Brevet FR2604256A1 — publié le 19880325

Dispositif pour tester des matériaux par application d'une charge axiale. Les caractéristiques de résistance à la déformation sous contrainte, et autres, d'un échantillon allongé d'un matériau sont mesurées dans un banc d'essai en charge en serrant un échantillon à ses deux extrém.tés par des éléments de prise ou de retenue qui appliquent des sollicitations en compression ou en traction, ou les deux, le long de l'axe longitudinal de l'échantillon (charge axiale). Il est difficile d'aligner parfaitement l'échantillon au moyen des deux éléments de retenue, ce qui se traduit par une charge inégale appliquée à l'échantillon (par exemple une différence de 5 à 7% de la contrainte en différents emplacements d'une tranche en section transversale de l'échantillon). Une charge inégale appliquée à des échantillons en métal les amène à s'infléchir, ce qui conduit à une redistribution des efforts sur une surface plus importante et à une réduction des effets d'une charge inégale sur les résultats de l'essai. Les céramiques par contre sont friables et peuvent se fissurer avant que les charges désirées pour les essais aient été appliquées. Un essai typique de céramiques implique d'avoir recours à un :essai de flexion" selon lequel un échantillon de section rectangulaire est supporté par le dessous à ses extrémités, une force vers le bas est appliquée en son centre qui place le haut sous compression et le bas sous tension. Une limitation à cet essai concernant les céramiques provient du défaut des céramiques, à savoir une fissure initiée en l'une d'une pluralité de pailles du matériau quand cette paille est soumise à une contrainte suffisamment élevée. Au cours de l'essai de flexion, seule la région de la surface se trouvant au milieu de la partie inférieure de l'échantillon est soumise à la contrainte en traction la plus élevée, et la probabilité qu'une paille de dimensions critiques existe en cet endroit est faible. Les essais de flexion peuvent donc fournir des valeurs de contraintes finales 2- supérieures à celles qu'elles devraient être, ce qui les rend non fiables. Par ailleurs, quand une charge est appliquée en direction axiale, la contrainte maximale est appliquée de façon uniforme (à part ce qui a été dit ci-dessus concernant une charge inégale) sur la largeur de la totalité de l'échantillon et sur toute sa longueur, ce qui permet d'être virtuellement certain qu'une paille, o qu'elle se trouve, se trouve soumise à la contrainte maximale. L'invention décrit un élément de retenue réglable pour pouvoir aligner avec précision un échantillon d'essai par rapport à la direction de l'application de la force axiale appliquée par un banc d'essai. L'élément de retenue comprend une plaque de retenue coopérant avec l'échantillon, qui est reliée de façon réglable à un corps de retenue qui est de son côté relié au composant d'application de charge du banc d'essai. La connexion entre la plaque et le corps est réglable aussi bien en ce qui concerne la concentricité (c'est-à-dire les positions relatives de la plaque et du corps dans un plan perpendiculaire à la direction de la charge axiale) que l'angle. L'alignement qui en résulte est suffisamment précis pour permettre un essai axial de tension et de compression d'échantillons de céramique. Dans des modes de réalisation préférés, le réglage de la concentricité est réalisé en utilisant deux paires de boulons de réglage opposées le long d'axes situés dans un plan perpendiculaire à la direction de l'application de la charge; l'angle entre la plaque et le corps de retenue est réglé par aJustage de quatre boulons qui sont parallèles à la direction de l'application de la charge; une extrémité élargie de l'échantillon repose sur deux pièces en forme de coins (soit un élément conique fendu avec un passage axial se conformant à la forme de l'extrémité de l'échantillon) et est poussé par l'arrière par un élément en céramique de forme semi-sphériaque et poussé par un. piston, déterminant une précontrainte qui est maintenue pendant l'essai de tension/compression; et l'élément de retenue est utilisé avec un élément de retenue similaire dans un banc d'essai équipé d'un support hydrostatique sur le dessus d'une table pour faciliter un alignement correct. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation préféré représenté sur les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un banc d'essai selon l'invention pour tester un matériau, la figure 2 est une vue en plan d'un élément de retenue du banc d'essai de la figure 1, la figure 3 est une vue en coupe verticale selon la ligne 3-3 de la figure 2 de l'élément de retenue de la figure 2. On décrira maintenant la structure de ce banc d'essai. En se référant à la figure 1, celle-ci représente un banc d'essai pour tester des matériaux, comprenant des pieds 12, des colonnes verticales 16, 17 s'étendant vers le haut à partir de la table 14, et une traverse de tête 18 entre les colonnes 16, -17. A la traverse de de tête 18 sont fixées la cellule de charge 20 et un élément de retenue supérieur 22 destiné à retenir l'extrémité supérieure d'un échantillon soumis à l'essai. Directement au-dessous de la table 14 et supportés par elle sont prévus un roulement hydrostatique 24, une tige d'actionnement 26, un élément de retenue inférieur 28 pour retenir l'extrémité inférieure d'un échantillon. Le dispositif d'actionnement est supporté au-dessous de la table 14 et entrains la tige d'actionnement 26 qui passe dans un trou traversant la table 14. Sur la colonne 16 est supporté un four à 1500'C 32 qui est monté de façon pivotante autour d'un pivot 34 de manière à pouvoir passer d'une position d'attente montrée à la figure 1 à une position de fonctionnement entre les éléments de retenue 22, 28. Le four 32 comprend un trou central 36 destiné à recevoir l'échantillon allongé soumis à l'essai et deux passages horizontaux38conduisant à l'alésage 36 et destinés à recevoir des doigts 112, 114 de.l'extensomntre 42 supportée par la colonne 17. En se référant aux figures 2 et 3, celles-ci montrent l'élément de retenue supérieur 22; l'élément de retenue inférieur 28 est de structure identique. L'élément de retenue 22 comprend une plaque de retenue 44 et un corps de retenue 46 fixé à la plaque 44 par quatre -4- boulons de réglage d'angle 48, dont la fonction de réglage d'angle est décrite ci-dessous. Un tenon de fixation 50 prévu pour fixer le corps de retenue 46 à la cellule de charge 20 (montrée en tiretés à la figure 3 et non dessinée à l'échelle) comprend un prolongement fileté 52 la fixant dans le corps de retenue 46. Le tenon 50 comprend également un prolongement fileté 54 permettant d'établir la connexion par vissage avecla cótlule de charge2O. Des rondelles de calage 56 sont prévues entre la cellule de charge 20 et la surface supérieure 58 du corps de retenue 46 pour déterminer une connexion sans Jeu entre la cellule de charge 20 et le corps 46. Au-dessous du prolongement 52, un tampon 60 est vissé dans le corps 46 et contient une bague d'étanchéité 62 pour rendre étanche l'extrémité supérieure de la chambre de compression 64. Le passage de compression 66 conduit à la chambre de compression. Un piston 68 est monté de façon coulissante dans la partie inférieure de la chambre 64 et comprend une bague d'étanchéité 70 pour déterminer un joint étanche aux fluides avec la chambre. La surface annulaire extérieure tournée vers le bas 72 du:piston 68communique avec un second passage de compression 74. Autour du prolongement inférieur 82 du piston 68 sont prévus une bague d'étanchéité 90 qui détermine un Joint et un anneau de balayage 92 empêchant les débris de passer. Le prolongement inférieur 82 du piston 68 présente un évidement de forme semi- sphérique 76 destinée à recevoir un élément de céramique de forme semisphérique 78 reliée au piston 68 par la vis 80. Le passage formé dans la pièce 78 dans lequel est disposée la vis 80 est plus important que la vis 80, autorisant un léger mouvement de rotation de la pièce en céramique 78, de manière que sa surface plate tourne automatiquement vers la position de l'extrémité plate d'un échantillon. Le prolongement inférieur 82 du piston 68 est reçu dans un évidement conique 84 de la plaque de retenue 44 dans lequel sont disposés deux éléments en coin 86. Les surfaces extérieures des éléments en coin 86 ont une forme conique, et les surfaces internes des éléments en coin 86 sont conformes à la forme de la surface extérieure de l'extrémité élargie de l'échantillon. A chaque élément en coin 86 est relié un organe de retrait sollicité par un ressort 91 pour faciliter le montage d'un échantillon dans l'élément de retenue 22. Des passages 94 pratiqués dans la plaque 44 reçoivent de l'eau de refroidissement. Un évidement 96 de la surface inférieure de la plaque 44 est prévu pour recevoir un dispositif permettant l'alignement initial des plaques de l'élément de retenue supérieur 22 et de l'élément de retenue inférieur 28. Quatre boutons de réglage de concentricité 96 sont vissés dans un supporten surplomb 98 relié au corps de retenue 46, et comprennent des extrémités 100-reposant contre la surface extérieure de la plaque de retenue 44 et des écrous de blocage 99. Des boulons d'aJustage d'angle 48 ont leurs extrémités 102 reçues dans des trous taraudés de la plaque de retenue 44 et déterminent une tension entre la plaque 44 et le corps 46. Des boulons de blocage 101 sont adaptés à des filets 103 de l'extrémité inférieure du corps 46 et déterminent une compression entre la plaque 44 et le corps 46, leur fonction étant de bloquer les boulons de réglage 48 en place. On décrira maintenant le fonctionnement de ce dispositif. En cours de fonctionnement, un échantillon en céramique est chargé dans le banc 10 en commençant par être inséré dans l'alésage 36 du four 32 alors que ce four est dans la position d'attente montrée à la figure 1. Le dispositif chauffant et l'échantillon (cAblé avec des Jauges de contrainte, non montrées, en quatre emplacements autour de sa section centrale et en deux emplacements au-dessus et deux emplacements au- dessous de sa section centrale) sont pivotés en position entre les éléments de retenue 22, 28. L'extrémité supérieure élargie de l'échantillon 120 est fixée à l'élément de retenue 22 d'abord en la plaçant dans les éléments en coin 86 qui sont ramenés en arrière en utilisant les organes de retrait 90 quand l'extrémité élargie est insérée au début dans l'évidement conique 84. Le dispositif d'actionnement 30 pousse alors l'élément de retenue inférieur 28 en position, et l'élément de retenue inférieur 28 est connecté de la même manière. La concentricité et l'angle des éléments de retenue 22, 28 par rapport à l'échantillon sont alors ajustés pour aligner avec précision l'échantillon sur les contraintes de charge qui sont appliquées au banc 10. Ce résultat est obtenu en soumettant l'échantillon 120 à des charges légères et en détectant la force de traction que les charges légères appliquent, en utilisant des détecteurs situés autour de l'échantillon 120. Quand il apparaît que les déformations (et de ce fait les c o n t r a i n t e s appliquées à l'échantillon 120 sont inégales, on règle en conséquence les boutons d'ajustage de concentricité 96 et les boulons d'aJustage angulaire 48. Les charges en traction ne sont utilisées que pendant l'aJustage initial. Quand on applique des charges de compression, la pression régnant dans la chambre 64 est appliquée par le piston 68 à la surface d'extrémité de l'échantillon 120 pour bloquer la position de la plaque 44 par rapport au corps 46. Lorsque l'échantillon a été correctement aligné, on tourne de façon similaire en compression les boulons de blocage 101 de manière qu'ils agissent à l'encontre les boulons 48 et qu'ils maintiennent les positions relatives de la plaque de retenue 44 et du corps de retenue 46. Pendant l'essai, les charges en traction et en compression sont apppliquées par le dispositif d'actionnement 30 lorsque l'échantillon a été élevé à la température d'essai. L'extensométre 42 mesure la modification résultante de la longueur de l'échantillon.Leroulement hydrostatique24 maintient avec précision la position de la tige d'actionnement 26 du fait qu'il 1 est proche de l'élément de retenue 28. Les éléments de retenue 22, 28 permettent de parvenir à un alignement de l'échantillon qui est inférieur à 1%, ce qui permet d'appliquer à des échantillons en céramique des charges axiales précises aussi bien en tension qu'en compression. D'autres modes de réalisation de l'invention sont compris dans le champ d'application tel qu'il est défini dans les revendications. REVENDICATIONS 1. Elément de retenue (22, 28) pour banc d'essai (10) de matériau, caractérisé en ce qu'il comprend: une plaque de retenue (44) destinée à venir coopérer avec l'extrémité d'un échantillon (120) allongé possédant un axe longitudinal, un corps de retenue (46) dont une extrémité est reliée à ladite plaque de retenue (44) et l'autre extrémité est destinée à être reliée à un élément d'application de charge (20) dudit banc, ledit élément d'application de charge possédant un axe d'application de charge, des moyens d'ajustage de concentricité (96) pour ajuster la concentricité de ladite plaque (44) par rapport audit corps (46) et des moyens d'ajustage d'angle (48) pour ajus- ter l'angle de ladite plaque par rapport audit corps, de sorte que ladite extrémité de l'échantillon (120) coopère avec ladite plaque (44), et lorsque ledit corps de retenue (46) est relié audit élément d'application de charge (20), ledit axe longitudinal et ledit axe d'application de charge peuvent être alignés en ce qui concerne la concentricité et les angles respectifs par lesdits moyens d'ajustage de concentricité (96) et lesdits moyens d'ajustage d'angle (48). 2. Elément de retenue selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'ajustage de concentricité (96) comprennent des paires opposées de boulons d'ajustage (96) qui sont chacun montés par vissage sur l'un des éléments constitués par ladite plaque (44) et ledit corps (46) et comprenant une extrémité reposant contre l'autre desdits éléments constitués par ladite plaque et ledit corps, lesdits boulons étant montés le long d'axes situés dans un plan perpendiculaire audit axe d'application de charge. 3. Elément de retenue selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit moyen d'ajustage d'angle (48) comprend une pluralité de boulons (48) reliant ladite plaque (44) audit corps (46) le long d'axes comportant une composante parallèle à l'axe d'application de charge. 4. Elément de retenue selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite extrémité dudit échantillon repose dans une pièce en coin (86) et est poussée par l'arrière par un piston (68) supporté par ledit corps de retenue (46) dans une chambre de piston (64) du corps de retenue (46). 5. Elément de retenue selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit piston (68) porte une pièce de forme semi-sphérique (78) montée de manière limitativement rotative dans un évidement de forme semi-sphérique (76) à l'extrémité dudit piston, ladite pièce présentant une surface d'appui destinée à exercer une poussée contre ladite extrémité dudit échantillon. 6. Elément de retenue selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de pièces en coin (86) dont les surfaces extérieures forment ensemble une forme conique externe, lesdites pièces en coin étant montées dans et étant supportées contre un évidement conique (84) de ladite plaque de retenue (44), lesdites pièces possédant des surfaces intérieures conformes à la surface exté- rieure de ladite extrémité dudit échantillon. 7. Elément de retenue selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que des chambres de compression (64) sont définies par ledit corps sur les deux côtés dudit piston (68). 8. Elément de retenue selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que qu'il comprend en outre des organes de retrait (91) dans des passages dudit corps et reliés auxdites pièces en coin (86), permettant auxdites pièces en coin d'être retirées pendant la fixation d'un échantillon. 9. Elément de retenue selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une plura- lité de boulons de blocage (99) entre ledit corps (46) et ladite plaque (44) le long de la direction d'application de la charge pour exercer une force entre ladite plaque et ledit corps à l'opposé de celle exercée par ladite pluralité de boulons. 10. Elément de retenue selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un tenon fileté (50) pour relier ledit corps (46) audit élément d'application de charge (20). 11. Banc d'essai (10) de matériaux par appli- cation de charges, caractérisé en ce qu'il comprend: une paire de colonnes (16, 17), une table (14) entre lesdites colonnes, une traverse de tête (18) entre lesdites colonnes et au-dessus de ladite table pour définir une région d'essai entre lesdites colonnes, la table et la traverse de tête, un dispositif d'actionnement (30) relié à l'un des éléments constitués par la table et la traverse de tête pour appliquer une force le long d'un axe d'application de charge, une cellule d'application de charge (20) reliée à l'autre desdits éléments constitués par la table et la traverse de tête pour appliquer une force le long d'un axe d'application de charge, une paire d'éléments de retenue (22, 28) reliés à la cellule (20) et au dispositif d'actionnement (30), l'un au moins desdits éléments de retenue étant constitué selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12. Banc d'application de charge selon la revendi- cation 11, caractérisé en ce que chacun des deux élé- ments de retenue (22, 28) est constitué selon l'une quelconque des revendications I à 10.