Brevet FR2287693A1 — publié le 19760507

La présente invention concerne le contrôle dtessais nécaniques effectués sur des éprouvettes prélevées dans un natériau tester, plus particulièrement des essais visant à déterminer la résistance à la rupture ou a la fissuration des rletaux . la fatigue Il est de pratique courante, pour cte tels essais, de sournettre à des sollicitations mécaniques une éprouvette présentant une zone rétrécie de noindre section dans laquelle la contrainte mécanique est donc plus élevée qu'en tout autre endroit de l'éprouvette et où la fissuration ou la rupture sera localisée. Les éprouvettes dites "toroïdales" et celles dites "entaillées" en sont des exemples bien connus des spécialistes. Lors d'essais en fatigue d'éprouvettes entaillées, par exemple, on cherche fréquemment à déterminer l'instant précis où la fissuration commence à se produire dans la zone de moindre section. Cela est @ssez difficile car on ne cornence à voir la fissure que l'ersqu'elle est déjà importante, hien audelà de l'amor ce de fissuration.Certains expérinentateurs ont cberclîé à déceler le début de la fissuration par une mesure de résistance électrique de l'éprouvette, naturellement influencée par la décohésion des grains qui accompagne la fissura tion. En fait, ces tentatives se sont heurtées à de grandes difficultées expérimentales parce que cette resure, effectuées en courant continu, est affectée par divers parasites, notamment des forces électromotrices thermo-électriques, et par la sensibilité à la température de la résistivité de l'éprouvette, qui mnsquent le phénomène recherché. Le hut de la présente invention est de permettre une ble et très fidèle de l'amorce de fissuration ou de rupture dans une telle éprouvette présentant une zone de concentration de la contrainte mécanique par une nesure 4e rrsistivité électrique de cette zone, en s'affranchissant des phénomènes parasites qui pourraient la mas@uer. A cet effet, l'invention a pour abjet un procédé pour détecter électriquement l'apparition d'une fissuration ou d'une amorce de rupture dans rme éprouvette d'un matériau électriquement conducteur sollicitée mécaniquement, l'éprouvette comportant une zone de moindre section dans laquelle la contrainte est maximale, qui consiste à disposer à proximité l'une de l'autre une première éprouvette, dite de mesure, sollicitée mécaniquement et une seconde éprouvette similaire et de nême matériau, dite de référence, à faire circuler dans ces deux éprouvettes connectées en série un même courant électrique alternatif de frequence F de façon que les lignes de courant traversent la zone de moindre section de chacune des éprouvettes, a prélever la différence de potentiel (ddp) créée dans la zone de moindre section de chacune des éprouvettes, Il comparer entre elles les ddp ainsi prélevées et à noter l'apparition d'un écart grandissant entre lesdites ddp comme indiquant l'apparition de la fissu ration ou de l'amorce de rupture dans la zone de contrainte maximale de I'éprou- vette de mesure. Lorsqu'il s'agit d'une éprouvette dite entaillée, dans laquelle la zone de moindre section est adjacente au fond de l'entaille, on prélève la ddp sur chaque éprouvette à l'aide de contacts de mesure disposés sur les bords de l'entaille. La présente invention a également pour objet un dispositif pour la détection par voie électrique de l'amorce de fissuration dans un matériau électriquement conducteur soumis à une contrainte mécanique, comprenant en combinaison - une première éprouvette, dite de mesure, présentant une zone de moindre section, soumise a une sollicitation mécanique par tout moyen approprie - une seconde éprouvette, dite de référence, semblable à la première et de même matériau, disposée à proximité de la première de façon à rester à la mêne température qu'elle - une source de courant électrique alternatif de fréquence F formant avec les deux éprouvettes connectees en série lm circuit d'alimentation parcouru par un nême courant électrique - des contacts de mesure disposés sur chacune des éprouvettes, de part et d'autre de la zone de moindre section, pour prélever la ddp créée dans cette zone par le passage du courant électrique - et des moyens de mesure pour comparer les deux ddp ainsi obtenues et en faire la différence. Ce dispositif peut également comporter une ou plusieurs caractéristiques suivantes, en combinaison avec les précédentes - sur chaque éprouvette sont respectivement disposés deux contacts d'alimentation, plus écartés de la zone de moindre section que les contacts de mesure, par lesquels l'éprouvette est connecte dans le circuit d'alimentation ; - les éprouvettes sont du type entaillées et les contacts de mesure sont fixés aux bords mimes des entailles ; - ces contacts sont fixés aux éprouvettes par microsoudure. Les moyens de mesure qui font partie des éléments coopérant pour constituer le dispositif objet de 1 invention et dont la fonction est de comparer les ddp obtenues aux contacts de mesure, peuvent notamment et de préférence comporter deux amplificateurs différentiels ayant chacun une entrée différentielle connectée aux contacts de mesure d'une des éprouvettes et dont les sorties sont reliées à un organe délivrant un signal proportionnel à la différence des ddp prélevées sur les contacts de mesure des éprouvettes. Ces moyens de mesure peuvent être complétés préférentiellement par au reins un filtre à bande passante étroite englobant la fréquence F du courant d'alinentation, de préférence centrée sur cette fréquence r. L'invention a encore pour objet un appareil électrique de mesure comportant la combinaison des moyens nécessaires pour la mise en oeuvre du procédé cidessus décrit, c'est-à-dire - une source de courant électriquealternatif de fréquence F équipée d'organes de connexion adéquats pour l'alimentation d'un circuit extérieur comprenant les éprouvettes - deux amplificateurs différentiels comportant chacun une entre différentielle destinée a être reliée aux contacts de mesure de l'une des éprouvettes et dont les sorties sont reliées à un organe fournissant un signal proportionnel à la différence des signaux ainsi obtenus ; - et au moins un filtre à bande passante etroite englobant la fréquence F, de préférence centrée sur F. Commue on le comprend, l'invention a pour but de mettre en évidence les variations relatives infimes de résistance électrique provoquées dans l'éprou- vette en cours d'essai mécanique par les modifications qui interviennent dans le réseau cristallin en liaison avec l'apparition d'une fissuration. En fait, la méthode selon l'invention permet d'atteindre une sensibilité telle que l'amorce de fissuration peut être détectée avec une grande fiabilité dès le début de décohésion des premiers grains affctés, bien avant que la fissuration soit observable directement, Avant la présente invention, il etait déjà connu d'utiliser la résistance électrique de l'éprouvette pour déceler la fissuration. Cependant, les tentatives effectuées dans ce sens étaient basées sur la circulation d'un courant continu dans l'éprouvette en essai, la mesure consistant à rechercher la variation de ddp continue dans la zone de concentration de contrainte provoquée par la déformation du champ de courant par la fissure.Cette méthode connue est d'une mise en oeuvre très délicate et donne lieu à de grandes difficultés expérimentales liées principalement aux dérives d'origine thermique, soit par variation de résistivité, soit par suite des f.e.m. thermo-électriques dans les connexions, ainsi qu'aux parasites d'origine électrique susceptibles de troubler les mesures dans la gamme de sensibilité de l'ordre de grandeur du microvoît utilisée. L'invention se propose donc de remédier à ces difficultés par la coopéra- tion de deux moyens principaux - l'utilisation de deux éprouvettes identiques, dans un circuit de comparaison, pour compenser les dérives thermiques de la résistivité ; - l'alimentation en courant alternatif, qui permet d'utiliser des amplifi- cateurs à grand gain à couplage alternatif, ce qui élimine les f.e.m thermo- électriques parasites, et éventuellement un filtre à bande étroite favorisant la fréquence F d'alimentation, ce qui minimise considérablement les perturbations d'origine électrique. le procédé selon l'invention consiste donc à faire parcourir les deux éprouvettes par un même courant alternatif, - pour ce faire le plus simple est de les disposer en série dans un même circuit, mais toute autre disposition d'effet équivalent doit être considérée comme faisant partie de l'invention -, et à comparer par différence les ddp créées dans les zones de moindre section de l'éprouvette soumise à sollicitation mécanique et de l'éprouvette de référen- ce. Cette comparaison est effectuée par des moyens électroniques basés sur des amplificateurs différentiels à grand gain à courant alternatif, dont la bande passante est limitée à la fréquence utile pour minimiser tous les autres signaux perturbateurs.Le signal résultant peut être observé directement sur un voltmètre et enregistre, si necessaire, en fonction du temps ou de la sollicitation mécanique de l'éprouvette de mesure. Afin d'illustrer et de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire un exemple nullement limitatif de mise en oeuvre et la réalisation du dispositif correspondant, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - La figure I représente le schéma du dispositif - la figure 2 montre une éprouvette agencée pour l'invention - la figure 3 est un exemple de courhe de fissuration obtenue avec cè dispositif. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un ensemble desmesures électrique et électronique mettant en oeuvre l'invention. Une éprouvette de mesure (ou d'essai) I et une éprouvette de référence 2 identique sont disposées en série dans un circuit 3 avec le secondaire d'un transformateur d'alimentation 4 et une résistance 5 limitant le courant dans le circuit. I1 s'agit d'éprouvettes plates entaillées en acier soumises à des essais de fatigue oligocyclique ou à des essais de corrosion sous tenson. L'éprouvette d'essai I est placée sur une machine d'essai qui n'intervient pas directement dans le processus de l'invention sinon pour provoquer la fissuration ou l'amorce de rupture à détecter et elle n'est ni décrite ni représentée. L'eprouvette de référence 2 n'est soumise à aucune sollicitation nécanique, rais est disposée à côté de l'éprouvette I de façon à ce que les deux éprouvettes soient constamment à la même température. La figure 2 montre comment les connexions sont réalisées sur une éprouvette.Les contacts d'alimentation 6 (Fig. 1) par lesquels les éprouvettes sont insérées dans le circuit 3 sont fixés par des trous taraudés 7 percés dans lteprouvette, de préférence le plus loin possible de l'entaille 8 afin que les lignes de courant se répartissent au mieux dans la zone de moindre section 9. eux contacts de mesure 10 sont réalisés en soudant par résistance des fils placier il de part et d'autre de l'entaille, le plus près possible de ses bords, de préférence en diagonale par rapport au plan de symétrie longitudinal de l'éprouvette. Bien entendu, en cas de difficulté pour usiner les trous 7 après traitement thermique, on peut également fixer les contacts 6 par soudure.Deux trous 12 sont prévus dans l'éprouvette à la manière habituelle pour la fixer sur la machine d'essai s'il s'agit d'une sollicitation en traction. Pour une sollicitation en flexion, les trous 12 sont inutiles. Revenant à la figure 1, on voit que le primaire du transformateur 4 est relié au réseau d'alimentation par l'intermédiaire d'un organe de réglage 13, potentiomètre ou autotransformateur à curseur, qui permet d'ajuster le courant circulant dans le circuit 3 à rme intensité comprise entre 0 et 30 ampères efficaces. Les contacts de mesure 10 des éprouvettes 1 et 2 sont respectivement branchés aux entrées de deux amplificateurs différentiels 14, 15 de gain 40 délivrant des tensions en opposition de phase qui sont appliquées à un additionneur 16. Le signal délivré nu point 17 par ltadditionneur 16 est donc proportionnel à la différence des ddp prélevées sir les rprouvettes 1 et 2 par les contacts 10. Le gain de l'un des amplificateurs différentiels, 1, par exemple, peut être ajusté pour compenser un déséquilibre éventuel trop grand entre les deux éprouvettes au début t de chaque essai.Le signal en 17 est repris par un amplificateur 18 de gain constant 50 et de bande passante très étroite (quelques lz) centrée sur la fréquence d'alimentation. Le gain de l'additionneur 16 peut être ajusté de n,4 à 1,6, de sorte que le gain global peut être réglé de 1280 à 5120. Le signal amplifié est redressé par un détecteur bi-alternance 19 et, après amplification en 19a, la composante continue est filtrée en 2n. Cette composante continue est disponible en 21 pour être appliquée sur un millivoltmètre indicateur nu enregistreur non représenté. La figure 3 montre un exemple typique d'enregistrement obtenu avec le dispositif qui vient d'être décrit. Un milliveltmètre enregistreur de 100 ni? d'échelle est connecté en 21. L'éprouvette est soumise une sollicitation périodique à 20 Hz pour un essai de fatigue oligocyclique. Le papier se déroule à la vitesse de 1 cm par imite. La partie A de la courbe se rapporte à l'éprou- vette non encore fissurée. Au point B, on voit se produire l'amorce de fissuration. Le courant dans l'éprouvette est 30 ampères et le gain global des amplificateurs est réglé à 2.5n0. Le point C, c'est-à-dire à 10 r^ du point de départ, correspond approximativement à une fissuration de 0,8 mm de profondeur maximale, ne s'étendant pas encore sur toute l'épaisseur de l'éprouvette, tandis que le point B correspond à une fissuration d'environ 1,2 rn atteignant les faces extérieures de l'éprouvette. On a représenté en face de chacun de ces points la section correspondante de la zone de concentration de contrainte de l'éprouvette. On voit donc que la sensibilité de la méthode est très grande et permet de déceler l'amorce de fissuration dès les prenières décohésions intergranulaires. Dans exemple qui vient d'être décrit, l'alinentation du circuit des éprouvettes est effectuée à la fréquence du réseau (50 Hz) pour des raisons de simplicité. D'autres fréquences peuvent être choisies, notamment pour éviter les inductions parasites et courants vagabonds à la fréquence du réseau dans les endroits sujets à ces perturbations. Dans ce cas, on choisira de préférence une fréquence pas trop proche de celle du réseau, afin d'éviter les battements, et dans un rapport irrationnel avec elle, pour éviter l'influence des harmoniques. I1 est bien entendu que la description qui vient d'être faite n'est donne qu a titre de simple exemple de mise en oeuvre, sans aucune intention de limiter la portée de-l'invention telle qu'elle résulte des-revendications ci-après. PsEt'ENDIC,ATIONS 1. Procédé pour détecter l'apparition d'une fissuration ou d'une amorce de rupture dans une éprouvette d'un matériau électriquement conducteur sollicitée mécaniquement, l'éprouvette comportant une zone de moindre section dans laquelle la contrainte est maximale, ce procédé, dans lequel on fait circuler un courant électrique dans l'éprouvette et on cherche à détecter une variation de résistance électrique de l'éprouvette comme indication de l'apparition d'une fissuration ou amorce de rupture, étant caractérisé en ce qu'on dispose à proximité l'une de l'autre une première éprouvette, sollicitée mécaniquement, et une seconde éprouvette sinilaire en même matériau, servant de référence, on fait circuler dans les deux éprouvettes connectées en série un nême courant électrique alternatif de fréquence F de façon que les lignes de courant traversent la zone de moindre section de chacune des éprouvettes, on prélève la différence de potentiel (ddp) créée dans la zone de noindre section de chacune des éprouvettes, on compare entre elles les ddp ainsi prélevées sur ladite première éprouvette et sur ladite seconde éprouvette et op note l'apparition d'un écart grandissant entre lesdites ddp comme indiquant l'apparition de la fissuration ou de l'amorce de rupture dans la zone de contrainte maximale de l'éprouvette sollicitée mécaniquement. 2. Procédé pour détecter l'apparition de la fissuration dans une éprouvette entaillée d'un matériau électriquement conducteur, dans lequel on fait circuler un courant électrique dans l'éprouvette et on cherche à détecter une variation de sa résistance électrique comme indication de l'apparition de la fissuration, caractérisé en ce qu'on dispose à proxinité l'une de l'antre unc première eprouvette, sollicitée en fatigue et une seconde éprouvette sinilaire du meme matériau, servant de référence, on fait circuler dans les deux éprouvettes connectées en série un meme courant électrique alternatif de fréquence F de façon que les lignes de courant traversent la zone de fissuration, on prélève la ddp créée entre les bords de l'entaille de chacune des éprouvettes, on compare entre elles les ddp ainsi prélevées sur ladite première éprouvette et sur ladite seconde éprouvette et on note l'apparition d'un écart grandissant entre lesdites ddp comme indiquant l'apparition de la fissuration dans la zone entaillée de la première éprouvette. 3. Dispositif de détection de la fissuration dans un matériau électrique ment conducteur soumis à une contrainte mécanique1 dans lequel une éprouvette de ce matériau présentant une zone de moindre section ou la contrainte est maximale, sollicitée mécaniquement, est parcourue par un courant électrique afin de déceler les variations de résistivité de la zone de contrainte maximale, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison les éléments suivants - une première éprouvette, présentant une zone de moindre section, soumise à une contrainte mécanique par tout moyen approprié ; - une seconde éprouvette similaire du même matériau, disposée à proximité de la première de façon à rester à la même température qu'elle, pour servir de référence ;; - une source de courant électrique alternatif de fréquence F faisant circuler un même courant dans un circuit d'alimentation comprenant ladite première éprouvette et ladite seconde éprouvette connectées en série - des contacts de mesure disposés sur chacune des éprouvettes, de part et d'autre de la zone de moindre section, pour prélever la ddp créée dans cette zone par le passage du courant électrique - et des moyens de mesure pour comparer les deux ddp ainsi obtenues et en faire la différence. 4. Dispositif de détection de la fissuration dans un-matériau électrique ment conducteur sollicité en fatigue dans lequel une éprouvette entaillée de ce matériau, soumise à une contrainte mécanique, est parcourue par un courant électrique afin de déceler les variations de résistivité de la zone de l'entaille ou zone de fissuration, dispositif caractérisé par la combinaison des éléments suivants :: - une première éprouvette entaillée soumise à une sollicitation mécanique par tout moyen approprié ; - une seconde éprouvette similaire, de rêne matériau, disposée à proxi mité de la première de façon à rester à la mme température qu'elle, pour servir de référence ; - une source de courant électrique alternatif de fréquence r formant avec les deux éprouvettes connectées en série un circuit d'alimentation parcouru par un même courant électrique - des contacts de mesure disposés sur chacune des éprouvettes, de part et d'autre de l'entaille, pour prélever la ddp entre les bords de l'entaille ; - et des moyens de mesure pour comparer les deux ddp ainsi obtenues et en faire la différence, 5.Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérise en ce que sur chaque éprouvette sont respectivement disposés deux contacts d'alimentation plus écartés de la zone de moindre section que les contacts de mesure, par lesquels l'éprouvette est connectée dans le circuit électrique d'alimentation. 6. Dispositif selon la revendication 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent deux amplificateurs différentiels dont les entrées différentielles sont connectées respectivement aux contacts de mesure de chacune des éprouvettes et dont les sorties sont reliées à un organe fournissant un signal proportionnel à la différence des signaux ainsi obtenus. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent au moins un filtre à bande passante étroite englobant la fréquence F du courant d'alimentation. 8. Appareil électrique de mesure pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé par la combinaison des moyens suivants - une source de courant électrique alternatif de fréquence F munie d'organes de connexion nécessaires pour l'alimentation d'un circuit extérieur comprenant au moins une éprouvette de mesure et une éprouvette de référence en série, - deux amplificateurs différentiels comportant chacun une entrée différentielle destinée à être reliée aux contacts de mesure d'une des éprouvettes et dont les sorties sont reliées à un organe fournissant un signal proportionnel à la différence des signaux ainsi obtenus ; - et au moins un filtre à hande passante étroite englobant la fréquence F.