Brevet FR2567644A1 — publié le 19860117

La présente invention est relative à un procédé et un dispositif pour commander et mesurer de manière précise des faibles forces et des petits mouvements dans un dispo- sitif d'application de charge normalement destiné essen- tiellement à des forces et à des mouvements plus importants. L'étude des propriétés mécaniques des métaux et au- tres matériaux exige des mesures soigneuses de la charge et de la déformation d'une pièce de travail qui est provoquée par ladite charge, c'est-à-dire une mesure simultanée de la charge et du mouvement ou déformation. Les laboratoires d'essai des matériaux ont normale- ment accès à des machines d'essai qui présentent une capa- cité de charge pouvant aller jusqu'à 50 kN et même au-delà. Pour les essais qui exigent des charges considérablement plus faibles, par exemple de l'ordre de 1000 N ou moins, il arrive souvent qu'on ne puisse pas atteindre la préci- sion prescrite dans la détermination de la charge. Un procédé couramment utilisé pour résoudre ce pro- blème consiste à insérer, en série avec la pièce d'essai, un transducteur de force additionnel présentant une gamme de mesure appropriée. Pour des charges de traction, cette solution peut être possible car le transducteur peut être protégé contre des surcharges néfastes qui se produisent par exemple quand la pièce d'essai se brise. Par contre, pour des charges de compression, il est difficile de pro- téger efficacement le transducteur de force contre de tel- les surcharges. Cela résulte du fait qu'il est difficile de commander la machine, laquelle est souvent du type à servo-commande, avec suffisamment de précision. Il peut également en résulter que la pièce d'essai est soumise à des surcharges néfastes et peut se rompre dès qu'elle est placée dans la machine. Pour des pièces d'essai présentant une très faible résistance, des dispositifs de mesure de déformation, par exemple du type des extensomètres, -peuvent donner naissan- ce à des forces qui agissent contre les pièces d'essai, ces forces influençant le comportement à la fracture et les forces mesurées, et ce de manière non acceptable. Le but de la présente invention est de fournir un procédé qui élimine les inconvénients ci-dessus lorsque, par exemple, une machine d'essai est utilisée pour déter- miner les résistances à la flexion, à la compression ou à la traction, ou encore la résistance à la fracture, dans une gamme de charge à laquelle la machine n'est normalement pas destinée à être utilisée. L'invention est basée sur le phénomène physique qui réside en ce que, dans un corps annulaire de forme appro- priée, du type étrier, qui est chargé suivant deux points diamétralement opposés, une relation bien définie, habi- tuellement linéaire, entre la force et la déformation D, est obtenue endeçà de la limite élastique, D étant mesuré en tant que déplacement desdits points l'un par rapport à l'autre dans la direction de la force. On comprendra bien l'invention à la lecture de la description qui va suivre et en référence aux dessins an- nexés dans lesquels: Fig. 1 est une vue latérale schématique d'un étrier de mesure utilisé dans la présente invention; Fig. 2 est une coupe transversale de l'étrier de me- sure de la Fig. 1; Fig. 3 est une vue latérale de l'étrier de mesure monté dans une machine d'essai de calibration; et Fig. 4 est une vue latérale de l'étrier de mesure tel qu'il est utilisé pendant un essai. Selon l'invention, on utilise un étrier 20 ou analo- gue, de préférence de forme annulaire, comme représenté à la Fig. 1. A l'intérieur de l'étrier 20 sont disposés un transducteur intérieur de force 10 et une monture ou pièce d'essai 11 agissant contre ledit transducteur. La gamme ou plage de mesure du transducteur de force 10 est choisie de telle manière qu'elle dépasse la force maximale prévue pen- dant l'essai, et ce suivant une marge appropriée. L'étrier doit être dimensionné de telle manière qu'on obtienne le mouvement requis sans que la limite élastique de la matière constituant l'étrier soit atteinte et, de préférence, de telle manière qu'il puisse supporter la charge maximale de la machine sans être endommagé. Avant l'essai, l'étrier de mesure doit être calibré. La déformation, qui est une fonction de la force appliquée, est mesurée au moyen d'un transducteur extérieur de force 12 et d'un extensomètre précis 13 (Fig. 3). La relation li- néaire suivante lie la force appliquée et la déformation qui en résulte: D = k1Fb dans laquelle:D est la déformation en pm mesurée par l'ex- tensomètre, Fb est la force appliquée sur l'étrier de mesure et mesurée par le transducteur extérieur de force 12., et k1 est une constante de proportionnalité. Les machines d'essai de matériaux sont normalement actionnées suivant le mode à commande de charge et la vites- se d'application de la charge peut varier très largement suivant une fonction croissante. En raison de la relation linéaire ci-dessus entre l'augmentation de la force et la déformation, le déplacement des points d'application de la charge l'un par rapport à l'autre est proportionnel a la force agissant sur l'étrier de mesure et suit le même pro- cessus dans le temps. Cela est applicable quand le trans- ducteur intérieur de force n'est pas chargé et également, de manière approximative, quand la force appliquée à celui- ci est faible par rapport à la force qui est appliquée à l'étrier de mesure. Si la force agissant sur le transduc- teur intérieur n'est pas négligeable, la déformation de la pièce d'essai suit la relation suivante: D = k1 (FL -Fp) dans laquelle: Fb représente l'augmentation de la force appliquée à l'étrier de mesure pendant le processus d'es- sai, cette augmentation étant mesurée par le transducteur extérieur de force 12, et F représente la force appliquée sur l'échantillon, me- p surée dans le transducteur intérieur de force 10. La monture ou pièce d'essai 11 peut normalement 8tre assez rigide pour que sa déformation puisse être négligée. Lors de l'essai, l'étrier de mesure est d'abord char- gé avec une force suffisante pour qu'une charge initiale appropriée soit appliquée sur la.pièce d'essai. Lors de l'augmentation subséquente de la charge, l'évolution de la force et la force de rupture sont indiquées par le trans- ducteur intérieur de force. L'évolution de la déformation et la déformation à la rupture sont indiquées indirecte- ment par le transducteur extérieur de force. La valeur de la résistance à la rupture est ensuite calculée de manière habituelle sur la base des dimensions de la pièce d'essai et de la charge de fracture indiquée. L'énergie absorbée avant la rupture est calculée en tant que l'intégrale du produit de la force et de la déformation jusqu'à la rupture. Le module d'élasticité est obtenu à partir de la relation entre la force, la déformation et les dimensions de la piè- ce d'essai. En variante, la déformation de l'étrier pendant l'es- sai, et ainsi également la déformation de la pièce d'essai, peuvent être déterminées par des moyens séparés, par exem- ple par des jauges de contrainte 21 placées à des endroits appropriés de l'étrier 20. Cette variante peut également être utilisée si on a besoin d'un dispositif d'essai particulièrement rigide. Le transducteur intérieur de force 10 peut ensuite être enle- vé et la force Fp agissant sur la pièce d'essai peut alors être déterminée par la relation suivante D = (Fb - Fp) k2 dans laquelle: D est la déformation mesurée par les moyens séparés, et k2 est une constante de proportionnalité, déterminée par calibration. Exemple Pour une détermination précise des propriétés de ré- sistance de produits obtenus par compactage de poudre dans un essai de flexion en trois points, on a utilisé une machi- ne d'essai à servo-commande actionnée par calculatrice,pré- sentant une capacité maximale de charge de 100 kN avec des plages de charge de 100 - 50 - 20 - 10 kN. Pour des produits obtenus par compactage de poudre, présentant des dimensions de 8x6x25 mm, la force de rupture s'elève au plus à 100 N et la déformation à la rupture est de 100 à 300 pm. Un étrier de mesure selon l'invention, présentant des gorges pour deux galets de support 14 (Fig. 4), en vue d'un essai de flexion à trois points, a été réalisé en une matiè- re définie par la norme SS 2541. Pour appliquer la charge sur la pièce d'essai, on a utilisé un poinçon 15 réalisé dans la même matière. Un transducteur miniature 16 de force de compression, dénommé Showa MR 10 K, a été utilisé pour déterminer la force appliquée à la pièce d'essai. Avant l'essai, l'étrier a été calibré et sa déforma- tion D,exprimée en pm en fonction de la force appliquée F en Newtons, a été déterminée au moyen du transducteur de force de la machine d'essai et d'un extensomètre du type MTS Modèle 632.05C-62 avec une plage de mesure de + 0,5 mm. On a obtenu la relation suivante: D = 0,0734 Fb Le déplacement du poinçon 15 est proportionnel à la force résultante F agissant sur l'étrier de mesure et varie en même temps que celle-ci. Le déplacement du poinçon est obtenu par la relation: D = 0,0734 F r dans laquelle Fr = FL -Fp La relation entre D et Fb est calculée sur le site par le calculateur couplé à la machine d'essai. La courbe charge/déformation pour chaque pièce d'es- sai séparée a été affichée sur l'écran de la calculatrice. La calculatrice a calculé les quantités suivantes représen- tées sur l'écran: charge à la rupture, déformation ou dé- flexion à la rupture, résistance à la rupture transversale, module de Young et énergie absorbée avant la rupture. Apres chaque série d'essais, qui s'appliquait normalement à six pièces d'essai, on a également calculé leë valeurs moyennes correspondantes. Pour une série de six produits obtenus par compactage de poudre de métal dur, à une densité relative de 56 %, on a obtenu les valeurs moyennes suivantes: Charge à la rupture: 27,3 N Déformation à la rupture: 254 Fm 2 Résistance à la rupture transversale: 1,95 N/mm Energie absorbée avant la rupture: 2,57 mJ Module d'élasticité: 52 N/mm REVENDICATIONS 1. Procédé pour obtenir un dispositif rigide d'appli- cation d'une charge en vue de mesurer simultanément des faibles forces et des petits déplacements dans une machine d'essai normalement destinée à des forces et à des mouve- ments plus importants, caractérisé en ce qu'un étrier (20), de préférence annulaire, dimensionné pour supporter la char- ge maximale de la machine d'essai, est appliqué dans la ma- chine d'essai et en ce que, en utilisant une relation bien définie entre la force et la déformation de l'étrier, la déformation de la pièce d'essai(ll) fixée à l'intérieur de l'étrier est mesurée et commandée en même temps que la for- ce appliquée à l'échantillon est mesurée par un transduc- teur de force(lO)également placé à l'intérieur de l'étrier (20), la plage de mesure dudit transducteur de force étant en concordance avec la charge requise pour l'essai. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la relation entre la force et la déformation de l'é- trier est linéaire. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2,carac- térisé- en ce que la déformation est mesurée par des moyens séparés, notamment par des jauges de contrainte (21) pla- cées en des points appropriés de l'étrier (20). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, ca- ractérisé en ce que la charge appliquée sur l'étrier (20) est mesurée par le transducteur de force de la machine d'es- sai. 5. Proçcédé selon l'une des revendications 1 et 2,ca- ractérisé en ce que la force agissant sur la pièce d'essai est déterminée à partir de la charge appliquée sur l'étrier (20), mesurée par le transducteur de force de la machine, et en ce que Jla déformation de l'étrier est mesurée par des moyens séparés. 6. Appareil pour mesurer de faibles forces et de pe- tits mouvements dans une machine normalement destinée à des forces et des mouvements considérablement plus importants, caractérisé en ce qu'il comporte un étrier (20), de préfé- rence annulaire, qui est dimensionné pour supporter la ca- pacité de charge de la machine d'essai et qui est agencé pour être appliqué dans la machine d'essai et équipé d'une monture d'essai (11)à l'intérieur de l'étrier pour la trans- mission de la charge à partir de l'étrier, lors de la dé- formation de celui-ci, à la pièce d'essai, un transducteur (10) étant placé sur le trajet de la force à l'intérieur de l'étrier (20) pour la mesure de ladite force.