Brevet FR2698690A1 — publié le 19940603

DISPOSITIF DE MESURE DE LA DEFORMATION D'UN MATERIAU NOUVEAU SOUMIS A UN CHAUFFAGE DYNAMIQUE DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif permettant d'effectuer des essais de flexion mécanique sur un échantillon de matériau soumis à un chauffage dynamique pour en déterminer la valeur de la déformation de la contrainte appliquée et du module d'Young. Dans de nombreux domaines techniques (aéronautique, automobile, etc.), l'utilisation de matériaux nouveaux devient de plus en plus importante. I1 est donc nécessaire de connaître les caractéristiques mécaniques de ces matériaux (par exemple, céramiques, composites, alliages) à des températures élevées. I1 existe, de façon classique, des dispositifs permettant de réaliser des mesures des déformations subies par un matériau ; cependant, de tels dispositifs ne permettent qu'une montée en température relativement lente, ce qui n'est pas réellement représentatif de la sollicitation thermique du matériau dans son utilisation normale. Afin de pouvoir recréer les sollicitations thermiques subies par un matériau lors de son utilisation normale, il est nécessaire de pouvoir soumettre ledit matériau, lors des essais de flexion mécanique, à un chauffage dynamique, par exemple de l'ordre de 10 degrés Celsius par seconde. L'invention a justement pour objet un dispositif permettant de chauffer rapidement le matériau lors dressais en flexion mécanique. Ce dispositif permet notamment de chauffer le matériau de 10 degrés Celsius par seconde jusqu'à une température d'au moins 1 000 degrés Celsius. De façon plus précise, l'invention concerne un dispositif de détermination de la déformation d'un matériau comprenant - un échantillon dudit matériau, en forme de parallélépipède de largeur 1 et de longueur L - un moyen presseur inférieur et un moyen presseur supérieur entre lesquels est disposé l'échantillon - un vérin mobile associé au moyen presseur inférieur de façon à pousser ledit moyen presseur inférieur vers le moyen presseur supérieur pour écraser l'échantillon entre les deux moyens presseurs, le moyen presseur inférieur ayant un profil en U sur lequel est posé en appui l'échantillon, le moyen presseur supérieur comportant au moins une saillie apte à créer, sur l'échantillon, au moins une déformation lorsque ledit échantillon est écrasé entre les deux moyens presseurs et - des moyens de mesure pour mesurer les déformations subies par l'échantillon. Ce dispositif comporte en outre des moyens de chauffage rapide émettant des flux de chaleur vers les côtés de longueur L de l'échantillon. Avantageusement, les moyens de mesure comportent un extensomètre à laser émettant un faisceau laser orienté vers un côté de largeur 1 de l'échantillon, une surface réceptrice disposée à proximité d'un autre côté de largeur 1 de l'échantillon étant apte à recevoir des déviations du faisceau laser pour déterminer la valeur de la déformation de l'échantillon. De plus, selon une caractéristique de l'invention, les moyens de chauffage comprennent une pluralité de lampes infrarouges disposées de façon parallèle aux côtés de longueur L de l'échantillon. De façon plus précise, les lampes infrarouges sont associées en deux rampes de chauffage disposées de part et d'autre de l'échantillon et émettant chacune un flux de chaleur vers l'un des côtés de longueur L. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, les lampes infrarouges sont disposées dans des structures réémettrices paraboliques aptes à renvoyer les flux de chaleur reçus des lampes infrarouges vers les côtés de longueur L de l'échantillon. Une application de l'invention consiste à mesurer la flèche du matériau soumis à un essai de flexion mécanique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif, mais nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente, de façon schématique, l'ensemble du dispositif de mesure de la déformation d'un matériau soumis à un chauffage dynamique ; - la figure 2 représente, selon une vue de profil, le faisceau laser envoyé vers l'échantillon de matériau et les déviations qu'il subit - la figure 3 représente, de façon schématisée, les moyens de chauffage et les flux de chaleur reçus par l'échantillon. Sur la figure 1, on voit le dispositif permettant de mesurer la déformation d'un échantillon de matériau soumis à un chauffage dynamique. On a donc représenté, sur cette figure, l'échantillon 2 de matériau, les moyens presseurs inférieur 6 et supérieur 7, l'extensomètre à laser 10 et les moyens de chauffage 20. De façon plus précise, l'échantillon 2 de matériau à tester est une éprouvette normée de forme parallélépipédique. Les grands côtés de l'éprouvette ont une longueur L et les petits côtés de l'éprouvette 2 ont une largeur 1. L'éprouvette est déposée sur le moyen presseur inférieur 6, que l'on appelle aussi support inférieur. Ce support inférieur 6 a une forme de profil en U, l'éprouvette 2 étant en appui sur les deux jambes 6a et 6b dudit profil en U. Le moyen presseur supérieur 4, appelé aussi cellule de force, comporte une base d'appui 4a dont la face inférieure comprend deux cylindres 4b et 4c, répartis régulièrement sur cette face inférieure, et dont la longueur est sensiblement plus importante que la largeur 1 de l'éprouvette 2 de façon à créer sur l'éprouvette 2 une déformation sur toute la largeur 1 de ladite éprouvette 2. Un vérin 8 (par exemple un vérin hydraulique) permet de pousser le support inférieur 6 vers la cellule de force 4 de façon à écraser l'éprouvette 2 entre ladite cellule de force 4 et ledit support supérieur 6. La pression des cylindres 4b et 4c sur l'éprouvette 2 crée une déformation de l'éprouvette. Afin de réaliser cet essai en flexion dans des conditions proches des conditions normales d'utilisation du matériau à tester, un moyen de chauffage 20 permet d'échauffer l'éprouvette 2. De façon plus précise, ce moyen de chauffage 20 comprend deux rampes de lampes infrarouges 22a, 22b (par exemple, des lampes halogènes) installées de chaque côté de l'éprouvette 2, parallèlement aux côtés de longueur L. Ces lampes sont installées dans des structures paraboliques réémettrices qui sont très schématiquement représentées sur cette figure et qui seront représentées et décrites de façon plus détaillée dans la suite de la description. Ces rampes de lampes 22a et 22b émettent chacune un flux de chaleur (représenté sur la figure par une succession de traits parallèles) apte à chauffer rapidement l'éprouvette 2. Ces flux de chaleur 24a et 24b sont dirigés vers les tranches de l'éprouvette 2 (c'est-à-dire vers les côtés de longueur L) qui diffusent la chaleur à toute l'éprouvette. La mesure de la déformation du matériau chauffé et pressé par les moyens presseurs 4 et 6 est réalisée par l'extensomètre 10. Cet extensomètre 10 est un système laser de dimensionnement de pièces utilisé classiquement pour mesurer des diamètres, des longueurs, etc., de pièces d'usines. L'utilisation classique d'un tel extensomètre est décrite dans des publications et notamment dans une fiche descriptive de Photonétics Un tel extensomètre est utilisé, selon l'invention, pour mesurer, sans contact, la déformation subie par l'échantillon de matériau. De façon plus précise, cet extensomètre permet de mesurer la flèche de l'éprouvette 2 pendant l'essai de flexion. En effet, cet extensomètre utilise un faisceau laser 12 dont la longueur d'onde diffère de celle du rayonnement produit par les lampes infrarouges 22a et 22b. Ce faisceau laser 12 est émis par le système laser 14 vers l'éprouvette 2 et, plus précisément, vers l'un des côtés de largeur 1 de l'éprouvette 2. Ce faisceau laser 12 traverse les obstacles rencontrés sur son parcours, à savoir les moyens presseurs 4 et 6 et l'éprouvette 2. Le faisceau laser dévié est reçu par une surface réceptrice 16 située à proximité du second côté de largeur 1 de l'éprouvette 2. La valeur de la flèche est déterminée à partir des variations observées du faisceau laser 12. En outre, afin de permettre au faisceau laser 12 de traverser le support inférieur 6 pour atteindre la surface réceptrice 16, les jambes 6a et 6b du profil en U comportent des ouvertures non visibles sur cette figure. Ces ouvertures, appelées également fenêtres, on une hauteur sensiblement connue ; on peut ainsi mesurer la valeur de la flèche qui est la distance entre l'extrémité du cylindre 4b en contact avec l'éprouvette 2 et le bas de la fenêtre. La valeur de la flèche étant ainsi mesurée, on détermine la valeur du module d'élasticité du matériau, connu sous le nom de module d'YOUNG. Ce module d'YOUNG E se détermine à partir de l'expression suivante y" = M/EI avec y" = d2f/dx2 où f est la valeur mesurée de la flèche, I le moment quadratique de surface et M le moment du torseur résultant des efforts extérieurs et des réactions d'appuis sur l'éprouvette. Afin de montrer de façon plus précise les déviations du faisceau laser 12 et la flèche à mesurer, on a réalisé la figure 2 sur laquelle on voit, selon une vue de profil, les moyens presseurs 4 et 6, le faisceau laser 12 et l'éprouvette 2. On voit donc sur cette figure 2, de façon plus détaillée, la cellule de force 4 avec sa base 4a comprenant les cylindres 4b et 4c. La base 4a est reliée à la partie fixe 4e de la cellule de force 4 par une articulation 4d, ce qui permet de modifier la position de la base 4a pour équilibrer la pression réalisée par chacun des cylindres 4b et 4c sur l'éprouvette 2. On voit également sur cette figure, le support inférieur 6 et son profil en U. Les jambes 6a et 6b dudit support inférieur 6, comme cela a été cité précédemment, comportent chacun une fenêtre respective 7a et 7b à travers lesquelles le faisceau laser peut traverser le support inférieur 6. En effet, le faisceau laser 12 émis par le système laser 14 est en partie occulté par le support inférieur 6, la cellule de force 4 et l'échantillon 2, car ces derniers sont opaques et font écran au faisceau laser. Aussi, seule une partie du faisceau laser atteint la surface réceptrice 16, cette partie étant celle qui a traversé le support 6 par les fenêtres 7b et 7a. En outre, selon un mode de réalisation de l'invention, un repère 18 est disposé dans la partie creuse du profil en U du support 6. Ce repère 18, en faisant écran, sur une hauteur connue, au faisceau laser qui a traversé la fenêtre 7b, permet d'étalonner l'extensomètre 10 pour déterminer la valeur de la flèche f avec plus de précision, la hauteur entre la partie basse 5b ou 5a des fenêtres respectives 7b et 7a et le cylindre 4b ou 4a étant difficilement mesurable avec précision. Sur la figure 3, on a représenté, de façon plus précise, les moyens de chauffage 20 selon l'invention. Comme cité précédemment, les moyens de chauffage 20 comportent deux rampes de chauffage 22a et 22b. Chacune de ces rampes 22a et 22b comporte une pluralité de lampes infrarouges. Selon un mode de réalisation de l'invention, ces lampes infrarouges sont, de préférence, deux lampes halogènes. Un support de lampe 28, uniquement représenté sur la rampe 22a (par mesure de simplification de la figure), permet de maintenir la lampe halogène 26a en position fixe dans la rampe 22a. De même, la lampe halogène 26b est fixée dans un support de lampe identiques au support 28 et non représenté sur la figure. Des réflecteurs 30a et 30b, nommés aussi structures réémettrices paraboliques, sont fixés chacun à l'intérieur du support de lampe de sa rampe respective 22a ou 22b. Ils permettent de réémettre, vers l'éprouvette 2 à chauffer1 les flux de chaleur reçus par les lampes halogènes 26a et 26b. Ainsi, les flux de chaleur émis directement par les lampes 26a et 26b et réémis par les réflecteurs 30a et 30b sont focalisés vers la tranche de l'échantillon 2, c'est-à-dire vers le côté de longueur L le plus proche. L'éprouvette 2 est ainsi placée au foyer des flux de chaleur, ce qui permet d'obtenir une température uniformément répartie, c'est-à-dire d'obtenir un faible gradient thermique et une stabilisation en température très rapide. Ainsi, dès que la stabilisation en température est obtenue, le vérin monte et sollicite l'éprouvette 2 en flexion à l'aide des deux moyens presseurs 4 et 6. En outre, durant la montée du vérin, l'extensomètre à laser 10 mesure la flèche f de l'éprouvette 2. Etant donné la rapide stabilisation en température de l'éprouvette, on comprendra, bien évidemment, que ce dispositif permette de mesurer les déformations de l'éprouvette dans des conditions très proches des conditions réelles d'utilisation des matériaux. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détermination de la déformation d'un matériau comprenant - un échantillon (2) dudit matériau, en forme de parallélépipède de largeur 1 et de longueur L - un moyen presseur inférieur (6) et un moyen presseur supérieur (4) entre lesquels est disposé l'échantillon - un vérin mobile (8) associé au moyen presseur inférieur de façon à pousser ledit moyen presseur inférieur vers le moyen presseur supérieur pour écraser l'échantillon entre lesdits deux moyens presseurs, le moyen presseur inférieur ayant un profil en U sur lequel est posé en appui l'échantillon, le moyen presseur supérieur comportant au moins une saillie (4b, 4c) apte à créer, sur l'échantillon, au moins une déformation lorsque ledit échantillon est écrasé entre les deux moyens presseurs ; et - des moyens de mesure (10) pour mesurer les déformations subies par l'échantillon, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (24a, 24b) de chauffage rapide (20) émettant des flux de chaleur vers les côtés de longueur L de l'échantillon. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure comportent un extensomètre à laser (10) émettant un faisceau laser (12) orienté vers un côté de largeur 1 de l'échantillon, une surface réceptrice (16) disposée à proximité d'un autre côté de largeur 1 de l'échantillon étant apte à recevoir des déviations du faisceau laser pour déterminer la valeur de la déformation de l'échantillon. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent une pluralité de lampes infrarouges (26a, 26b) disposées de façon parallèle aux côtés de longueur L de l'échantillon. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les lampes infrarouges sont associées en deux rampes de chauffage (22a, 22b) disposées de part et d'autre de l'échantillon et émettant chacune un flux de chaleur vers l'un des côtés de longueur L. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les lampes infrarouges sont disposées dans des structures réémettrices paraboliques (30a, 30b) aptes à renvoyer les flux de chaleur reçus des lampes infrarouges vers les côtés de longueur L de l'échantillon. 6. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans laquelle l'échantillon est soumis à une flexion entre les moyens presseurs inférieur et supérieur, une valeur de la flèche (f) caractéristique de cette flexion étant déterminée par l'extensomètre à laser. 7. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le matériau dans lequel est réalisé l'échantillon est une céramique.