Brevet FR2953291A1 — publié le 20110603

-1- La présente invention concerne un nouveau dispositif portatif, dépourvu de bâti massif, permettant de réaliser une indentation instrumentée d'un matériau afin d'en déduire ses propriétés mécaniques. L'indentation continue ou instrumentée consiste à mesurer l'effort et le déplacement au cours de l'enfoncement d'un indenteur dans le matériau à tester. L'étude d'antériorité n'a pas permis de trouver de dispositif proche de celui proposé dans le cadre de l'invention présentée ici. Notons qu'il existe un certain nombre d'équipements portables ou portatifs pour la mesure de la dureté, on peut citer les brevets N°76 06798 (mesureur de dureté actionnable à la main), N° WO2006/136038 Al ( Apparatus for Hardness Measurement by impact), N° WO03/056303 Al (Hardness measuring device comprising a housing and a penetration body, in particular a manuel device). Le test d'indentation se distingue nettement du test de dureté qui consiste d'abord à appliquer, durant environ 10 sec, une charge (poids mort) sur un indenteur en contact avec la surface testée, puis à mesurer la taille de l'empreinte laissée à la surface du matériau après retrait de la charge. Ainsi, bien que la dureté des matériaux peut être obtenue par indentation instrumentée, les 15 durometres ne permettent pas d'atteindre les propriétés mécaniques qui peuvent être obtenues par indentation continue ou instrumentée. L'indentation est un test intéressant pour les chercheurs et les industriels car il permet de caractériser mécaniquement un matériau rapidement et aux échelles nanométrique, micrométrique et macrométrique. Les dispositifs actuels permettent de réaliser des indentations 20 continues ou instrumentées en enregistrant l'évolution de l'effort F en fonction de l'enfoncement h de l'indenteur dans le matériau. La courbe d'indentation notée F(h), incluant la phase de chargement puis de déchargement, dépend de nombreux paramètres expérimentaux ainsi que des propriétés mécaniques. Une fois les paramètres expérimentaux maîtrisés et fixés, la courbe d'indentation est caractéristique du matériau. Elle peut être exploitée pour déterminer les 25 paramètres de la loi de comportement du matériau, habituellement obtenus par l'essai de traction, qui est destructif et qui nécessite un certain volume de matière pour la réalisation d'une éprouvette spécifique et normalisée. Au contraire, le test d'indentation est non destructif, il ne requiert qu'un petit volume de matière et ne nécessite pas d'éprouvette spécifique. L'essai d'indentation est un test très local qui peut être utilisé pour tester des couches très fines. -2- Nous avons nous même conçu et réalisé notre propre banc d'indentation après avoir constaté des problèmes de reproductibilité des résultats et des problèmes de fiabilité des machines du commerce. Nous avons constaté que les capteurs de déplacements n'étaient pas placés judicieusement sur les bancs d'essai du commerce car les mesures intègrent des déplacements dus aux déformations de certains éléments du banc d'essai. De plus, nous avons observé que les courbes expérimentales obtenues sur des matériaux métalliques, dont la loi de comportement a été obtenue par un test de traction, ne se superposaient pas aux courbes numériques obtenues par la méthode des éléments finis. On observe toujours des courbes expérimentales moins rigides que les courbes numériques, c'est à dire que pour un même effort le déplacement mesuré est toujours plus grand que celui donné par la méthode des éléments finis. C'est un constat que l'on peut faire sur tous les bancs d'essai du commerce, quel que soit le matériau. On note deux sources d'erreur de mesure de l'enfoncement. La première source d'erreur est due au fait qu'en pratique, l'enfoncement, qui correspond au déplacement du point le plus bas de l'indenteur, n'est pas mesuré directement mais déduit d'un déplacement mesuré dans le meilleur des cas entre l'indenteur et l'échantillon. Différentes solutions plus ou moins satisfaisantes ont été trouvées. La plupart des solutions intègre dans la valeur mesurée des déplacements liés aux déformations de certains éléments du bâti ou des déplacements dus à des défauts géométriques du banc d'essai. La seconde source d'erreur est due à l'utilisation d'indenteurs du commerce, prévus initialement pour déterminer la dureté à partir de l'empreinte laissée dans le matériau après application puis retrait d'une charge. Les indenteurs sont constitués d'une pointe en diamant ou en carbure de tungstène, taillée selon une géométrie qui dépend du type d'essai de dureté, sertie et/ou collée dans un support cylindrique en acier, avec une extrémité qui dépend du mode de fixation sur le banc d'essai. Le sertissage met en contact deux surfaces qui ne s'épousent jamais suffisamment bien pour éviter les déplacements à l'interface entre la pointe et son support. Les déplacements sont toujours assez faibles mais jamais négligeables au regard des grandeurs très faibles mises en jeu. Les caractéristiques géométriques des surfaces (incluant la rugosité) en contact étant inconnues de l'utilisateur, aucune modélisation ne peut être faite pour déterminer les déplacements correspondant au rapprochement de la pointe vers son support au cours de l'essai. -3- En conclusion, ces deux sources d'erreur ne permettent pas d'assimiler le déplacement mesuré à l'enfoncement réel de l'indenteur. Or la connaissance de l'enfoncement réel est indispensable pour déterminer les caractéristiques mécaniques du matériau. Par exemple on peut déterminer la dureté H du matériau à partir de l'enfoncement correspondant à la charge maxi appliquée. On peut également déterminer le module réduit E* selon la méthode d'Oliver et Pharr en exploitant la pente (dF/dh) de la courbe F(h) au début du déchargement [1]. Plusieurs méthodes permettent également de déterminer la limite d'élasticité du matériau et un ou deux paramètres d'écrouissage. Ces méthodes s'appuient sur certaines grandeurs extraites de la courbe d'indentation comme la courbure, l'énergie élastique, l'énergie plastique, l'énergie totale, ou le rapport énergie plastique sur énergie totale. Toutes ces grandeurs dépendent de l'enfoncement h. La première solution retenue par les constructeurs de dispositifs d'indentation consiste à proposer des systèmes à bâtis très rigides donc souvent massifs et non portables qui se déforment peu pendant le test d'indentation. Les pièces à tester doivent donc être amenées sur les dispositifs ce qui limite les champs d'applications aux pièces faciles à manipuler et provenant d'environnement non toxique. Pour s'affranchir complètement des déformations parasites, la solution complémentaire proposée par les constructeurs consiste à appliquer une correction globale calculée à partir d'une courbe de calibration non universelle obtenue grâce à des essais sur des matériaux étalons. Cette correction globale est coûteuse en essais d'étalonnage, non transposables d'un matériau à un autre et généralement implémentée dans le logiciel d'interprétation des mesures et non accessible à l'utilisateur. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Il bénéficie d'une nouvelle disposition des capteurs de déplacements et d'un indenteur monobloc qui permettent de s'affranchir de l'utilisation d'un bâti rigide et massif, ce qui lui confère la propriété de portabilité et ouvre de nouveaux champs d'applications à l'essai d'indentation comme celui des pièces massives ou provenant d'environnement toxique. L'invention s'appuie sur un montage astucieux constituant une tête d'indentation mise au point pour mesurer l'enfoncement réel de l'indenteur en s'affranchissant des déformations des éléments situés au-dessus de l'indenteur et au-dessous de la pièce testée. La tête d'indentation est constituée d'un indenteur en carbure de tungstène monobloc (9), 30 usiné dans la masse, et un support (8) fixé sur l'indenteur, comportant 3 palpeurs (7) disposés à 120° autour de l'indenteur (9) et placés au plus près de son extrémité inférieure. -4- L'invention est un système qui réalise une liaison glissière entre un piston, constituant la partie mobile de l'invention, et un corps extérieur posé ou fixé sur la pièce à tester. Le piston est constitué de: - un bouton (1) qui permet à l'utilisateur d'appliquer l'effort avec la paume de la main, 5 - l'entretoise d'adaptation (3) qui est une pièce d'assemblage entre le capteur d'effort et le bouton supérieur (1) - le capteur d'effort (5) - Le support d'indenteur (6), sur lequel est fixée la tête d'indentation, qui assure la liaison rigide entre l'indenteur (9) et le capteur d'effort (5). 10 - la tête d'indentation sus mentionnée, constituée des pièces repérées (7), (8) et (9) Le support extérieur est constitué de 4 parties : - le flasque supérieur (13) qui assure la liaison en translation (liaison pivot glissant) entre le piston mobile et le corps extérieur immobile pendant l'essai grace à un ajustement glissant 15 juste repéré (4) qui pourrait être remplacé par une douille à billes. - le fourreau (11) taraudé dans sa partie supérieure afin de réaliser la liaison vis-écrou, avec le flasque supérieur (13), qui permet le réglage de la hauteur de l'indenteur par rapport à la surface à tester, - la bague contre-écrou moletée (12), , qui sert à verrouiller la position relative entre le flasque 20 supérieur (13) et le fourreau (11), - l'embase inférieure (10) qui peut être éventuellement en matériau transparent, de type plexiglass pour viser le point à tester, est posée sur la pièce au cours du test. Ce support interchangeable peut avoir une forme adaptée à la pièce à tester. A titre d'exemple : o Pour une pièce à tester de petite taille, le support peut être une buse conique pour 25 prendre appui sur une surface réduite de la pièce. o Pour une pièce à tester cylindrique, le support peut avoir une rainure en forme de « V » pour faciliter la mise en position. o Pour une surface complexe d'échantillon, la partie inférieure du support peut être en forme de tulipe afin d'assurer un contact en 3 points. -5- o Pour une pièce métallique, le support peut être magnétique pour maintenir la position pendant l'essai d'indentation. Le corps extérieur simple et léger qui tient dans la main, assure la translation guidée du piston vers le matériau à tester. Ce mouvement de translation, piloté par la main de l'utilisateur, un bras ou une colonne mécanique ou un robot, est suffisant pour réaliser un essai d'indentation continue. Ce mouvement est limité par la présence d'une bague élastique (2) ou d'un ressort entre le corps extérieur et lé piston. Les trois capteurs de déplacement (7) forment un triangle équilatéral au centre duquel est positionné l'indenteur monobloc (9). Ils viennent palper la surface du matériau testé. Les déformations des éléments situés sous l'échantillon à tester et au-dessus de l'indenteur (9) peuvent entraîner une légère orientation de l'axe de l'indenteur (9) et/ou du support de l'échantillon à tester. Les palpeurs (7) ne fournissent alors pas les mêmes mesures mais la moyenne des 3 mesures correspond au rapprochement réel de l'indenteur (9) vers le matériau testé. Ainsi, les déformations du corps extérieur, du piston et du support de l'échantillon ne perturbent pas le système de mesure proposé. L'indenteur (9), réunissant la pointe de toute géométrie et son support, est usiné dans un bloc de carbure de tungstène. Il n'y a donc aucun déplacement entre la pointe et son support. L'indenteur peut se déformer élastiquement sous charge mais les déplacements correspondants sont très faibles car le carbure de tungstène est très rigide (E=600 GPa). Cependant le déplacement entre le support des capteurs et le point le plus bas de l'indenteur est calculable facilement à partir du module d'Young, de la géométrie simple de l'indenteur et du rayon de contact indenteur-matériau testé [2]. Le montage simple et astucieux présenté ci-dessus s'affranchit des déformations des éléments des bancs d'essais d'indentation couramment utilisés perturbant habituellement la 25 mesure de l'enfoncement réel de l'indenteur. L'invention permet de s'affranchir des déformations au-dessus de l'indenteur et au-dessous de l'échantillon, alors que la conception habituelle des bancs d'indentation continue nécessite des bâtis rigides pour minimiser l'effet des déformations. En conséquence, un corps mécanique simple assurant la translation guidée du piston comportant la tête d'indentation est suffisant pour 30 réaliser un essai d'indentation continue. L'encombrement de l'invention est si réduit que le 10 -6- système tient dans la main et mérite le terme « portatif ». Quelques vues ainsi que les plans du système portatif proposé sont donnés figure 1. Ce n'est qu'un exemple parmi ceux qui peuvent être réalisés avec cette tête d'indentation. Le dispositif d'essai d'indentation continue est relié à un boitier électronique permettant de 5 convertir et transmettre les grandeurs mesurées en continu à un ordinateur. Applications industrielles possibles Ce dispositif ainsi réalisé permet de mesurer in situ les caractéristiques mécaniques des matériaux telles que la dureté, le module d'Young, la limité d'élasticité, l'exposant d'écrouissage, ... Références Brevets N°76 06798 : mesureur de dureté actionnable à la main Brevet N° WO2006/136038 Al : Apparatus for Hardness Measurement by impact Brevet N° WO03/056303 Al : Hardness measuring device comprising a housing and a penetration 15 body, in particular a manuel device. [1] Oliver, W.C., Pharr, G.M., 1992. An improved technique for determining hardness and elastic modulus using Joad and displacement sensing indentation experiments. J. Mat. Research 7 (6), 1564-1583. [2] Collin, J-M., Mauvoisin, G., El Abdi, R., An experimental method to determine the contact 20 radius changes during a spherical instrumented indentation, Mechanics of Materials (2007), doi : 10.1016/j. m ech m at.2007.10.002 REVENDICATIONS1. Dispositif portable d'essais d'indentation continue ou instrumentée caractérisé en ce sens qu'il est composé d'un fourreau d'encombrement réduit (11) et de son embase inférieure (10) s'appuyant sur la surface à tester en garantissant l'orthogonalité de l'indenteur par rapport à cette surface et qui peut présenter des formes variables adaptées à la géométrie du matériau à tester, d'un piston glissant dans le fourreau piloté en translation par la main d'un utilisateur, un bras manipulateur, une colonne mécanique ou encore un robot, d'une bague élastique (2) ou d'un ressort limitant la translation du piston, de trois capteurs de déplacement disposés en triangle équilatéral (7) autour d'un indenteur monobloc (9) de toute géométrie, et d'un capteur d'effort (5) permettant de mesurer l'évolution de l'effort en fonction de l'enfoncement de l'indenteur dans le matériau testé. 2. Dispositif portable d'essais d'indentation continue ou instrumentée selon la revendication 1 d'essais d'indentation continue ou instrumentée dépourvu de bâti massif et composé d'une liaison glissière instrumentée en effort et en déplacement permettant de mesurer l'effort en fonction de l'enfoncement d'un indenteur (9) de toute géométrie dans un matériau dont on veut connaître les caractéristiques mécaniques. 3. Dispositif portable d'essais d'indentation continue ou instrumentée selon la revendication 2 caractérisé par le fait que les capteurs (7) de mesure de déplacement sans contact sont 20 fixés à 120° et de manière équidistante autour de l'indenteur monobloc. 4. Utilisation du dispositif selon la revendication 1 qui peut être fixé sur un robot manipulateur pour mesurer les caractéristiques mécaniques d'un matériau dans un environnement hostile ou toxique pour l'homme. 5. Utilisation du dispositif selon la revendication 1 qui peut être fixé sur un robot ou une 25 colonne mécanique automatisée pour contrôler les caractéristiques mécaniques de pièces en cours de fabrication.-8- 6. Dispositif portable d'essais d'indentation continue ou instrumentée selon la revendication 2 caractérisé per le fait que l'embase inférieure (10) peut être transparente pour viser la surface à tester. 7. Dispositif portable d'essais d'indentation continue ou instrumentée selon la revendication 5 2 caractérisé per le fait que l'embase inférieure (10) présente une géométrie de forme conique adaptée à de petites surfaces de test. 8. Dispositif portable d'essais d'indentation continue ou instrumentée selon la revendication 2 caractérisé per le fait que l'embase inférieure (10) soit magnétique de manière à maintenir la position pendant l'essai sur une surface métallique.