Brevet FR3133925A1 — publié le 20230929

Banc d’essai pour observer le comportement dynamique en compression d’un matériau granulaire ou pâteux, comprenant un réceptacle (36), présentant un fond (54), pour recevoir le matériau granulaire ou pâteux, un organe d’appui (16) mobile dans le réceptacle (36) et définissant, face au fond (54), une surface (76) de contact avec le matériau granulaire ou pâteux, un dispositif de mise sous contrainte apte à exercer sur l’organe d’appui (16) une force d’appui orientée vers le fond (54), et un système de mesure apte à mesurer dynamiquement la distance de la surface de contact (76) au fond (54). Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Banc d’essai et procédés employant ce banc d’essai Domaine DE L’INVENTION La présente invention concerne un banc d’essai pour observer le comportement dynamique en compression d’un matériau granulaire ou pâteux. Elle concerne également un procédé de détermination des caractéristiques mécaniques des particules constituant un matériau granulaire au moyen d’un tel banc d’essai, et un procédé de prédiction de l’usure d’un assemblage de pièces, mettant en œuvre un tel procédé de détermination. La présente invention s’applique plus particulièrement à la détermination des caractéristiques mécaniques d’un troisième corps, notamment en vue de prédire l’usure d’un assemblage entre une aube et un disque de turbine ou de compresseur, par exemple au sein d’une turbomachine. ARRIERE-PLAN Dans de nombreux systèmes mécaniques, des pièces sont en contact les unes avec les autres par l’intermédiaire d’un contact non lubrifié. C’est le cas, notamment, des assemblages de pièces, tels que les rotors de turbomachine, dans lesquels des pièces sont emboîtées les unes dans les autres et maintenues assemblées par les forces de frottement se produisant à leur interface. L’étude de ces contacts non lubrifiés est primordiale pour pouvoir prédire l’usure et donc la durée de vie de ces assemblages. Une difficulté de cette étude découle de la formation, au niveau des contacts non lubrifiés, d’un corps, assimilable à un matériau granulaire, résultant de la dégradation des surfaces en contact. Ce corps est communément appelé « troisième corps ». Pour pouvoir prédire l’usure d’un contact non lubrifié, il est nécessaire de connaître précisément le comportement de ce troisième corps, en particulier la façon dont il interagit avec les surfaces en contact, et, à cet effet, de le modéliser. Or, cette modélisation nécessite de connaître certaines caractéristiques mécaniques particulières du troisième corps, dont la raideur et la cohésion des particules le composant. Des méthodes d’analyse permettant de déterminer des caractéristiques mécaniques du troisième corps sont connues. Elles incluent : la micro-indentation, qui est décrite notamment dans les articles : Kermouche, G., Loubet, J.L., Bergheau, J.M.: " Extraction of stress–strain curves of elastic–viscoplastic solids using conical/pyramidal indentation testing with application to polymers ", Mech. Mater. 40, 271–283 (2008); Tumbajoy-Spinel, D., Descartes, S., Bergheau, J.-M., Lacaille, V., Guillonneau, G., Michler, J., Kermouche, G.: “ Assessment of mechanical property gradients after impact-based surface treatment: application to pure α-iron ”, Mater. Sci. Eng. A. 667, 189–198 (2016); Colas, G., Serles, P., Saulot, A., Filleter, T.: “ Strength measurement and rupture mechanisms of a micron thick nanocrystalline MoS 2 coating using AFM based micro-bending tests ”, J. Mech. Phys. Solids. 128, 151–161 (2019); les tests de rayure (mieux connus sous leur appellation anglaise « scratch tests »), décrits notamment dans l’article Benayoun, S., Hantzpergue, J., Bouteville, A.: “ Micro-scratch test study of TiN films grown on silicon by chemical vapor deposition », Thin Solid Films. 389, 187–193 (2001); la compression de micropiliers (mieux connue sous son appellation anglaise « micropillar compression »), décrite notamment dans l’article Schreijäg, S., Kaufmann, D., Wenk, M., Kraft, O., Mönig, R.: “ Size and microstructural effects in the mechanical response of α-Fe and low alloyed steel ”, Acta Mater. 97, 94–104 (2015); les tests de pelages (mieux connus sous leur appellation anglaise « peeling tests »), décrits notamment dans l’article Peng, T., Yan, Q., Li, G., Zhang, X.: “ The Influence of Cu/Fe Ratio on the Tribological Behavior of Brake Friction ”, Materials. Tribol. Lett. 66, 18 (2018) Ces méthodes d’analyse ne permettent cependant pas de déterminer la raideur et la cohésion des particules composant le troisième corps. Ainsi, on ne connaît aujourd’hui aucune méthode d’analyse du troisième corps permettant de déterminer la raideur et la cohésion des particules le composant. Il est donc aujourd’hui très difficile, si ce n’est impossible, de prédire l’usure d’un contact non lubrifié. Un objectif de l’invention est de faciliter la détermination de certaines caractéristiques mécaniques des particules composant un troisième corps, par exemple leur raideur et leur cohésion. Un autre objectif est de permettre la prédiction de l’usure d’un assemblage de pièces maintenues assemblées par les forces de frottement se produisant à leur interface. A cet effet, l’invention a pour objet, selon un premier aspect, un banc d’essai pour observer le comportement dynamique en compression d’un matériau granulaire ou pâteux, comprenant : un réceptacle, présentant un fond, pour recevoir le matériau granulaire ou pâteux, un organe d’appui mobile dans le réceptacle et définissant, face au fond, une surface de contact avec le matériau granulaire ou pâteux, un dispositif de mise sous contrainte apte à exercer sur l’organe d’appui une force d’appui orientée vers le fond, et un système de mesure apte à mesurer dynamiquement la distance de la surface de contact au fond. Selon des modes de réalisation particuliers de l’invention, le banc d’essai présente également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) : le système de mesure est également apte à déterminer dynamiquement le profil supérieur du matériau granulaire ou pâteux reçu dans le réceptacle ; le système de mesure comprend au moins une caméra apte à capturer une image dynamique du matériau granulaire ou pâteux reçu dans le réceptacle et un système de traitement d’image apte à traiter l’image dynamique capturée par la caméra pour déterminer la distance de la surface de contact au fond et le profil supérieur du matériau granulaire ou pâteux reçu dans le réceptacle ; le réceptacle est délimité au moins en partie par une paroi transparente formant un angle avec le fond, la caméra étant apte à capturer l'image dynamique du matériau granulaire ou pâteux à travers ladite paroi transparente ; la surface de contact est arrondie, par exemple en forme de portion de cylindre de révolution ou de sphère ; l’organe d’appui est mobile en translation relativement au réceptacle selon un premier axe sensiblement orthogonal au fond et selon un second axe sensiblement parallèle au fond ; le réceptacle est constitué par une rainure délimitée par deux parois latérales, la surface de contact ayant une largeur sensiblement égale à celle de la rainure ; la rainure a une largeur inférieure à deux millimètres, de préférence inférieure à 1,1 millimètre ; l’organe d’appui est mobile en translation relativement au réceptacle selon deux axes compris dans un plan parallèle aux parois latérales de la rainure ; et chaque paroi latérale présente une face, orientée vers la rainure, sensiblement dépourvue d’aspérité. L’invention a également pour objet, selon un deuxième aspect, un procédé de détermination des caractéristiques mécaniques des particules constituant un matériau granulaire testé, comprenant les étapes suivantes : insertion d’un échantillon du matériau granulaire testé dans le réceptacle d’un banc d’essai selon le premier aspect, de sorte à former dans le réceptacle un tas de matériau granulaire testé, positionnement de l’organe d’appui de sorte à ce qu’il affleure un sommet du tas de matériau granulaire testé, augmentation de la force d’appui exercée sur l’organe d’appui par le dispositif de mise sous contrainte avec observation du comportement dynamique du tas de matériau granulaire testé au moyen du système de mesure, utilisation d’un logiciel de modélisation pour modéliser le comportement dynamique d’un tas de matériau granulaire fictif soumis à une compression uniaxiale, les caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire fictif étant modifiées jusqu’à ce que le comportement dynamique modélisé soit au plus proche du comportement dynamique observé, définition des caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire testé comme étant égales aux caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire fictif pour lesquelles le logiciel de modélisation produit un comportement dynamique modélisé au plus proche du comportement dynamique observé. Selon des modes de réalisation particuliers de l’invention, le procédé de détermination présente également l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute(s) combinaison(s) techniquement possible(s) : l’observation du comportement dynamique comprend une mesure dynamique de la distance de la surface de contact au fond et la détermination dynamique du profil supérieur du tas de matériau granulaire testé ; le matériau granulaire testé a une granulométrie comprise entre 0,1 µm et 100 µm ; le matériau granulaire testé est constitué par un troisième corps ; - le procédé comprend une étape préliminaire de prélèvement de l’échantillon du matériau granulaire testé à l’interface entre deux premiers corps en contact l’un avec l’autre ; le procédé comprend l’étape supplémentaire suivante : application d’un effort de cisaillement entre l’organe d’appui et le réceptacle simultanément à l’observation du comportement dynamique du tas de matériau granulaire testé au moyen du système de mesure, le logiciel de modélisation étant également utilisé pour modéliser le comportement en deux dimensions du tas de matériau granulaire fictif lorsque soumis à un effort de cisaillement sensiblement orthogonal à la direction de l’effort de compression, les caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire fictif étant modifiées jusqu’à ce que le comportement dynamique modélisé soit au plus proche du comportement dynamique observé, les caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire testé étant définies comme égales aux caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire fictif pour lesquelles le logiciel de modélisation produit un comportement dynamique modélisé au plus proche du comportement dynamique observé à la fois pour le comportement en compression et pour le comportement en cisaillement ; et les caractéristiques mécaniques déterminées comprennent la raideur et/ou la cohésion des particules. L’invention a encore pour objet, selon un troisième aspect, un procédé de prédiction de l’usure d’un assemblage de pièces, comprenant les étapes suivantes : production d’un prototype de l’assemblage de pièces, vieillissement du prototype, prélèvement d’un échantillon de troisième corps à l’interface entre des pièces du prototype, détermination de caractéristiques mécaniques des particules composant ce troisième corps au moyen d’un procédé de détermination selon le deuxième aspect, et modélisation du comportement de l’assemblage de pièces au moyen des caractéristiques mécaniques des particules du troisième corps déterminées à l’étape précédente. Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le procédé de prédiction présente également la caractéristique suivante : l’assemblage de pièces comprend une aube avec une pale et un pied et un disque de rotor de turbomachine définissant une alvéole dans laquelle est reçu le pied. Brève description des FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : la est une vue de face d’un banc d’essai selon l’invention ; la est une vue de côté du banc d’essai de la ; la est une vue en coupe transversale d’un détail marqué III de la ; la est une vue en coupe longitudinale d’un organe d’appui du banc d’essai de la ; la est une vue de côté d’un détail marqué V de la , un échantillon de troisième corps étant reçu dans un porte-échantillon du banc d’essai ; la est un diagramme illustrant un procédé de détermination des caractéristiques mécaniques des particules constituant un troisième corps au moyen du banc d’essai de la ; la est un diagramme illustrant un procédé de prédiction de l’usure d’un assemblage de pièces mettant en œuvre le procédé de détermination de la ; et la est une vue éclatée en perspective d’un assemblage de pièces faisant l’objet du procédé de prédiction de la . Banc d’essai (10) pour observer le comportement dynamique en compression d’un matériau granulaire ou pâteux, comprenant : un réceptacle (36), présentant un fond (54), pour recevoir le matériau granulaire ou pâteux, un organe d’appui (16) mobile dans le réceptacle (36) et définissant, face au fond (54), une surface (76) de contact avec le matériau granulaire ou pâteux, un dispositif de mise sous contrainte (18) apte à exercer sur l’organe d’appui (16) une force d’appui orientée vers le fond (54), et un système de mesure (20) apte à mesurer dynamiquement la distance de la surface de contact (76) au fond (54). Banc d’essai (10) selon la revendication 1, dans lequel le système de mesure (20) est également apte à déterminer dynamiquement le profil supérieur du matériau granulaire ou pâteux reçu dans le réceptacle (36). Banc d’essai (10) selon la revendication 2, dans lequel le système de mesure (20) comprend au moins une caméra (162) apte à capturer une image dynamique du matériau granulaire ou pâteux reçu dans le réceptacle (36) et un système de traitement d’image (164) apte à traiter l’image dynamique capturée par la caméra (162) pour déterminer la distance de la surface de contact (76) au fond (54) et le profil supérieur du matériau granulaire ou pâteux reçu dans le réceptacle (36). Banc d’essai (10) selon la revendication 3, dans lequel le réceptacle (36) est délimité au moins en partie par une paroi transparente (45) formant un angle avec le fond (54), la caméra (162) étant apte à capturer l'image dynamique du matériau granulaire ou pâteux à travers ladite paroi transparente (45). Banc d’essai (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface de contact (76) est arrondie, par exemple en forme de portion de cylindre de révolution ou de sphère. Banc d’essai (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe d’appui (16) est mobile en translation relativement au réceptacle (36) selon un premier axe sensiblement orthogonal au fond (54) et selon un second axe sensiblement parallèle au fond (54). Banc d’essai (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réceptacle (36) est constitué par une rainure (42) délimitée par deux parois latérales (40), la surface de contact (76) ayant une largeur sensiblement égale à celle de la rainure (42). Procédé (200) de détermination des caractéristiques mécaniques des particules constituant un matériau granulaire testé, comprenant les étapes suivantes : insertion (220) d’un échantillon du matériau granulaire testé dans le réceptacle (36) d’un banc d’essai (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, de sorte à former dans le réceptacle (36) un tas de matériau granulaire testé, positionnement (230) de l’organe d’appui (16) de sorte à ce qu’il affleure un sommet du tas de matériau granulaire testé, augmentation (240) de la force d’appui exercée sur l’organe d’appui (16) par le dispositif de mise sous contrainte (18) avec observation (260) du comportement dynamique du tas de matériau granulaire testé au moyen du système de mesure (20), utilisation (270) d’un logiciel de modélisation pour modéliser le comportement dynamique d’un tas de matériau granulaire fictif soumis à une compression uniaxiale, les caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire fictif étant modifiées jusqu’à ce que le comportement dynamique modélisé soit au plus proche du comportement dynamique observé, définition (280) des caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire testé comme étant égales aux caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire fictif pour lesquelles le logiciel de modélisation produit un comportement dynamique modélisé au plus proche du comportement dynamique observé. Procédé de détermination (200) selon la revendication 8, dans lequel l’observation du comportement dynamique (260) comprend une mesure dynamique (264) de la distance de la surface de contact (76) au fond (54) et la détermination dynamique (266) du profil supérieur du tas de matériau granulaire testé. Procédé de détermination (200) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel le matériau granulaire testé a une granulométrie comprise entre 0,1 µm et 100 µm. Procédé de détermination (200) selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel le matériau granulaire testé est constitué par un troisième corps. Procédé de détermination (200) selon l’une quelconque des revendications 7 à 11, comprenant l’étape supplémentaire suivante : application (250) d’un effort de cisaillement entre l’organe d’appui (16) et le réceptacle (36) simultanément à l’observation (260) du comportement dynamique du tas de matériau granulaire testé au moyen du système de mesure (20), le logiciel de modélisation étant également utilisé pour modéliser le comportement en deux dimensions du tas de matériau granulaire fictif lorsque soumis à un effort de cisaillement sensiblement orthogonal à la direction de l’effort de compression, les caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire fictif étant modifiées jusqu’à ce que le comportement dynamique modélisé soit au plus proche du comportement dynamique observé, les caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire testé étant définies comme égales aux caractéristiques mécaniques des particules constituant le matériau granulaire fictif pour lesquelles le logiciel de modélisation produit un comportement dynamique modélisé au plus proche du comportement dynamique observé à la fois pour le comportement en compression et pour le comportement en cisaillement. Procédé de détermination (200) selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel les caractéristiques mécaniques déterminées comprennent la raideur et/ou la cohésion des particules. Procédé (300) de prédiction de l’usure d’un assemblage de pièces (400), comprenant les étapes suivantes : production (310) d’un prototype de l’assemblage de pièces (400), vieillissement du prototype (320), prélèvement (330) d’un échantillon de troisième corps à l’interface entre des pièces du prototype, détermination (340) de caractéristiques mécaniques des particules composant ce troisième corps au moyen d’un procédé de détermination (200) selon l’une quelconque des revendications 8 à 13, et modélisation (350) du comportement de l’assemblage de pièces (400) au moyen des caractéristiques mécaniques des particules du troisième corps déterminées à l’étape précédente. Procédé de prédiction (300) selon la revendication 14, dans lequel l’assemblage de pièces (400) comprend une aube (402) avec une pale (410) et un pied (412) et un disque de rotor de turbomachine (404) définissant une alvéole (406) dans laquelle est reçu le pied (412).