Brevet FR2432734A1 — publié le 19800229

L'invention se situe dans le domaine de l'analyse dilatométrique, et concerne plus précisément le contrôle du refroidissement de lteprouvette. La cinetique de transformation, donc la structure et les caractéristiques mécaniques, d'un acier ne dépendent pas que de la vitesse de refroidissement avant transformation, mais peuvent être notablement affectés par la forme de la loi de refroidissement pendant cette dernière. Ainsi, dans le cas des aciers durs, de composition voisine de l'eutectoide, le changement de phase r + perlite est une réaction très exothermique qui peut provoquer une remontée en température de l'acier pendant la transformation. Cette dernière s'effectue donc en partie à température relativement élevée, conduisant à une structure finale grossière souvent impropre à certains traitements mecaniques ultérieurs.Plus généralement, les conditions de transformation d'une piece massive différent dans sa- section et dépendent, en un point détermine de celle-ci, du cycle thermique en ce point. Suivant la forme, la massivité de la pièce et le mode de refroidissement, les gradients thermiques dans la section peuvent être notablement modifiés par les décalages correspondants entre les cinétiques de transformation. il apparait donc indispensable de disposer de moyens permettant de simuler très précisément un cycle thermique quelconque independamment de l'interaction transformation - refroidissement. L'analyse dilatométrique, par mesure des variations de longueur de l'échantillon étudie suivant ses changements structuraux, fournit des renseignements très précieux. Cependant cette méthode est limitée, dans son champ d'application, principalement du fait de l'inertie thermique des dilatométres actuels, inertie qui ne permet pas toujours un bon contrôle des phases de refroidissement de certains cycles thermiques. Le but de la présente invention est précisément de fournir un procédé et un dispositif de contrôle du refroidissement d'une éprouvette de dilatométrie permettant la realisation de traitements thermiques complexes et précis. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de contrôle du refroidissement d'une eprouvette de dilatométrie, selon lequel on envoie sur l'éprouvette un flux de gaz inerte, le debit de ce gaz étant constant et supérieur à tout instant débit nécessaire pour suivre la loi de refroidissement choisie, et selon lequel on impose simultanémént à l'éprouvette un chauffage rapidement modulable de manière que la température de I'éprouvette soit à tout instant celle prévue par la loi de refroidissement. De préference, le chauffage est module de manière à annuler l'écart entre la valeur de consigne prévue par la loi de refroidissement et la température, repéree par un thermocouple, à coeur de l'éprouvette. L'invention a également pour objet un dispositif de controle du refroidis sement d'une éprouvette de dilatométrie constitué par : - des moyens pour assurer un refroidissement constant de l'éprouvette, - des moyens de chauffage de l'éprouvette, - des moyens de repérage de la température de l'éprouvette, - un système de régulation du chauffage permettant d'annuler l'écart entre la température de l'éprouvette et une valeur de consigne correspondant à la loi de refroidissement choisie. De préférence les moyens pour assurer un refroidissement constant de 1 'é- prouvette sont constitués par une pluralité de jets d'hélium, répartis autour de l'éprouvette ; les moyens de chauffage sont constitues par un four a rayonnement entourant l'éprouvette ; les moyens de repérage de la température de l'éprou- vette consistent en un thermocouple dont l'éprouvette constitue la soudure chaude ; les moyens de régulation du chauffage sont constitués par un régulateur à action proportionnelle integrale et dérivée qui reçoit d'une part la valeur de consigne et d'autre part le signal fourni par le thermocouple. Le régulateur peut en particulier être commandé par un programmateur numérique ou un detecteur de trace qui suit la loi de refroidissement tracée sur un support conducteur.Le programmateur ou le suiveur de trace peuvent également commander le refroidissement par flux gazeux de l'éprouvette, par l'intermédiaire d'électrovannes et d'un système d'asservissement. Comme on le comprend, pour réaliser des cycles thermiques complexes et précis, le système de refroidissement d'un dilatomètre doit à la fois présenter une faible inertie et assurer une mise en température extrêmement rapide et homogène. Or ces deux exigences sont généralement contradictoires. En effet, pour avoir une faible inertie, le systeme de refroidissement doit comporter un nombre faible de jets gazeux, mais dans ce cas la mise en température est relativement lente et surtout l'homogénéité le long de l-'éprouvette n'est pas assurée. Par contre, -un refroidissement au moyen de jets nombreux et répartis suivant la hauteur dé l'éprouvette peut posséder les qualités de rapidité et d'homogëné'ité requises, mais présente un temps de réponse important, cause notamment par le fonctionnement des électrovannes et les pertes de charge dans le circuit gazeux. De- plus un mode de refroidissement autre qu'un soufflage de gaz inerte vis à vis de l'éprouvette, par exemple une pulvérisation d'eau est difficilement conceva bl e, du fait que l'éprouvette est chauffée sous vide, et peut conduire à des dissymetries au cours du refroidissement.Le demandeur, désirant conserver les qualités de rapidité et d'homogénélté, indispensables pour effectuer certaines trempes, du refroidissement à l'aide de jets gazeux nombreux et répartis a donc été amene, pour en minimiser-l'inertie thermique, à lui superposer un chauffage que l'on sait, dans l'état actuel de la technique, rendre extrêmement souple, les effets de ces deux actions antagonistes : chauffage et refroidissement etant judicieusement dosés de manière à suivre une loi de refroidissement choisie à l'avance. L'invention sera de toutes façons bien comprise au vu de la description d'un dispositif de mise en oeuvre et des exemples d'application qui vont suivre, donnes à titre purement illustratif en référence aux planches de dessin annexées sur lesquelles - la figure 1 schematise un mode de réalisation particulièrement avantageux du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un exemple de cycle thermique comportant une loi de refroidissement linéaire, - la figure 3 représente un cycle thermique comportant une trempe isotherme et la courbe de dilatation correspondante. Sur la figure 1 on peut voir, en 1, l'éprouvette de-dilatometrie, disposée à l'intérieur d'un four à rayonnement 2, constitue de deux lampes filament de tungstène 3, 4 dont des réflecteurs 5, 6, concentrent l'énergie rayonnée sur l'éprouvette 1. Cette éprouvette est maintenue à l'intérieur d'un tube laboratoire en silice 7, qui assure son maintien sous vide ou sous atmosphèreprotec- trice, à l'aide d'un montage dilatométrique classique non représente pour ne pas surcharger la figure. Le refroidissement de l'éprouvette est assuré par soufflage d'hélium à l'aide d'un dispositif 8, fournissant une pluralité de jets répartis autour de l'éprouvette, relié à une alimentation en helium par l'intermédiaire d'électrovannes 9 et 10. Le cycle thermique subi par l'éprouvette ? peut, par exemple, être programme par trace sur une feuille conductrice. Ce programme est placée sur un suiveur de trace 11- qui commande d'une part un régulateur 12 assurant le pilotage du four 2 par l'-intermédiaire d'une unité de puissance 13 et, d'autre part, les électrovannes 9 et 10 par l'intermédiaire d'un dispositif-d'asservissement 14. Un thermocouple 15, dont l'éprouvette constitue la soudure chaude, permet de repérer à chaque instant la température' de l'éprouvette. Le signal fourni par ce thermocouple 15 est envoyé dans le régulateur 12 qui, lorsqu'il y a un écart entre la valeur de consigne fournie par le- suiveur de trace 11 et la température de l'éprouvette 1, agit sur 1-unité de puissance 13 pour ramener cet écart à zéro. Les cycles thermiques comportent habituellement une phase de chauffage à température-constante, pour effectuer une austénitisation dans le cas des aciers, suivie d'une phase plus ou moins'complexe de refroidissement. Lorsque le chauffage préalable est termine, le suiveur de trace 11 déclanche l'ouverture des électrovannes 9 et 10 et donc le soufflage d'helium sur l'éprouvette. Afin de suivre de façon précise la loi de refroidissement tracée sur le programme, le débit d'hélium est maintenu constant à une valeur supérieure à celle nécessaire pour le refroidissement prévu et le régulateur 12 agit sur l'unité de puissance 13, compte tenu des indications du thermocouple 15 pour imposer un chauffage compensant exactement l'excès de refroidissement. Ca régulateur doit être à hautes performances, afin d'assurer un faible temps de réponse du four.Dans l'exemple considéré, c'est un régulateur à action proportionnelle intégrale et dérivée : l'action proportionnelle commande une puissance moyenne proportionnelle à l'écart mesure-consigne ; l'action intégrale permet d'eliminer l'écart mesure-consigne en régime stabilisé, l'action derivée agit proportionnellement à la vitesse d'évolution de la température en régime transitoire. Deux cycles thermiques ont été réalisés sur des éprouvettes en acier de type FM 78 (C : 0,78 % ; Mn : 0,61 % ; Si : 0,25 ) de 2 mm de diamètre et de 10 mm de longueur, à l'aide du dispositif décrit précédemment. Dans l'exemple représentésur la figure 2 on veut imposer à l'éprouvette une loi de refroidissement linéaire I à partir de la température d'austenitisation o0 (9750C) et jusqu'à l'ambiante. Les aciers du type étudié, à teneur en carbone proche de lteutectolde se transforment selon une réaction exothermique (enthalpie de réaction 25 caljg environ).Donc, si on se contente de faire subir à l'éprouvette un 'simple refroidissement par soufflage d'helium, un réglage judicieux de ce dernier permet seulement d'obtenir la loi thermique II qui, comme on le Voit, présente une certaine recalescence entre les instants t1 et t2 et la fin de la transformation s'effectue à des températures supérieures à celles de la loi I choisie. Si maintenant on adopte un débit d'hélium plus important, qui seul conduirait au cycle thermique III, auquel on superpose un chauffage modulé à tout instant du refroidissement pour obtenir l'effet représente par les fleches du schema, il est possible d'obtenir exactement la loi I. Ceci n' aurait pas été -possible en modulant le seul flux gazeux de refroidissement, et fait apparaitre clairement les-avantages du procédé selon l'invention. Un autre exemple, représenté sur la figure 3 (courbe IV) concerne une trempe isotherme à 5500C. Comme on le'doit sur cette courbe, l'éprouvette est refroidie tres rapidement, en moins de deux secondes de la température d'austénitisation (975- C) à la température choisie pour le maintien isotherme (AB), par- soufflage d'hélium avec un débit élevé; une fois atteint la température de 5500C on superpose au refroidissement un chauffage modulé, de manière à maintenir cette température constante jusqu'a ce que la transformation soit achevée (BC.). On constate, d'après les indications du thermocouple, que l'erreur sur la température choisie pour le maintien est au maximum de + 20C, ce qui est tres faible.Sans superposition du chauffage module au refroidissement par soufflage d'hélium, le phénomène de recalescence aurait perturbé la loi thermique et l'on n'aurait pu obtenir le maintien isotherme. Sur cette- même figure est reportée la courbe de dilatation V de l'éprouvette, qui comporte un palier correspondant à l'austénitisation, une portion linéaire correspondant à la trempe (DE), un plateau de maintien isotherme (EF), une partie correspondant à la transformation (FG), et un palier GH marquant la fin de la transformation. Il va de soi que la présente invention ne saurait être limitée, dans sa portée aux exemples décrits. Des cycles thermiques beaucoup plus complexes peuvent être effectués de la même maniere, Il suffit, au début de chaque phase de refroidissement, séparée éventuellement des suivantes par des chauffages ou des maintiens isothermes, d'imposer un débit gazeux suffisamment intense pour que, sans chauffage, le refroidissement corresponde à des températures inférieures à celles visees et à lui superposer un chauffage asservi aux indications du thermocouple. Quelques essais préalables suffisent pour déterminer les conditions opératoires-appropriées dans chaque cas particulier. REVENDICATIONS 1. Procédé de contrôle du refroidissement d'une éprouvette de dilatométrie, selon lequel on envoie sur l'éprouvette un flux de gaz inerte, caractérisé en ce que le débit gazeux est constant et superieur à tout instant au débit nécessaire pour suivre la loi de refroidissement choisie et en ce que l'on impose simultanément à l'éprouvette un chauffage rapidement modulable, de manière que la température de l'éprouvette soit à tout instant celle prévue par la loi de refroidissement. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le chauffage est modulé de manière à annuler l'écart entre la valeur de consigne prévue par la loi de refroidissement et la température, repérée par un thermocouple, à coeur de l'éprouvette. 3. Dispositif de contrôle du refroidissement d'une éprouvette de dilato métrie, caractérisé en ce qu'il est constitué par - des moyens pour assurer un refroidissement constant de l'éprouvette, - des moyens de repérage de la température de l'éprouvette, - des moyens de régulation du chauffage de l'éprouvette, permettant d'annuler l'écart entre la température de l'éprouvette et une valeur de consigne correspondant à la loi de refroidissement choisie. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens pour assurer un refroidissement constant de l'éprouvette sont constitués par une pluralité de jets d'helium repartis autour de l'éprouvette. 5. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens de chauffage de l'éprouvette sont constitués par un four à rayonnement entourant l'éprouvette. 6. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens de repérage de la température de l'éprouvette consistent en un thermocouple dont l'éprouvette constitue la soudure chaude. 7. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les moyens de régulation du chauffage sont constitues par un régulateur à action proportionnelle, intégrale et dérivée qui reçoit d'une part la valeur de consigne et, d'autre part, le signal fourni par le thermocouple. 8. Dispositif selon la revendication 7 caractérise en ce que le régulateur est commandé par un programmateur numérique ou un suiveur de trace qui suit la loi de refroidissement choisie. 9. Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce que le suiveur de trace ou le programmateur numérique commandent également le refroidissement par flux gazeux de l'éprouvette par l'intermédiaire d'electrovannes et d'un système d'asservissement.