Brevet FR2761472A1 — publié le 19981002

DISPOSITIF D'ESSAIS MECANIQUES MULTIAXIAUX, A HAUTE TEMPERATURE, SUR DES MATERIAUX A FAIBLE COHESION La présente invention concerne un dispositif d'essais mécaniques multiaxiaux, sur des éprouvettes de matériaux solides à faible cohésion, dans une gamme très étendue de températures supérieures à la température ambiante. Le type de chargement mécanique concerné, que l'on veut appliquer sur une éprouvette de matériau à faible cohésion, est la compression biaxiale, composée d'une compression axiale appliquée suivant l'axe de symétrie longitudinale de l'éprouvette, associée à une pression latérale de confinement, ces deux chargements ou contraintes mécaniques étant pilotées indépendamment ou simultanément. Le problème que vise à résoudre l'invention est l'identification du comportement mécanique des matériaux solides à faible cohésion, tels que les sables. Actuellement, pour obtenir les caractéristiques mécaniques d'un matériau solide, on réalise des essais de traction ou compression, sur des éprouvettes fabriquées dans le matériau à étudier et dont la partie utile aux essais est généralement cylindrique. Ce type d'essais ne donne d'informations que sur le comportement du matériau soumis à des sollicitations uniaxiales. Pour obtenir des informations sur le comportement mécanique en cas de sollicitations biaxiales, il existe actuellement différents types d'essais. Tout d'abord, on réalise des essais de traction, ou compression, et de torsion sur une éprouvette tubulaire mince en matériau à étudier. On réalise également des essais de traction biaxiale sur une éprouvette plane selon deux principes différents, soit par traction suivant deux directions orthogonales dans le plan de l'éprouvette; soit par traction équibiaxiale, résultant de l'application, par l'intermédiaire d'un fluide, d'une pression contrôlée sur l'une des faces de l'éprouvette à partie utile circulaire et encastrée sur sa périphérie, comme décrit dans le brevet français publié sous le numéro 2 546 300, au nom de ZOLOTOV. Pour obtenir les caractéristiques du matériau en cas de sollicitations multiaxiales, la demande de brevet français 92 02965 décrit des essais triaxiaux dont la mise en oeuvre présente deux difficultés importantes, concernant l'obtention d'une répartition uniforme des contraintes et des déformations à l'intérieur de l'éprouvette testée, ainsi que leur mesure. Concernant les matériaux solides à faible cohésion comme les argiles, les sables, les poudres compactées, etc..., on identifie expérimentalement leur comportement mécanique par compression biaxiale, réalisée sur une éprouvette cylindrique, que l'on soumet simultanément à une compression axiale, et, indépendamment, à une pression latérale dite de confinement. Lorsque les essais sont prévus à des températures voisines de 200C, la compression axiale est exercée par un vérin et des pièces intermédiaires solides, alors que la pression de confinement est exercée par un liquide dont on contrôle la pression. Cela nécessite de protéger l'éprouvette, avec une enveloppe en matériau étanche et à résistance mécanique négligeable par rapport à celle de l'éprouvette, comme le néoprène. Ce dernier type d'essais a pour inconvénients, d'une part une mise en oeuvre très délicate à des températures élevées, pour lesquelles la mise sous pression d'un fluide pose des problèmes d'étanchéité et de risques d'explosion, et d'autre part une dégradation très rapide avec la température des propriétés mécaniques des élastomères généralement utilisés pour isoler l'éprouvette. De ce fait, la gamme des températures d'essais est relativement limitée, inférieure à 6000C, même si le fluide utilisé est un gaz neutre et si l'enveloppe souple et étanche de protection de l'éprouvette est en feuilles très fines d'aluminium. Or, pour connaître les caractéristiques mécaniques des sables, servant notamment à réaliser des moules dans lesquels on coule de la fonte en fusion, pour la fabrication de pièces de moteur de véhicules automobiles, il est nécessaire de faire des essais jusqu'à des températures voisines de la température de coulée de la fonte (14000C), courantes en fonderie. Dans ce but, l'invention consiste à réaliser un dispositif d'essais mécanique multiaxiaux, sur une éprouvette cylindrique en matériau à faible cohésion, de densité et de degré d'hygrométrie initiaux différents, ces essais se décomposant en une compression axiale appliquée aux deux extrémités de l'éprouvette et en une pression latérale de confinement appliquée par l'intermédiaire de pièces assurant également le chauffage de l'éprouvette. Pour cela, l'objet de l'invention est un dispositif d'essais mécaniques multiaxiaux sur une éprouvette cylindrique de matériau solide à faible cohésion, à haute température, comprenant un vérin de compression axiale associé à un capteur d'effort et à un capteur de déplacement et piloté par un système de contrôle des efforts axiaux, caractérisé en ce qu'il comprend de plus - un ensemble de trois vérins identiques, de compression radiale, associés à des capteurs d'effort et de déplacement, et pilotés par un système de contrôle des efforts radiaux - un inducteur - des pièces intermédiaires assurant la transmission à l'éprouvette , des efforts mécaniques exercés par les vérins et de la température produite par l'inducteur. Selon une autre caractéristique du dispositif selon l'invention, à chaque vérin exerçant une compression radiale est associée une pièce intermédiaire, directement en contact avec l'éprouvette cylindrique, en forme de secteur cylindrique d'angle au centre voisin de 1200 et de diamètre intérieur égal au diamètre extérieur initial de l'éprouvette, et le jeu existant entre deux secteurs adjacents est calculé à partir des valeurs des efforts mécaniques, des valeurs des températures et des propriétés mécaniques du matériau de l'éprouvette, afin d'éviter leur contact lors de la diminution du diamètre de l'éprouvette sous l'effet des changements thermomécaniques prévus lors des essais. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un exemple de réalisation, illustrée par les figures suivantes qui sont - la figure 1 : une coupe schématique du dispositif d'essais selon l'invention - la figure 2 : une coupe schématique partielle du dispositif d'essais selon l'invention - la figure 3 : une vue en coupe transversale du dispositif d'essais selon l'invention - la figure 4 : une coupe d'une liaison élastique utilisée dans le dispositif selon l'invention Les essais mécaniques multiaxiaux réalisables par le dispositif selon l'invention vont être faits sur un échantillon en forme d'éprouvette cylindrique 1, de section circulaire, en matériau solide de faible cohésion à tester. Le dispositif d'essais multiaxiaux, objet de l'invention, dont une coupe schématique est représentée sur la figure 1, est un ensemble constitué d'un vérin axial 2, de plusieurs vérins radiaux 3, de pièces intermédiaires transmettant à l'éprouvette la température d'une part, et les efforts exercés par les vérins d'autre part, et d'un inducteur 4. Dans un mode de réalisation préférentiel, le dispositif est installé de telle sorte que l'axe 6 de l'éprouvette 1 soit vertical, en particulier pour faciliter l'élimination des grains de sable dus à un large effritement de l'éprouvette. Le chargement mécanique axial est assuré sur une première face 5 de l'éprouvette 1, par le vérin axial 2, et sur la seconde face 6, opposée à la première, par un appui fixe 7. Les pièces intermédiaires assurant la transmission d'un effort axial F a sont deux tiges 8 et 9, en matériau réfractaire et de faible coefficient de dilatation, de l'alumine par exemple. Le vérin axial 2 et l'appui fixe 7 peuvent être indifféremment associés à la tige supérieure ou à la tige inférieure. Dans le cas représenté sur la figure 1, la tige 9 associée à l'appui fixe 7 est sous l'éprouvette 1, et son diamètre Da est supérieur au diamètre D de celle-ci. Par contre, le diamètre Dv de la tige supérieure 8 est inférieur à celui de l'éprouvette. Dans le cas représenté sur la coupe schématique partielle de la figure 2, la tige 9 associée à l'appui fixe 7 est au-dessus de l'éprouvette 1, tandis que la tige 8, associée au vérin axial 2, est sous l'éprouvette et son diamètre Dv est inférieur au diamètre D de celle-ci, afin de faciliter l'évacuation de grains de sable pouvant provenir éventuellement d'un léger effritement de l'éprouvette. L'application de l'effort axial F a est assuré par une machine de traction-compression électro-hydraulique asservie en effort, déplacement ou déformation, qui contrôle les efforts axiaux et qui est associée à un capteur d'effort, du type cellule à jauges. Le chargement mécanique radial est assuré par un ensemble d'au moins trois vérins radiaux identiques 3, disposés sur une couronne 15 de sorte que le décalage angulaire de l'axe des vérins soit égal à 1200. Ces vérins sont du type pneumatique à membrane, à simple effet, c'est-à-dire avec rattrapage de la consigne dans un seul sens. Comme le montrent les figures 1, 2 et 3, cette dernière étant une vue en coupe transversale du dispositif au niveau des vérins radiaux, à chaque vérin correspond une pièce intermédiaire directement en contact avec l'éprouvette 1, en forme de secteur cylindrique 10 d'angle au centre légèrement inférieur à 1200 et dont le diamètre intérieur est égal au diamètre extérieur initial de l'éprouvette. Ces pièces intermédiaires 10 sont destinées à la transmission des efforts mécaniques appliqués par les vérins d'une part et à celle de la température d'autre part. Le jeu 11 entre deux secteurs 10 adjacents est le plus faible possible pour éviter cependant leur contact lors la diminution du diamètre de l'éprouvette sous l'effet des changements thermomécaniques envisagés pendant les essais. On détermine la valeur de ce jeu entre deux secteurs à partir de la gamme d'efforts mécaniques et de la gamme des températures prévues pour les essais d'une part, et des propriétés mécaniques du matériau testé, c'est-à-dire son coefficient de dilatation thermique et son coefficient de compressibilité, d'autre part. L'analyse permettant la détermination du jeu entre les secteurs permet également celle de la valeur maximale que peut avoir le diamètre de la tige associée au vérin axial, qui transmet l'effort axial Fa sur l'éprouvette. La réponse des vérins radiaux 3 donne le déplacement en fonction de l'effort développé en bout de tige et paramétré en pression. L'asservissement des vérins se fait à l'aide d'un servodistributeur électropneumatique, qui contrôle les efforts radiaux et permet de réguler avec précision les valeurs de la pression de l'air. Il est essentiel que les efforts radiaux Fr, appliqués à l'éprouvette 1 par les vérins 3, soient bien normaux à sa surface cylindrique extérieure, ce qui impose un déplacement radial à chaque secteur 10, tout en laissant libre leur déplacement sans rotation dans un plan vertical. Pour cela, une liaison élastique souple 12 est fixée au bout de chaque vérin. Cette liaison élastique 12 peut être réalisée selon un exemple non limitatif représenté en coupe sur la figure 4, par un ensemble de lames élastiques obtenues par alésage de ponts de faible épaisseur dans une pièce métallique. Des tiges 13, au nombre d'au moins deux, relient chaque secteur 10 à la liaison élastique souple 12 correspondante en assurant la normalité des forces radiales sur la surface extérieure de l'éprouvette. Ces tiges 13 sont réalisées en céramique réfractaire, de l'alumine par exemple et de faible coefficient de dilatation thermique. Les essais devant se dérouler jusqu'à des températures voisines de 14000C, il est donc nécessaire de chauffer l'éprouvette en sable. Contrairement aux éprouvettes en métal que l'on chauffe par induction magnétique, l'éprouvette en sable doit être chauffée par contact. Pour cela, les secteurs cylindriques 10, qui sont en contact direct avec la paroi extérieure de l'éprouvette 1, sont réalisés en matériau réfractaire susceptible d'être chauffé par induction pour jouer le rôle de suscepteurs. Ils sont avantageusement en carbure de silicium. Le mode de chauffage de l'éprouvette est assuré par un système inducteur 4, constitué par une bobine en cuivre centrée autour de l'éprouvette et d'un générateur apériodique haute fréquence. Un rapport entre la hauteur de la bobine et le nombre de spires est calculé pour garantir un chauffage homogène des secteurs qui transmettent la chaleur au sable par contact direct. Le sable ayant une conductibilité thermique faible, la montée en température de l'éprouvette, à partir de la température ambiante, est délicate à double titre. Tout d'abord, pendant l'essai mécanique isotherme et pendant la montée en température, la température de 1 'éprouvette doit être uniforme. De plus, étant donné les différents changements irréversibles de microstructure possibles dans le matériau, il est fondamental qu'aucun point de l'éprouvette ne soit jamais soumis à une température supérieure à la température d'essai, pendant la phase de chauffage. C'est pourquoi un thermocouple 16, de type S, est noyé dans un des secteurs suscepteurs et relié à un dispositif régulateur-programmateur qui pilote la montée en température. Simultanément, un thermocouple 14 de type K est plongé au centre de l'éprouvette et relié à un système de contrôle de la température, afin de suivre l'évolution de sa température. L'égalité des deux mesures permet de garantir l'uniformité de la température en tout point de l'éprouvette. Cette température d'essais peut atteindre 14000C. La procédure d'expérimentation consiste à déduire les efforts appliqués en bout de tige des vérins des mesures de la pression d'alimentation et des déplacements de ces tiges. Ce qui implique l'établissement d'une courbe d'étalonnage pour chacun des vérins. La mesure de la déformation axiale de l'éprouvette 1, la longueur de son axe longitudinal 6, est déduite de la mesure du déplacement axial donné par un capteur de déplacement, qui est fixé à l'extrémité du vérin de la machine électro-hydraulique asservie. La mesure de la déformation radiale de l'éprouvette est déduite de la mesure du déplacement radial de celle-ci, déplacement mesuré par l'intermédiaire de trois capteurs inductifs, montés sur les liaisons élastiques 12 et dans une zone non perturbée par les rayonnements thermique et magnétique. La moyenne des déplacements Ui mesurés par ces trois capteurs, permet le calcul de la variation du diamètre D de l'éprouvette 1, qui peut être calculé, en première approximation, à partir du diamètre initial Do par la relation suivante D = Do + 2/3 S(Ui) L'ensemble des capteurs de températures, d'efforts et de déplacements mentionnés auparavant, ainsi que les systèmes de contrôle de la température et des efforts axial F a et radiaux Frf sont reliés à un système électronique de pilotage et d'acquisition. Le dispositif d'essais selon l'invention est installé sur une machine de traction-compression asservie et constitue alors, avec elle, une machine de compression biaxiale. Les grandeurs physiques mesurables et/ou contrôlables, directement ou par des moyens informatiques, sont les suivantes - la température de l'éprouvette - l'effort axial F a exercé par la machine électro hydraulique asservie - le déplacement axial de l'éprouvette, correspondant à une contrainte axiale uniformément répartie dans l'éprouvette - l'effort radial Fr moyen exercé par les trois vérins, calculé directement par exemple en faisant la moyenne arithmétique des efforts exercés par chaque vérin - les déplacements radiaux de l'éprouvette. Ce dispositif selon l'invention a été réalisé avec trois vérins radiaux et a permis de réaliser des essais mécaniques au-delà de 10000C, sur des éprouvettes en sable argileux, soumises à des changements déviatoniques et/ou hydrostatiques complexes. L'avantage de l'invention réside dans le fait que tout en reprenant le principe de la compression biaxiale, le dispositif évite les inconvénients et les limitations liés à l'utilisation d'un fluide sous pression, à haute température, ainsi que ceux liés à l'utilisation d'une enveloppe protectrice de l'éprouvette, souple et étanche. La température maximale des essais réalisables par l'invention dépend du choix du matériau solide constituant les secteurs suscepteurs. L'utilisation du carbure de silicium permet d'atteindre des températures très supérieures à 1000"C. Grâce au dispositif d'essais mécaniques multiaxiaux, à haute température, selon l'invention, il devient possible de connaître les caractéristiques mécaniques des sables à partir desquels sont réalisés les moules de fonderie. Ces moules sont notamment utilisés dans la fabrication de pièces en fonte , tout particulièrement de pièces de moteurs ou de véhicules automobiles. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'essais mécaniques multiaxiaux sur une éprouvette cylindrique de matériau solide à faible cohésion, à haute température, comprenant un vérin (2) de compression axiale associé à un capteur d'effort et à un capteur de déplacement et piloté par un système de contrôle des efforts axiaux, caractérisé en ce qu'il comprend de plus - un ensemble de trois vérins (3) identiques, de compression radiale, associés à des capteurs d'effort et de déplacement, et pilotés par un système de contrôle des efforts radiaux - un inducteur (4) - des pièces intermédiaires assurant la transmission à l'éprouvette (1), des efforts mécaniques exercés par les vérins et de la température produite par l'inducteur. 2. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu à chaque vérin (3) radial est associée une pièce intermédiaire, réalisée en matériau susceptible d'être chauffé par induction, placée directement en contact avec l'éprouvette cylindrique (1), en forme de secteur (10) cylindrique, d'angle au centre égal de 1200 et de diamètre intérieur égal au diamètre extérieur initial de l'éprouvette, et en ce que le jeu (11) existant entre deux secteurs (10) adjacents est calculé à partir des valeurs des efforts mécaniques, des valeurs des températures et des propriétés mécaniques du matériau de l'éprouvette, afin d'éviter leur contact lors de la diminution du diamètre de l'éprouvette (1) sous l'effet des changements thermomécaniques prévus lors des essais. 3. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une liaison élastique double (12) est fixée au bout de chaque vérin radial (3) et est relié à un secteur cylindrique (10) par au moins deux tiges (13) afin d'assurer l'orthogonalité des efforts radiaux (Fr) exercés par lesdits vérins radiaux sur la surface cylindrique extérieure de l'éprouvette (1). 4. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que des efforts mécaniques axiaux (Fa) exercés par le vérin axial (2) sur une première face (5) de l'éprouvette et par un appui fixe (7) sur la seconde face (6) opposée à la première, sont appliqués par des pièces intermédiaires constituées de deux tiges (8 et 9). 5. Dispositif d'essais mécaniques selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les tiges (13) de liaison entre les secteurs (10) et les liaisons souples (12), transmettant les efforts de compression radiale, ainsi que les tiges (8 et 9) transmettant les efforts de compression axiale, sont réalisées en céramique réfractaire, de faible coefficient de dilatation thermique. 6. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 3, caractérisé en ce que les secteurs cylindriques (10) sont en matériau réfractaire susceptible d'être chauffé par induction. 7. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'inducteur (4) est constitué par une bobine en cuivre centrée autour de l'éprouvette cylindrique (1), alimentée par un générateur apériodique haute fréquence, et dont les dimensions sont calculées pour garantir un chauffage homogène des secteurs (10) qui transmettent, par contact direct, la chaleur au sable. 8. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'éprouvette cylindrique (1) est disposée verticalement entre les deux tiges (8 et 9) cylindriques, le diamètre (Da) de la tige associée à l'appui fixe (7) étant supérieur au diamètre (D) de l'éprouvette augmenté de l'épaisseur (e) des secteurs cylindriques (10) et le diamètre (Dv) de la tige associée au vérin axial (2) étant inférieur au diamètre (D) de l'éprouvette. 9. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un premier thermocouple (16), de type K, est plongé au centre de l'éprouvette (1) et en ce qu'un second thermocouple (14), de type S, est noyé dans un des trois secteurs cylindriques (10) et est relié à un dispositif régulateur-programmateur pilotant la montée en température dudit secteur. 10. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 3, caractérisé en ce que trois capteurs inductifs sont montés respectivement sur les trois liaisons élastiques souples (12), fixées au bout des vérins radiaux (3), dans une zone non perturbée par les rayonnements thermique et magnétique, et destinés à mesurer le déplacement radial de l'éprouvette cylindrique (1). 11. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 6, caractérisé en ce que les secteurs cylindriques (10) sont en carbure de silicium. 12. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tiges (13) sont en alumine. 13. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 4, caractérisé en ce que le vérin axial (2) et l'appui fixe (7) sont associés à une machine de traction-compression électro-hydraulique, asservie en effort, déplacement ou déformation, et associée ellemême à un capteur d'effort et à un capteur de déplacement. 14. Dispositif d'essais mécaniques selon la revendication 2, caractérisé en ce que les vérins radiaux (10) sont asservis par un servodistributeur électropneumatique, permettant la régulation des valeurs de la pression de l'air. 15. Dispositif d'essais mécaniques selon les revendications 1 à 2, caractérisé en ce que les capteurs de température, les capteurs d'efforts, les capteurs de déplacement, les systèmes de contrôle de la température et des efforts axial (Fa) et radiaux (Fr) sont reliés à un système électronique de pilotage et d'acquisition. 16. Dispositif d'essais mécaniques selon les revendications 1 à 15, caractérisé en ce que l'éprouvette cylindrique (1) est réalisée en sable 17. Dispositif d'essais mécaniques selon les revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la température d'essais atteint 14000C.