Brevet FR2368704A1 — publié le 19780519

La présente invention est relative à un appareil destiné à l'examen d'éprouvettes métalliques. Plus particulièrement, elle concerne un appareil conçu pour exercer des contraintes sur une éprouvette tout en soumettant celle-ci à un cycle thermique prédéterminé et en suivant de façon précise les variations de longueur de cette éprouvette. On a déjà mis au point des appareils de ce genre. Par exemple, dans un article de G.L. Kehl et de S. Bhahacharyya paru dans la revue Trans. A.S.M. 1956, vol. 48, page 234 et intitulé "The influence of tensile stress Dn the isothermal decomposition of austenLte to ferrite and pearlite", on décrit un appareil pour l'étude de la cinétique des transformations et de la vitesse de germination d'échantillons de métal en fonction de la température soumis à une contrainte de traction. Dans cet appareil, l'echan- tillon est fixé sur un câble qui en permet le déplacement à travers un système de trempe à l'hélium et de bains isothermes. L'application de la charge se fait à l'aide d'un bras de levier auquel est accrochée une masse. Cependant, cet appareil présente l'inconvénient de nécessiter un grand nombre de manipulations pour obtenir une seule courbe de cinétique de transformation de l'éprouvette. De plus, il exige des déplacements de celle-ci au cours du traitement. On connait également un appareil du type indiqué ci-dessus, d'après un article de L.F. Porter et P.C. Rosenthal paru dans la revue "ActatMetallurgica", Juillet 1959, vol. 7, page 504 et intitulé "Effect of applieu tensile stress on phase transformations in steel", cet appareil utilisant une éprouvette fixe constituée par un fil de 1 mm de diametre. Cependant, cet appareil n'a pas permis d'examiner l'éprouvette dans toutes les conditions de température souhaitées ; de plus, la charge est appliquée à l'aide d'un poids mort, elle reste donc constante ou varie par valeurs discrètes au cours de l'essai. La présente invention a pour but de fournir un appareil d'examen d'éprouvettes métalliques ne présentant pas ces inconvénients. Elle a donc pour objet un appareil d'examen d'éprouvet- tes métalliques, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison une monture d'éprouvette pour maintenir celle-ci dans une position fixe, cette monture comprenant un mors fixe et un mors mobile pour l'application d'une ciErge, des moyens pour appliquer une charge variable sur ledit mors mobile, des moyens pour soumettre ladite éprouvette à des conditions de température prédéterminées éventuellement variables, des moyens de mesure de la charge, de la température et de la dilatation de l'éprouvette, et des moyens de compensation des variations de longueur de ladite monture en fonction desdites conditions de température. Grâce à ces caractéristiques, l'appareil permet d'exécuter des mesures rapides et extrêmement précises, les conditions de température imposées à ladite éprouvette n'imposant aucun déplacement de celle-ci par rapport à sa monture tandis que les moyens d'application de la charge peuvent être réalisés sous forme pneumatique, par exemple à l'aide d'un vérin dont la commande est extrêmement commode. L'invention a également pour objet une éprouvette métallique destinée à être utilisée dans l'appareil d'examen défini ci-dessus. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, faite en se référant aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe axiale et en élévation d'un appareil d'examen d'éprouvettes suivant l'invention - la Fig. 2 montre une vue en coupe prise selon la liyne 2-2 de la Fig. 1 - la Fig. 3 est une vue en coupe, à plus grande échelle et en élévation de l'éprouvette montée dans les mors fixe et mobile et - les Fig. 4 et 5 montrent des courbes relevées à l'aide de l'appareil suivant l'invention et illustrant le fonctionnement de celui-ci. Suivant le mode de réalisation représenté aux Fig. 1 à 3, l'appareil suivant l'invention comporte une monture 1 pour une éprouvette métallique 2 à examiner. Cette monture comporte tout d'abord une chambre 3 formée par un boîtier 4 de forme à peu près cubique par exemple et fermé par une plaque de base 5 et un couvercle 6. Ce dernier reçoit trois tiges de support parallèles 7 s'étendant vers le haut et écartées angulairement de 1200, pour porter une plaque de montage supérieure 8 sur laquelle est monté un vérin pneumatique 9 dont l'axe s 'étend verticalement. Cet axe définit en même temps l'axe X-X de l'ensemble de l'appareil. Trois tiges de support parallèles 10 sont montées, également avec un décalage angulaire de 1200 autour du centre de la plaque de base 5. Ces tiges 10 qui s'étendent verticalement vers le bas portent à leurs extrémités inférieures un disque 11 percé en son centre et solidaire d'un mors fixe 12, vissé par en dessous sur le disque 11. Le mors fixe est muni d'un alésage axial (Fig. 3) qui se termine en haut par un filetage intérieur 13. La tige 14 du vérin 9 est solidaire d'un capteur 15 de mesure de force comportant de préférence plusieurs jauges de contraintes. Un capteur particulièrement approprié est celui fabriqué et vendu par la Société SEDEME sous la référence BC1. Le capteur 15 est relié à un mors mobile 16 composé d'une tige 17, d'une plaque supérieure 18, de trois tiges intermédiaires 19 à 1200, d'une plaque inférieure 20 et d'un manchon tubulaire 21 se terminant à son extrémité libre par un filetage intérieur 22 (Fig. 3). Le manchon 21 est traversé par une tige 23 en un matériau à faible coefficient de dilatation tel que la silice et faisant office de palpeur. Elle est connectée à son extrémité supérieure à un capteur d'allongement 24 réalisé de préférence sous la forme d'un capteur à transformateur différentiel. On utilise pour ce capteur de préférence celui fabriqué et vendu par la Société EQUIPIEL sous la référence linostast F200. Le capteur 24 est maintenu en position par un collier 25 solidaire d'un bras porteur radial 26 qui est fixé à l'élément mobile 27 d'un palier à déplacement linéaire 28 dont la partie fixe 29 est fixée sur la paroi de la chambre 3. Le palier 28 permet des déplacements verticaux avec un frottement extrêmement faible du capteur 24 à l'exclusion de tout autre mouvement. Le bras 26 est soutenu grâce à un berceau 30 monté de façon réglable en hauteur sur l'extrémité supérieure d'une tige 31 en un matériau à très faible coefficient de dilatation tel que la silice. A son extrémité inférieure, cette tige 31 présente la forme d'une crosse amont la portion 32 retournée vers le haut est taillée en pointe en 33 (Fig. 3) et traverse l'alésage du mors fixe 12. Afin de compenser le poids de l'ensemble capteur 24, collier 25, bras radial 26 et partie mobile 27, la tige 31 est entourée par un ressort 34 prenant appui sur la plaque de base 5 et sur une bague 35 à hauteur réglable, fixée sur a tige 31. Sur la Fig. 3, on voit que l'éprouvette 2 est formée par un corps essentiellement cylindrique comportant une partie centrale 36 de mesure et deux portions 37 et 38 de maintien filetées extérieurement et raccordées à la partie centrale par des arrondies concaves 39. La portion de maintien 37 comporte une cavité axiale 40 à fond plat 41 sur lequel vient s'appuyer la tige palpeur 23. La portion de maintien 38 présente également une cavité axiale 42 à fond conique 43--sur lequel vient s'appuyer la pointe 33 de la portion 32 en forme de crosse. Sur la partie centrale 36 de l'éprouvette, est soudé un thermocouple 44 pour la mesure de la température. Une enceinte 45 réalisée de préférence en silice transparente entoure la partie inférieure de l'appareil. Elle est montée sur un anneau de montage 46 muni d'un joint d'étanchéité 47. Un four 48 destiné à chauffer l'éprouvette 2 entoure l'enceinte 45. Ce four est tu type à rayonnement et peut être réalisé à l'aide de lampes d'une puissance électrique réglable. Dans ces conditions, il présente l'avantage de posséder une très faible inertie thermique, ce qui contribue à la rapidité desmesures à effectuer. La chambre 3 et l'enceinte 45 peuvent être mises sous vide grâce à un raccord 49 connecté à une pompe à vide (non représentée). C'est grâce au vide que l'enceinte 45 et l'anneau de montage 46 sont maintenus contre la face inférieure de la plaque de base 5-. Un joint d'étanchéité 50 entoure la tige 17 tout en permettant son déplacement axial, ce joint assurant l'étanchéité a cet endroit de la chambre 3. Un fluide de refroidissement tel que de l'hélium peut être introduit dans l'enceinte 45 à l'aide d'une source de fluide (non représentée) qui est connectée par l'intermédiaire d'un raccord 51 à un collecteur 52 et à trois tubes de soufflage 53 disposés dans l'enceinte 45 autour de l'éprouvette 2 et décalés angulairement de 1200. Chaque tube de soufflage 53 est muni à la hauteur de l'éprouvette 2 d'une rampe de trous 54 permettant de souffler le fluide de refroidissement sur l'eprou- vette 2. Un serpentin de refroidissement 55 à circulation d'eau est disposé sur la plaque de base 5 pour refroidir les parties adjacentes de la monture 1 et isoler thermiquement la partie haute de la monture 1 de la partie basse. Enfin, tous les organes de mesure et de commande des divers paramètres sont raccordés à un dispositif de commande 56 comportant diverses boucles de réglage de ces paramètres, les moyens d'enregistrement des résultats des mesures et autres organes d'exploitation de ceux-ci. Chaque fois que l'on désire connaître les propriétés d'un métal, ou d'un alliage déterminé, on fabrique une éprouvette ayant la forme représentée sur la Fig. 3. Cette forme est spécialement conçue pour obtenir une précision aussi grande que possible des mesures. Tout d'abord, on peut noter que l'ait de la section totale annulaire des portions de maintien 37 et 38 est suffisamment supérieure à celle de la section de la portion de mesure, pour que seule cette portion soit soumise aux déformations dues aux contraintes mécaniques exercées sur l'éprouvette. Par ailleurs, la capacité thermique au niveau des attaches des mors 12 et 21 étant supérieure à celle de la portion de mesure 36 de l'éprouvette, les portions de maintien 37, 3g ont une surface extérieure plus grande et donc une possibilité de rayonnement supérieure à celle de la portion de mesure, ce qui conduit en définitive à un échange de chaleur uniforme avec l'atmosphère environnante dans l'enceinte 45 sur toute la longueur de l'éprouvette 2. Pour obtenir une transmission fidèle de l'allongement au niveau de la surface de séparation entre le fond 41 et la tige 23, cette surface présente une forme plane, la force d'appui etant d'ailleurs ajustée par un ressort integre dans le capteur 24. Par ailleurs, la portion 32 de la tige 31 se termine en pointe et s'adapte au fond de la cavité 43. Cet agencement est destiné à assurer le centrage de la portion 32 par rapport à l'éprouvette, malgré les déformations de celle-ci pouvant la décentrer par rapport à l'axe X-X. En effet, sila surface de contact était plane, une déformation de l'éprouvette hors de l'axe X-X risquerait de mettre la portion 32 en contact avec la paroi de la cavité 42. La mesure ou tout au moins la compensation de l'allongement de la monture en serait perturbée. Les variations de longueur de l'éprouvette 2 sont transmises au capteur de déplacement 24 par la tige en silice 23. Par ailleurs, la tige 31 suit le déplacement du bas de la partie utile de l'éprouvette. Par conséquent, le déplacement du mors inférieur du à une déformation des trois tiges 10 sous l'effet de la température ou de la contrainte mécanique est automatiquement déduite de la variation de longueur apparente de l'échantillon qui est donné par le déplacement de la tige en silice. Le signal électrique délivré par le capteur de déplacement est ainsi proportionnel à .la seule variation de longueur de l'éprouvette 2. On peut noter à cet égard que les déformations de la monture dues aux variations de la température sont limitées uniquement à sa partie inférieure, c'est-à-dire les trois tiges 1G, la partie haute étant "isolée" thermiquement à l'aide du serpentin de refroidissement 55 parcouru par de l'eau froide. La Fig. 4 montre deux courbes comparatives d'un essai de traction à l'aide de l'appareil de l'invention, la courbe A étant relevée avec le dispositif de compensation (tige 31) mis en place, la courbe B représentant le résultat de la mesure en l'absence du dispositif de compensation (essai isotherme). Après vérification de ces courbes, on a pu constater que la courbes reflète fidèlement la courbe d'allongement du métal utilisé pour réaliser l'éprouvette. La perturbation due à la déformation de la monture par la charge appliquée étant dans ce cas compensée, on constate donc que le dispositif de compensation permet également d'agir, lorsque les essais sont faits dans des conditions isothermes. La Fig. 5 montre deux graphiques jumelés dans le cas d'essais dans des conditions de charge constantes respectivement avec compensation (A) et sans compensation (B). Les courbes représentées ont été relevées pendant deux cycles de mesure complets impliquant tout d'abord un échauffement de l'éprouvette et ensuite un refroidissement (four 48 et tubes 53 soufflant l'hélium sur l'éprouvette). On peut constater qu'en l'absence de la compensation la déformation apparente de l'éprouvette revient en réalité à une contraction puisque l'allongement total est d'une valeur négative, la déformation de la monture étant prédominante. Grâce au dispositif de compensation, on peut donc obtenir la courbe fidèle A qui, d'après des essais comparatifs sur des appareils classiques s'est avérée exacte. L'invention fournit donc un appareil d'examen d'éprouvettes métalliques capables de mesurer par exemple - les-propriétés mécaniques à chaud d'un matériau dans le cas de sollicitations appliquées rapidement durant un régime thermique variable - l'influence des contraintes mécaniques sur la structure et les propriétés des alliages - les contraintes développées par les transformations allotropiques du métal - la plasticité de transformation - les propriétés mécaniques ae phases très métastables. REVENDICAT IONS 1. Appareil d'examen d'éprouvettes métalliques, caractérisé en ce q-u'il comprend en combinaison une monture d'éprouvette (1) pour maintenir celle-ci dans une position fixe, cette monture comprenant un mors fixe (12) et un mors mobile (21) pour l'application d'une charge, des moyens (9, 14) pour appliquer une charge variable sur ledit mors mobile (21), des moyens (48, 51 à 53) pour soumettre lauite éprouvette (2) à des conditions de température prédéterminées éventuellement variables, des moyens de mesure de la charge (15), de la température (44) et de la dilatation (24) de l'éprouvette, et des moyens (25 à 32, 34, 35) de compensation de variations de longueur de ladite monture (1) en fonction desdites conditions de température. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (24) de la dilatation de l'éprouvette (2) comprennent un capteur de déplacement auquel les déplacements d'une extrémité de l'éprouvette sont transmises par l'intermédiaire d'un organe palpeur (23) en un matériau à faible coefficient de dilatation et en ce que ledit capteur de déplacement (24) est monté dans un support (25 à 29) autorisant le seul déplacement du capteur dans le sens des déplacements de ladite e,çtrémité de l'éprouvette (2). 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de compensation des variations de longueur de la monture (1) comprennent un organe de transmission de mouvement (31) en contact d'une part avec ledit support (25 à 29) du capteur (24) et d'autre part avec l'extrémité opposée de l'éprouvette (2). 4. Appareil suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit organe de transmission de mouvement est une tige (31) en un matériau à faible coefficient de dilatation. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ledit dispositif de compensation comporte des moyens (34, 35) pour équilibrer le poids du capteur (24) et de son support (25 à 29) vis-à--vis de ladite monture (1). 6. Appareil suivant les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que lesdits moyens d'équilibrage comprennent un ressort (34) entourant ladite tige (31) et prenant appui d'une part sur ladite monture (1) et d'autre part sur une bague (35) montée sur la tige (31) de préférence de façon réglable en hauteur. 7. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ledit organe palpeur (23) présente une extrémité plate destinée a s'appuyer sur le fond plat (41) d'une cavité axiale (40) ménagée dans ladite extrémité (37) de l'éprouvette (2). 8. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que ledit organe de transmission de mouvements (31) se termine par une portion (32) en pointe (33) destinée à s'appuyer de façon centrée sur le fond conique (43) d'une cavité axiale (42) ménagée dans l'extrémité opposée de ladite éprouvette (2). 9. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite monture (1) est disposée dans une enveloppe (3, 45) étanche vis-à-vis de l'ex térieur et raccordée à une source de vide (49). 10. Appareil suivant la revendication 9, caractérisé en ce que ladite enveloppe est compartimentée et comporte une chambre (3) logeant la majeure partie de ladite monture (1) et une enceinte (45) dans laquelle s'étend une partie du mors mobile (21), l'éprouvette (2) et une autre partie (10, 11) de ladite monture comportant le mors fixe (12) de l'éprouvette, et en ce que la chambre et l'enceinte sont séparées par une barrière thermique (5, 55). 11. Appareil suivant la revendication 10, caractérisé en ce que ladite barrière thermique comprend d'une part une plaque de séparation (5) munie d'orifices pour le passage de ladite monture (1) et dudit dispositif de compensation (31), la plaque laissant une libre communication de fluide entre la chambre et l'enceinte et d'autre partun serpentin de refroidissement (55) disposé contre ladite plaque (5) du côté de ladite chambre (3). 12. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite monture (1) est connectée à un vérin pneumatique (9) pour l'application de la charge sur l'éprouvette (2). 13. Appareil suivant la revendication 12, caractérisé en ce que la monture (1) est connectée au vérin (9) par l'intermédiaire d'un capteur de force (15) pour la mesure de la charge. 14. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de soumission de l'éprouvette à des conditions de température prédéterminées comprennent un four de chauffage (48) disposé autour de la zone contenant ladite éprouvette (2) et une source de refroidissement (51 à 53) également disposée autour de ladite éprouvette (2). 15. Appareil suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le four (48) est du type à faible inertie thermique, et constitué par des ampoules électriques. 16. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 14 et 15, caractérisé en ce que ladite source de refroidissement comprend un jeu de tubes (53) communiquant avec une source de fluide inerte (52, 51) et munis chacun dans la zone de l'éprouvette d'une rampe d'orifices (54) débouchant au voisinage de l'éprouvette. 17. Appareil suivant la revendication 16, caractérisé en ce que ledit fluide inerte est gazeux, par exemple de l'hélium. 18. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'asservissement (56) connecté entre les organes de mesure de l'appareil et les moyens d'application de la charge et aux moyens de soumission à des conditions de température prédéterminées, pour asservir les divers paramètres appliqués à ladite éprouvette. 19. Eprouvette du type destiné à être utilisée dans un appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes.