Brevet FR2706613A1 — publié le 19941223

PROCEDE POUR DETERMINER LA RESISTANCE A LA DECHIRURE DUCTILE D'UN MATERIAU. DESCRIPTION L'invention concerne un procédé conçu pour déterminer la résistance à la déchirure ductile d'un matériau soumis à une charge de traction croissante. Lorsqu'une plaque métallique est mise sous tension, il est utile de connaître par avance les ris- ques de propagation d'une microfissure présente initia- lement dans la plaque, en fonction de la charge appli- quée sur la plaque et de la nature du matériau qui la constitue. Cette connaissance permet notamment de déterminer la taille maximale des défauts préexistants admissibles dans les parois d'un réservoir sous pres- sion. Pour quantifier ce risque, il est connu de procéder à des essais de résistance à la déchirure ductile. Lors de ces essais, on utilise des éprouvettes planes dans lesquelles est réalisée une entaille cali- brée, qui peut être placée au centre de l'éprouvette et non débouchante ou au contraire débouchante et placée sur un bord de l'éprouvette. Ces essais sont définis par la norme ASTM E 561. De façon classique, un essai de résistance à la déchirure ductile d'un matériau consiste à placer une éprouvette plane présentant une entaille calibrée dans une machine de traction. Cette machine permet d'exercer sur l'éprouvette une traction dont l'ampli- tude est augmentée progressivement jusqu'à la rupture de l'éprouvette. Au fur et à mesure de l'augmentation de la charge Pi appliquée sur l'éprouvette, la largeur Vi de l'entaille est mesurée. On calcule ensuite, pour chaque couple de valeurs charge Pi, largeur Vi, la demi longueur effective aieff de la fissure et le facteur effectif d'intensité de contrainte Kieff, à partir des équations suivantes, données par la norme ASTM E 561, dans le cas d'une éprouvette à entaille centrale: EVIB |ieffe 2 (aeff)[ Wco -1 coshzYIFYW __ 1+_______ Pi W W zY cos mie /fW | sin miIf / W sinhlrY/[W et KiE = Pi/BW i sie/W avec E = module de Young du matériau Vi = largeur mesurée de l'entaille Pi = charge (en N) B = épaisseur de l'éprouvette W = largeur de l'éprouvette Y = demi largeur initiale de l' entaille aieff = demi longueur de la fissure = coefficient de Poisson La courbe représentative des couples de points aieff et Kieff ainsi obtenus, dite "courbe R", permet de déterminer la résistance à la déchirure duc- tile du matériau testé. Les différentes techniques utilisées afin de mesurer la largeur de l'entaille peuvent être sépa- rées en deux catégories, selon que la mesure est effec- tuée avec ou sans contact. Dans la première catégorie, les mesures sont effectuées au moyen de jauges comprenant deux doigts aptes à venir en appui contre des bords opposes de l'entaille formée dans l'éprouvette. Cependant, les mesures réalisées de cette manière sont relativement imprécises, notamment par le fait que l'allongement de l'éprouvette peut s'accompa- gner d'un gauchissement parfois important du plan de celle-ci. En outre, même si les bords de l'entaille réalisée dans l'éprouvette peuvent être biseautés pour limiter cette imprécision, on utilise habituellement une entaille circulaire, de sorte qu'on n'est jamais parfaitement assuré que la mesure effectuée correspond bien au diamètre de l'entaille. Lorsque les mesures de la largeur de l'en- taille calibrée sont effectuées sans contact, il s'agit habituellement d'une méthode de mesure directe par suivi optique, dans laquelle un opérateur doit observer en continu lévolution dimensionnelle de l'entaille calibrée au travers d'un oculaire. Si cette méthode est généralement plus précise que la précédente, elle est donc très astreignante et n'élimine pas totalement les risques d'erreurs. L'invention a précisément pour objet un procédé permettant de déterminer d'une manière plus précise, moins pénalisante et plus sûre que les techni- ques antérieures la résistance à la déchirure ductile d'un matériau soumis à une charge de traction crois- sante. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé pour déterminer la résis- tance à la déchirure ductile d'un matériau soumis à une charge de traction croissante, selon lequel: - on place dans une machine de traction une éprouvette plane dans laquelle est réalisée une entaille cali- brée; - on soumet cette éprouvette à une charge de traction croissante; et - on mesure la largeur de l'entaille dans la direction d'application de la charge, caractérisé par le fait qu'on utilise une éprouvette présentant une entaille pourvue de deux bords droits opposés parallèles et biseautés, dont on mesure l'écar- tement, correspondant à ladite largeur, au moyen d'un micromètre laser à balayage de plan. L'utilisation d'un micromètre laser à balayage de plan pour mesurer la largeur de l'entaille permet d'effectuer une mesure indirecte sans contact particulièrement précise, sans nécessiter la présence d'un opérateur en dehors des phases de préparation d'essai et de démontage. Cette technique permet notam- ment d'assurer l'exactitude de la mesure même lorsqu'il se produit un fort gauchissement de l'éprouvette sous l'effet de la charge qui lui est appliquée. En outre, du fait que la mesure est effectuée sur une entaille présentant deux bords droits parallèles et biseautés, la précision est sensiblement plus élevée que lorsqu'on utilise une éprouvette présentant une entaille de forme circulaire. Dans une mise en oeuvre préférentielle de l'invention, on augmente la charge de traction par paliers, en imposant à l'éprouvette des allongements de pas constants. Plus précisément, on mesure en permanence l'écartement entre les bords opposés de l'entaille et la charge appliquée sur l'éprouvette et on attend la stabilisation de l'écartement mesuré pour procéder à l'acquisition de cet écartement et de la charge appli- quée sur l'éprouvette, puis pour commander l'augmenta- tion de cette charge. Avantageusement, on utilise une éprouvette plane dans laquelle est réalisée une entaille centrale non débouchante, de forme oblongue, présentant des bords droits, biseautés sur les deux faces de l'éprou- vette, à section en forme de V. Par ailleurs, on utilise un micromètre laser qui comprend un émetteur et un récepteur indépen- dants disposés de part et d'autre de l'éprouvette, ainsi que des moyens de réglage d'alignement de l'émet- teur et du récepteur. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une mise en oeuvre préférentielle du procédé conforme à l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective, avec arrachement, représentant une éprouvette plane apte à être soumise à l'essai de résistance à la déchi- rure ductile conforme à l'invention; et - la figure 2 est une vue en perspective illustrant schématiquement l'appareil d'essai utilisa- ble pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'in- vention. Lorsqu'on désire déterminer la résistance à la déchirure ductile d'un matériau métallique, on réa- lise tout d'abord dans ce matériau une éprouvette plane telle qu'illustrée sur la figure 1. Cette éprou- vette, de forme rectangulaire, comporte à proximité de chacun de ses bords de plus petite longueur deux ran- gées de trous 12 permettant son accrochage sur la ma- chine d'essai. Elle a une épaisseur de 2 mm pour une longueur de 600 mm et une largeur de 200 mm. En outre, l'éprouvette 10 présente en son centre une entaille calibrée 14, de forme oblongue, qui comporte deux bords droits opposés, parallèles entre eux et aux petits côtés du rectangle formé par l'éprou- vette 10. Les extrémités de l'entaille calibrée 14 sont délimitées par deux bords semi-circulaires qui relient entre eux les bords parallèles précités. Les bords droits comme les bords semi- circulaires de l'entaille calibrée 14 sont biseautés sur les deux faces de l'éprouvette, de façon à présenter en section la forme d'un V dont la pointe est située dans le plan médian de l'éprouvette 10. Initialement, l'entaille calibrée 14 présente entre ses bords droits parallèles une largeur prédéterminée, par exemple de 5 mm. L'entaille calibrée 14 est complétée, selon son axe longitudinal, par deux fentes 16 de faible largeur, réalisées par exemple à la scie, qui consti- tuent des amorces de fissuration également calibrées. Avant l'essai proprement dit, l'éprouvette plane 10 fait l'objet d'une préfissuration. Pour cela, elle est placée dans la machine de traction qui sera utilisée ultérieurement au cours de l'essai et elle est soumise à un cycle de traction, par exemple sinusoïdal. Au cours de ce cycle, une charge correspondant à envi- ron 10 % de la charge maximale qui sera appliquée au cours de l'essai est appliquée, puis relâchée un grand nombre de fois. Cette opération a pour effet d'amorcer la fissuration de l'éprouvette, d'une manière contrôlée, dans le prolongement des fentes 16. L'essai de résistance à la déchirure duc- tile du matériau métallique dans lequel est réalisée l'éprouvette 10 peut ensuite être effectué. Avant de décrire le procédé de mise en oeuvre de cet essai, on décrira l'installation utilisée en se référant à la figure 2. Cette installation comprend tout d'abord une machine de traction servo-hydraulique (non repré- sentée) permettant d'appliquer sur l'éprouvette 10 une charge de traction pouvant atteindre 100 kN. Cette machine de traction comprend notamment un vérin permet- tant d'appliquer la charge désirée et une cellule de mesure permettant de mesurer cette charge avec préci- sion. Comme l'illustre la figure 2, les extrémi- tés de l'éprouvette 10 adjacentes aux petits côtés de celle-ci sont reliées à la machine de traction par des chapes 18. Plus précisément, les trous 12 qui sont formés dans les extrémités de l'éprouvette 10 permet- tent d'emprisonner chaque extrémité entre deux barret- tes 20, par exemple à l'aide de boulons (non représen- tés). De plus, chacune des chapes 18 est articulée par un axe 22 sur l'une des paires de barrettes 20 fixées à l'extrémité correspondante de l'éprouvette 10. L'appareil d'essai comprend en outre un micromètre laser à balayage de plan permettant d'effec- tuer, par une méthode indirecte sans contact, une me- sure de la largeur de l'entaille 14 dans la direction d'application de la charge. Comme l'illustre la figure 2, ce micromètre laser à balayage de plan comprend un émetteur 24, un récepteur 26 et un circuit électronique 28 de condi- tionnement du signal délivré par le récepteur 26. L'émetteur 24 et le récepteur 26 sont dis- posés de part et d'autre de l'éprouvette 10, en face de l'entaille 14, et ils sont indépendants l'un de l'au- tre, de façon telle que leur alignement puisse être réglé sans qu'il existe de liaison mécanique directe entre eux. Plus précisément, l'émetteur 24 et le récep- teur 26 sont montés sur un bâti (non représenté) par l'intermédiaire de moyens de réglage d'alignement auto- risant un déplacement séparé de l'émetteur et du récep- teur par rapport au bâti. Comme l'illustre schématiquement la figure 1, l'émetteur 24 comprend une diode laser 30 qui éclaire un miroir octogonal rotatif 32 dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe longitudinal de l'en- taille 14. Plus précisément, la diode laser 30 éclaire le miroir octogonal rotatif 32 selon une direction orthogonale à l'axe de rotation de ce dernier. Le mi- roir octogonal rotatif 32 renvoie le faisceau émis par la diode laser 30, dans un plan perpendiculaire à son axe de rotation, vers un miroir réflecteur 34. Sous l'effet de la rotation du miroir octo- gonal 32, le faisceau venant heurter le miroir réflec- teur 34 effectue un balayage dans le plan précité à chaque fois qu'une facette du miroir octogonal 32 dé- file devant la diode laser 30. Etant donné que le miroir 34 est perpendiculaire à ce plan de balayage, le faisceau réfléchi par ce miroir 34 effectue lui aussi un balayage dans ce plan lors de la rotation du miroir octogonal 32. L'orientation du miroir réflecteur 34 est telle que les faisceaux coplanaires renvoyés par ce miroir oscillent autour d'un axe perpendiculaire au plan de l'éprouvette 10 et passent sensiblement au centre de l'entaille 14. Les faisceaux coplanaires renvoyés par le miroir réflecteur 34 traversent ensuite une optique collimatrice 36 qui dirige vers la face correspondante de l'éprouvette 10 des faisceaux coplanaires parallèles F comme l'illustre la figure 2, du fait de la rotation du miroir octogonal 32. Plus précisément, les faisceaux parallèles F sortant de l'émetteur 24 sont contenus dans un plan perpendiculaire à la face en vis-à-vis de l'éprouvette et passant par l'axe longitudinal de cette éprou- vette, qui correspond à la direction d'application de la charge par la machine de traction dans laquelle l'éprouvette est montée. De plus, les faisceaux F pa- rallèles et coplanaires issus de l'émetteur 24 balayent cette face de l'éprouvette 10 sur une largeur sensible- ment supérieure à la largeur de l'entaille 14. Etant donné que ce balayage est sensiblement centré sur l'en- taille 14, les faisceaux F issus de l'émetteur 24 ba- layent donc l'entaille 14 sur toute sa largeur. Le récepteur 26 comporte quant à lui une lentille de focalisation 38 qui reçoit les faisceaux parallèles et coplanaires ayant traversé l'entaille 14 et les focalise sur un capteur photosensible 40. Le capteur photosensible 40 transforme les signaux opti- ques qu'il reçoit en signaux électriques qui sont transmis du récepteur 26 au circuit de conditionnement 28 par un conducteur électrique 42.- Le circuit de conditionnement 28 comporte un circuit de mise en forme 44, dans lequel le signal issu du capteur photosensible est traité. Plus précisé- ment, le traitement effectué dans le circuit de mise en forme 44 est tel qu'à chaque balayage du faisceau F issu de l'émetteur 24, le circuit de mise en forme 44 émette deux impulsions (comptages C1, C2) correspondant respectivement au balayage de chacun des bords droits de l'entaille 14 par le faisceau. Le décalage dans le temps entre ces deux impulsions est donc représentatif de la largeur de l'entaille 14. Pour permettre de mesurer ce décalage, le circuit de conditionnement 28 comprend de plus un comp- teur d'impulsions 46 dont la base de temps est fournie par une horloge rapide 48 (par exemple à 40 MHz). L'origine de comptage du compteur d'impulsions 46 est synchronisée par rapport à un signal de synchronisation émis par une photodiode 50 placée dans l'émetteur 24. De façon plus précise, la photodiode 50 est placée dans l'émetteur 24 de façon à capter un faisceau émis par la diode laser 30 et réfléchi successivement par le miroir octogonal 32 et par le miroir réflecteur 34, à chaque nouveau balayage provoqué par l'arrivée d'une nouvelle facette du miroir 32 en face de la diode laser 30. La photodiode 50 transforme ce faisceau en un signal élec- trique de synchronisation qui est transmis par un conducteur électrique 52 au compteur d'impulsions 46, au travers d'un circuit de mise en forme 54. Le comp- tage de l'impulsion de synchronisation correspondante est désignée par la référence Co. Si l'on désigne par M un facteur de compen- sation proportionnel à la vitesse de rotation du moteur entraînant à vitesse constante le miroir octogonal rotatif 32 et par a2 et al des coefficients de compen- sation de l'incidence du faisceau focalisé F pour cha- cun des bords de l'entaille 14 formée dans l'éprou- vette, la largeur Vi de cette entaille est donnée par la formule suivante: Vi = [a2+M(C2-C)]-[+M(C-C)] soit Vi = a2-a1+M(C2-Cl) La précision de mesure de l'installation qui vient d'être décrite en se référant à la figure 2 est d'environ 10-3 mm et la résolution de 10-4 mm. L'échantillonnage pour l'acquisition d'une mesure varie entre 2,5 et 20 ms selon qu'on effectue cette acquisi- tion sur un balayage unique ou en calculant la moyenne sur un nombre de balayages successifs pouvant dépasser 500. Il est à noter que la stabilité de la mesure aug- mente au détriment de la vitesse d'acquisition lorsqu'on augmente le nombre des mesures servant à établir la valeur mesurée. Cette dernière est ensuite transmise par une interface de sortie 56 du circuit de conditionnement 28 à un micro-ordinateur 58 qui assure le traitement des données acquises lors des essais. De façon plus précise, le micro-ordinateur 58 reçoit en permanence les données fournies par le micromètre laser qui vient d'être décrit en se référant à la figure 2 ainsi que les signaux de charge fournis par la cellule de mesure de la machine de traction sur laquelle est montée l'éprouvette 10. Lorsqu'un essai est réalisé, l'éprouvette 10 est mise en tension à la valeur initiale choisie pour la charge de traction et le micromètre laser est actionné de façon à faire traverser l'entaille calibrée 14 dans le sens de sa largeur par la partie centrale des faisceaux coplanaires parallèles F sortant de l'émetteur 24. Les signaux représentatifs de la largeur de l'entaille 14, engendrés par le circuit de conditionnement 28 à partir des signaux délivrés par le capteur photosensible 40, sont transmis en permanence au micro-ordinateur 58. Le micro-ordinateur effectue notamment un test de stabilité de la largeur de l'entaille calibrée 14. Lorsque la mesure de cette largeur acquise par le circuit de conditionnement 28 est stabilisée (ce qui signifie que la propagation de la fissure est stoppée), un couple de données correspondant à la valeur de la charge Pi de traction appliquée sur l'éprouvette 10 et à la largeur mesurée Vi de l'entaille 14 est alors acquis par l'ordinateur 58. Ce dernier envoie ensuite à la machine de traction un signal commandant une augmen- tation de l'écartement entre les chapes 18 d'un pas prédéterminé. La machine de traction est donc pilotée de telle sorte que l'augmentation de la charge de trac- tion s'effectue par paliers, en imposant à l'éprouvette des allongements de pas constants. Le programme d'acquisition des données et de pilotage de la machine de traction est itéré jusqu'à la rupture de l'éprouvette 10. En fin d'essai on obtient donc un fichier d'acquisition des valeurs de la charge de traction Pi appliquée sur l'éprouvette et de la largeur correspondante Vi de l'entaille calibrée 14. Ce fichier comporte de 20 à 200 couples de données selon les essais. Les équations (1) et (2) données par la norme ASTM E 561 permettent à l'ordinateur 58 de calcu- ler la demi longueur effective aieff de la fissure induite dans l'éprouvette et le facteur effectif d'intensité de contrainte Kieff, en fonction des caractéristiques dimensionnelles de l'éprouvette, du matériau qui la constitue et des mesures effectuée par l'installation décrite précédemment. A partir des valeurs ainsi calculées, il devient possible de tracer la courbe déterminée par l'ensemble des points correspondants, dite "courbe R". Par rapport aux procédés classiques utili- sés pour déterminer la résistance à la déchirure duc- tile d'un matériau, le procédé conforme à l'invention qui vient d'être décrit présente des avantages marqués qui concernent notamment l'automatisation de l'essai, sa fiabilité, la précision des mesures ainsi que la simplicité des moyens utilisés. Ainsi, la technique d'instrumentation dé- crite, couplée à une acquisition numérique des données, rend l'essai totalement autonome en dehors des phases de préparation et de démontage qui requièrent la pré- sence d'un opérateur. L'acquisition directe des valeurs par l'installation permet d'éliminer les risques d'er- reurs lors de la saisie des mesures. De plus, le pilo- tage de l'essai est réalisé avec une plus grande préci- sion grâce au test continu de stabilité de la fissure. En outre, la sensibilité de la mesure peut être amélio- rée en utilisant la mesure d'ouverture comme paramètre d'asservissement direct de l'essai. Le dépouillement des résultats est également simplifié et surtout accé- léré, les résultats d'essai étant disponibles sans risque d'erreur dès la fin de l'essai. Par ailleurs, les résultats d'essai sont reproductibles. En effet, la stabilité de la fissure est garantie par un test quantifié et ne dépend plus de la subjectivité de l'opérateur. En outre, l'exploita- tion des mesures intègre directement la zone plastique qui se trouve à la pointe de la fissure et dans laquelle le matériau se trouve en état de déformation, sans aller jusqu'à la rupture, contrairement à une mé- thode directe de mesure de longueur de fissure, qui ne prend pas en compte cette zone. De plus, la mesure effectuée conformément à l'invention est moins sensible qu'une mesure optique directe aux phénomènes locaux qui peuvent se produire en pointe de fissure. Par ailleurs, la mesure est représentative d'un état moyen d'avancée de la fissure sur l'ensemble du front de propagation, qui peut être sensiblement différent des observations effectuées à la surface de l'éprouvette. La sensibilité de la mesure effectuée est liée à la haute résolution du micromètre laser (environ 10-4 mm), ce qui permet de mesurer la longueur de fis- sure avec une précision de l'ordre de 0,1 mm. La stabi- lité de la fissure est également plus facile à évaluer et l'acquisition digitale des données permet de ne pas dégrader la précision des mesures. Par rapport aux mé- thodes classiques utilisant un capteur à jauge exten- siométrique et une entaille circulaire, on réalise une mesure plus précise car les points de mesure sont réel- lement ponctuels et la mesure est indépendante du déplacement relatif des lèvres de la fissure. L'instal- lation utilisée pour réaliser l'essai peut être égale- ment utilisée sans aucun démontage pour effectuer la préfissuration en fatigue avant essai, en profitant de la sensibilité de la mesure pour fixer l'arrêt de la préfissuration. Enfin, il est à noter que le procédé selon l'invention peut être utilisé sur des éprouvettes à entaille latérale, l'installation utilisée comportant alors deux têtes de mesure. En outre, des montages5 anti-voilage très rigides peuvent être associés à l'éprouvette sans affecter les mesures. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer la résistance à la déchirure ductile d'un matériau soumis à une charge de traction croissante, selon lequel: - on place dans une machine de traction une éprouvette plane (10) dans laquelle est réalisée une entaille calibrée (14); - on soumet cette éprouvette à une charge de traction croissante; et - on mesure la largeur de l'entaille dans la direction d'application de la charge, caractérisé par le fait qu'on utilise une éprouvette (10) présentant une entaille (14) pourvue de deux bords droits opposés parallèles et biseautés, dont on mesure l'écartement, correspondant à ladite largeur, au moyen d'un micromètre laser (24,26,28) à balayage de plan. 2. Procédé selon la revendication 1, carac- térisé par le fait qu'on augmente la charge de traction par paliers, en imposant à l'éprouvette (10) des allon- gements de pas constants. 3. Procédé selon la revendication 2, carac- térisé par le fait qu'on mesure en permanence l'écarte- ment entre les bords opposés de l'entaille (14) et la charge appliquée sur l'éprouvette (10) et par le fait qu'on attend la stabilisation de l'écartement mesuré pour procéder à l'acquisition de cet écartement et de la charge appliquée sur l'éprouvette, puis pour comman- der l'augmentation de cette charge. 4. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on utilise une éprouvette plane (10) dans laquelle est réalisée une entaille centrale non débouchante (14), de forme oblongue, présentant des bords droits biseautés sur les deux faces de l'éprouvette, à section en forme de V. 5. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on utilise un micromètre laser comprenant un émetteur et un récepteur indépendants, disposés de part et d'autre de l'éprouvette (10), et des moyens de réglage d'ali- gnement de l'émetteur et du récepteur.