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Appareil d'essai à grande vitesse.
L'invention se rapporte à un appareil- utilisable comme appareil de mesure de tension à grande vitesse ou comme appareil de mesure d'impacts ou chocs à grande vitesse, en même temps qu'un système de mesure et d'enregistrement pour obtenir les caractéristiques force-extension ou caraetéristiques analogues relatives à une force variable (pression de gaz) soit par rapport au temps soit comme une fonction de déplacement (mouvement d'un diagramme ou d'un piston, diagramme indicateur d'une machine à Mouvement alternatif).
Dans des laminoirs continus à chaud et froid, de larges tôles d'acier sont laminées à grandes vitesses. On em- ploie des vitesses de laminage de'50 à 540 mètres et plus par minute. Pratiquement on connaît très peu de chose au sujet des forces nécessitées pour le façonnage purement plastique de l'acier et d'autres métaux ductiles aux grandes vitesses d'extension qui
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sont e7aployFes pour laminer des tôles ov des barres ou pour étirer des tiges et des fils en partant de la température '-'tiios- phé-rim1Je jusqu'aux températures de forgeage.
Dans ces processus de façonnage rapide, on a réalise
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des vitesses de defornation ou d'extension de l'ordre de 100-500 par seconde, bien nue dans beaucoup de cas 1 vitesse linéaire réelle d'élongation dans le laminage ou l'étrage puisse être quelque peu inférieure. Une vitesse d'extension est une extension divisée par un temps. Une vitesse d'extension de 100 par seconde signifie que la longueur initiale d'une barre est allonge 100 fois en une seconde ou d'un dixième de sa longueur initiale en un millième de seconde. Il est d'un intérêt général considérable
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d'étudier les lois de déformation de qveln1Jes-1>ns des métaux ductiles sous ces conditions jusqu'aux temd,rptures de façonnage à chaud (températures de forgeage).
Dans des essais de tension à grande vitesse, des vitesses 6'extension d'un intérêt parti- culier varient de 100 à 1000 par seconde ou même plus. Les plus grandes vitesses da.ns ces essais sont deux trois fois plus grandes que celles rencontrées dans des opérations de laminage
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ou d',tir2ge.
Il- est fort instructif de comparer à ces grandes vi- tesses l'autre domaine extrême des vitesses de déformation aux-
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quelles les ingénieurs s'int2ressent pour certaines p-"1Dlific2- tions de construction m2ceninue. Dans des turbines vapeur;, par e:x:e1J'1i.Jle, des parties sont soumises à des charges prolongées et à une chaleur continue et elles doivent être conçues de sorte que de très faibles vitesses de déformation soient imposées.
Par exemple le "travail" permis peut être d'un dixième d'un pour- cent d'extension en 100.000 heures (correspondent à 11 ans de service). Ceci correspondrait une vitesse de "travail" de
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10-8 par heure, ou à une vitesse d'extension = 2.8 x 10-12 par seconde. Les plus grandes vitesses d'extension que l'on vient de mentionner sont 3.6 x 1014 fois les petites vitesses.
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Ces chiffres illustrent le domaine énorme de l'ordre de 1014 dans lequel la vitesse d'extension peut varier dans différentes applications pratiques. On peut difficilement citer un autre problème de construction mécanique dans lequel il fau- drait considérer les variables physiques dans un domaine aussi grand de valeurs possibles.
Pour faire l'essai à grandes vitesses du comportement des métaux, on a imaginé initialement des essais de torsion avec des éprouvettes creuses d'une longueur relativement faible.
Des essais préliminaires ont cependant indiqué qu'il était difficile d'empêcher le flambage plastique des tubes courts et les essais de torsion' ont été abandonnés en faveur d'essais ra- pides de tension. On a employé dans le passé des pendules et des poids tombants pour des essais d'impact et de tension, cependant, il y a une limitation bien définie due à la vitesse de ces poids et à la force disponible) ce qui rend la chose ina- déquate pour donner de grandes vitesses aux poids.
On a également employé dans le passé des systèmes faisant usage de résistances variables et de piézo-cristaux, mais on a trouvé qu'ils ne donnaient pas satisfaction pour de grandes vitesses du marteau. Les résistances variables sont af- fectées par des changements de température et par conséquent leur étalonnage n'est pas maintenu pendant l'entièreté du fonctionnement de l'appareil. Des dispositifs à piézo-cristaux ont le désavantage marqué d'être difficile à étalonner.
Ils sont très sensibles aux chocs et aux variations de température, et par conséquent on a trouvé qu'un tel procédé n'est pas satis- faisant pour des essais de tension et d'impact à grande vitesse particulièrement des essais ànhaute température. -
Le comportement des métaux ductiles sous des char- ges augmentant très rapidement ou charges d'impact a fait l'objet de nombreuses recherches. Dans la dernière partie du dix-neuvième siècle, on a introduit les essais de flexion sur
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éprouvette entaillée pour étudier la résistance des cétaux à l'impact, et depuis lors une importante littérature de construc- tion mécaniaue s'est développée sur ce sujet.
On a employé 1)eau-
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coup d'autres dispositifs, mais on trouve nu'ils avaient le désavantage marrm6 de posséder par inhérence une inertie ni/c ni- que qui avait comme effet d'introduire des erreurs dans les
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lectures ou aui était en relation avec des ±?t.s extrêmement compliqués de celles-ci comme dans le ces d'une (!yro1.3vette en- taillée quand l'essai à l'iirpact ne réussit pas.
Le but principal de l'invention est de fournir un appareil à grande vitesse pour mesurer les tensions qui puisse convenir pour mesurer soit la force de tension d'une éprouvette
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sous tension, soit ses carpctpristioues force-extension, d'une façon simple mais sûre et à, toutes températures JUSn1.1' 9U point de fusion du métal oui est soumis à l'essai.
Dans ce but l'invention consiste principalement en un appareil pour soumettre une matière à l'essai par Inapplication
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à grande vitesse, d'un poids à une éprouvette , leq2zelappàreil comprend un organe qui supporte l'fprovvette et oui a un module d'élasticité 41eiré, un élément qui peut tourner grande vitesse pour appliauer une force d'impact sur l'rprouvette, et un dis- positif pour mesurer les charges qui réagit à la déformation dudit organe de support et est destiné à produire une quantité
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électriaue indicative de la force à 1?quelle l-'éprouvette est soumise durant l'essai.
L'invention ressortira de la description détaillée d'une forme de réalisation préférée de cet appareil, montrée à titre d'exemple dans les dessins annexés.
Figure 1 est une vue en perspective de l'appareil de mesure de tensions, conforme à l'invention.
Figure 2 est une élévation de côté du mécanisme à cliquet pour le marteau montré sur la figure 1.
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Figure 5 est une représentation sch4-iti.qve d'un sys-
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tème mécanique et électrique complet établi suivant les princi- pes de l'invention.
Figures 4 et 5 sont des courbes représentant les ca-
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ractéristiquesf6rce-extension d'une éprouvette sous différentes conditions de fonctionnement.
L'appareil montré sur les figures 1 à 3 consiste en un volant 1 mû par un moteur 3 à courant continu. Une paire de marteaux 3 et 4 sont,montés sur ce volant de façon à pouvoir pivoter, et tournent avec elle. Une'paire de colonnes verticales 5, 6 portent une lourde pièce transversale 7 qui supporte une barre 9 pour mesurer les forces, qui à son tour supporte l'é- prouvette 8 dans une position verticale. La barre 9 pour mesu- rer les forces qui comporte des montants parallèles faits en métal à module élastique élevé, tel qu'un acier ayant de hautes et parfaites propriétés élastiques et des caractéristioues force- extension élastiques linéaires, est attachée à la pièce trans- versale 7.
Une bouche de refroidissement 11 à travers laquelle coule un liquide de refroidissement adéquat (voir fig.3) et placée entre la barre 9 et l'éprouvette d'essai 8 afin d'empêcher une surchauffe de, la barre pour mesurer les forces, quand on fait l'essai de matières 'très bonne conductrices de la chaleur comme le cuivre et l'aluminium. Cette dernière barre porte à son ex- trémité inférieure une enclume 12, une -courte pièce d'acier en croix qui est filetée pour recevoir l'éprouvette d'essai 8. On chauffe l'éprouvette au moyen d'un four d'induction 13 qui consiste en un tube én cuivre refroidi à l'eau et enroulé en hélicoïde qui peut être assemblé en dévissant l'éprouvette d'essai 8.
Le four 13 est monté sur un cadre 51 qui est monté de façon à pouvoir pivoter sur un arbre 52 de sorte qu'on peut pivoter le fourneau dans et hors de sa position normale de fonctionnement. La force est appliquée à l'éprouvette au moyen d'une paire de marteaux 3, 4 qui frappent l'enclume 12. Les marteaux sont attachés sur le volant au moyen d'une forte cla-
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vette 14 autour de laquelle ils peuvent tourner. Quand on lche une gâchette 15 (voir fig.2) les marteaux sont entraînas dans leur position de frappe jusqu'au moment ou ils butent contre un arrêt au moyen du. ressort 16 qui est attaché au volant.
En d'avtres mots le levier à ressort 20 (voir le ressort à lame 10 immédiatement au-dessus) est partiellement tourna de facon à relâcher le marteau 5 qui est ainsi déplacé de la position en traits pointillés vers la position en traits pleins. La gâ- chette est déclenchée par une tige 21 commandée par solénoide (fig.2) nui peut être actionnée par le solénoide 22 (voir fig.l) oui déplace la tige 21 de façon à faire tourner la gâchette 15 dans le sens des aiguilles d'une montre et par conséquent le levier 20 dans le sens contraire des aiguilles d'une montre, pour relâcher ainsi les marteaux 3 et 4.
Cette opération 2 lieu au moment désiré après que le volant a obtenu sn pleine vitesse.
Le levier à gâchette et les marteaux peuvent tourner autour d'axes passant par leurscentres de gravit' respectifs. Il ne se produit donc pas de mouvement de rotation sur ces éléments pendant la rotation du volant en ra.ison de forces centrifuges.
En fonctionnement, quand le marteau frappe l'enclume, une force est transmise à travers l'éprouvette jusou'à la barre 9 servant à mesurer les forces. L'extension plastique extrêmement petite de cette barre 9 est convertie en une impulsion de courant électrique (par la cellule photoélectrique P et un amplifica- teur) qui est proportionnelle à la force. On emploie le mouve- ment de l'enclume pour mesurer l'extension. Quand l'enclume se déplace verticalement vers le bas, elle coupe uneraie de lu- mière qui émane d'une lampe L et qui tombe sur une cellule photo- électrique P'. La diminution de courant qui en résulte est pro- portionnelle à l'extension.
Ces deux impulsions de courant sont combinées à. angle droit sur l'écran d'un oscilloscope à rayon cathodique 41 d'un type quelconque bien connu, qui enregistre ainsi la courbe force-extension.
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La barre de mesure de force 9 est faite d'une pièce massive en acier à outils. Elle est dépourvue de parties mobiles, bielles, pivots etc. qui peuvent'lui transmettre des chocs et qui rendent les extensomètres mécaniques ordinaires impraticables pour le but proposé. Les tronçons verticaux de la barre de mesure 9 transmettent la charge à la pièce transversale 7 et leur défor- mation élastique apparaît comme une petite variation dans la lar- geur d'une fente optique très étroite 17. Une tige verticale 18 qui est soudée a. la barre 9 transmet le mouvement de la tête in- férieure de cette barre à la fente 17 dont l'arête supérieure suit le mouvement de la tête supérieure de la barre.
Une raie de lumière est projetée à travers la fente, qui est de l'ordre de 0.05 cm et tombe sur la cellule photo-électrique. Les cellules photo-électriques et les sources de lumières sont montées sur du caoutchouc ou autres supports similaires résistant aux chocs ,et qui sont à leur tour montés sur la pièce transversale 7.
Dans des essais faits avec le nouvel appareil, la fréquence naturelle du mode fondamental des oscillations longi- tudinales de la barre de mesure de force a été rendue aussi haute que possible. On a estimé que cette fréquence est d'environ 15.000 cycles par seconde. Les attaches à. cette barre étaient aussi légères que possible avec l'intension de ne pas trop ré- duire cette fréquence. Les courbes force-extension ont montré que la plus basse fréquence du système formé de la barre de me- sure de force, de l'éprouvette et de l'enclume, était de l'ordre de 10. 000 cycles par seconde. Les essais les plus rapides ont duré de 5 à 8 dix millièmes de seconde, de sorte que d'habitude 5 à 6 vibrations 'principales apparaissent dans les diagrammes les plus rapides.
On a noté que l'amplitude de ces oscillations augmente avec la vitesse de déformation plastique et que ces oscillations pertubatrices ont été amorties assez rapidement dans beaucoup des matières qui furent examinées.A des vitesses périphériques dépassant 40 m/sec. ces oscillations commençaient
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à devenir sérieusement perturbatrice et il est douteux au'on puisse enregistrer avec succès des diagrammes des vitesses plus grandes dans des systèmes dynamiques d'une nature simi- laire.
L'éclairage de la fente pour les mesures de force est montré dans fig.3. La lumière d'une lampe L est projette uni- formément sur la. fente optique 17 au moyen d'une lentille. La cellule photoélectrique F, le capteur et l'amplificateur courant continu sont combinés dans une unité 19. On a employa une cellule photo-électrique à vide du type cartouche. La force transmise par l'intermédiaire de la barre d'essai allonge les deux montants de la barre de mesure de force, avec le résultat oue la largeur de la fente étroite 17 est légèrement augmentée et que plus de lumière passe à traverselle vers la cellule photo-électrique P.
Ln réponse de la cellule photo-électrique est finalement convertie par les moyens ordinaires en une diffé- rence de potentiel sous l'action de laauelle on obt3ent sur des écrans une déviation d'un rayon cathodique, déviation oui est ,proportionelle à la force agissant sur la barre d'essai.
Afin d'assurer des lectures précises et reproducti- bles, le système de mesure des forces peut être calibré avant et après une série d'essais.
Pour les mesures d'extension on a prévu un second sys- tème optique avec une cellule photo-électrique P',système dont toutes les parties sont montées dans deux tubes co-axiaux en laiton tels que 40 (fig.l) sous l'enclume. La lumière d'une petite lampe L'est convertie entre deux condensateurs en un faisceau parallèle de lumière. De ce faisceau parallèle de lu- mière on ne doit employer qu'une portion rectangulaire de 1 sur 2,5 cm. par exemple.
Quand, suite à. l'allongement de l'éprouvette, l'enclwne se déplace vers le bas, elle intercepte la lumière et la diminution résultante de la lumière provocue une réponse de la cellule photo-électrique P', cette réponse est enregistrée
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comme une déviation horizontale du faisceau d'électrons qui passe en travers de l'écran de l'oscillographe 41. Il est bon d'étalonner fréquemment le système de mesure de l'extension. Les oscillogrammes qui apparaissent sur.l'écran S peuvent ainsi être photographiés sur un film très rapide par une camera C.
On opère l'étalonnage du système de mesure des forces de la façon suivante. La tension de polarisation de la lampe de premier étage de l'amplificateur à courant continu est réglée pour donner un courant défini dans le circuit de sortie à:- l'appareil de mesure M (fig.3) quand la source de lumière L a été coupée de la fente optique 17. On allume alors la. lampe L et on augmente son intensité jusqu'à ce que le courant de sortie varie d'une certaine quantité du fait de la lumière qui atteint la cellule photo-électrique P, à travers l'ouverture exempte de charge de la fente 17. Quand ces réglages sans charge ont été effectués, on applique une charge à la barre de mesure de force au moyen de lests agissant par l'intermédiaire d'un bras de le'- vier(non montré).
On-mesure les variations du courant de sortie pour des charges données. Par le courant résultant et la courbe de charge, on peut déterminer les voltages de sortie de l'am- plificateur à courant continu pour..toutes charges. Le voltage de sortie est amené à l'amplificateur oscillographe vertical qui est vn amplificateur à courant alternatif et qui doit être éta- lonné dynamiquement. Pour réaliser ceci on applique des volta- ges connus de courant alternatif à l'amplificateur'et on mesure les déviations résultantes du faisceau. En combinant les ±talon- nages de l'amplificateur à courant alternatif et de celui à cou- rant continu, on peut déterminer un étalonnage général oui donne les déviations sur l'écran pour n'importe quelle charge appli- quée dans les limites de l'étalonnage. Le système pour mesurer les extensions est étalonné de la façon suivante.
On règle la lampe L' à une intensité déterminée pour au'elle donne un cer- tain courant dans le circuit de la cellule photo-électrique, ce
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qui est mesuré en M'. Un obturateur placé à l'endroit de 1.'en- clume, est déplacé vers le bas de 0.25 mm et on enregistre la variation résultante du courant de la cellule photo-électrique.
On répète ceci jusuqà ce que le faisceau de lumière soit totn- lement coupé. Avec des données ainsi obtenues on peut évaluer la différence de potentiel produite à travers La résistance de la cellule photo-électrique. La différence de potentipl de la ré- sistance est amené à l'amplificateur oscilloscope horizontal qui est un amplificateur à courant alternatif. Cet amplificateur est étalonné dynamiquement et de la même façon rue l'amplificateur oscilloscope vertical.
En combinant les étalonnages du circuit de la cellule photo-électrique et de l'amplificateur à courant alternatif, on peut déterminer un étalonnage général qui donne la déviation horizontale sur l'écran pour tout déplacement de l'enclume. De plus, on mesure la force totale de l'éprouvette brisée et on la compare à un enregistrement photographique de l'essai.
Pour la majorité des essais de charge à grsnde vitesse une gamme avantageuse de variation des vitesses des marteaux est de 4 à 44 m/sec. Evidemment, le présent système n'est pas limité à de telles vitesses.
En fait, il est possible, en diminuant la vitesse du moteur et en augmentant le poids du volant, de s'approcher gra- duellement de l'effet d'un pendule ou poids tombant, fournissant ainsi un système convenant aux petites vitesses par l'emploi de petites vitesses pour les marteaux. Il est possible d'obtenir en augmentant la vitesse du moteur, des applications de plus en plus rapides de charges et de plus grandes forces d'impact. On atteint cependant rapidement un point ou la période totale né- cessitée pour briser l'éprouvette, n'est plus que quelques fois plus grandes que la période de la barre de mesure de force 9 et des parties connexes.
Il en résulte une caractéristique force- extension, telle que montrée sur la figure 4, qui n'est pas satis- faisante pour la raison que la longueur d'ondes de la barre de
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mesure figure d'une façon trop proéminente dans le système.
En élevant la fréquence du système, c'est-à-dire, en la rendant égale au moins à 10.000 cycles par seconde et en ne racourcis- sant pas excessivement la période de bris de l'éprouvette, on obtient une courbe force-extension satisfaisante, comme montré sur la figure 5. Avec de plus hautes fréquences les ondulations- dans la courbe disparaissent naturellement de plus en plus.
Bien que le dispositif ait été décrit comme un appareil pour mesurer les tensions, il est clair qu'il est également utile comme appareil pour mesurer l'impact à grande vitesse.
Ce qui précède montre que l'invention procure un appa- reil de mesure de tensions dans lequel l'éprouvette peut facile- ment être soumise à des températures extrêmement élevées, c'est- à-dire, jusqu'au point de fusion de l'éprouvette et cela en un très court laps de temps, par exemple, en quelques secondes ou au plus en une ou deux minutes pour certains essais. Le disposi- tif de mesure de force ou de charge décrit est relativement à l'abri des effets des chocs et des variations de température et par conséquent il est apte, d'une façon inhérente, à rester éta- lonné pendant toute la durée du fonctionnement.
REVEND I C A T 1 0 N S
1) Appareil pour l'essai de matières par l'application à grande vitesse d'une charge à une éprouvette, caractérisé en ce qu'il.,comprend un organe (9) qui supporte l'éprouvette (8) et a un grand module d'élasticité, un élément (1) qui peut tourner à grande vitesse pour appliquer une force d'impact à l'éprouvette, et un dispositif pour mesurer les charges (17,41) qui répond à la déformation de l'organe de support (9) et est apte à produire une quantité électrique indicative de la. force à laquelle l'éprouvette est soumise durant l'essai.