Brevet FR2937731A1 — publié le 20100430

APPAREIL D'ESSAI DE CARACTERISATION MECANIQUE EN FLEXION La présente invention concerne un appareil d'essai de caractérisation mécanique en flexion permettant de tester une éprouvette en flexion trois et quatre points. L'invention a notamment pour but de maîtriser les principaux paramètres de l'essai afin d'assurer une grande qualité des essais. L'invention est particulièrement adaptée aux éprouvettes de laboratoire de grandes dimensions, dites souples et à fortes résistances mécaniques. Les essais de flexion sont couramment employés pour les études de résistance de matériaux, en particulier dans le domaine aéronautique dans lequel le développement de nouveaux matériaux métalliques, de nouvelles structures sandwich et composites augmente les essais de caractérisation de la résistance des matériaux. Le principe de ces essais de flexion consiste à imposer à une éprouvette ayant une dimension normalisée une déformation, à vitesse de déformation constante, et on mesure la force qu'oppose l'éprouvette à cette déformation. Ces essais permettent ainsi de connaître le comportement mécanique du matériau, les propriétés physiques du matériau, et les valeurs des caractéristiques du matériau. On distingue deux familles d'essais. On connaît l'essai de flexion simple, appelé également flexion trois points, avec un seul appui central de chargement et deux appuis de contre réaction, la Figure 1.A représente un essai de flexion en trois points, l'éprouvette d'essai 2 est supporté par deux appuis 4, 5. L'éprouvette est soumise à une charge F dont le sens de l'effort est référencé par une flèche. Durant l'essai, les fibres situées au-dessus du plan contenant la fibre neutre se raccourcissent tandis que les fibres situées au-dessous de ce plan s'allongent. La fibre neutre est définie par une ligne constituée de l'ensemble des centres de rotation ou centre d'inertie de chacune des sections prises sur la longueur de l'éprouvette. Cette déformation est illustrée sur la Figure 1A par une ligne en trait discontinu. Il existe également un autre type d'essai appelé flexion quatre points comporte deux appuis centraux de chargement et deux appuis de contre- réaction pour supporter l'éprouvette. Les appuis pour supporter les éprouvettes sont généralement de deux types, linéiques ou surfaciques. Dans le premier cas, les appuis sont définis par un contact tangentiel entre l'éprouvette et les appuis. Dans le second cas, les appuis sont définis par des appuis plans. Dans les deux cas, les dimensions des appuis sont définies en fonction des caractéristiques géométriques et mécaniques de l'éprouvette. Les principaux paramètres de fonctionnement de ces essais sont l'effort F appliqué sur l'éprouvette et la distance entre les deux points de contact entre les appuis 4, 5 et l'éprouvette 2. La qualité des essais dépend essentiellement de la précision et de l'exploitation des mesures. Pour cela, il est essentiel de bien maîtriser les deux principaux paramètres de l'essai définis ci-dessus. Une machine d'essai classique est constituée généralement d'un bâti rigide sur lequel est fixée la base du dispositif de montage de flexion sur laquelle repose l'éprouvette. Les appuis 4, 5 sont fixes par rapport au référentiel du laboratoire. Sous l'effet de la déformation de l'éprouvette en flexion pendant l'essai, la position du point de contact entre l'éprouvette et les appuis est déplacée. Les Figures 1.B, 1C et 1 D illustrent ce phénomène de déplacement du point de contact entre les appuis et position de contact, appelé également phénomène de roulage. L'appareil d'essai illustré comporte des appuis cylindriques 4, 5. En raison de la symétrie du phénomène de roulage sur les deux appuis, il est illustré uniquement pour un des deux appuis des Figures 1B, 1C et 1 D. L'éprouvette avant la déformation est représentée par une barre droite et l'éprouvette d'essai après déformation est représentée par une ligne formée de traits. Sur la figure 1B, le point de contact entre l'appui 4 et l'éprouvette avant la déformation de l'éprouvette est référencé par 27 et le point de contact après la déformation est référencé par 26. Elle montre qu'un déplacement du point de contact entre l'appui de réaction et l'éprouvette est effectué pendant l'essai dans le sens de l'extrémité de l'éprouvette vers le milieu de l'éprouvette. De ce fait la distance entre appuis de réaction après la déformation est inférieure par rapport à la distance entre appuis avant la déformation. Or cette distance entre les appuis de réaction � D � est un paramètre directement lié au chargement de l'essai, c'est-à-dire au moment fléchissant dans l'éprouvette. Ainsi ce déplacement génère une imprécision au niveau de la valeur de ce paramètre � D � qui est utilisé dans les équations rapportant aux propriétés en flexion, directement imputable à la conception du moyen d'essai. Cette imprécision est d'autant plus importante que la largeur (ou le diamètre) des appuis est importante et que l'épaisseur de l'éprouvette est importante (la déformation locale de l'éprouvette est d'autant plus importante que la distance entre l'axe de la fibre neutre et le point de contact des appuis est grande). Ce déplacement des points de contact entre l'éprouvette et les points de contact génère également dans le cas de l'utilisation d'appuis surfaciques un risque d'endommagement par matage de l'éprouvette. Ce phénomène est illustré sur la Figure I.C. En effet, avant le déplacement des points de contact, l'éprouvette repose sur toute la surface de l'appui, il en résulte une répartition homogène sur toute cette surface de contact. Après déformation, on constate une réduction de cette surface de contact, induisant ainsi une zone de compression 28 en limite d'appuis qui est schématisée par un point de contact entre un bord de l'appui et l'éprouvette. La Figure 1 D illustre le cas de la flexion alternée. L'utilisation d'un appareil d'essai classique génère un léger couple de réaction à l'interface des appuis 401, 402 disposés de part et d'autre de l'éprouvette. En effet avant la déformation, les points de contact 27, 30 entre les appuis et l'éprouvette sont alignés avec l'axe des appuis 19 de sorte que les réactions R1 et R2 sont normales respectivement à la surface d'appui inférieure et à la surface supérieure, présentant ainsi un moment résultant nul. Après la déformation de l'éprouvette, les points de contact 31, 32 ne sont plus alignés avec l'axe des appuis 19, le couple de réaction R1 et R2 génère par conséquent un moment résistif contraire aux objectifs de l'essai. Le but de l'invention est donc de proposer un appareil d'essai permettant de pallier aux problèmes techniques de l'état de la technique, simple à mettre en oeuvre, ne nécessitant pas de moyens spéciaux et/ou coûteux tout en offrant un meilleur contrôle du paramètre � D � qui est la distance entre les appuis et des mesures plus précises des essais. A cet effet, l'invention concerne un appareil d'essai de caractérisation en flexion permettant de tester une éprouvette en flexion trois et quatre points, cet appareil comportant une paire de moyens d'appuis destinés à venir supporter les extrémités de l'éprouvette et un moyen de flexion. Selon l'invention, il comporte : - un support fixé sur une base fixe, les dits moyens d'appuis étant montés chacun mobile en rotation par rapport au support autour d'un axe de rotation, ledit axe de rotation étant perpendiculaire à un axe des moyens d'appuis, et - des moyens de fixation et d'ajustement destinés à ajuster le positionnement de l'éprouvette par rapport aux moyens d'appuis de sorte que l'axe des moyens d'appuis reste aligné avec le centre de rotation d'une des sections prises sur la longueur de l'éprouvette durant l'essai de flexion. Ainsi lorsque l'éprouvette est déformée sous l'effet de la force centrale appliquée, les moyens d'appuis qui étaient fixes dans les appareils d'essais conventionnels effectuent également un mouvement de rotation autour d'un axe de rotation de sorte que les points de contact entre l'éprouvette et les moyens d'appuis restent alignés avec l'axe des moyens d'appuis. Dans le cas des appuis surfaciques, la surface d'appui reste donc quasi-constante durant l'essai et ne présente plus de problème de matage. Dans le cas de la flexion alternée, les points de contact restent alignés sur l'axe des appuis, les réactions R1 et R2 restent normales à la surface de l'éprouvette, et ne génère plus de moment réactif. En outre le fait de positionner le centre de rotation de la section de l'éprouvette définis par la fibre neutre sur l'axe des moyens d'appuis permet également de maintenir constante la distance � D � entre les appuis. Selon une forme de réalisation de l'invention, le moyen d'appui est formé d'un appui supérieur et d'un appui inférieur, chacun des appuis étant destiné à venir saisir la face supérieure et la face inférieure de l'éprouvette, les appuis supérieur et inférieur étant fixés respectivement à une pièce support, l'espacement entre les appuis en fonction de l'épaisseur de l'éprouvette étant ajusté par l'intermédiaire de l'espacement entre les deux pièces support. Selon une forme de réalisation de l'invention, le moyen d'appui comporte un axe à ses extrémités formant ainsi l'axe de rotation. Selon une forme de réalisation de l'invention, le support comporte un premier bras muni d'un premier orifice et un deuxième bras parallèle au premier et espacé de ce dernier muni d'un deuxième orifice, les deux orifices ayant un axe longitudinal commun confondu avec l'axe de rotation du moyen d'appui. De préférence, il comporte une bague autolubrifiant ou de roulement entourant une partie des axes. Selon une autre forme de réalisation, les moyens de fixation et d'ajustement comprennent une tige filetée et deux écrous serrés sur la tige, la tige étant reçue dans un alésage traversant réalisé dans les deux pièces support et dans l'axe. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention : Figures 1A, 1B, 1C et 1 D : une représentation schématique d'un appareil d'essai de l'art antérieur ; Figures 2A et 2B représentent une vue schématique de face respectivement un appareil d'essai en flexion trois points et un appareil d'essai en flexion quatre points selon l'invention ; Figure 3 représente une coupe prise le long de la ligne AA d'un des deux appuis de la Figure2A ; Figure 4 : une représentation en 3D de l'appui de la Figure 3 ; Figure 5 : une représentation schématique plus détaillée de la Figure 3; Figures 6A et 6B représentent schématiquement le pivotement de l'axe des appuis pendant l'essai ; Figures 7 et 8 : représentations en 3D d'un appareil d'essai en flexion trois points et quatre points. En se reportant aux Figures 2A et 2B, elles représentent respectivement un appareil d'essai de flexion trois points et quatre points. L'éprouvette 2 a une forme allongée de section rectangulaire. Bien entendu, l'appareil de la présente invention s'applique également pour une éprouvette ayant une section en forme T. L'appareil comporte une paire de moyens d'appuis 4, 5 qui viennent supporter les extrémités de l'éprouvette. Dans le cas de flexion trois points, le moyen de flexion 6, qui est une pièce ayant la forme d'un poinçon cylindrique, applique une force au milieu de l'éprouvette ou au milieu de la portée D, la portée étant définie par la distance entre les points de contact entre les appuis et l'éprouvette. Dans le cas de la flexion quatre points, le moyen de flexion 7 est constitué de deux poinçons cylindriques. L'appareil d'essai comporte un bâti constitué d'une base fixe 10 qui peut être fixée directement au sol du laboratoire d'essai. Pour supporter l'éprouvette 2, une paire de moyens d'appuis 4, 5 sont prévus symétriquement au même niveau l'un que l'autre, de part d'autre du moyen de flexion. La présente invention s'applique également dans le cas où les essais de flexion sont dissymétriques. Comme représenté sur les Figures 3 et 5 qui sont une coupe prise selon la ligne AA d'un moyen d'appui des Figures 2.A et 2.B ainsi que la Figure 4, le moyen d'appui 4 est formé d'un appui supérieur 401 et d'un appui inférieur 402, chacun des appuis étant destiné à venir saisir la face supérieure et la face inférieure de l'éprouvette 2. Les appuis 401, 402 sont montés de manière mobile en rotation autour d'un axe de rotation 11 par rapport au support 12 qui est fixe par rapport à la base 10, cet axe de rotation 11 étant perpendiculaire à un axe 19 des moyens d'appuis. Comme on va le décrire plus en détail ci-après, les moyens d'appuis sont conçus de préférence pour saisir, sans la serrer, l'éprouvette de façon qu'elle puisse y glisser pendant l'essai de flexion. Les appuis supérieur et inférieur sont fixés respectivement à une pièce support 151, 152 au moyen des éléments de fixation conventionnels tels que des vis. Ainsi l'espacement entre les deux appuis 401, 402 en fonction de l'épaisseur de l'éprouvette est ajusté par l'intermédiaire de l'espacement entre les deux pièces support 151, 152. Le principe d'ajustement est détaillé ci-dessus. La dimension et l'agencement des pièces supports 151, 152 par rapport à celle des appuis supérieur 401 et inférieur 402 sont prévus de sorte que l'ensemble ainsi formé comporte un logement à chacune des extrémités. Un axe 140, 141 est introduit dans ce logement et y est maintenu par un effet de serrage entre la pièce support supérieure 151 et la pièce support inférieure 152 au moyen des moyens de fixation 901, 902. Le moyen d'appui 4 est monté mobile par rapport au bâti. Pour cela, le support 12 sur lequel est monté le moyen d'appui 4 comporte un premier bras 120 muni d'un premier orifice et un deuxième bras 121 parallèle au premier et espacé de ce dernier muni d'un deuxième orifice. Les axes 140, 141 sont introduits dans les orifices correspondants et les deux orifices sont destinés à venir coopérer avec les axes de sorte que le moyen d'appui 4 peut tourner autour de l'axe de rotation 11. De préférence, pour favoriser la rotation, l'appareil comporte une bague autolubrifiant ou de roulement 18 engagée à l'intérieur des orifices, en entourant les axes 140, 141. On comprendra ainsi que lorsque l'éprouvette est déformée sous l'effet de la force appliquée par le moyen de flexion, cette déformation entraîne un pivotement simultané des moyens d'appuis autour de leur axe de rotation 11 sur les bras 120, 121. Comme représenté sur la Figure 6A dans le cas d'un appui surfacique, la déformation de l'éprouvette représentée par des traits entraîne une rotation locale de l'appui autour de l'axe de rotation 11. De ce fait, la surface d'appui ou la surface de contact reste quasi constante durant la flexion, permettant ainsi d'obtenir une répartition homogène de la pression et de limiter le risque d'endommagement par matage de l'éprouvette comme c'est le cas dans les appareils classiques. Comme représenté sur la Figure 6B dans le cas d'un appui alterné, la déformation de l'éprouvette entraîne la rotation des appuis autour de leur axe de rotation 11 passant par le centre de rotation de section 17, qui reste par conséquent aligné avec l'axe des appuis 19, les réactions R1 et R2 sur les deux appuis ne génèrent plus de moment réactif. En se reportant encore aux Figure 3 et 5, l'appareil d'essai comporte des moyens de fixation et d'ajustement 901, 902, 903, 904 destinés à ajuster le positionnement de l'éprouvette 2 par rapport aux moyens d'appuis 4, 5 de sorte que l'axe 19 des moyens d'appuis reste aligné avec le centre 17 d'une des sections prises sur la longueur de l'éprouvette durant l'essai de flexion. Pour cela, ces moyens de fixation et d'ajustement 901, 902, 903, 904 comprennent une tige filetée 20 et deux écrous 21, 22 serrés sur la tige, la tige étant reçue dans un alésage traversant réalisé d'une part dans les deux pièces supports 151, 152 et dans l'axe 140, 141, les deux écrous 21, 22 comportant chacun respectivement une face inférieure prenant appui sur la pièce support supérieure 151 et une face supérieure prenant appui sur l'autre pièce support 152. Pour favoriser le glissement à l'interface entre les appuis 4, 5 et l'éprouvette, les surfaces de frottement sont recouvertes d'une couche de revêtement réalisé dans un matériau ayant un faible coefficient de friction. Notamment, cette couche peut être réalisée dans un matériau tel que du polytétrafluoréthylène. En se reportant aux Figures 7 et 8, les bases sur lesquels sont fixés les supports 12 des moyens d'appuis 4, 5 sont montées sur une glissière commune 25. Ainsi en fonction de la longueur de l'éprouvette, il est possible de faire déplacer horizontalement en direction du, et en s'écartant du moyen de flexion 6, 7 suivant l'axe de la glissière en fonction d'une variation de longueur de l'éprouvette entre les deux moyens d'appuis. Comme on l'a décrit jusqu'ici ci-dessus, on peut exécuter facilement un essai de flexion précis sur un matériau de forme allongée en utilisant l'appareil de flexion selon l'invention. Du fait que pendant l'essai de flexion, les moyens d'appuis peuvent pivoter autour d'un axe de rotation et que l'axe des appuis reste aligné avec le centre de rotation de la section de l'éprouvette définis par la fibre neutre, il n'y a plus de déplacement des points de contact entre appuis et éprouvette pendant l'essai et la distance entre appuis reste constante, les mesures des essais sont toujours précis et fiable.20 REVENDICATIONS1. Appareil d'essai de caractérisation en flexion (1), notamment pour tester une éprouvette (2) en flexion trois et quatre points, ledit appareil comportant une paire de moyens d'appuis (4, 5) destinés à supporter les extrémités de l'éprouvette et un moyen de flexion (6), caractérisé en ce qu'il comporte : - un support (12) fixé sur une base fixe (10), lesdits moyens d'appuis étant montés chacun mobile en rotation par rapport au support (120, 121) autour d'un axe de rotation (11), ledit axe de rotation (11) étant perpendiculaire à un axe (19) des moyens d'appuis, et - des moyens de fixation et d'ajustement (901, 902, 903, 904) destinés à ajuster le positionnement de l'éprouvette (2) par rapport aux moyens d'appuis (4, 5) de sorte que l'axe (19) des moyens d'appuis reste aligné avec le centre (17) d'une des sections prises sur la longueur de l'éprouvette durant l'essai de flexion. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'appui (4, 5) est formé d'un appui supérieur (401, 501) et d'un appui inférieur (402, 502), chacun des appuis étant destiné à venir saisir la face supérieure et la face inférieure de l'éprouvette (2), les appuis supérieur et inférieur étant fixés respectivement à une pièce support (151, 152), l'espacement entre les appuis en fonction de l'épaisseur de l'éprouvette étant ajusté par l'intermédiaire de l'espacement entre les deux pièces support (151, 151). 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen d'appui (4, 5) comporte deux axes (140, 141) à chacune des ses extrémités, les deux axes formant l'axe de rotation (11). 4. Appareil selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support (12) comporte un premier bras (120) muni d'un premier orifice et un deuxième bras (121) parallèle au premier et espacé de ce dernier muni d'un deuxième orifice, les deux orifices ayant un axe longitudinal commun30confondu avec l'axe de rotation (11) du moyen d'appui. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une bague autolubrifiant ou de roulement (18) entourant une partie des axes (141, 140), l'ensemble étant monté en rotation dans l'orifice du bras (120, 121). 7. Appareil selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de fixation et d'ajustement (901, 902, 903, 904) comprennent une tige filetée (20) et deux écrous (21, 22) serrés sur la tige, la tige étant reçue dans un alésage traversant réalisé dans les deux pièces supports (151, 152) et dans l'axe (140, 141). 8. Appareil selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les surfaces de frottement des appuis (4, 5) avec l'éprouvette (2) sont recouvertes d'une couche de revêtement réalisé dans un matériau ayant un faible coefficient de friction. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit matériau est du polytétrafluoréthylène. 10. Appareil selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les bases (10) des deux moyens d'appuis (4, 5) sont montées sur une glissière commune (25), les deux bases pouvant s'éloigner et ou se rapprocher mutuellement suivant l'axe de la glissière en fonction d'une variation de longueur de l'éprouvette entre les deux moyens d'appuis.