Brevet FR2885219A1 — publié le 20061103

L'invention se rapporte à une éprouvette de matériau pour un essai à la fatigue statique, cyclique ou dynamique, au cours duquel une zone partielle de surface de l'éprouvette est exposée à une substance active, ladite éprouvette ayant au moins deux zones de fixation par l'intermédiaire desquelles elle peut être reliée à une machine d'essai. Les essais d'éprouvettes à la fatigue sont des épreuves de charge pour déterminer des limites de charge de différents matériaux et de différentes géométries d'éprouvettes. Les essais dynamiques d'éprouvettes en traction, par exemple, servent à déterminer des valeurs caractéristiques 1 o dynamiques qui peuvent être associées aussi bien à un certain matériau qu'à une certaine géométrie d'éprouvette et sur la base desquelles des lois de matériau avec possibilité de pronostic peuvent être déduites pour la simulation de l'utilisation du matériau dans des conditions d'utilisation réelles. Pour la mise en oeuvre d'essais statiques ou dynamiques de ce type, on connaît des machines d'essai très différentes, par exemple des machines servo-hydrauliques, destinées à éprouver la résistance à la traction dans lesquelles une éprouvette à étudier est généralement fixée par deux mâchoires. Pour l'essai de charge en traction dynamique, l'éprou-vette est étirée en prescrivant une certaine vitesse de traction. Le taux d'élasticité peut alors être calculé à partir du rapport de la vitesse de traction à la longueur de la partie déformée de l'éprouvette et des examens sont effectués pour l'influence de milieux environnants. Si, lors de l'essai à la fatigue (essais cycliques) d'éprouvettes en présence de certaines substances, une substance a une influence non négligeable sur la limite de charge du matériau, comme c'est le cas par exemple avec des substances qui ont une action corrosive sur l'éprouvette, des essais de ce type doivent être effectués dans l'environnement de substances de ce type pour pouvoir donner finalement des informations fiables sur la limite de charge et sur la durée de vie de certaines éprouvet- tes sous l'effet de ladite substance. A titre d'exemple, pour tester l'influence de l'hydrogène sur des propriétés d'un matériau, des éprouvettes appropriées sont chargées de façon électrolytique avec de l'hydrogène, ce qui crée à la surface des éprouvettes des concentrations d'hydrogène qui sont largement au-dessus de celles qui sont créées dans le cadre d'une charge d'hydrogène sous pression sur des surfaces des éprouvettes. En plus, le gradient de concentration résultant d'une charge électrolytique des surfaces d'éprouvette avec de l'hydrogène n'est pas déterminant dans la pratique, de telle sorte qu'un transfert d'informations obtenues dans un essai de ce type à la conception d'éléments, qui sont utilisés dans des conditions réalistes d'hydrogène sous pression, entraîne toujours un surdimensionnement de ces éléments. Comme exemples d'éléments soumis à de l'hydrogène sous pression, on peut citer des récipients, des conduits et des pièces automobiles qui sont utilisés dans le cadre de moteurs à hydrogène. Pour des éléments de ce type, qui sont soumis à des secousses et à des vibrations mécaniques dues à leur utilisation même et qui déterminent de manière décisive la sécurité de fonctionnement de cette technologie des moteurs de l'avenir, il s'agit de fournir avec le plus d'exactitude possible, dans des condi- tions d'utilisation réalistes, des valeurs caractéristiques de matériau dé-terminées à l'aide d'éprouvettes et concernant leur capacité de charge et leur durée de vie maximale. Pour les essais de charge et de fatigue cycliques d'éprouvettes de ce type dans des conditions de charge déterminantes sous l'action d'hy- drogène sous pression, pour rester dans l'exemple précédent, il faut mettre en oeuvre dans la pratique actuelle, outre la méthode de charge électrolytique déjà citée, des chambres à éprouvettes coûteuses dans lesquelles l'ensemble de l'éprouvette, qui est fixée par exemple dans une ma- chine d'essai de résistance à la traction dynamique, doit être placé. Des problèmes techniques apparaissent alors pour ce qui est de l'étanchéification desdites chambres pour l'application cyclique de force à l'éprouvette. De plus, des chambres à éprouvettes de ce type nécessitent de très gros-ses quantités d'hydrogène, ce qui accroît considérablement le risque po- tentiel d'explosion. Des zones protégées d'autant plus grandes sont donc nécessaires autour des chambres à éprouvettes correspondantes. Outre l'utilisation d'hydrogène ou autres comme gaz hautement réactifs, le problème présenté ci-dessus apparaît aussi dans tous les essais de charge dynamiques, ainsi que statiques et cycliques, dans lesquels les éprouvettes de matériau à examiner doivent être exposées à des substances, par exemple des liquides, par exemple des acides, mais aussi à des substances très chères dont l'utilisation à des fins de tests est liée à des coûts élevés qu'il est avantageux d'éviter. L'invention vise une possibilité avec laquelle des éprouvettes de matériau peuvent être soumises à des essais de charge statiques ou dynamiques, de préférence dans le cadre d'essais de charge statiques, dynamiques et/ou cycliques, lors desquels lesdites éprouvettes peuvent être exposées directement à une substance liquide, solide ou gazeuse pour pouvoir examiner leurs limites de charge et de durée de vie dans des conditions d'utilisation proches de la réalité sans avoir pour autant à prendre les mesures techniques d'étanchéification et de protection coûteuses présentées ci-dessus. Au contraire, il doit être possible d'appliquer à une éprouvette des volumes minimaux d'une substance pour pouvoir déduire des examens de charge cycliques les valeurs caractéristiques souhaitées du matériau. Les mesures nécessaires à cet effet doivent être réalisables de manière techniquement simple et économique. A cette fin, selon l'invention, l'éprouvette de matériau pour un essai à la fatigue statique, cyclique ou dynamique, au cours duquel au moins une zone partielle de ladite éprouvette est exposée à une substance active, ladite éprouvette ayant au moins deux zones de fixation par l'intermédiaire desquelles elle peut être reliée à une machine d'essai, est remarquable en ce qu'il est prévu au moins un espace creux qui est entouré par l'éprouvette de matériau et qui est rempli, peut être rempli ou peut être traversé par ladite substance. Le concept d'éprouvette selon l'invention permet la mise en oeuvre d'essais de charge statiques, dynamiques et cycliques avec une quantité extrêmement faible d'une substance à mettre en contact avec l'éprouvette, par exemple de l'hydrogène, ce qui fait que le risque potentiel, notamment lors de l'utilisation de substances nocives ou hautement explosives, est considérablement réduit et que les zones de protection nécessaires pour des raisons techniques de sécurité au travail peuvent être totale-ment évitées. De plus, avec l'éprouvette selon l'invention, il est inutile d'appliquer à celle-ci la force de traction dynamique dans un espace d'es- sai contenant ladite substance. L'éprouvette selon l'invention est très différente des formes de réalisation qui étaient couramment utilisées jusqu'ici et avec lesquelles des éprouvettes étaient exposées de l'extérieur à une substance active pendant la mise en oeuvre d'un essai de fatigue. L'espace creux intérieur prévu selon l'invention à l'intérieur de l'éprouvette permet de remplir l'éprouvette avec ladite substance, de telle sorte que l'éprouvette ellemême entoure l'espace d'éprouvette. La surface de l'éprouvette qui est en contact interactif avec la substance se trouve donc à l'intérieur de ladite éprouvette. Grâce aux pe- tites dimensions de l'espace creux situé à l'intérieur de l'éprouvette, la quantité de substance dont ledit espace creux doit être rempli peut rester petite. Dans le cas particulier d'essais avec des substances hautement explosives, par exemple de l'hydrogène sous pression, la petite quantité ainsi choisie permet de garder dans des limites sûres le risque potentiel d'explosion, de sorte qu'aucune disposition supplémentaire relative à la sécurité au travail n'a à être prise. L'éprouvette selon l'invention élimine aussi le problème des coûts liés à des substances chères, du fait que seules de très petites quantités de la substance doivent être mises en contact o direct avec l'éprouvette pour pouvoir effectuer efficacement les essais de fatigue statiques, dynamiques ou cycliques. Un but prioritaire lors de la mise en oeuvre d'essais de fatigue de matériaux à l'aide d'éprouvettes est de déterminer la limite de charge et/ou la durée de vie prévisible de certains éléments et pièces tels ceux qui sont utilisés dans des installations et des systèmes de types très différents et qui sont exposés à certaines substances de travail conditionnées par le système et ayant également une influence sur la durée de vie des éléments. Indépendamment de la grandeur et de la forme des éléments respectifs, la durée de vie maximale est limitée par les zones d'éléments qui ont une conception plus faible ou qui ont des formes critiques en ce qui concerne la possibilité de formations de fissures. Dans le cadre d'un essai à la fatigue, il s'agit justement d'examiner de manière ciblée les zones qui sont à simuler avec une éprouvette formée de manière appropriée ou qui sont à concevoir ou simuler avec des dimensions réduites en fonc- tion de la dimension des éléments. Ainsi, un mode de réalisation préféré comporte au moins une structure d'entaille qui affaiblit volontairement l'éprouvette dans la zone de l'espace creux et sur laquelle on règle des affaiblissements de matériau considérés comme habituels dans des conditions d'utilisation réalistes. Le terme de "structure d'entaille" comprend toutes les structures qui comprennent soit des évidements ciblés de matériau soit des épaississements correspondants de matériau. Même l'ajout d'arêtes ou de microfissures le long de la surface de l'éprouvette qui délimite l'espace creux se trouvant à l'intérieur représente des structures d'entailles affaiblissant de manière ciblée l'éprouvette. Selon le choix de la structure d'entaille géométrique, on peut régler et induire différents gradients de tension à l'intérieur de l'éprouvette pendant la mise en oeuvre des essais respectifs à la fatigue. En choisissant de manière appropriée la structure d'entaille, on peut ainsi simuler différentes zones de pièce. Outre la conception géométrique de la structure d'entaille et les gradients de tension apparaissant au cours des essais à la fatigue à l'intérieur de l'éprouvette dans la zone de la structure d'entaille, la substance active se trouvant à l'intérieur de l'espace creux agit aussi comme une contrainte sur l'état de la surface de l'éprouvette de telle sorte que l'éprouvette est soumise, en fonction de la substance, de la pression de remplissage ainsi que de la température de remplissage qui peuvent être pris en compte de manière appropriée, à une charge supplémentaire limitant la durée de vie de l'éprouvette. La sollicitation locale due à la charge mécanique, à la charge par la substance active et aux paramètres physiques agissant à travers ladite substance sur l'éprouvette (pression, température, radioactivité, corrosion, rayonnement, etc.) peut être déterminée par une simple analyse d'éléments finis et être transférée à des pièces et éléments en tenant compte des gradients de tension respectifs. Si des essais à la fatigue sont effectués sur une éprouvette conforme à l'invention dans des conditions d'essais qui comportent une application d'une certaine pression et dans lesquelles l'espace creux de l'éprouvette est rempli par exemple avec de l'hydrogène sous pression, il est possible d'étanchéifier l'espace creux à l'intérieur de l'éprouvette pour qu'il soit étanche aux fluides au moyen d'une soupape d'alimentation par l'intermédiaire de laquelle la substance active, par exemple de l'hydrogène sous pression, peut être introduit avec une pression régulée. L'éprouvette selon l'invention permet ainsi l'utilisation de très petites quantités d'hy- drogène qui sont suffisantes et nécessaires à la mise en oeuvre des essais à la fatigue, ce qui fait que des espaces d'essais techniquement compliqués et coûteux avec de grandes zones protégées sont superflus. La figure unique du dessin annexé fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Cette figure unique représente schématiquement un essai à la fatigue sur une éprouvette de matériau 1. L'éprouvette 1 comporte deux zones terminales opposées 2, 3 qui sont reliées à des zones de fixation correspondantes 4, 5 d'une machine d'essai usuelle, non décrite. Dans l'exemple de réalisation représenté, l'éprouvette 1 a une forme cylindrique et le long de son axe est pratiqué un trou borgne 6 qui sert en même temps d'espace creux dans lequel de l'hydrogène sous pression H2 est introduit sous pression par l'intermédiaire d'une unité à soupape 7. L'unité à soupape 7 est reliée à l'éprouvette 1, de manière étanche aux fluides, par un orifice de l'espace creux 6. A l'intérieur de l'espace creux 6, une structure d'entaille 8 est pratiquée de préférence au centre entre les deux zones de fixation 2, 3 de l'éprouvette 1 et elle a la forme d'un évasement, qui représente la zone la plus sollicitée de l'éprouvette 1 correspondant à la zone dans laquelle une défaillance du matériau apparaît en premier. La forme donnée à la struc- ture d'entaille 8 dépend de préférence de l'élément à examiner dont le comportement à la fatigue doit être étudié. La profondeur de l'évidement, ainsi que les rayons choisis, pour l'évidement 8 peuvent être choisis individuellement selon les données de l'élément à examiner. De plus, on peut envisager pour la structure d'entaille d'autres variantes d'évidement dont les contours peuvent être formés par des rayons, des formes rectangulaires, des surfaces elliptiques, des formes paraboliques, etc... Outre la conception de la structure d'entaille 8 sous la forme d'un évidement de matériau, on peut toutefois aussi envisager de prévoir à l'in- térieur de la zone de l'espace creux 6 un épaississement du matériau par lequel l'éprouvette peut également être localement affaiblie. Pour une utilisation correcte de l'éprouvette selon l'invention, il n'est pas nécessaire que l'épaisseur de paroi de l'éprouvette le long de l'espace creux soit constante, en dehors de la zone de la structure d'entaille. On peut tout à fait choisir des géométries d'éprouvette dont les épaisseurs de paroi sont variables. Dans la zone de la structure d'entaille 8, l'épaisseur de la paroi de l'éprouvette peut passer par un minimum. Lors de l'utilisation de fluides difficiles à manipuler ou dangereux, par exemple des gaz inflammables ou explosifs, il faut que la fermeture de l'espace creux 6 soit étanche aux fluides pour garantir que le fluide introduit dans l'espace creux reste à l'intérieur de l'espace creux 6 pendant l'essai à la fatigue. Par ailleurs, il faut choisir la grandeur de l'espace creux 6 et la quantité du fluide à introduire dans l'espace creux 6 de telle sorte que, dans le cas d'une défaillance du matériau de l'éprouvette et de l'échappement ainsi provoqué du fluide dans l'environnement, il n'y ait aucun risque pour ledit environnement. Une autre variante de réalisation de l'éprouvette selon l'invention comporte, à la place d'un espace creux se terminant de manière étanche aux fluides, comme dans l'exemple de réalisation précédemment décrit en relation avec l'unique figure annexée, un espace creux qui est conçu à la manière d'un canal traversé par un flux de substance active et qui offre la possibilité d'une application dynamique d'un tel flux à l'éprouvette pendant la mise en oeuvre d'un essai à la fatigue. A la place de l'éprouvette représentée sur la figure annexée, une éprouvette de ce type pourrait être traversée complètement par le trou 6. A l'endroit des deux zones de fixation ouvertes de l'éprouvette, il est prévu des joints à brides assurant l'étanchéité auxdites substances avec l'éprouvette et par l'intermédiaire desquels une substance correspondante, présente sous forme gazeuse, fluide ou solide pulvérulente (poudre ou poudreuse), peut passer à travers l'éprouvette de matériau. L'éprouvette de matériau selon l'invention permet donc des essais à la fatigue statiques, dynamiques ou cycliques en présence de substances nocives, explosives et/ou chères sans autre mesure de sécurité. Une évaluation appropriée des informations obtenues dans le cadre des essais à la fatigue permet de déterminer des valeurs caractéristiques du matériau qui contiennent des indications fiables sur le comportement à la fatigue et sur la durée de vie maximale de pièces et éléments respectifs entrant en contact avec les substances correspondantes. Liste des références 1 Eprouvette de matériau 2, 3 Zones de fixation 4, 5 Zones d'assemblage 6 Espace creux 7 Unité à soupape 8 Structure d'entaille REVENDICATIONS 1. Eprouvette de matériau (1) pour essai à la fatigue statique, cyclique ou dynamique, au cours duquel au moins une zone partielle de la-dite éprouvette est soumise à une substance active, ladite éprouvette ayant au moins deux zones de fixation (2, 3) par l'intermédiaire desquelles elle peut être reliée à une machine d'essai, caractérisée en ce qu'il est prévu au moins un espace creux (6) qui est entouré par l'éprouvette de matériau (1) et qui est rempli, peut être rempli ou peut être traversé par ladite substance. 2. Eprouvette de matériau selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins une structure d'entaille (8) affaiblissant de manière ciblée l'éprouvette de matériau (1), est pratiquée dans la zone de l'espace creux (6). 3. Eprouvette de matériau selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'espace creux (6) est entouré par l'éprouvette de matériau (1) de manière à être étanche aux fluides et peut être rempli avec la substance par l'intermédiaire d'au moins un orifice dans ladite éprouvette (1). 4. Eprouvette de matériau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'espace creux (6) est un trou, de préférence borgne, à l'intérieur de l'éprouvette de matériau (1). 5. Eprouvette de matériau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'espace creux (6) comporte au moins deux orifices et est traversé par un flux. 6. Eprouvette de matériau selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte, le long de l'espace creux (6), une épaisseur de paroi constante ou variable, qui est réduite ou augmentée localement dans la zone de la structure d'entaille (8). 7. Eprouvette de matériau selon la revendication 6, caractérisée en ce que, dans la zone de la structure d'entaille (8), l'épaisseur de la paroi de l'éprouvette passe par un minimum. 8. Eprouvette de matériau selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les zones de fixation (2, 3) se trouvent aux extrémités opposées de l'éprouvette (1), entre lesquelles au moins une structure d'entaille (8) est prévue. 9. Eprouvette de matériau selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle présente une forme cylindrique le long de l'axe de cylindre duquel est pratiqué un trou borgne (6) qui forme l'espace creux, et en ce que la structure d'entaille (8), à l'intérieur de l'éprouvette (1), est un évidement local disposé à l'intérieur du trou (6) et augmentant la section transversale du trou (6) ou un épaississement local disposé à l'intérieur du trou (6) et diminuant la section transversale dudit trou (6). 10. Eprouvette de matériau selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle présente une forme cylindrique, le long de l'axe de cylindre duquel est pratiqué un trou traversant qui forme l'espace creux pouvant être parcouru par un flux, et en ce que la structure d'entaille (8) à l'intérieur de l'éprouvette (1) est un évidement local disposé à l'intérieur du trou traversant et augmentant la section transversale du trou ou un épaississement local disposé à l'intérieur du trou traversant et diminuant la section transversale du trou. 11. Eprouvette de matériau selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que l'évidement ou l'épaississement local peut présenter un contour pouvant comprendre un rayon, une parabole, un rectangle ou une combinaison de ces formes géométriques. 12. Eprouvette de matériau selon l'une des revendications 1 à 1 1, caractérisée en ce que la substance exerce, sur l'éprouvette de matériau (1), un effet apte à être mesuré. 13. Eprouvette de matériau selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'une unité à soupape (7), par l'intermédiaire de laquelle la substance peut être introduite avec ou sans pression dans l'espace creux (6), est adaptable sur l'espace creux de ladite éprouvette. 14. Eprouvette de matériau selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que ladite substance est solide, liquide ou gazeuse. 15. Eprouvette de matériau selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que la substance est un acide ou un gaz inflammable ou explosif, de préférence de l'hydrogène. 16. Utilisation de l'éprouvette de matériau selon l'une des revendications 1 à 15 pour la mise en oeuvre d'essais statiques ou dynamiques ou d'essais à la fatigue cycliques en présence d'une substance nocive, explosive et/ou chère. 17. Utilisation selon la revendication 16, caractérisée en ce que la substance est de l'hydrogène sous pression. 18. Utilisation selon la revendication 16 ou 17, caractérisée en ce que les essais statiques ou dynamiques ou les essais à la fatigue cycliques sont effectués pour déterminer des valeurs caractéristiques du matériau.