important avec rétrécissement transversal et baisse de la résistance qui apparaît dans une éprouvette soumise à l'essai de traction simple. La striction apparaît après une phase d'allongement élastique, puis plastique, et peu avant la rupture. Elle se produit en général de façon très localisée sur une partie de la longueur de l'échantillon soumise à l'effort de traction. L'étude de la striction permet par exemple d'évaluer la ductilité d'un matériau.
Typiquement, une éprouvette de géométrie parfaitement définie est encastrée à ses deux extrémités dans des mors ou des mâchoires. L'un de ces mors, fixe, est relié pour la mesure des efforts, à un système dynamométrique par une rotule, de telle sorte que l'axe des efforts appliqués soit confondu avec celui de l'éprouvette. L'autre mors, mobile, est relié à un système d'entraînement à vitesse de déplacement constante ou commandée, ou plus rarement de charge. Les mors sont par exemple à serrage direct par vis, pneumatiques ou autoserrants, ou à serrage sur empreinte.
Les déterminations dynamométriques, c'est-à-dire la mesure des efforts, se font typiquement à l'aide de capteurs électroniques, constitués en général d'un élément élastique (poutre, anneau, etc.) de haute rigidité, dont on mesure la faible déformation due à l'effort appliqué avec un système électrique (jauges de déformation, inductances variables, capacités, etc.). Ces dispositifs sont les plus précis dans la gamme de vitesses utilisées. La gamme d'efforts utilisable va en général de 1 N à 100 kN.
Une méthode classique consiste à mesurer la déformation de l'éprouvette entre les mors, ou mieux entre deux repères sur la partie calibrée de l'éprouvette. Dans les machines électromécaniques, le mors mobile est entraîné par une vis sans fin dont la rotation est assurée par un ensemble motoréducteur avec variateur électronique. Un renvoi monté sur la vis entraîne un tambour enregistreur par l'intermédiaire d'un système de réduction. On a ainsi la possibilité d'enregistrer l'allongement global de l'éprouvette entre mors avec des taux d'amplification différents. Il est cependant à noter que la grandeur fournie est la somme de l'allongement de la partie calibrée, de la déformation dans les mors et dans les congés, et des différents jeux du mécanisme. Une méthode plus précise consiste à mesurer la déformation sur l'éprouvette elle-même.
Une telle mesure sur l'éprouvette peut se faire par exemple en fixant à l'éprouvette des extensomètres électroniques ou jauges de déformation, qui pincent l'éprouvette au niveau de repères ou sont collés sur l'éprouvette. Cependant, ils ne mesurent qu'une seule dimension, définie entre deux repères déterminés. Ils présentent aussi, dans certains cas, des inconvénients dus à leur poids supporté par l'éprouvette et/ou au serrage des pinces qui entraînent des concentrations de contraintes locales, donc des amorces de rupture possibles. Par exemple pour ces raisons, ils ne conviennent pas aux essais sur des films. En outre, il faut veiller à choisir des adhésifs et des techniques de préparation de surface adaptés au matériau testé, avec les nombreuses contraintes et limites que cela comporte.
Une autre méthode de mesure sur l'éprouvette consiste à utiliser des moyens optiques par prises de vue numérique, par exemple à travers la vitre d'une enceinte thermostatée.
Ainsi, il existe actuellement des systèmes de suivi de la déformation de matériau en particulier de la striction, qui reposent sur la mesure de l'élongation des marquages présents sur un échantillon lors d'une déformation sous l'effet de la traction.
Un échantillon, généralement sous forme d'éprouvette, est marqué avec des tâches rondes. L'éprouvette est ensuite soumise à une traction pour engendrer un phénomène de déformation. La mesure de la striction du matériau s'effectue un système d'imagerie numérique qui enregistre différentes images dans différents états de déformation. Ces images sont analysées par reconnaissance et détermination des barycentres de ces tâches. Les variations de distance observées et mesurées entre les taches sont alors utilisées pour calculer les déformations de l'échantillon.
Ainsi, en FIGURE la et b est illustrée l'utilisation d'une éprouvette de traction selon un tel état de la technique.
Avant mise en charge, en FIGURE la, l'éprouvette plate 110 est préparée en réalisant sur sa surface un marquage à l'aide de motifs, typiquement des tâches rondes. La géométrie de ce motif avant déformation est mesurée et enregistrée, par exemple une longueur L10 entre les centres de deux tâches M l et M4, et une largeur W10 entre les centres de deux tâches M2 et M3.
En cours de traction par un effort 19, l'éprouvette 111 est allongée d'une façon qui est mesurée à travers l'évolution de ce motif. Les tâches se sont écartées sur l'axe longitudinal Y19 de traction sous l'effet de l'allongement de l'éprouvette. Cet éloignement est mesuré par la nouvelle longueur LU entre les barycentres des tâches M l et M4, qui est plus grande que la longueur d'origine L10. Elles se sont rapprochées sur l'axe transversal X19 à l'axe de traction Y19 et dans le plan de l'éprouvette sous l'effet de la striction. Ce rapprochement est mesuré par la nouvelle largeur Wl l entre les barycentres des tâches M2 et M3, qui est plus petite que la largeur d'origine W10.
Sous l'effet de l'allongement et de la striction, les tâches se sont aussi déformées, en commençant par une ovalisation. L'équivalent du centre initial des cercles initiaux est donc évalué en calculant le barycentre des tâches déformées.
Ces systèmes présentent plusieurs inconvénients. Par exemple lorsque la striction n'a pas lieu entre deux tâches mais sur une tâche, elle est difficile à évaluer. Le suivi de la striction est alors souvent perdu durant la déformation ce qui rend difficile voire impossible leur suivi précis dès que l'allongement devient important, car les tâches se déforment au point de ne plus permettre la détermination de leur localisation précise ni de leur barycentre. Même lorsque la striction a lieu entre deux tâches, sa position exacte est difficile à évaluer de façon précise.
De plus, la précision de mesure de la déformation transversale (sur la largeur de la pièce) est moins bonne, par exemple parce que son amplitude est moins grande et aussi lorsque la faible largeur de la pièce permet le dessin de moins de tâches moins nombreuses.
En outre, ce type de méthode ne permet pas de mesurer la déformation de la pièce en épaisseur pour des pièces minces, par exemple des tôles ou des films. Ces problèmes sont particulièrement marqués pour des matériaux qui présentent un allongement avant rupture important mais très localisé, par exemple de nombreux types de polymères.
Des problèmes de pollution peuvent également subsister à cause des marques, par exemple les solvants de la peinture risquent de modifier le comportement du polymère.
Enfin, des cycles de fatigue effectués sur l'échantillon sont plus difficiles à analyser ou piloter, par exemple car le marquage ne revient pas à une géométrie connue ou stable entre deux cycles, entre autre pour des raisons d'hystérésis.
D'autres méthodes par imagerie numérique utilisent directement les motifs intrinsèques du matériau pour effectuer une corrélation d'images entre plusieurs états de déformation différents.
Le système d'imagerie récolte la position des pixels formant l'image de l'échantillon. Puis une correspondance entre, d'une part, des pixels déterminés et, d'autre part, des zones déterminées du matériau observé est établie par un algorithme de reconnaissance de motifs pour chacune des différentes images récoltées. Cette correspondance est ensuite utilisée pour évaluer le déplacement de chaque zone entre deux images différentes, et donc entre deux états différents.
Par exemple, des systèmes de mesures optiques du mouvement sont proposés par la société allemande Limess. Il s'agit d'un dispositif de corrélation d'images capable de mesurer le déplacement et la déformation d'une pièce. Ce dispositif repose sur des caméras numériques, décalées pour donner une image stéréographique, qui enregistrent le processus de déformation de l'échantillon. Les images récoltées sont analysées avec un algorithme de corrélation d'images pour fournir un état des déformations locales dans les différentes zones à l'intérieur de la pièce.
Cependant, ce type de fonctionnement présente lui aussi la particularité d'utiliser les déplacements de motifs visuels présents sur la surface de la pièce, laquelle doit donc présenter obligatoirement un aspect irrégulier ou moucheté afin de pouvoir différencier un pixel d'un autre lors de la reconnaissance. Un but de l'invention est de pallier les inconvénients de l'état de la technique. L'invention cherche en particulier à obtenir une meilleure précision et homogénéité des mesures, avec une préparation moindre, pour de nombreux types de matériaux et de formes d'éprouvette.
II est en outre intéressant de pouvoir réaliser de tels essais avec une plus grande souplesse, et un plus grand choix de déroulement d'essais, en particulier en dynamique et pour des modes de comportements difficiles à simuler ou tester, et pour déterminer des caractéristiques plus complètes et souvent inatteignables de façon classique.
Le phénomène de la striction pose ainsi des problèmes spécifiques lorsque l'on souhaite caractériser un matériau par des essais de traction,
Le schéma de la FIGURE le montre l'allure typique de la courbe de la contrainte nominale en fonction de la déformation nominale d'une éprouvette qui est étirée à vitesse d'allongement constante.
C'est à dire qu'il s'agit des valeurs calculées à partir de l'effort global appliqué et du déplacement extérieur observé, et en fonction des dimensions nominales (c'est à dire initiales) de l'échantillon. Le long de la courbe sont représentés schématiquement différents états de la forme de l'échantillon.
Comme on le voit, au niveau de la limite élastique, la courbe en valeurs nominales présente un pic qui représente le maximum de la contrainte nominale σ„ , juste avant qu'apparaisse la striction. Le
/ ύ 0
phénomène de striction apparaît au niveau d'un défaut géométrique, de tels défauts existent toujours dans les éprouvettes, et correspond à une déformation hétérogène de l'éprouvette.
C'est à dire que la déformation et la vitesse de déformation sont plus grandes dans la région où se produit la striction. La contrainte est également plus élevée dans la zone de striction en raison de la réduction de la section, et on peut montrer que le profil localement concave des contours induit une triaxialité dilatante avec des composantes radiales et circonférentielles positives.
Après ce pic, la courbe redescend brusquement lorsque la striction commence. Dans la partie plus à droite de cette descente, la courbe présente une pente très longue, qui illustre la grande amplitude de l'allongement pouvant être obtenu pour la zone de striction de ce type de matériau, tout en conservant une certaine résistance. Cet allongement important présente des difficultés particulières, et aussi des possibilités intéressantes, dans de nombreuses applications techniques et industrielles, il est donc important de pouvoir l'étudier.
Un but de l'invention est ainsi de permettre une étude plus fine du comportement détaillé d'un matériau à striction au cours d'un essai en traction, en vue de déterminer les différents paramètres de son comportement mécanique.
Exposé de l'invention
L'invention propose un procédé de gestion et d'analyse d'essai en traction, du type comprenant une application d'un effort de traction par une machine de traction selon une direction dite longitudinale sur une pièce en un matériau à tester, ledit procédé comprenant
- un suivi des déformations en striction par enregistrement de plusieurs images représentant plusieurs états de déformation et
- une analyse numérique desdites images pour calculer la mesure d'au moins une déformation de ladite pièce selon au moins une direction transversale à ladite direction de traction.
Selon l'invention, ce ledit procédé comprend :
- pour chaque état de déformation, un enregistrement d'au moins deux images dites frontale et latérale d'une même partie de ladite pièce prises selon deux directions différentes dites frontale et latérale, lesquelles sont sensiblement transversales à la direction de traction (ou au moins avec un angle de plus de 45° voire plus de 70°) et transversales entre elles (ou au moins avec un angle de plus de 45° voire plus de 70°) ;
- une analyse numérique desdites images frontale et latérale pour au moins deux états de déformation différents, par reconnaissance d'un contour de la pièce, et
- à partir de la position dudit contour dans ces deux états de déformations, un calcul d'au moins une déformation transversale par mesure de la variation d'au moins une dimension extérieure transversale de la pièce entre lesdits états pour chacune desdites directions de prise de vue, typiquement dans une pluralité d'emplacements de ladite pièce, et identification d'une zone de striction.
Typiquement, ces données sont utilisées par un système ou un centre de calcul et/ou de visualisation pour analyse de l'essai, par exemple par analyse du comportement de la pièce et/ou du matériau qui la compose.
Selon un autre aspect, l'invention propose un dispositif de suivi des déformations en striction d'une pièce en un matériau à tester soumise à un tel essai de traction, et comprenant des moyens agencés pour mettre en œuvre ce procédé.
Selon encore un autre aspect, l'invention propose aussi un système d'essai de traction comprenant un tel dispositif de suivi de striction connecté à, et communiquant avec, une telle machine de traction.
Ainsi, l'invention permet de d'effectuer les trois mesures en X, Y mais aussi en Z, en temps réel et de façon plus précise, et de façon plus homogène indépendamment des problèmes liés au marquage. Cela peut s'appliquer à de très nombreux matériaux, indépendamment de leur aspect visuel, même pour des matériaux de couleur uniforme comme des polymères, y compris pour des matériaux transparents.
Alternativement ou en combinaison avec la reconnaissance de contours, le procédé selon l'invention comprend une opération réalisant une identification de la zone de striction par reconnaissance d'une région dans laquelle les valeurs de pixels de l'image à l'intérieur du contour de l'échantillon diffèrent de celles du reste de l'échantillon d'au moins un seuil déterminé. Cette opération est réalisée en temps réel par un traitement des images obtenues, comprenant une analyse des valeurs de pixels, par exemple en niveaux de luminosité (par exemple niveaux de gris) et/ou en valeurs de teintes de couleurs de l'image à l'intérieur du contour de l'échantillon. Dans le cas des teintes de couleurs, ces valeurs de pixels sont par exemple évaluées selon un modèle de type RGB (pour "Red Green Blue"), ou YSL (pour "Yue Saturation Luminance").
Cette analyse est particulièrement adaptée aux matériaux à striction, qui ont tendance à changer d'aspect et/ou de teinte dans la zone de striction, et par exemple à blanchir dans la zone endommagée. Le système utilise un premier seuil de luminosité pour l'identification des contours, puis un deuxième seuil de luminosité possiblement différent pour l'identification de la zone endommagée, alternativement à la reconnaissance du contour de la zone de striction ou en combinaison avec elle.
Pour la détermination d'une loi constitutive d'un tel matériau par exemple un polymère), il est important d'avoir accès au comportement mécanique intrinsèque, indépendamment du type d'éprouvette choisi et de la position dans l'éprouvette. Compte tenu des hétérogénéités microstructurales et des instabilités plastiques, la solution de ce problème est difficile à trouver. L'éprouvette représente l'échelle macroscopique. C'est à ce niveau que se situent les principaux tests normalisés. Les mesures sont simples (longueur, force...) mais, le plus souvent, elles n'ont pas de signification intrinsèque réelle si la déformation et la structure sont hétérogènes. A l'autre extrême, les microstructures macromoléculaires et cristallines sont l'objet de processus de déformation microscopiques complexes. Il est donc utile de définir un milieu homogène équivalent à une échelle mésoscopique, suffisamment petite par rapport aux instabilités plastiques macroscopiques et suffisamment grande pour inclure un grand nombre de processus microscopiques.
Dans les essais mécaniques, il est donc utile de pouvoir définir la contrainte locale et la déformation locale à une telle échelle mésoscopique, par exemple entre 1mm et lOpm, et par exemple de l'ordre de lOOpm.
C'est ce que l'invention permet de faire de façon plus précise, et de façon plus souple à organiser et à ajuster.
Note sur l'état de la technique :
Il est noté ici que le document US 2003/0182069 propose un système d'essai de traction en vue de mesurer les caractéristiques de résistance un échantillon de matériau déformable, plus particulièrement un matériau biologique tel qu'un tendon bio-artificiel (cf. [0037]). Il peut être noté que les matériaux visés ne sont pas des matériaux présentant un phénomène de striction marqué, contrairement aux objectifs de l'invention. Ce document propose en outre de doter ce système de deux caméras qui observent l'échantillon selon deux directions transversales entre elles et à la direction de traction. Ces deux caméras communiquent avec le système de commande 28, ce qui permet à l'utilisateur d'observer et d'enregistrer les images de l'essai, afin de pouvoir ultérieurement déterminer ces caractéristiques, par exemple en mesurant sur les images la section transversale de l'échantillon.
Pour choisir l'effort à appliquer pendant l'essai, ce document propose en [0053] d'utiliser une mesure initiale de l'emplacement le plus étroit de l'échantillon, déterminée à partir de la première image enregistrée par les caméras.
Cependant, même si le système de commande communique avec le mécanisme de traction et est capable de mesurer le déplacement des mors, ce document ne propose pas d'asservir le fonctionnement de la machine en fonction du déroulement de l'essai. Il propose encore moins de réaliser un tel asservissement en fonction du déplacement ou de l'allongement global de l'échantillon, ni a fortiori en fonction d'une mesure d'un allongement local dans une zone de striction ou d'un calcul d'une déformation ou d'une contrainte locale, et encore moins volumique.
Au contraire, la seule allusion de ce document à une déformation dans une partie spécifique de l'échantillon consiste à envisager en [0038], et sans précision complémentaire, d'utiliser les images pour calculer la contrainte et la déformation à partir de marques dessinées sur la surface de l'échantillon, c'est-à-dire exactement selon l'état de la technique présenté ici.
Selon une autre particularité de l'invention, ce procédé comprend en outre :
- en fonction d'au moins une variation de dimension transversale constatée dans la zone de striction (ZS2) et/ou longitudinale (LS2) locale à la zone de striction (ZS2), un calcul d'au moins une donnée de commande représentant une action à appliquer à la pièce en essai ou un paramètre à appliquer à une telle action, et
- un envoi de ladite donnée de commande vers la machine de traction. Selon encore une autre particularité de l'invention, ce procédé comprend en outre, à partir de la position du contour de la pièce en essai dans deux états de déformations différents présentant (tous les deux) une zone de striction :
- à partir des déformations du contour, mesure de la variation de la longueur et/ou de la largeur de ladite zone de striction, et
- à partir des valeurs de déformation transversale et longitudinale dans la zone de striction, calcul d'une ou plusieurs valeurs de contrainte locale et/ou de déformation locale longitudinale ou transversale ou volumique, au sein de ladite zone de striction.
Le dispositif comprend des moyens de commande agencés pour communiquer avec la machine de traction et commander son fonctionnement.
En effet, les machines modernes actuelles disposent souvent de périphériques informatisés programmables pour :
- la réalisation de lois diverses de charge ou de déplacement (échelon, rampe, sinusoïde, etc.) ;
- l'enregistrement des grandeurs en fonction du temps ;
- le calcul et l'enregistrement direct des courbes contraintes- déformations
- l'intégration des courbes pour le calcul de l'énergie de rupture. Certaines options de machines de traction électromécaniques et hydrauliques permettent d'asservir le déplacement du mors mobile à des lois de charge ou de déformation de la partie calibrée (à vitesses constantes, sinusoïdales, etc.). Or il faut remarquer qu'en l'absence d'asservissement, une vitesse de déplacement constante appliquée entre mors n'engendre pas une vitesse constante de déformation de la partie calibrée. Connaissant l'importance du temps d'essai, de tels systèmes sont indispensables pour toute mesure précise.
L'invention permet ainsi de piloter la machine en fonction du déroulement de l'essai, par exemple de repiloter in-situ la vitesse de la machine en déformation longitudinale, c'est à dire y compris en déformation longitudinale locale à l'intérieur de la zone de striction . C'est-à-dire qu'il est possible grâce à l'invention de réaliser en temps réel de nombreux calculs complémentaires, par exemple donnant accès à des valeurs corrigées ou déduites. Ainsi, à chaque instant, il est possible d'utiliser les résultats de ces calculs pour définir les commandes à envoyer à la machine de traction et ainsi ajuster la suite de son comportement, et donc de choisir au fur et à mesure le scénario de l'essai y compris pour ce qui est de cette déformation longitudinale locale.
A titre d'exemple, ces valeurs résultats peuvent être par exemple un calcul de déformation "vraie", c'est-à-dire ramené au comportement du matériau en lui-même, indépendamment de l'effet de la forme de la pièce ou de l'hétérogénéité macroscopique due au phénomène de striction.
En effet, lors d'un essai de traction classique le comportement de l'éprouvette testée se traduit par une courbe reliant la contrainte nominale (force rapportée à la section initiale) à la déformation nominale ou allongement relatif (l-lo)/lo- Par exemple, lorsque l'objectif est de connaître le comportement réel du matériau et non de la structure d'essai qu'est l'éprouvette, il faut donc procéder à un traitement des données expérimentales pour aboutir à des courbes contraintes - déformations appelées courbes "vraies". Les courbes vraies sont obtenues à partir des deux grandeurs suivantes : la contrainte vraie, c'est-à-dire le rapport entre la force et la section à un instant donné (section minimale s'il y a striction), et la déformation vraie où cette section est mesurée.
Or les contraintes vraie et nominale d'une part, et les déformations vraie et nominale d'autre part, diffèrent grandement lorsque les déformations nominales sont supérieures à quelques dizaines de pour-cent. Un intérêt des courbes vraies réside non seulement dans le fait de relier les grandeurs contraintes et déformations caractéristiques de l'état de la matière, mais aussi de s'affranchir de l'hétérogénéité macroscopique de la déformation qu'entraîne le phénomène de striction pour laquelle la déformation se localise dans une partie seulement de l'éprouvette. Dans un tel cas, une courbe vraie peut donc être considérée comme représentative des propriétés intrinsèques de la matière, même si la déformation est mesurée localement dans la zone amincie de l'éprouvette (striction). Ce type de mesure est rendu possible par l'invention en permettant de piloter un essai de traction, par exemple à vitesse de déformation locale constante. Par exemple, grâce à l'invention, il est aussi possible, à partir des grandeurs mesurées de calculer la déformation volumique du matériau dans la zone étudiée, c'est-à-dire la déformation volumique locale dans la zone de striction, ce qui renseigne sur son endommagement au cours de l'essai.
Selon une particularité de l'invention, les moyens de commande de la machine de traction par le dispositif de suivi sont programmés pour calculer et envoyer en temps réel, au calculateur de la machine de traction ou à ses actionneurs, des données de commande de déplacement en position ou en vitesse, constituant un asservissement en fonction d'au moins une valeur calculée représenter une contrainte vraie, selon une ou deux ou trois dimensions. Il devient ainsi possible de réaliser un essai de fluage au sein de la zone de striction.
Selon une autre particularité, le procédé est appliqué à des essais en striction sur des matériaux thermoplastiques, par exemple le polyéthylène, des matériaux de type caoutchouc, naturel ou synthétique, élastomères, voire sur certains matériaux de grande étirabilité tels que du caoutchouc, naturel ou synthétique, ou des élastomères.
Selon une particularité de l'invention, les images frontales et latérales sont enregistrées en continu pour former une séquence animée représentant l'évolution des déformations de la pièce. Les étapes d'analyse numérique et de calcul de déformation sont alors effectuées au fur et à mesure et en temps réel à partir desdites images.
Avantageusement, les appareils de prise de vue sont des caméras d'un type permettant un enregistrement optique en continu pour former une séquence animée représentant l'évolution des déformations de la pièce, et en ce que les moyens d'analyse numérique et de calcul de déformation sont agencés pour traiter les images reçues au fur et à mesure et en temps réel.
Ainsi, l'invention permet de collecter les images des caméras et de fournir des données de mesures de façon continue et en temps réel. L'invention permet aussi d'asservir les caméras pour suivre la striction dans de meilleures conditions et avec plus de précision.
Le procédé peut alors comprendre en outre un calcul et un envoi d'une pluralité de données de commande de déplacement en position ou en vitesse, constituant pour la machine de traction un asservissement en fonction d'au moins une déformation transversale ou longitudinale constatée sur la pièce en essai, en particulier locale(s) c'est à dire dans la zone de striction.
L'invention permet ainsi de piloter la machine en temps réel en fonction du déroulement de l'essai, en particulier du déroulement de la striction, par exemple en fonction de règles d'asservissement ou de déroulement définies à l'avance. Ces règles peuvent comprendre un asservissement en fonction de la contrainte locale ou de la déformation locale, transversale(s) et/ou longitudinale.
Selon une particularité du dispositif de suivi de striction selon l'invention, les deux appareils de prise de vue sont agencés ou réglés avec des focales différentes l'un de l'autre, de façon à fournir une image incluant les contours longitudinaux de la pièce dans la zone observée :
- d'une part depuis une direction frontale de prise de vue faisant face à une face de la pièce présentant une dimension transversale dite largeur, avec un premier grandissement, et
- d'autre part dans une direction latérale de prise de vue faisant face à une face de la pièce présentant une dimension transversale dite épaisseur, valant par exemple moins de 10% voire 1% de ladite largeur, avec un deuxième grossissement plus important que ledit premier grossissement, permettant ainsi une meilleure précision dans l'observation des déformations de la pièce dans son épaisseur.
Selon une autre particularité de l'invention, le dispositif de suivi de striction comprend en outre un ou plusieurs supports mobiles motorisés, supportant un ou plusieurs des appareils de prise de vue qui réalisent les images frontales et latérales.
Il comprend des moyens de calculs agencés pour calculer et envoyer une pluralité de commandes de déplacement auxdits supports mobiles motorisés, de façon à déplacer et/ou agrandir ou rétrécir la zone couverte par lesdites images frontales ou latérales en fonction de la position et/ou de l'amplitude d'une déformation par striction survenant dans la pièce en essai.
Il est ainsi possible de conserver un cadrage sur la zone intéressante même lorsque certaines parties de l'éprouvette sortent du champ de la prise de vue du fait de l'amplitude de la déformation. Il est ainsi possible d'optimiser le niveau de zoom utilisé, voire de l'ajuster automatiquement.
On obtient ainsi une grande palette de possibilités de déroulement d'essais, et de nombreuses possibilités de tests, avec une très grande souplesse de programmation.
De plus, l'invention permet d'obtenir des caractéristiques de matériau difficiles ou impossibles à obtenir dans ce type d'essai, par exemple de contrôler les caractéristiques moléculaires de celui-ci. Par exemple, en utilisant les relevés des mesures de déformation dans la zone de striction pour calculer les variations volumétriques pendant l'essai, il devient possible de contrôler les caractéristiques macro moléculaires d'un matériau dont on connaît préalablement les caractéristiques portant sur la disposition des chaînes macro moléculaires suivant l'axe de traction. Des modes de réalisation variés de l'invention sont prévus, intégrant les différentes caractéristiques optionnelles exposées ici selon l'ensemble de leurs combinaisons possibles.
Liste des figures
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- les FIGURE la et FIGURE lb sont des schémas qui illustrent l'évolution d'une éprouvette de traction préparée avec un marquage par tâches rondes pour le suivi de l'essai selon un état de la technique ;
- la FIGURE le est une courbe de traction en contrainte nominale en fonction de la déformation nominale, assortie de différents schémas représentant l'évolution en traction d'une éprouvette en polyéthylène ;
- les FIGURE 2a à FIGURE 2e sont des schémas qui illustrent quatre stades différents du comportement d'une éprouvette lors d'un essai de traction jusqu'à rupture ;
- la FIGURE 3 illustre un système d'essai en traction avec suivi de la striction selon un exemple de mode de réalisation de l'invention ;
- les FIGURE 4, FIGURE 5 et FIGURE 6 sont des photos représentant, dans un exemple de mode de réalisation de l'invention, l'écran d'un dispositif de suivi de la striction d'une éprouvette découpée dans une tôle ou une feuille, dans un exemple de mode de réalisation de l'invention affichant simultanément l'image frontale à gauche et l'image latérale sur la droite :
o en FIGURE 4 : au début de la striction,
o en FIGURE 5 : à un stade plus avancé de la striction, avec le même cadrage des caméras, et
o en FIGURE 6 : pendant la striction, après un zoom de la caméra latérale commandé automatiquement par la fonctionnalité de suivi de la zone de striction ;
- la FIGURE 7 est une photo illustrant un exemple de configuration du système d'essai des FIGURE 4 à FIGURE 6.
Description d'un exemple de mode de réalisation
En FIGURE 2a à FIGURE 2d sont illustrés quatre stades différents du comportement d'une éprouvette lors d'un essai de traction jusqu'à rupture.
En FIGURE 2a, une éprouvette 210 dans son état initial, sous la forme d'une plaque mince découpée pour présenter une zone de test ZT2 de largeur W20 et section S20 uniforme sur toute sa longueur L20.
Dans de nombreux cas, une telle éprouvette présente une forme mince, par exemple découpée dans une tôle ou une plaque ou une feuille, avec par exemple une épaisseur représentant moins de 1/5° de la largeur, voire moins de 1/10° ou moins de 1/20°. Il peut s'agir par exemple d'essais réalisés sur des produits au sein d'un processus de fabrication industriel, par exemple un film d'emballage ou une tôle à l'entrée d'une chaîne d'emboutissage.
En FIGURE 2b, sous un certain effort 291 de traction selon une direction dite longitudinale Y29, l'éprouvette 211 présente un allongement sensiblement réparti sur toute la longueur L21 de la zone de test. La largeur W21 et la section S21 ont diminué de façon faible et sensiblement uniforme sur toute la longueur L21 de la zone de test. Cet état est typiquement un allongement élastique, avec possiblement un début d'allongement plastique.
En FIGURE 2c, à partir de et au-delà du point de la résistance maximale de l'éprouvette 212, il se produit un allongement plus important dans une zone de déformation ZS2 localisée où la résistance à l'effort 292 diminue, et dont la position est difficile voire impossible à prévoir pour une éprouvette de largeur initiale W20 constante. Dans cette zone ZS2 où le matériau est étiré de façon importante, la largeur W22 et la section rétrécissent de façon importante. Ces variations peuvent aussi être très rapides, en particulier dans le cas d'un effort de traction maintenu constant ou constamment croissant, ce qui rend souvent l'étude du phénomène délicate.
En FIGURE 2d, une rupture R21 est apparue dans cette zone de déformation ZS2 et l'éprouvette 213 ne fournit plus aucune résistance à l'effort de traction.
En FIGURE 2e est représenté un exemple de courbe de traction d'une telle éprouvette, figurant en ordonnées les contraintes ou efforts et les déformations en abscisse. Sur cette figure, le point le plus haut M21 correspond à la résistance maximale fournie par l'éprouvette, et le point F21 le plus à droite correspond à l'allongement maximal avant rupture.
En FIGURE 3 est illustré schématiquement un système d'essai en traction avec suivi de la striction, selon un exemple de mode de réalisation de l'invention.
L'éprouvette 21 est fixée à ses deux extrémités aux deux parties opposées 321 et 322 d'une machine de traction 32, par des moyens de fixation comme des mors ou tout autre type de montage. Elle est mise en charge sous un effort de traction 39, par exemple par un ou des vérins inclus dans la machine 32.
Le dispositif de suivi 33 comprend une caméra numérique 34 dite frontale, disposée et orientée selon une direction dite frontale 349 pour enregistrer des images 341 de la face la plus large de l'éprouvette, dite face frontale 21F. Il comprend aussi une caméra numérique 35 dite latérale, disposée et orientée selon une direction dite latérale 359 pour enregistrer des images 351 de la tranche de l'éprouvette, dite face latérale 21L.
Chacune de ces images 341, 351 est envoyée à des moyens de calcul, par exemple un ordinateur 36, qui les mémorise et peut les afficher simultanément en temps réel sur un écran 361, comme illustré aux FIGURE 4, FIGURE 5 et FIGURE 6.
Cet ordinateur analyse chacune de ces images pour y reconnaître les pixels représentant le contour extérieur C34, C35 de l'éprouvette. Selon les conditions, ces images peuvent être obtenues avec un éclairage classique, ambiant ou éclairant l'échantillon. Cependant, il peut être particulièrement efficace d'utiliser un éclairage de l'arrière plan plus vif que celui de l'éprouvette, par exemple un panneau réfléchissant ou lumineux 340, 350 disposé derrière l'éprouvette 21 par rapport à chaque caméra 34, respectivement 35. On obtient ainsi une image fournissant par "effet d'ombre" un contraste très marqué et plus facile à analyser pour y reconnaître le contour.
Les FIGURE 4, FIGURE 5 et FIGURE 6 sont des photos représentant une partie de la fenêtre graphique pouvant être affichée sur l'écran 361 du dispositif de suivi 33 lors de la striction d'une éprouvette 21 découpée dans une tôle ou une feuille, par exemple de métal ou d'un matériau polymère.
Ainsi qu'on le voit sur la partie gauche de l'écran, différents contrôles logiciels sont affichés qui permettent de visualiser et/ou de modifier des paramètres ou des commandes impliqués dans les résultats de l'essai de traction et de commande du dispositif de suivi l'essai, et possiblement aussi dans la commande de la machine de traction.
Au cours de l'essai de traction, tel qu'illustré en FIGURE 2a à FIGURE 2d, un phénomène de striction apparaît dans une région ZS2 de l'éprouvette 212, le plus souvent une zone très localisée c'est-à-dire sur une longueur faible par rapport à la longueur de la zone de test ZT2.
Comme illustré en FIGURE 4, le dispositif de suivi 33 affiche sur l'écran 361 une fenêtre 400 comprenant deux sous fenêtres 401 et 402 dans lesquelles sont affichées les images frontale 341 et latérale 351 de l'éprouvette.
En FIGURE 4, on voit que l'image frontale et la l'image latérale collectées à ce stade constituent deux images 341 et 351 prises avec une focale similaire et sont centrées de façon similaire, permettant ainsi une surveillance et une analyse du comportement de l'ensemble de la zone test ZT2 de l'éprouvette 21.
Ces images sont affichées en deux images dans deux cadres l'un à côté de l'autre, en continu et en temps réel. Elles peuvent ainsi être surveillées aisément par l'opérateur.
En temps réel, ces deux images sont analysées pour y reconnaître les contours de la zone de test, C41 pour l'image frontale 341 et C51 pour l'image latérale 351.
Ces contours sont utilisés directement par l'ordinateur pour mesurer en temps réel sur les images différents résultats de suivi de l'essai. Sont mesurées en particulier et à titre d'exemple :
- la variation de la longueur L22, fournissant une valeur de la vitesse d'allongement ;
- la longueur LS2 de la zone de striction ZS2 qui commence à apparaître, fournissant ainsi une valeur de mesure en Y de cette zone de striction ; et
- la largeur WS2 de la zone de striction ZS2, fournissant ainsi une valeur de mesure en X de cette zone de striction.
Par exemple, les moyens de commande de la machine de traction 32 par le dispositif de suivi 33 sont programmés pour calculer et envoyer en temps réel, au calculateur de la machine de traction ou à ses actionneurs, des données de commande D32 de déplacement en position ou en vitesse, constituant un asservissement en fonction d'au moins une déformation transversale ou longitudinale constatée sur l'éprouvette 21 en essai, par exemple en fonction de la variation de la longueur L21 obtenue à partir des données D33 enregistrées par le dispositif de suivi et reçues par son ordinateur 36.
La FIGURE 5 représente l'affichage à l'écran des images frontale 342 et latérale 352 prises à un stade plus avancé de la striction, avec les mêmes cadrage et positionnement des caméras 34 et 35.
Ainsi qu'on le voit sur l'image latérale 352, la diminution de l'épaisseur E22 est peu visible à cette échelle et difficile à évaluer avec précision.
Selon une particularité de l'invention, le procédé comprend alors en outre un calcul et un envoi d'une pluralité de données D34 et D35 de commande de déplacement à un ou plusieurs supports mobiles motorisés 340 et 350 selon un ou plusieurs axes M34 et M35, et supportant un ou plusieurs des appareils de prise de vue 34 et 35 qui réalisent les images frontale 342 et latérale 352, par exemple de façon à déplacer et/ou agrandir ou rétrécir la zone couverte par lesdites images frontales ou latérales en fonction de la position et/ou de l'amplitude d'une déformation par striction ZS2 survenant dans la pièce en essai.
En FIGURE 6 par exemple, le dispositif de suivi 33 identifie et mémorise sur les images frontales 341 et 342 la position et les dimensions de la zone de striction ZS2. En fonction de cette dimension, il commande un changement de focale de la caméra latérale 35 pour lui faire faire un zoom sur cette zone ZS2. En fonction de la position, il commande au pied motorisé 350 de cette même caméra 35 un déplacement pour recentrer la nouvelle image latérale sur cette zone de striction, obtenant ainsi image latérale 353 agrandie et présentant donc une meilleure résolution à l'échelle de l'éprouvette 21.
On obtient ainsi une meilleure visibilité, mais aussi une meilleure résolution de l'image et donc une meilleure précision des calculs pour la reconnaissance et la mesure des déformations en épaisseur E22 de la zone de striction.
En FIGURE 7 est présentée une photo d'un exemple de réalisation du système d'essai des FIGURE 4 à FIGURE 6.
Les caméras vidéo numériques 34 et 35 sont montées chacune sur un support motorisé 340 et 350 formés chacun par un plateau monté sur un pantographe réglable en hauteur par une vis sans fin motorisées, lui-même monté sur un rail motorisé pour un réglage en position avant-arrière. Un luminaire 350 formant un panneau lumineux est disposé en face de la caméra latérale 35, lui permettant de conserver un contraste d'image suffisant même avec un grossissement important.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de gestion et d'analyse d'essai en traction, lequel essai comprend une application d'un effort de traction (291, 292, 39) par une machine de traction (32) selon une direction dite longitudinale (Y29) sur une pièce (21) en un matériau à tester,
ledit procédé comprenant un suivi des déformations en striction par enregistrement de plusieurs images représentant plusieurs états de déformation,
ainsi qu'une analyse numérique desdites images pour calculer la mesure d'au moins une déformation de ladite pièce selon au moins une direction transversale à ladite direction de traction,
caractérisé en ce que ledit procédé comprend :
- pour chaque état de déformation (210, 211, 212), un enregistrement d'au moins deux images dites frontale (341, 342) et latérale (351, 352,
353) d'une même partie de ladite pièce prise selon deux directions différentes dites frontale (349) et latérale (359), lesquelles sont sensiblement transversales à la direction de traction (Y29) et transversales entre elles ;
- analyse numérique (36) desdites images frontale et latérale pour au moins deux états de déformation différents, par reconnaissance d'un contour (C34, C35) de la pièce ;
- à partir de la position dudit contour dans ces deux états de déformations :
o calcul d'au moins une déformation transversale par mesure de la variation d'au moins une dimension extérieure transversale (W22, E22) de la pièce entre lesdits états pour chacune desdites directions de prise de vue (349, respectivement 359), et
o identification d'une zone de striction (ZS2).
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une opération de traitement en temps des images obtenues comprenant une analyse des valeurs de pixels de l'image à l'intérieur du contour de l'échantillon,
ladite opération réalisant une identification de la zone de striction par reconnaissance d'une région dans laquelle ces valeurs de pixels diffèrent de celles du reste de l'échantillon d'au moins un seuil déterminé.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- en fonction d'au moins une variation de dimension transversale (W20, W22) constatée dans la zone de striction (ZS2), calcul d'au moins une donnée de commande (D33) représentant une action à appliquer à la pièce en essai ou un paramètre à appliquer à une telle action, et
- un envoi de ladite donnée de commande vers la machine de traction (32).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
- en fonction d'au moins une variation de dimension longitudinale (LS2) locale à la zone de striction (ZS2) constatée, calcul d'au moins une donnée de commande (D33) représentant une action à appliquer à la pièce en essai ou un paramètre à appliquer à une telle action, et
- un envoi de ladite donnée de commande vers la machine de traction (32).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, à partir de la position du contour de la pièce en essai dans deux états de déformations différents présentant une zone de striction (ZS2) :
- à partir des déformations du contour, mesure de la variation de la longueur (LS2) et/ou de la largeur (WS2) de ladite zone de striction, et
- à partir des valeurs de déformation transversale (W22, E22) et longitudinale (LS2) dans la zone de striction, calcul d'une ou plusieurs valeurs de contrainte locale et/ou de déformation locale longitudinale ou transversale ou volumique, au sein de ladite zone de striction.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les images frontales (341, 342) et latérales (351, 352, 353) sont enregistrées en continu pour former une séquence animée représentant l'évolution des déformations de la pièce (21), et en ce que les étapes d'analyse numérique et de calcul de déformation sont effectuées au fur et à mesure et en temps réel à partir desdites images.
7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un calcul et un envoi d'une ou plusieurs données de commande
(D33) de déplacement en position ou en vitesse, constituant pour la machine de traction (32) un asservissement en fonction d'au moins une déformation transversale et/ou longitudinale (W22, E22, LS2) constatée localement dans la zone de striction (ZS2) sur la pièce (21) en essai.
8. Procédé selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un calcul et un envoi d'une ou plusieurs commandes (D34, D35) de déplacement à un ou plusieurs supports mobiles motorisés supportant un ou plusieurs des appareils de prise de vue (34, 35) qui réalisent les images frontales (341, 342) et latérales (351, 352, 353), de façon à déplacer et/ou agrandir ou rétrécir la zone couverte par lesdites images frontales ou latérales en fonction de la position et/ou de l'amplitude d'une déformation (W22) par striction survenant dans la pièce (21) en essai.
9. Dispositif (33) de suivi des déformations en striction d'une pièce (21) en un matériau à tester soumise à un essai de traction par application d'un effort de traction (291, 292, 39) par une machine de traction (32) selon une direction dite longitudinale (Y29), ledit dispositif comprenant
d'une part des moyens d'imagerie agencés pour enregistrer plusieurs images représentant plusieurs états de déformation (210, 211, 212, 213), et d'autre part des moyens de calcul (36) agencés pour réaliser une analyse numérique desdites images pour calculer la mesure d'au moins une déformation (W22, E22) de ladite pièce selon au moins une direction transversale (X29, Z29) à ladite direction de traction (Y29), ledit dispositif étant caractérisé en ce que :
d'une part les moyens d'imagerie comprennent au moins deux appareils (34, 35) de prise de vue unique ou continue, disposés et orientés pour fournir au moins deux images (341, 342, 351, 352, 353) d'une même partie (ZT2, ZS2) de la pièce selon deux directions différentes dites frontale (249) et latérale (259), lesquelles sont sensiblement transversales à la direction de traction (Y29) et transversales entre elles ;
et d'autre part les moyens de calcul sont agencés ou programmés pour réaliser :
- une analyse numérique desdites images frontale et latérale d'au moins deux états de déformation différents, par reconnaissance d'un contour (C34, C35) de la pièce, et
- à partir de la position dudit contour dans ces deux états de déformations, un calcul d'au moins une déformation transversale par mesure de la variation d'au moins une dimension extérieure transversale (W22, E22) de la pièce entre lesdits états pour chacune desdites directions de prise de vue, et identification d'une zone de striction (ZS2).
10. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les deux appareils de prise de vue (34, 35) sont agencés ou réglés avec des focales différentes l'un de l'autre, de façon à fournir une image incluant les contours longitudinaux de la pièce dans la zone observée :
- d'une part depuis une direction frontale (349) de prise de vue faisant face à une face (21F) de la pièce présentant une dimension transversale dite largeur (W22), avec un premier grandissement, et
- d'autre part dans une direction latérale (359) de prise de vue faisant face à une face (21L) de la pièce présentant une dimension transversale dite épaisseur (E22), valant par exemple moins de 10% voire 1% de ladite largeur, avec un deuxième grossissement plus important que ledit premier grossissement, permettant ainsi une meilleure précision dans l'observation des déformations de la pièce dans son épaisseur.
11. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 10, caractérisé en ce que les appareils de prise de vue (34, 35) sont des caméras d'un type permettant un enregistrement optique en continu pour former une séquence animée représentant l'évolution des déformations de la pièce (21),
et en ce que les moyens (36) d'analyse numérique et de calcul de déformation sont agencés pour traiter les images (241, 242, 351, 352, 353) reçues au fur et à mesure et en temps réel.
12. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande agencés pour communiquer avec la machine de traction (32) et commander son fonctionnement.
13. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de commande de la machine de traction (32) sont agencés pour calculer et envoyer une ou plusieurs données de commande (D32) de déplacement en position ou en vitesse, constituant pour ladite machine de traction un asservissement en fonction d'au moins une déformation transversale et/ou longitudinale (W22, E22, LS2) constatée localement dans la zone de striction (ZS2) sur la pièce (21) en essai.
14. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ou plusieurs supports mobiles motorisés (340, 350), supportant un ou plusieurs des appareils de prise de vue (34, 35) qui réalisent les images frontales (341, 342) et latérales (351, 352, 353), et en ce que qu'il comprend des moyens de calculs (36) agencés pour calculer et envoyer une ou plusieurs commandes (D34, D35) de déplacement auxdits supports mobiles motorisés, de façon à déplacer et/ou agrandir ou rétrécir la zone couverte par lesdites images frontales ou latérales en fonction de la position et/ou de l'amplitude d'une déformation par striction (ZS2) survenant dans la pièce (21) en essai.
15. Système d'essai de traction striction comprenant une machine de traction (32) et un dispositif de suivi de striction (33) selon l'une des revendications 9 à 14.
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