Brevet FR3064747A1 — publié le 20181005

Procédé de caractérisation d'un matériau La présente invention concerne un procédé de caractérisation d'un matériau, en particulier un matériau ductile. Une méthode classique pour caractériser un matériau consiste à réaliser un essai de traction d'une éprouvette lors duquel on enregistre l'allongement de l'éprouvette ainsi que la force de traction appliquée à l'éprouvette. L'allongement est généralement mesuré à l'aide d'un extensomètre, qui mesure par exemple la distance entre deux zones d'extrémité opposées de l'éprouvette. On peut alors en déduire une courbe caractéristique qui représente l'évolution de la contrainte de traction (rapport de l'effort de traction sur la section de l'éprouvette), en fonction de la déformation de l'éprouvette (rapport de l'allongement sur la longueur de l'éprouvette). Un tel essai ne permet de simuler qu'une contrainte uni-axiale de l'éprouvette, c'est-à-dire une contrainte dirigée uniquement selon l'axe de l'éprouvette. Par ailleurs, une mesure à l'aide d'un extensomètre est une mesure globale qui n'est pas valable pour de grandes déformations de l'éprouvette, dès lors qu'une zone de striction localisée apparaît dans l'éprouvette. La mesure de la déformation est par ailleurs influencée par la position des zones de fixation de l'extensomètre par rapport à la zone de striction. Afin de pouvoir disposer de mesures plus représentatives lors d'un tel essai de traction, il serait nécessaire de pouvoir caractériser de façon simple et précise la zone de striction. On rappelle qu'une zone de striction est un resserrement de l'éprouvette ou une réduction locale de la section de l'éprouvette. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose un procédé de caractérisation d'un matériau, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: 3064747 2 a) allonger une éprouvette selon un axe, dans une machine de traction, de manière à créer une zone de striction de l'éprouvette, b) réaliser au moins une image de la zone de striction, c) déterminer la dimension de la zone de striction de 5 l'éprouvette, à partir de l'image réalisée, dans un plan s'étendant radialement par rapport à l'axe de l'éprouvette, d) associer ladite dimension de la zone de striction à la valeur de contrainte ou d'effort de traction appliqué à l'éprouvette lors de la prise de l'image. 10 Le procédé selon l'invention permet ainsi de caractériser efficacement la zone de striction de l'éprouvette. Ce procédé peut être utilisé en complément d'une caractérisation classique de l'allongement selon l'axe de l'éprouvette, réalisée à l'aide d'un extensomètre par exemple. 15 Le procédé selon l'invention est particulièrement utile lorsqu'il s'agit de caractériser des matériaux ductiles présentant une striction jusqu'à la rupture, tel par exemple qu'un acier à très haute résistance de type ML340 ou X23NiC0CrM0Al1 3-6-3. Plusieurs images peuvent être réalisées, les dimensions de la 20 zone de striction étant déterminées pour chacune des images réalisées, lesdites dimensions étant associées chacune à la valeur de contrainte ou d'effort de traction appliqué à l'éprouvette lors de la prise de l'image correspondante. On peut ainsi déterminer l'évolution de la dimension ou de la 25 déformation de la zone de striction en fonction de la valeur de contrainte ou de l'effort de traction, par exemple. Lors de l'étape c), on peut réaliser un recadrage de l'image sur une zone d'intérêt, de façon à limiter les opérations de calcul à la zone utile de l'image. 30 L'image obtenue lors de l'étape b) peut être une image en niveau de gris, et, lors de l'étape c), on peut réaliser une étape de 3064747 3 binarisation par seuillage consistant à comparer les niveaux de gris de l'image avec un seuil prédéterminé afin d'attribuer chaque pixel composant l'image à une première classe, par exemple de type blanc, ou à une seconde classe, par exemple de type noir. 5 Le seuil peut être obtenu par itérations successives, ce seuil pouvant demeurer inchangé dès lors que les conditions de prise d'images restent sensiblement identiques. Lors de l'étape c), on peut réaliser une étape de labélisation consistant à : 10 - identifier des zones de reflet qui sont des zones de l'image comportant des pixels de la première classe entourés de pixels de la seconde classe, - remplacer lesdites zones de reflet par des pixels de la seconde classe, par exemple des pixels noirs. 15 L'étape de labélisation permet de supprimer les reflets et de ne conserver dans l'image que la partie représentant la zone de striction de l'éprouvette, par exemple en noir, et la partie représentant le fond, par exemple en blanc. En effet, les zones de reflet peuvent, par défaut, être confondues avec un fond blanc par exemple. 20 Ces zones de reflet sont alors remplacées par des pixels identiques aux pixels représentant l'éprouvette, par exemple des pixels noirs. L'image n'est alors plus constituée que par deux éléments, à savoir l'éprouvette et le fond. On supprime ainsi tout phénomène ou zone parasite de l'image afin de faciliter la mesure de la section ou de la dimension de la 25 zone de striction. Lors de l'étape c), on peut réaliser une étape de détection des contours consistant à déterminer les contours correspondant à l'éprouvette, la dimension de la zone de striction étant la plus petite distance d'un contour à l'autre de l'éprouvette sur l'image. 3064747 4 Lors de cette étape, si des contours parasites sont détectés par l'algorithme, alors les deux contours les plus longs sont considérés comme étant les contours correspondant à l'éprouvette. Toutefois, les étapes de recadrage et de labélisation de l'image 5 précédemment décrites permettent d'exclure des contours parasites fermés, par exemple des contours parasites courbes, qui pourraient définir un contour différent mais non réaliste de la pièce. La dimension de la zone de striction mesurée à partir de l'image peut être convertie en une dimension réelle de la zone de striction à partir 10 d'un calcul d'échelle. Lors de l'étape c), on peut réaliser une rotation de l'image à partir d'une zone de référence de l'image dont l'orientation réelle est connue. La zone de référence est par exemple un bord de l'éprouvette 15 dans une zone éloignée de la zone de striction, c'est-à-dire dans une zone non déformée. Cette zone de référence peut également être une zone de la machine de traction, située par exemple au niveau des moyens d'amarrage de l'éprouvette sur la machine. Lors de l'étape c), on peut réaliser un calcul d'échelle lors duquel 20 on détermine le rapport de la dimension réelle mesurée sur l'éprouvette non déformée, par rapport à la dimension mesurée sur l'image d'une zone non déformée de l'éprouvette. La zone non déformée de l'éprouvette peut être formée par toute zone de l'éprouvette avant sollicitation et déformation de l'éprouvette. La 25 zone non déformée peut, en variante, être formée par une zone de l'éprouvette qui est éloignée de la zone de striction, indépendamment du moment où la sollicitation ou la déformation est effectuée. Lors de l'étape b), on peut réaliser simultanément au moins deux images selon deux axes de prise de vue différents décalés angulairement 30 l'un par rapport à l'autre, les étapes c) et d) étant réalisées pour chacune des images. 3064747 5 Une telle caractéristique est notamment utile lorsque l'éprouvette est réalisée dans un matériau anisotropique. Dans un tel cas, la déformation de l'éprouvette dans la zone de striction n'est pas homogène et est fonction de la direction considérée. 5 Dans le cas d'un matériau anisotropique par exemple, la dimension de la zone de striction selon un premier axe de prise de vue pourra ainsi être différente de la dimension de la zone de striction selon un second axe de prise de vue. Les deux axes de prise de vue peuvent être décalés 10 angulairement autour de l'axe d'allongement de l'éprouvette. Les deux axes de prise de vue sont par exemple perpendiculaires l'un par rapport à l'autre. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux 15 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon une première forme de réalisation de l'invention, - les figures 2.1, 3.1 et 4.1 sont les images obtenues à l'aide 20 d'une caméra de l'installation la figure 1, respectivement pour plusieurs instants successifs tO, t1 et t2, lors d'un essai de traction, - les figures 2.2, 3.2 et 4.2 sont des vues illustrant les zones recadrées et binarisées obtenues à partir des images des figures 2.1, 3.1 et 4.1, respectivement, 25 - les figures 2.3, 3.3 et 4.3 sont des vues illustrant les zones précitées, après traitement de labellisation et suppression des reflets, en vue de la mesure de la dimension de la zone de striction, respectivement pour les instants tO, t1 et t2, - les figures 2.4, 3.4 et 4.4 sont des diagrammes illustrant 30 l'évolution de l'effort de traction F appliqué en fonction de la variation de 3064747 6 diamètre Ad au niveau de la zone de striction, à l'instant tO, puis entre les instants tO et t1, et enfin entre les instants tO et t2 respectivement, - la figure 5 est un histogramme représentant le nombre de pixels de la zone recadrée de l'image en fonction du niveau de gris, ainsi 5 qu'une valeur de seuillage, - la figure 6 est une vue schématique d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon une seconde forme de réalisation de l'invention. La figure 1 représente une installation 1 pour la mise en oeuvre 10 d'un procédé de caractérisation d'un matériau d'une éprouvette 2, selon une première forme de réalisation de l'invention. Dans ce qui suit, l'éprouvette 2 est de forme générale cylindrique d'axe noté X, et de section constante le long de l'axe X. Bien entendu, l'invention est applicable à tout type d'éprouvettes, par exemple à des 15 éprouvettes comportant au moins une entaille. L'installation 1 comporte une machine d'essai de traction 3 comprenant deux mors, dont l'un au moins est mobile en translation. Chaque mors coopère avec une extrémité de l'éprouvette 2. L'installation 1 comporte en outre une caméra 4 dont l'axe de prise de vue est orienté vers 20 l'éprouvette 2, un fond uni 5, par exemple blanc, situé à l'opposé de la caméra 4 par rapport à l'éprouvette 2, et des moyens d'éclairage 6 du fond uni 5. Les moyens d'éclairage 6 permettent d'améliorer le contraste de l'image obtenue à l'aide de la caméra 4. Par ailleurs, la fréquence d'acquisition des images ainsi que l'ouverture de la caméra 4 influencent 25 également le contraste de l'image. A titre d'exemple, la caméra 4 peut être une caméra ayant un objectif télécentrique permettant de supprimer les erreurs de paralaxe, afin d'obtenir une image permettant une mesure précise des contours de l'éprouvette dans un plan médian de l'éprouvette. 30 De plus, l'installation comporte des moyens de calcul 7 et un système d'acquisition 8 permettant de synchroniser les données issues de 3064747 7 la machine d'essai 3, à savoir l'effort de traction appliqué et éventuellement le déplacement du mors mobile, avec les images issues de la caméra 4. L'éprouvette 2 est par exemple réalisée en un matériau ductile, en particulier matériau un présentant une striction jusqu'à la rupture, tel par 5 exemple qu'un acier à très haute résistance de type ML340 ou X23NiCoCrMoA113-6-3. Les figures 2 à 5 illustrent le procédé de caractérisation du matériau de l'éprouvette 2 mis en oeuvre par l'installation 1 de la figure 1. Lors d'un tel procédé, on procède à l'allongement de l'éprouvette 10 par écartement des mors, jusqu'à rupture de l'éprouvette 2 par exemple. Lors de cet essai, la position de la caméra 4, du fond 5 et des moyens d'éclairage 6 reste inchangée. Lors de cet allongement, les images issues de la caméra 4 représentées aux figures 2.1, 3.1 et 4.1 sont tout d'abord recadrées au 15 niveau de la zone d'intérêt 9, à savoir la zone subissant une déformation et notamment une striction, de façon à alléger le traitement de l'image ou le calcul. Les figures 2.1, 3.1 et 4.1 représentent une même prise de vue, à différents instants tO, t1 et t2 respectivement, lors de l'allongement de 20 l'éprouvette 2. L'instant tO correspond à une déformation nulle de l'éprouvette 2. L'instant t1 correspond à une faible déformation de l'éprouvette 2. L'instant t2 correspond à une déformation importante de l'éprouvette 2. La déformation de l'éprouvette 2 est un allongement selon l'axe X de l'éprouvette 2 et une zone de striction 10, c'est-à-dire une 25 réduction localisée de la section de l'éprouvette 2. Dans ce qui suit, le procédé selon l'invention s'intéressera plus particulièrement à la zone de striction 10 de l'éprouvette 2. Chaque image issue de la caméra 4 est une image dite en niveau de gris, c'est-à-dire que chaque pixel est associé à un niveau de 30 gris variant du blanc au noir. 3064747 8 La zone recadrée est ensuite binarisée par seuillage. Cette opération consiste à comparer les niveaux de gris de l'image avec un seuil S prédéterminé afin d'attribuer chaque pixel composant l'image à une première classe Cl, ici des pixels blancs, ou à une seconde classe C2, ici 5 des pixels noirs. Le seuil S peut être obtenu par itérations successives lors d'une phase de calibration, ce seuil S pouvant demeurer inchangé dès lors que les conditions de prise d'images restent sensiblement identiques. La figure 5 est un histogramme représentant le nombre de pixels 10 de l'image associés à chaque niveau de gris. Les pixels destinés à être transformés en pixels blancs à l'issue de l'opération de binarisation sont représentés à droite du seuil S. Les pixels destinés à être transformés en pixels noirs à l'issue de l'opération de binarisation sont représentés à gauche du seuil S. 15 Les figures 2.2, 3.2 et 4.2 représentent les zones recadrées et traitées par binarisation, issues respectivement des images des figures 2.1, 3.1 et 4.1. On réalise ensuite une étape de labélisation consistant à identifier les zones de reflet 11 qui sont les zones de l'image comportant 20 des pixels blancs entourés de pixels noirs, puis à remplacer lesdites zones de reflet 11 par des pixels noirs. Le résultat d'une telle étape est illustré aux figures 2.3, 3.3 et 4.3. La zone recadrée de l'image n'est alors constituée que d'une 25 partie noire, représentant l'éprouvette 2, et d'une partie blanche, représentant le fond 5. Un algorithme de détection des contours permet ensuite de déterminer les coordonnées des contours de l'éprouvette 2. Si des contours parasites sont détectés, l'algorithme peut sélectionner les deux contours les 30 plus longs, qui délimitent ainsi la partie de l'image représentant l'éprouvette 2. 3064747 9 Toutefois, les étapes de recadrage et de labélisation de l'image précédemment décrites permettent d'exclure des contours parasites fermés, par exemple des contours parasites courbes, qui pourraient définir un contour différent mais non réaliste de la pièce. 5 Afin d'orienter parfaitement l'éprouvette 2, le procédé peut comporter une étape de rotation de l'image. Pour cela, on sélectionne un contour sensiblement rectiligne dont l'orientation réelle est connue, généralement une orientation verticale ou horizontale, puis on interpole une droite à partir des points de ce contour. On peut alors calculer l'angle de 10 rotation à appliquer à l'image. L'image est alors tournée de manière à replacer le contour dans la position souhaitée, par exemple verticale ou horizontale. On mesure ensuite le diamètre de l'éprouvette 2. Le diamètre d de l'éprouvette 2 correspond à la distance entre 15 les deux contours délimitant l'éprouvette sur l'image, dans un plan radial P, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe X de l'éprouvette 2. A l'instant tO, l'éprouvette 2 n'est pas encore déformée et celle-ci ne comporte pas encore de zone de striction 10. Le diamètre d de l'éprouvette 2 est donc sensiblement identique sur toute la longueur de 20 l'axe X de l'éprouvette, c'est-à-dire indépendamment du plan radial où la mesure est effectuée. Ce diamètre peut être déterminé par mesure de la distance entre les contours précités, au niveau d'un seul plan radial P, ou encore au niveau de plusieurs plans radiaux P, Pi, P2. Dans ce dernier cas, on 25 procède à la moyenne des valeurs obtenues pour chaque plan radial P, Pl, P2. Connaissant le diamètre réel d de l'éprouvette 2, il est possible de déterminer par calcul le rapport d'échelle entre l'image et l'éprouvette 2 réelle. 30 Lorsque l'éprouvette 2 est déformée, par exemple à l'instant tl (Figure 3.3) ou à l'instant t2 (Figure 4.3), on mesure le diamètre d' de 3064747 10 l'éprouvette 2 au niveau de la zone de striction 10. Pour cela, on sélectionne un point particulier C situé dans le fond de la zone de striction 10, sur l'un des deux contours délimitant l'éprouvette 2. Ce point C est par exemple défini comme étant le point du contour gauche ayant la plus 5 grande coordonnée horizontale. On mesure ensuite la plus courte distance entre le point C et le contour opposé, ici le contour droit. Cette distance correspond au diamètre d' de la zone de striction. Bien entendu, le rapport d'échelle précité est utilisé pour déterminer le diamètre d' réel de la zone de striction. 10 Le système d'acquisition 8 et les moyens de calcul 7 permettent d'établir, au fur et à mesure de l'essai de traction, la courbe caractéristique de l'éprouvette 2 représentant l'évolution de l'effort de traction appliqué en fonction de la variation de diamètre d', au niveau de la zone de striction 10 (Figures 2.4, 3.4 et 4.4). 15 La figure 6 représente une installation 12 pour la mise en oeuvre d'un procédé de caractérisation, selon une seconde forme de réalisation de l'invention. Cette installation 12 diffère de celle décrite précédemment en référence à la figure 1 en ce qu'elle comporte une première caméra 4a 20 orientée selon un premier axe de prise de vue et une seconde caméra 4b orientée selon un second axe de prise de vue. Le second axe de prise de vue est perpendiculaire au premier axe de prise de vue. Cette installation 12 comporte en outre un premier fond uni 5a et un second fond uni 5b, par exemple blancs, à l'opposé respectivement de 25 la première caméra 4a et de la seconde caméra 4b par rapport à l'éprouvette 2. Des moyens d'éclairage 6a, 6b sont associés à chacun des fonds 5a, 5b. Les moyens de calcul 7 et le système d'acquisition 8 permettent de synchroniser les données issues de la machine d'essai 3 avec les images issues de chaque caméra 4a, 4b. 30 Dans cette forme de réalisation, l'éprouvette 2 est réalisée dans un matériau anisotropique. Dans ce cas, la déformation de l'éprouvette 2 3064747 11 dans la zone de striction 10 n'est pas homogène et est fonction de la direction considérée autour de l'axe X de l'éprouvette 2. On remarque ainsi que la zone de striction 10 comporte une section de forme générale elliptique, le premier axe de prise de vue étant orienté selon le petit axe de 5 l'ellipse, le second axe de prise de vue étant orienté selon le grand axe de l'ellipse. En d'autres termes, la position des caméras 4a, 4b et l'orientation des axes de prise de vue sont déterminés en fonction de l'orientation de l'éprouvette 2 autour de l'axe X et de son caractère 10 anisotropique. REVENDICATIONS1. Procédé de caractérisation d'un matériau, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: a) allonger une éprouvette (2) selon un axe (X) de l'éprouvette (2), dans une machine (3) de traction, de manière à créer une zone de striction (10) de l'éprouvette (2), b) réaliser au moins une image de la zone de striction (10), c) déterminer la dimension de la zone de striction (10) de l'éprouvette (2), à partir de l'image réalisée, dans un plan s'étendant rad ialement par rapport à l'axe de l'éprouvette (2), d) associer ladite dimension de la zone de striction (10) à la valeur de contrainte ou d'effort de traction appliqué à l'éprouvette (2) lors de la prise de l'image. 2. Procédé de caractérisation selon la revendication 1, dans lequel plusieurs images sont réalisées, les dimensions de la zone de striction (10) étant déterminées pour chacune des images réalisées, lesdites dimensions étant associées chacune à la valeur de contrainte ou d'effort de traction appliqué à l'éprouvette (2) lors de la prise de l'image correspondante. 3. Procédé de caractérisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, lors de l'étape c), on réalise un recadrage de l'image sur une zone d'intérêt (9). 4. Procédé de caractérisation selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, l'image obtenue lors de l'étape b) est une image en niveau de gris, et dans lequel, lors de l'étape c), on réalise une étape de binarisation par seuillage consistant à comparer les niveaux de gris de l'image avec un seuil (S) prédéterminé afin d'attribuer chaque pixel composant l'image à une première classe (Cl), par exemple de type blanc, ou à une seconde classe (C2), par exemple de type noir. 3064747 13 5. Procédé de caractérisation selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel, lors de l'étape c), on réalise une étape de labélisation consistant à : - identifier des zones de reflet (11) qui sont des zones de l'image 5 comportant des pixels de la première classe (Cl) entourés de pixels de la seconde classe (C2), - remplacer lesdites zones de reflet (11) par des pixels de la seconde classe (C2), par exemple des pixels noirs. 6. Procédé de caractérisation selon l'une des revendications 1 à 10 5, dans lequel, lors de l'étape c), on réalise une étape de détection des contours consistant à déterminer les contours correspondant à l'éprouvette (2), la dimension de la zone de striction (10) étant la plus petite distance d'un contour à l'autre de l'éprouvette (2) sur l'image. 7. Procédé de caractérisation selon l'une des revendications 1 à 15 6, dans lequel, lors de l'étape c), on réalise une rotation de l'image à partir d'une zone de référence de l'image dont l'orientation réelle est connue. 8. Procédé de caractérisation selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel, lors de l'étape c), on réalise un calcul d'échelle lors duquel on détermine le rapport de la dimension réelle mesurée sur l'éprouvette (2) 20 non déformée, par rapport à la dimension mesurée sur l'image d'une zone non déformée de l'éprouvette (2). 9. Procédé de caractérisation selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel, lors de l'étape b), on réalise simultanément au moins deux images selon deux axes de prise de vue différents décalés angulairement 25 l'un par rapport à l'autre, les étapes c) et d) étant réalisées pour chacune des images. 10. Procédé de caractérisation selon la revendication 9, dans lequel les deux axes de prise de vue sont décalés angulairement autour de l'axe d'allongement (X) de l'éprouvette (2). 30