Brevet FR2966598A1 — publié le 20120427

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne un système de sollicitation en translation 5 d'une éprouvette, comportant - une enceinte comportant une paroi et apte à être remplie d'un fluide sous pression ; et - un piston monté en translation, par rapport à la paroi, selon un axe de translation, de façon étanche au travers de la paroi, le piston comportant 10 une attache apte à permettre la sollicitation de ladite éprouvette en translation. ETAT DE L'ART On connaît des machines de traction d'une éprouvette, pilotées en vitesse de déformation de l'éprouvette, et couplées à des équipements de 15 caractérisation du comportement des matériaux composant les éprouvettes. Parfois les éprouvettes sont exposées à des hautes pressions d'atmosphère réactive, encore appelée `milieux pressurisés'. Pour réaliser les essais de traction en milieux pressurisés, les machines comportent en général des vérins électriques ou des moteurs 20 électriques. Ces machines sont efficaces et donnent de très bons résultats. Néanmoins, outre le coût élevé de telles machines, elles présentent également deux limitations techniques, à savoir : - un encombrement spatial important, susceptible de limiter leur 25 utilisation dans certains environnements exigus, - une gamme limitée de vitesses de déformation accessibles, susceptible de limiter leur utilisation, notamment dans le cadre de l'étude des mécanismes de fragilisation par l'hydrogène (FPH) à haute température (Chene et al. Metall. Mater. Trans. A, 35(2), 2004, pp. 457-464). 30 PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients. A cet effet, on propose selon l'invention un système de sollicitation en translation d'une éprouvette, comportant - une enceinte comportant une paroi et apte à être remplie d'un fluide sous pression ; et - un piston monté en translation, par rapport à la paroi, selon un axe de translation, de façon étanche au travers de la paroi, le piston comportant 5 une attache apte à coopérer avec une éprouvette ; le système étant caractérisé en ce que le piston comporte en outre une surface s'étendant perpendiculairement à l'axe de translation et destinée à être exposée au fluide sous pression, de sorte que le fluide sous pression engendre sur ladite surface une force apte à mouvoir le piston et donc une 10 force de sollicitation en translation d'une éprouvette coopérant avec l'attache. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : 15 - le système comporte un vérin comportant un cylindre, un galet relié au piston, monté dans le cylindre et mobile en translation, par rapport au cylindre, selon l'axe de translation, le vérin étant ainsi apte à exercer une force de commande sur le piston pour commander une vitesse de la sollicitation de l'éprouvette ; 20 - le vérin comporte une chambre comprise entre d'une part le cylindre et d'autre part un côté du galet non relié au piston, la chambre étant apte à être remplie d'un fluide incompressible, le cylindre comportant en outre une sortie d'évacuation du fluide incompressible hors de la chambre, la force de commande étant déterminée par une pression du fluide incompressible 25 dans la chambre s'appliquant sur le galet, et la vitesse de sollicitation de l'éprouvette étant déterminée par un débit d'évacuation du fluide au travers de la sortie ; - la sortie est reliée à une électrovanne pour commander le débit d'évacuation ; 30 - le système comporte une buse de soufflage du fluide incompressible en sortie de l'électrovanne ; - le système comporte un détendeur placé entre la sortie et l'électrovanne pour commander une pression constante entre le détendeur et l'électrovanne ; - le système comporte un capteur de la pression du fluide incompressible 5 dans la chambre ; - le système comporte un thermostat pour commander une température du fluide incompressible dans la chambre ; - le système comporte un capteur de déplacement du galet ; - le piston comporte un appui ponctuel sur le galet. 10 L'invention présente de nombreux avantages. L'invention permet l'augmentation de la gamme de vitesses de déformation accessibles, tout en réduisant les facteurs coût et encombrement spatial. PRESENTATION DES FIGURES 15 D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'un mode de réalisation possible d'un système selon l'invention ; 20 - les figures 2 représentent schématiquement le déplacement progressif d'un piston, monté en translation sur un système selon la figure 1, et coopérant avec une éprouvette à solliciter ; et - la figure 3 représente schématiquement une liaison entre un piston et un vérin d'un système selon la figure 1. 25 Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'un mode de réalisation possible d'un système selon l'invention de sollicitation en 30 translation d'une éprouvette 1. Le système comporte principalement une enceinte 2 et un piston 3. L'enceinte 2 comporte une paroi 21 et est apte à être remplie d'un fluide 20 sous pression, le fluide formant ce que l'homme du métier appelle un `milieu pressurisé'. L'enceinte 2 est préférentiellement intégralement remplie d'un fluide, préférentiellement de l'eau, sous forme de vapeur ou de liquide, mais d'autres fluides sont également envisageables. La pression du fluide 20 peut varier dans une gamme allant de quelques bars quelques centaines de bars, par exemple environ 180 bars. Le piston 3 est quant à lui monté en translation, par rapport à la paroi 10 21, selon un axe (AA) de translation, de façon étanche au travers de la paroi 21. Le piston 3 comporte une attache 6 apte à coopérer avec l'éprouvette 1. L'attache 6 est par exemple formée de goupilles en saillie par rapport au piston 3, coopérant avec une tête de l'éprouvette 1. 15 Le piston 3 comporte en outre une surface 11 s'étendant perpendiculairement à l'axe (AA) de translation et destinée à être exposée au fluide 20 sous pression, de sorte que le fluide 20 sous pression engendre sur ladite surface 11, et comme le montre la figure 2A, une force Fp apte à mouvoir le piston 3, et donc à générer une force qui permettra la 20 sollicitation en translation d'une éprouvette 1 lorsque celle-ci coopère avec l'attache 6. Comme le montre la figure 2A, la force Fp s'applique sur la surface 11 du piston 3. En effet, le piston 3 est partiellement immergé dans le fluide 20 dans l'enceinte 2, une autre partie du piston 3 étant située hors de 25 l'enceinte 2. La différence de pression qui résulte de cette configuration est à l'origine de la force Fp que subit le piston 3 au niveau de la surface 11. Fp est dirigée selon l'axe (AA), vers le bas sur les figures 2 (à savoir dans le sens de la traction de l'éprouvette 1), et définie par (E1): Fp=PmxSp(E1) 30 où Pm est la pression relative régnant dans l'enceinte, et Sp est la valeur de la surface 11, correspondant par exemple à la section droite du piston 3, si l'attache 6 est positionnée latéralement par rapport au piston 3. Sp est dimensionnée de manière à avoir une valeur de Fp très supérieure à la force nécessaire pour atteindre la contrainte à la rupture des différents types d'éprouvettes 1 testées. Il est souhaitable de pouvoir commander une vitesse de la sollicitation de l'éprouvette 1. A cet effet, le système comporte un vérin 4 comportant principalement un cylindre 41 et un galet 42 relié du piston 3. Le galet 42 est monté dans le cylindre 41, mobile en translation par rapport au cylindre 41, selon l'axe (AA) de translation. Afin d'éviter que la liaison entre le galet 42 et le piston 3 puisse générer une déviation de la direction de sollicitation en translation de l'éprouvette 1 par rapport à la direction de sollicitation de référence (selon l'axe (AA)), la figure 3 montre que le piston 3 comporte préférentiellement mais non Iimitativement un appui ponctuel sur le galet 42. Le vérin 4 comporte une chambre 9 comprise entre d'une part le cylindre 41 et d'autre part un côté du galet 42 non relié au piston 3. La chambre 9 est apte à être remplie d'un fluide incompressible, et est initialement remplie d'eau sous forme liquide, et toute bulle d'air est éliminée. Le cylindre 41 comporte en outre une sortie 43 d'évacuation du fluide incompressible hors de la chambre 9. Comme le montre la figure 2A, le vérin 4 est apte à exercer une force 25 Fv de commande sur le piston 3. On voit sur les figures 2 que Fv est dirigée selon l'axe (AA), vers le haut (à savoir dans le sens de la retenue du piston 3 soumis à la force Fp), et définie par (E2): Fv = Pv x Spv (E2) 30 où Pv est la pression relative du fluide incompressible dans la chambre 9, et Spv est la valeur de la surface du galet 42 exposée au fluide incompressible dans la chambre 9. De manière avantageuse, le système comporte un capteur 5 de la pression du fluide incompressible dans la chambre 9. De cette manière, Pv peut être mesurée et connue à chaque instant par le capteur 5. Le système comporte avantageusement des moyens 100 de traitement et de calcul, reliés au capteur 5, de sorte que Fv peut être connue à chaque instant, grâce à la formule (E2), Spv étant connue par ailleurs par construction du vérin 4. La vitesse de sollicitation de l'éprouvette 1 est déterminée par un débit d'évacuation du fluide au travers de la sortie 43. A cet effet, le système comporte une électrovanne 8 reliée à la sortie 43, pour commander le débit d'évacuation du fluide. L'ouverture et la fermeture contrôlées de l'électrovanne 8 conduit, par écoulement du fluide incompressible contenu dans la chambre 9 du vérin 4 via la sortie 43, à un déplacement vers le bas du galet 42 et du piston 3. L'électrovanne 8 est connue de l'homme du métier et est disponible dans le commerce. L'ouverture et la fermeture sont pilotées par des impulsions de 5 V, 20 dont la fréquence (de 0,5 à 200 Hz) et la durée (de 0,5 à 5 ms) peuvent être pilotées indépendamment. Le volume V de fluide incompressible écoulé via la sortie 43 peut être relié au déplacement h selon l'axe (AA) du galet 42 par la relation (E3): h = V/Spv (E3) 25 où Spv est la valeur de la surface du galet 42 exposée au fluide incompressible dans la chambre 9. Afin de mesurer h, le système comporte un capteur 7 de déplacement du piston 3, relié aux moyens 100. 30 Le volume V par unité de temps est fonction de trois paramètres, à savoir la pression en amont de l'électrovanne 8, la durée des impulsions d'ouverture et de fermeture de l'électrovanne, et la fréquence des impulsions. Par exemple, la pression en amont de l'électrovanne 8 et la durée des impulsions sont fixées et constantes dans le temps. La fréquence d'ouverture et de fermeture de l'électrovanne 8 est donc modulée pour faire varier la vitesse de déplacement du galet 42 et du piston 3. On comprend qu'une commande fine de la vitesse de déplacement du galet 42 implique nécessairement une pression constante en amont de l'électrovanne 8. Or, la pression dans la chambre 9 peut varier au cours de l'essai de traction, comme suite à un écoulement du fluide incompressible via la sortie 43. Par conséquent, avantageusement, le système comporte un détendeur 10, par exemple à piston (également appelé « régulateur de pression » par l'homme du métier), placé entre la sortie 43 et l'électrovanne 8, pour commander une pression constante entre le détendeur (10) et l'électrovanne (8). De ce fait, on obtient une valeur de pression constante en amont de l'électrovanne 8, permettant d'obtenir un débit d'évacuation du fluide incompressible, en aval de l'électrovanne 8, indépendant du temps. Deux parties du vérin peuvent donc être distinguées, à savoir : - la partie haute pression en amont du détendeur 10, et - la partie basse pression entre le détendeur 10 et l'électrovanne 8. La relation (E4) (déduite de (E3)) permet de relier la fréquence f imposée à l'électrovanne 8 à la vitesse v de déplacement du galet 42 : v _ dh _ 1 x dV _ f xVi (E4) dt Spv dt Spv où Vi est le volume libéré par l'électrovanne à chaque impulsion (de l'ordre de 30 nL), Vi dépendant de la pression en amont de l'électrovanne et de la durée de l'impulsion. Pour que le volume Vi soit reproductible, la pression dans la partie basse pression ne doit pas être changée, ce qui implique également que le 30 tarage du détendeur ne doit pas varier. Etant donné que le terme Vi n'est pas connu de façon précise on a recours à un étalonnage pour le déterminer. Pour ce faire, une fréquence f quelconque est imposée à l'électrovanne, et la vitesse de déplacement v est mesurée. La valeur de Vi peut ainsi être déterminée à partir de l'équation (E4) et d'un relevé de mesures de v pour différentes valeurs de f. Afin d'encore améliorer la reproductibilité de la valeur de Vi, le système comporte avantageusement une buse 81 de soufflage du fluide incompressible en sortie de l'électrovanne 8. Les effets perturbateurs de la capillarité au niveau de l'électrovanne 8 sont ainsi évités. Par ailleurs, afin d'éviter les effets perturbateurs des variations de température dans la chambre 9 du vérin 4, le système comporte un thermostat 44 pour commander une température du fluide incompressible dans la chambre 9. Les développements qui suivent décrivent le principe de fonctionnement du système. Avant le démarrage d'un essai (figure 2A), le piston 3, pourtant soumis à la force Fp s'exerçant sur la surface 11, n'est pas directement en contact avec l'éprouvette 1, car il existe en général un jeu entre l'attache 6 de traction, disposée latéralement par rapport au piston 3, et une tête de l'éprouvette 1. A ce stade, il n'y a pas d'interaction entre le piston 3 et l'éprouvette 1. Le piston 3 n'exerce donc pas de force sur l'éprouvette, et réciproquement. Le bilan des forces sur le piston 3 (figure 2A) peut être décrit par la 25 relation: Fv = Fp. Afin de débuter un essai de traction (mise en contrainte de l'éprouvette), il est nécessaire de déplacer vers le bas le galet 42 du vérin 4, en écoulant un volume du fluide incompressible hors de la chambre 9 via la 30 sortie 43. Du fait de la liaison entre le galet 42 et le piston 3, et du fait de la force Fp s'exerçant sur le piston 3 sur la surface 11, il y a également abaissement du piston 3 jusqu'à ce que l'attache 6 soit en contact avec la tête basse de l'éprouvette 1 (figure 2B). Dans ces conditions, le piston 3 exerce une force sur l'éprouvette, dont l'intensité Fe est égale à la différence entre Fp et Fv : c'est le début de 5 l'essai de traction. A ce stade, on peut faire le bilan des forces qui s'exercent sur le piston 3 selon l'axe (AA): une force Fp dirigée vers le bas et deux forces dirigées vers le haut, à savoir Fv et Fe (Fe étant la force exercée par l'éprouvette sur le piston 3. 10 Fp est constante dans le temps et connue de la formule (E1) car la pression Pm dans l'enceinte 2 est régulée en permanence, par construction, Fv est mesurée et connue à tout moment par l'intermédiaire du capteur 5 de pression du vérin 4 et de la formule (E2). Fe est déduite des deux valeurs Fp et Fv, et permet d'accéder à la 15 contrainte 6e subie par l'éprouvette 1 (de section droite Se) à partir de la relation (E5): 6e_Fe_Fp-Fv (E5) Se Se où Fv et Fe varient durant l'essai de traction, alors que Fp est constante dans le temps. 20 En plus de la détermination de la contrainte 6e subie par l'éprouvette 1, le tracé de la courbe de traction nécessite de mesurer l'allongement de l'éprouvette 1, qui correspond au déplacement h vertical du piston 3, mesuré via le capteur de déplacement 7. 25 Le système permet d'obtenir une très large gamme de vitesses de déformation (de 10-6 mm/s à 0,1 mm/s), avec une grande précision. Le système permet ainsi de s'affranchir de l'utilisation d'un vérin électrique ou d'un moteur électrique pour générer la force, réduisant ainsi de manière drastique le coût de la réalisation du système. 30 Le système selon l'invention est plus compact que les systèmes de l'art antérieur, car il n'est notamment pas nécessaire d'utiliser de moteur ou vérin électrique, ni de placer un capteur de force entre l'enceinte et le piston. REVENDICATIONS1. Système de sollicitation en translation d'une éprouvette (1), comportant - une enceinte (2) comportant une paroi (21) et apte à être remplie d'un 5 fluide (20) sous pression ; et - un piston (3) monté en translation, par rapport à la paroi (21), selon un axe (AA) de translation, de façon étanche au travers de la paroi (21), le piston (3) comportant une attache (6) apte à coopérer avec une éprouvette (1) ; le système étant caractérisé en ce que le piston (3) comporte en outre une 10 surface (11) s'étendant perpendiculairement à l'axe (AA) de translation et destinée à être exposée au fluide (20) sous pression, de sorte que le fluide (20) sous pression engendre sur ladite surface (11) une force (Fp) apte à mouvoir le piston (3) et donc une force (Fp) de sollicitation en translation d'une éprouvette (1) coopérant avec l'attache (6). 15 2. Système selon la revendication 1, comportant un vérin (4) comportant : - un cylindre (41), - un galet (42) relié au piston (3), monté dans le cylindre (41) et mobile en translation, par rapport au cylindre, selon l'axe (AA) de translation, 20 le vérin étant ainsi apte à exercer une force (Fv) de commande sur le piston (3) pour commander une vitesse de la sollicitation de l'éprouvette (1). 3. Système selon la revendication 2, dans lequel le vérin (4) comporte une chambre (9) comprise entre d'une part le cylindre (41) et d'autre part un 25 côté du galet (42) non relié au piston (3), la chambre (9) étant apte à être remplie d'un fluide incompressible, le cylindre (41) comportant en outre une sortie (43) d'évacuation du fluide incompressible hors de la chambre (9), la force de commande (Fv) étant déterminée par une pression (Pv) du fluide 30 incompressible dans la chambre (9) s'appliquant sur le galet (42), et la vitesse de sollicitation de l'éprouvette étant déterminée par un débit d'évacuation du fluide au travers de la sortie (43). 4. Système selon la revendication 3, dans lequel la sortie (43) est reliée à une électrovanne (8) pour commander le débit d'évacuation. 5. Système selon la revendication 4, comportant une buse (81) de soufflage 5 du fluide incompressible en sortie de l'électrovanne (8). 6. Système selon l'une des revendications 4 ou 5, comportant un détendeur (10) placé entre la sortie (43) et l'électrovanne (8) pour commander une pression constante entre le détendeur (10) et l'électrovanne (8). 7. Système selon l'une des revendications 3 à 6, comportant un capteur (5) de la pression du fluide incompressible dans la chambre (9). 8. Système selon l'une des revendications 3 à 7, comportant un thermostat 15 (44) pour commander une température du fluide incompressible dans la chambre (9). 9. Système selon l'une des revendications 2 à 8, comportant un capteur (7) de déplacement du galet (42). 10. Système selon l'une des revendications 2 à 9, dans lequel le piston (3) comporte un appui ponctuel sur le galet (42). 10 20