Brevet FR2623285A1 — publié le 19890519

L invention concerne la- métallographie et est plus spécialement relative à un appareil de mesure métallographique pour évaluer de manière continue et dynamique des propriétés relativement superficielles d'éprouvettes d échantillons notamment métalliques. L'invention concerne plus particuliérement un appareil de mesure métallographique qui permet d'évaluer la dureté d'une éprouvette et/ou de déterminer sa rugosité ou son profil. Pour de nombreuses applications métallurgiques, il est nécessaire de connaitre un certain nombre de propriétés ou caractéristiques propres aux matériaux utilisés. Pour ce faire on a recours à des éprouvettes prélevées sur des échantillons dont on apprécie par exemple la dureté. la rugosité ou le profil qui sont parmi les propriétés qu'il est souvent important de connaitre. Ce type de mesures de la dureté est conduit conformément à des procédures ou protocoles qui font 1 objet de normes et qui font appel à des instruments soumis à des spécifications précises c est par exemple le cas lorsqu'on mesure la dureté "Vickers" à l'aide d'un diamant. I1 existe sur le marché de nombreux appareils qui permettent de déterminer la dureté d'éprouvettes. Ces appareils font habituellement appel à des techniques statiques c' est-à-dire qu ils relèvent des propriétés de l'éprouvette point par point et cela au cours de deux phases successives où l'une sert de référence ou d'essai et l'autre à évaluer la caractéristique recherchée proprement dite. Par la suite. il est souvent nécessaire de recourir à des abaques, tableaux ou calculs pour pas ser de 1 évaluation observée à la grandeur à déterminer. Pour mesurer la dureté en continu on peut faire appel à une machine dont le pénétrateur qui sert à déterminer les caractéristiques, se présente sous la forme d'un diamant dont le profil est normalisé. Pour faire les mesures, on procède en faisant un premier passage du pénétrateur s-ur l'éprouvette, à vide, sans charge et qui sert de référence ou de tarage ou calage d'altitude et ensuite un deuxième passage avec une charge déterminée pour appliquer un effort donné sur la pointe du diamant appliquée sur la surface, qui sert à l'évaluation proprement dite de la pénétration par comparaison d'altitude avec le premier passage. Si les appareils qui mettent en oeuvre une telle technique donnent des résultats convenables ils sont toutefois d'un maniement relativement délicat car il faut encore ensuite traiter toutes les valeurs de pénétration apparente pour les convertir en mesures ou grandeurs directement utilisables. On conçoit donc qu'un tel processus opératoire est long, fastidieux, malcommode et imprécis. Le but de l'invention est de remédier à ce type d'inconvénients à l'aide d'un perfectionnement d'appareil de mesure métallographique. Ce perfectionnement permet une évaluation continue et dynamique de propriétés r-elativement superficielles d'éprouvettes d'échantillons notamment métalliques par une technique de rayure qui est cohérente avec les méthodes de mesure de dureté normalisées. L'invention a pour objet l'adaptation d'un appareil de mesure métallographique pour évaluer de manière continue et dynamique des propriétés relativement superficielles d'éprouvettes d'échantillons notamment métalliques. Cet appareil est constitué, entre autres, d'un bati, d'une table croisée qui est mobile en translation par rapport au bati suivant deux directions orthogonales. L'une sert essentiellement au positionnement de l'éprouvette, l'autre essentiellement aux évaluations de l'éprouvette. Elle coopère avec une règle de précision pour localiser la position de 1 éprouvette pendant une évaluation. La table croisée est équipée d'un étau pour la fixation de l'éprouvette.L'appareil est aussi constitué d'une potence, perpendiculaire à la table, qui porte un système optique d observation et de pointage pour la mise en place d'une éprouvette dans l'étau et d'un dispositif d'évaluation fait essentiellement d'un axe parallèle à la table et orthogonal à la direction de translation pour évaluation, et de deux leviers pa allèles montés voisins et basculant sur cet axe et pouvant recevoir des charges. L'une des extrémités de chacun d'eux est équipée d'un capteur de déplacement et l'autre extrémité est équipée d'un palpeur particulier (pénétrateur ou touche) destiné à venir au contact de l'éprouvette. La touche sert de référence et le pénétrateur procède aux évaluations. Les signaux électriques des capteurs sont transformés par un équipement d'exploitation. Cet appareil est remarquable en ce que l'un au moins des leviers est conformé pour recevoir des charges à l'aplomb du palpeur qu'il porte et en ce que les palpeurs présentent des géométries propres qui permettent de les disposer de manière que leurs contacts respectifs avec l'éprouvette soient très voisins. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description et des revendications qui suivent et à l'examen du dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple, où -: - la Fig,1 est une vue perspective schématique générale d'un mode de réalisation d'un appareil selon l'invention - les Fig.2A, 2B et 2C sont des vues partielles de détail du dispositif d'évaluation montrant la manière dont les leviers avec leurs capteurs et leurs palpeurs sont agencés - les Fig.3A et 3B sont des vues de deux couples de palpeurs différents montrant leurs positions relatives - les Fig.4A et 48 sont des vues de détail de palpeurs et, plus spécialement, de la touche de ceux-ci Cet et - la Fig.5 est un schéma montrant la manière dont l'appareil selon l'invention est configuré et associé à son équipement d'exploitation. La mesure de dureté, le relevé de profil ou la détermination de la rugosité d'éprouvettes d'échantillons métallurgiques étant bien connus du spécialiste, on ne décrira dans ce qui suit que ce qui a trait directement à l'invention. Les appareils utilisés pour faire ce type d'opérations et leur maniement étant eux memes hien connus de l'homme du métier, on ne s'étendra pas plus amplement sur ce qui est courant, en particulier sur la façon de procéder. Comme on le voit notamment sur la Fig.1, le mode de réalisation représenté d'un appareil suivant 1 invention comprend, essentiellement, un bati 10 sur lequel est montée une table croisée 20. Au bati est aussi associée une potence 30 qui porte un système optique 40 et un dispositif d'évaluation 50 réglables orthogonalement à la table Toute cette partie de 1 appareil est associée à un équipement d'exploitation 60 (Fig.5). Comme il est connu, le bâti 10 est équipé de pieds avec vis calantes non représentés, qui sont destinés à supporter l'appareil que l'on pose sur un socle, tel un marbre monté de manière à le soustraire aux vibrations du sol. La table croisée 20 est équipée de glissières de précision appropriées, non représentées, de manière à pouvoir se déplacer suivant deux directions orthogonales. L'une 21 de ces directions sert à fixer la position d'une éprouvette M par rapport au dispositif d'évaluation 50 dont on reparlera par la suite et l'autre 22 de ces directions sert à provoquer la translation de 1 éprouvette relativement au dispositif d'évaluation pour déterminer par exemple la dureté et/ou relever le profil ou la rugosité de l éprouvet- te. La direction 21 du déplacement qui sert au posi tionnement de l'éprouvette est par exemple assurée par une vis de précision à commande manuelle 210 alors que la direction 22 du déplacement qui sert aux évaluations est assurée aussi à l'aide d'une vis de précision mais qui est elle motorisée. On utilise tout moteur 220 connu de préférence à vitesse sélection nable. Les déplacements suivant la direction de positionnement 21 sont repérés par exemple à l'aide d'un vernier alors que les déplacements suivant la direction d'évaluation 22 sont repérés à l'aide d'une règle numérique de précision 23. La table croisée 20 est équipée d'un étau 24 de précision. L'appareil est aussi équipé d'une potence 30 qui porte un système optique 40, tel un microscope, qui permet de centrer et de repérer la surface de l'éprouvette à étudier. Ceci est classique en métallographie. Cette potence 30 est aussi munie d'un dispositif d'évaluation 50. Ce dispositif d'évaluation 50, comme on le voit en particulier sur les diverses vues partielles de la Fig.2, comprend essentiellement un axe 51 sur lequel sont articulés de manière à pouvoir y basculer cote à cote deux leviers 52 parallèles et voisins. L'une des extrémités de ces leviers est destinée à recevoir un capteur de déplacement 53 de tout type approprié par exemple inductif et l'autre extrémité est destinée à recevoir un palpeur 54 dont il sera question par la suite plus en détail. Comme on le voit, selon l'invention, ces leviers sont conformés en équerre 522 relativement aplatie de manière que leurs branches 523, 525 soient dissymétriques. Comme illustré, cette conformation en équerre aplatie allongée permet de faire en sorte que la branche 525 relativement épaisse qui coopère avec un capteur 53, reçoit l'axe 51 alors que l'autre branche 523 relativement mince porte, elle, un palpeur 54. Comme cela apparait clairement sur les dif férentes v-ues de la Fig.2, cette configuration des leviers permet de placer des charges 520 de valeur déterminée choisie qui lestent les palpeurs pour faire les mesures, On voit immédiatement que grâce à cette conformation particulière, les charges peuvent etre centrées par rapport aux palpeurs 54 et disposées à l'aplomb de ceux-ci. Ces charges de masses différentes sont illustrées en grisé. Une telle conformation permet de centrer les charges au droit des palpeurs et donc diminuer les réactions sur l'axe 51 par rapport à un montage de charge en porte-à-faux à 1 extrémité du levier Comme on le comprendra par la suite, ceci permet de réduire de plus de 90' le décalage de la référence (levier à touche) lié notamment à la déformation de l'axe 51. Le fait d'utiliser deux leviers 52 cote à cote permet de rendre polyvalent l'appareil selon 1 invention puisqu avec des couples de palpeurs appariés, comme on le verra par la suite, il est possible de faire des déterminations de dureté, de rugosité et de profil. En outre, on peut procéder à des tarages des leviers et donc recourir, en particulier pour la détermination de rugosité et de profil, à des charges minimales. Ce tarage est assuré par exemple par des masselottes mobiles sur des tiges, taraudées s'il y a lieu, comme désigné par la référente 524. Suivant le type d'évaluation que l'on veut faire, on utilise des couples de palpeurs différents appariés, l'un servant de référence (indice R) et l'autre à l'évaluation proprement dite (indice E) dans chaque couple. Comme on le voit sur les vues de détail des figures 3 et 4, ces palpeurs 54 comprennent, tous, essentiellement un corps 541 et une touche 542. Le corps est destiné au montage du palpeur sur un levier 52 et la touche est destinée à venir au contact de la surface de l'éprouvette M à examiner. C-haque couple de palpeurs est tel que son corps présente une géométrie spécifique et sa touche un profil particulier. Ceci est vrai du palpeur d'évaluation et du palpeur de référence. On utilise un couple de palpeurs appariés (indice A) pour l'appréciation de la dureté (Fig.3A et 4) et un autre couple de palpeurs appariés (indice B) pour la détermination de la rugosité ou du profil (Fig .38) Comme on peut l'observer la géométrie propre conférée au corps permet de disposer les palpeurs de manière que les touches proprement dites soient très voisines. Comme le voit sur les Fig.3A, 4A, un palpeur 54EA d'évaluation destiné à faire des appréciations de microdureté par rayures présente un corps 541 EA avec une géométrie approximativement conique et une touche 542EA dont le profil a l'aspect apprbximatif d'un secteur de disque dont la tranche est munie de deux chanfreins opposés ménageant entre eux une arete courbe, relativement fine, apte å venir au contact de l'éprouvette à étudier de maniére à ne pas provoquer d'adhérence de matière sur la touche par arrachement ou coupe. Ce palpeur 54EA est, de préférence, fait en carbure avec un revêtement de composés de titane ou de tungstène dont l'épaisseur est de quelques microns et adapté à l'application et au type d'épouvette. Ce revetement est obtenu par toute technique classique, par exemple par dépôt chimique ou physique sous vide. Comme on le note sur les Fig.3A et 48, ce palpeur d'évaluation pour la microdureté est associé à un palpeur de référence 54raz apparié, qui présente un corps 541 RA dont la géométrie est approximativement celle d'un "club de golf" et dont la touche 542 a un profil dont l'aspect rappelle celui d'une spatule à tranche sphéroidale et arête courbe relativement fine apte à venir au contact de l'éprouvette à étudier de manière à être insensible aux microfluctuations de la surface de cette dernière. En utilisant un tel profil, on réalise en quelque sorte un "lissage" physique de la surface, le capteur émettant ainsi un signal pratiquement dépourvu de bruit de fond parasite très perturbateur. De préférence, le palpeur de référence 54R est réglable horizontalement pour permettre le calage mécaniq-ue de l origine des évaluations en fonction de la géométrie de l'éprouvette. Comme on le voit sur la Fig.3A du dessin, lorsqu'on fait des évaluations de dureté le palpeur de référence 54 RA et le palpeur d'évaluation 54EA appariés d'un couple sont disposés cote à côte de manière que leurs touches respectives décrivent des trajectoires parallèles, très proches, lorsque la table se déplace dans la direction d'évaluation 22, c'est-àdire perpendiculairement au plan de cette figure. Comme on l'a indique, l'appareil selon l'invention est polyvalent. Il permet outre des évaluations dynamiques de la microdureté, des relevés de rugosité et/ou de profil. Pour cela, on utilise un autre couple de palpeurs d'évaluation et de référence appariés. Comme on le voit sur la Fig.3B du dessin, le palpeur d'évaluation 54E8 pour déterminer un profil ou une rugosité, présente un corps 541 ex dont la géométrie est essentiellement cylindrique et une touche 542 ex en cone à pointe relativement acérée. Dans ce cas, le palpeur de référence 54rob qui lui correspond présente un corps 541 ru dont la géométrie est assez analogue à celle d'un "racloir" coudé et la touche 542RB présente un profil à l'aspect d'un quart de cercle dont la charpente est munie de deux biseaux opposés ménageant entre eux une crête courbe, relativement effilée; ceci est illustré sur la Fig.38. Comme on le voit, le couple de palpeur de référence 54 RB et de palpeur d'évaluation 54ES pour apprécier la rugosité ou le profil sont alors disposés l'un derrière l'autre de manière que leurs contacts respectifs décrivent une seule et même trajectoire, lorsque la table se déplace dans la direction d'évaluation 22, c'est-à-dire parallélement au plan de cette figure. Les signaux émis par les capteurs 53 sont acheminés à l'équipement d'exploitation 60. Cet équipement d'exploitation 60 comprend, essentiellement, un calculateur 61 tel un mi & oordi- nateur associé à un écran 611 et un clavier 612, une imprimante 62, une table traçante 63. Cet équipement utilise un logiciel spécialement établi par la Demanderesse pour les raisons que 1 on verra par la suite. Ce logiciel, schématisé par la référence 64, est commercialisé sous la dénomination CLIMIN. La manière dont on rédige un programme pour donner une suite d'instructions à un calculateur afin de lui faire exécuter des opérations et calculs est connue du spécialiste en la matière et n'entre pas dans le cadre de l'invention. Ce logiciel sert à piloter l'appareil pour le faire fonctionner, acquérir des données, les traiter et aussi produire des résultats assimilables et exploitables. Comme on l'a indiqué précédemment, l'archi- tecture de l'appareil selon l'invention permet de s'affranchir d'un certain nombre de contraintes du fait notamment que les charges utilisées, par exemple pour évaluer la dureté, se trouvent au droit des palpeurs et du fait, en particulier, qu'on utilise les signaux des capteurs pour les traiter grâce à un logiciel approprié afin d'obtenir directement et en régime dynamique, les valeurs de la dureté ou les relevés de rugosité ou de profil. Pour parvenir à ceci, on utilise, comme on l'a indiqué, une règle numérique 23 à haute définition qui permet d'apprécier des déplacements de l'ordre du micron. Ceci permet une localisation exacte des mesures faites et donc un calcul précis des pénétrations lorsqu'on fait des évaluations de microdureté, et autorise ensuite d'établir des corrélations fines dureté-structure. On peut, grace à la table traçante 63 obtenir directement des courbes et réseaux de courbes, dont l'interprétation est directement possible en métallographie, avec un pas relativement serré, nettement inférieur au millimètre suivant la direction 21. Grace à l'invention, on peut étudier des états de surface du premier et du deuxième ordre sur des éprouvettes dont les dimensions sont voisines de 100 x 130 mm. Le choix des palpeurs permet de faire des investigations microgéométriques dans des conditions normalisées et permet d'opérer en régime dynamique sans qu'il y ait d'arrachement ou d'adhérence du métal de l'éprouvette sur la touche du palpeur. Grâce à l'invention, on voit donc que suivant le couple des palpeurs appariés utilisés, on obtient immédiatement les informations recherchées quant à la microdureté et/ou au profil et à la rugosité de la surface de l'éprouvette. Le logiciel 64 est établi de maniere à obte nir la valeur de la dureté par mesure indirecte. Celle-ci est déduite de la définition de dureté Vickers et par application de la loi de Kick qui, en régime dynamique, fait intervenir la profondeur de la rayure et des paramètres propres au palpeur et liés à ce dernier et à la charge appliquée. Les signaux inductifs HF des capteurs 53 sont transformés par un convertisseur approprié 641 de manière à être assimilables par le logiciel. L'appareil selon l'invention permet de nombreuses utilisations en métallographie en particulier pour établir la cartographie des propriétés de joints soudés par faisceau d'électrons ou par friction par exemple, et d'examiner les phénomènes qui se passent tout spécialement dans les zânes affectées par la température. On voit tout l'avantage que l'évaluation continue de la dureté apporte ; elle permet une appréciation fine des variations de dureté directement liées par exemple à la structure, à la grosseur de grains, à la ligne de fusion et d'établir la cartographie de l'éprouvette. Le niveau de dureté des valeurs critiques peut facilement être confirmé par quelques mesures directes de la dureté Vickers en des points judicieusement placés ; ces mesures prennent alors leur pleine signification. La mesure continue de la dureté permet aussi une investigation superficielle par l'établissement de cartes de dureté dont l'intérêt pratique est grand lorsqu'on veut "certifier" des soudures faites par faisceau d'électrons, par électrodes, par friction, par plaquage, etc., particulièrement dans le cas de matériaux de nuances dures ou à cycle court qui pro voquent de forts gradients de dureté. Grâce à l'invention, on obtient en un temps très court la valeur des propriétés recherchées. REVENDICATiONS 1. Appareil de mesure métallographique pour évaluer de manière continue et dynamique des propriétés relativement superficielles d'éprouvettes (M) d'échantillons notamment métalliques, qui est constitué, entre autres, d'un bàti (10), d'une table croisée (20) qui est mobile en translation par rapport au bâti (10) suivant deux directions orthogonales dont l une (21) sert essentiellement au positionnement de l é- prouvette et l'autre (22) essentiellement aux évaluations de l'éprouvette et qui coopère avec une règle numérique de précision 123) pour localiser la position de l'éprouvette pendant une évaluation et qui est équipée d'un étau (24) pour la fixation de l'éprouvette, d'une potence (30) qui est réglable perpendiculairement à la table (20) et qui porte un système optique (40) d'observation et de pointage pour la mise en place d'une éprouvette dans l'étau et un dispositif d'évaluation (50) fait essentiellement d'un axe (51) parallèle à la table (20) et orthogonal à la direction de translation pour évaluation (2 (52 > paralléles montés voisins et basculant sur cet axe (51) et pouvant recevoir des charges (520 > dont l'une des extrémités de chacun d'eux est équipée d'un capteur (53) de déplacement et dont l'autre des extrémités de chacun d'eux est équipé d'un palpeur (54) avec un corps (541) et une touche (542) destinée à venir au contact de l'éprouvette, l'un (R) pour servir de référence et l'autre (E) pour procéder à l'évaluation, et d'un équipement d'exploitation (60) des si signaux des capteurs (53), appareil caractérisé en ce que l'un au moins des leviers (52) est conformé pour recevoir des charges (520) à l'aplomb du palpeur (54 > qu'il porte et en ce que les palpeurs (54) présentent des corps (541) dont les géométries propres permettent de les disposer de manière que leurs touches (542) respectives soient très voisines. .2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les leviers (52) présentent une conformation en équerre aplatie (522) allongée dont l'une des branches (525) est relativement épaisse et coopère avec le capteur (53) et reçoit l'axe (51) et dont l'autre des branches (523) est relativement mince, porte le palpeur (54) et reçoit les charges (520). 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2 où le palpeur (54 Jazz d'évaluation est destiné à faire des appréciations de dureté par rayure et présente un corps (541 EA > avec une géométrie approximativement conique et une touche (542EA) dont le profil a approximativement l'aspect d'un secteur de disque dont la tranche est munie de deux chanfreins opposés ménageant entre eux une arête courbe relativement fine apte a venir au contact de l'éprouvette à étudier de manière à -ne provoquer ni adhésion ni arrachement et/ou coupe de celle-ci. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que ce palpeur (54EA) est fait en carbure dont la surface porte un revetement de tungstène, de composés adaptés à l'application. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce revêtement à une épaisseur de quelques microns. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 où le palpeur (54RB) de référence est destiné à faire des appréciations de dureté et présente un corps (541 RB > avec une géométrie approximativement en "club de golf" et une touche (542R8) dont le profil a approximativement l'aspect d'une spatule à tranche sphéroidale et arète courbe relativement fine apte à venir au contact de l'éprouvette à étudier de manière à etre insensible aux microfluctuations de la surface de celle-ci, 7. Appareil selon la revendication 6 où le palpeur (54RB) de référence est réglable horizontalement pour permettre le calage mécanique de ltori- gine. 6. Appareil selon l'une quelconque des re vendications 3 à 7 où le palpeur de référence (54RA) RA > et le palpeur d'évaluation (54EA) sont disposés cote à cote de manière que leurs touches (542EA, 542RA) respectives décrivent des trajectoires parallèles très proches lorsque la table (20) se déplace dans.la direction d'évaluation (22]. 9. Appareil selon la revendication 1 ou 2 où le palpeur d'évaluation (54EA) est destiné à faire des déterminations de rugosité et présente un corp (541EB) avec une géométrie essentiellement cylindrique et une touche (542EB) en câne dont la pointe est relativement acérée. 10. Appareil selon la revendication 1 ou 2 et 9 où le palpeur de référence (54RB) est destiné à faire des appréciations de surface et présente un corps (541AB) AS > avec une géométrie approximativement en racloir coudé et une touche (542RB) dont le profil a approximativement l'aspect d'un quart de cercle dont la charpente est munie de deux biseaux opposés ménageant entre eux une crete courbe relativement effilée. 1 1 Appareil selon les revendications 9 et 10 où le palpeur de référence (54RB) et le palpeur d'évaluation sont disposés côte à cote de manière que leurs touches (542EB, 542EB) respectives décrivent une seule et même trajectoire l'une derrière l'autre, lorsque la table (20) se déplace dans la direction d'évaluation (22).