Brevet FR2455272A1 — publié le 19801121

L'invention a pour objet un perfectionnement apporté aux appareillages d'études du comportement des matériaux dans lesquels une éprouvette sollicitée en traction ou en compression est soumise à des essais de fatigue notamment à des essais de fatigue à déformation imposée. L'étude du comportement des matériaux en vue des calculs de prévision de leur durée de vie exige maintenant des mesures très précises mettant en oeuvre des moyens d'essais, en particulier des moyens de mesure de déformation, de plus en plus complexes. Ces moyens de mesure de déformation, qui sont généralement disposés sur le matériau,ne doivent pas en modifier les caractéristiques propres et doivent, dans le cas d'essais de matériaux portés à haute température, présenter une excellente tenue mécanique. Ces impératifs écartent les mesures directes mettant en oeuvre des jauges, collées ou soudées, ou des extensomètres fixés au moyen de couteaux ou de collerettes. On fait alors appel, soit à des mesures directes sans contact, mettant en oeuvre des extensomètres optiques, soit à des mesures indirectes avec contact, mettant en oeuvre des moyens de mesure disposés en dehors de la zone à étudier et associés à des moyens de calcul permettant de déduire la déformation propre de ladite zone. L'utilisation d'extensomètres optiques nécessite l'implantation de repères mécaniques ou optiques dont le positionnement sur l'éprouvette est très délicat. Le demandeur a déjà mis au point un procédé de mesure indirecte de la déformation d'une éprouvette ne présentant pas les inconvénients précités et qui est mis en oeuvre dans un appareil d'essai de relaxation à chaud de matériaux décrit dans le brevet français nO 2 093 350. L'appareil comporte des moyens d'appliquer à une éprouvette une force de traction ou de compression dont la grandeur est ajustée au moyen d'un dispositif asservi imposant à l'éprouvette une déformation constante.La déformation qui est mesurée entre les extrémités de l'éprouvette, au niveau des mors d'amarrage ou sur les têtes de l'éprouvette ,est une déformation apparente qui englobe la déformation de la partie centrale, ou partie utile de l'éprouvette, la déformation des zones de raccordement de la partie utile avec les têtes de l'éprouvette et aussi la déformation des têtes d'éprouvette à laquelle s'ajoute encore la déformation éventuelle des mors d'amarrage. Dans cet appareil, la déformation de la partie utile de l'éprouvette est déterminée, a posteriori, en tenant compte des résultats d'essais complémentaires. I1 ne permet pas l'exécution d'essais en temps réel dans lesquels on mesure directement la déformation dans la partie utile de l'éprouvette. L'invention pallie cet inconvénient et a pour objet un appareil pour déterminer en temps réel la déformation subie par une éprouvette dans sa partie utile. L'appareil comprend des moyens d'appliquer une sollicitation réglable et permet, en agissant sur les moyens de réglage,d'imposer dans la partie utile de l'éprouvette une déformation constante ce, grâce à quoi, on peut étudier directement l'évolution de cette sollicitation au cours du temps. L'appareil s'applique aussi aux essais des matériaux dans lesquels on agit sur les moyens de réglage pour imposer à l'éprouvette des sollicitations statiques ou cycliques de traction et de compression d'amplitude constante ou variable. Selon l'invention la déformation subie dans la partie utile d'une éprouvette soumise à une sollicitation est obtenue en apportant, au moyen d'un calculateur spécialisé, des corrections C1, C2, C3 aux mesures de la force F appliquée sur les têtes et aux mesures du déplacement relatif LT des têtes d'éprouvettes. Les corrections C1 et C2 sont faites sur les mesures de force et font intervenir respectivement - la longueur théorique L* (ou longueur utile équivalente), la section S et le module d'élasticité E du matériau dans la partie utile de l'éprou- vette, - la raideur R de l'ensemble constitué par la machine d'application de la sollicitation et l'éprouvette. La variation de longueur de l'éprouvette par unité de longueur utile équivalente, c'est-à-dire la déformation e de l'éprouvette dans sa partie utile, est déduite de ces deux valeurs corrigées en y ajoutant la valeur du déplacement relatif LT et en apportant au résultat une correction C3 faisant intervenir la valeur de ladite longueur utile équivalente. L'invention concerne un appareil d'essai de fatigue des matériaux dans lequel on étudie la déformation subie dans la partie centrale, appelée partie utile, d'une éprouvette constituée en un matériau de module d'élasticité E, ladite partie utile ayant une section S et une longueur utile équivalente L*, ledit appareil comportant des moyens d'appliquer sur les têtes d'éprouvette une sollicitation réglable F, lesdits moyens présentant avec l'éprouvette une raideur R, des moyens électriques de mesurer cette sollicitation, des moyens électriques de mesurer le déplacement relatif LT des têtes d'éprouvette et un calculateur;;et il est caractérisé en ce que le calculateur comprend,d'une part, un ensemble de sommation du signal délivré par les moyens de mesure de déplacement avec deux signaux électriques élaborés par un premier multiplicateur relié aux moyens de mesure de sollicitation et comportant deux mémoires de coefficients C1 et C2 de valeurs respectives L* et - 1 et, d'autre part, un second multiplicateur relié à la sortie ES de ensemble de sommation et comportant une mémoire de coefficient C3 de valeur 1 . L'appareil comporte en outre des moyens de comparaison, disposés entre la sortie du calculateur et les moyens d'applications de la sollicistation, qui agissent pour imposer une déformation constante dans la partie utile de l'éprouvette. L'appareil permet de déduire en temps réel par soustraction de la déformation élastique 6 e à la déformation 6 , la déformation plastique Ep de la partie utile de l'éprouvette, ce grâce à quoi on peut déterminer avec précision la loi de comportement d'un matériau en faisant intervenir comme paramètres la contrainte, la déformation viscoplastique et la vitesse de déformation viscoplastique. Dans la description qui suit, on se réfèrera aux dessins annexés dans lesquels - la fig. 1 représente une installation d'essais de fatigue en traction à déformation imposée ; - la fig. 2 est une coupe longitudinale de l'éprouvette utilisée dans l'ins tallation représentée fig. 1 - la fig. 3 est un schéma du calculateur conforme à l'invention et faisant partie de l'installation ; - la fig. 4 est un schéma plus détaillé d'une forme préférentielle de réalisation. Une éprouvette cylindrique 1 (fig. 1) est reliée au bâti 2 d'une machine de traction 3 par l'intermédiaire d'un dynamomètre 4 fixé à une de ses extrémités 12. La température de l'éprouvette, chauffée au moyen d'un dispositif de chauffage par induction 5 comportant un inducteur à spires latérales-51 alimenté par une source de courant haute fréquence 52, est mesurée au moyen d'un pyromètre optique 6. On impose dans la zone centrale ou partie utile 14, de section S, de l'éprouvette une déformation constante au moyen d'un calculateur de commande 7. Les entrées 71 et 72 du calculateur sont reliées respectivement à l'extensomètre 4 et à un capteur de déplacement 8 disposé entre les têtes 11 et 12 de l'éprouvette 1. Le calculateur 7 détermine, à partir de la valeur de la force F appliquée à I'éprouvette, du déplacement relatif LT des têtes d'éprouvette et de constantes connues (S, E, L*) relatives aux caractéristiques mécaniques de l'éprouvette, un signal représentant la déformation réelle g de la partie utile de l'éprouvette e = r 1 > + ) + LT l 1 (1) - ES R Dans cette relation F représente la force appliquée sur les têtes de l'éprouvette LT est le déplacement relatif mesuré au niveau des têtes de l'éprouvette ;; R, E, L* sont des constantes caractéristiques de l'essai et qui sont connues ou déterminées par des étalonnages préalables R raideur de ensemble constitué par l'éprouvette et la machine S section de la partie centrale de l'éprouvette; E module d'élasticité du matériau à la température d'essai L* longueur utile équivalente de l'éprouvette. Ce signal est appliqué à l'entrée 91 d'un comparateur 9 dont l'autre entrée 92 reçoit une valeur de consigne relative à la déformation imposée et dont la sortie est connectée à l'entrée de commande de la machine de traction. La longueur utile équivalente d'une éprouvette qui dépend de sa géométrie, du matériau et de la température d'essai est définie par la relation L* = Lp (2) Dans celte relation,Lp et p représentent respectivement le déplacement relatif plastique mesuré entre les têtes d'éprouvette et la déformation plastique dans la partie centrale lorsque cette éprouvette est soumise à des essais d'écrouissage. La longueur utile équivalente est en pratique plus grande que la longueur de la partie centrale. La fig. 2 montre à titre d'exemple une éprouvette 1, de forme cylindrique qui comporte entre les têtes 11 et 12 et la partie centrale 14 des raccordements toriques 15 de rayon élevé conformés pour éviter le flambage. Une telle éprouvette en alliage IN 100 utilisée à 10000 C et dont la partie cylindrique centrale a pour longueur L = 12 mm et pour section S = 28,27 mm2 présente une longueur utile équivalente L* = 25,5mm. Le calculateur 7 comprend (fig. 3) un premier multiplicateur 74 comportant des moyens 741, 742 pour multiplier respectivement le signal délivré par le dynamomètre 4,d'une part, par un coefficient C1 = L* mis en ES mémoire dans un premier registre 743, et, d'autre part, par un coefficient C2 = -1 mis en mémoire dans un deuxième registre 744 ; le signal électrique résultant de chacune des multiplications étant appliqué respectivement aux entrées 751, 752 d'un ensemble de sommation 75 dont l'entrée 753 est reliée au capteur de déplacement 8 (fig. 1). La sortie de l'ensemble de sommation est connectée à l'entrée d'un deuxième multiplicateur 76 qui comporte un moyen de multiplication 761 associé à un registre de coefficient 762 contenant la valeur C3 = 1 . Les eoeffleients C1, C2, C3 mis en mémoire avant l'essai de fatigue sont déterminés au moyen des constantes E, R, S, L*, caractéristiques du matériau, de la forme et de la température d'essai de l'éprouvette. La fig. 4 représente une réalisation du calculateur au moyen de circuits analogiques. Le signal délivré par le dynamomètre à l'entrée 71 est multiplié, d'une part, par le coefficient C2 au moyen d'un premier multiplieur comprenant un amplificateur opérationnel 710 et un potentiomètre 711 relié à la masse et, d'autre part, par le coefficient C1 au moyen d'un second multiplieur comprenant un amplificateur inverseur 712 et un potentiomètre 713 relié à la masse. Les valeurs absolues des coefficients multiplicateurs C1 et C2 sont affichées avant l'essai sur des dispositifs coopérant avec les axes des potentiomètres 713, 712.Les signaux délivrés par le premier et le deuxième multiplieur sont additionnés avec le signal délivré en 72 par le capteur de déplacement 8, et multipliés par un terme correctif C3 dans un dispositif comprenant deux amplificateurs différentiels 714, 715 disposés en série et un potentiomètre 716 relié à la masse. Le signal électrique 73 de sortie du calculateur analogique représente la déformation dans la partie utile de l'éprouvette. Le signal électrique délivré par l'amplificateur 714 représente l'allongement plastique total Lp de l'éprouvette. Le signal délivré par l'amplificateur 715 représente l'allonge ment a L* de la partie utile de l'éprouvette. Des moyens non représentés sur la fig. 4 et connectés respectivement à la sortie des amplificateurs différentiels 714 et 715 permettent de calculer à partir d'étalonnages préalables les valeurs de l'allongement plastique Lp, et l'allongement total ssL*. REVENDICATIONS 1 - Appareil d'essais de fatigue des matériaux dans lequel on étudie la déformation subie dans la partie centrale, appelée partie utile, d'une éprouvette constituée en un matériau de module d'élasticité E, ladite partie utile ayant une section S et une longueur utile équivalente L*, ledit appareil comportant des moyens d'appliquer sur les têtes d'éprouvette une sollicitation réglable F, de traction ou de compression, lesdits moyens présentant avec l'éprouvette une raideur R, des moyens électriques de mesurer cette sollicitation, des moyens électriques de mesurer le déplacement relatif LT des têtes d'éprouvette et un calculateur; et il est caractérisé en ce que le calculateur comprend, d'une part, un ensemble de sommation du signal délivré par les moyens de mesure de déplacement avec deux signaux électriques élaborés par un premier multiplicateur relié aux moyens de mesure de sollicitation et comportant deux mémoires de coefficients C1 et C2 de valeur respective L* et - 1 et, d'autre part, un second multiplicateur relié 'eS w à la sortie de l'ensemble de sommation et comportant une mémoire de coefficient C3 de valeur 1 2 - Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie du calculateur est reliée à l'entrée des moyens d'application de sollicitation par l'intermédiaire d'un comparateur de signaux recevant, en outre, un signal électrique de consigne correspondant à une déformation choisie de la partie utile de l'éprouvette. 3 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les multiplicateurs comportent au moins un amplificateur dont la sortie est reliée à une extrémité d'un potentiomètre, dont l'autre extrémité est reliée à la masse-. 4 - Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ensemble de sommation comprend un premier amplificateur différentiel connecté, d'une part, aux moyens de mesure de déplacement et, d'autre part, à la sortie du premier multiplicateur lié- - à la mémoire de coefficient C1 et un second amplificateur différentiel connecté d'une part à la sortie du premier multiplicateur lié à la mémoire de coefficient C2. 5 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la sortie du premier amplificateur différentiel comprend des moyens de déterminer la variation de longueur plastique totale de l'éprouvette. 6 - Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la sortie du second amplificateur différentiel comprend des moyens de déterminer la variation de longueur de la partie utile équivalente de l'éprouvette.