Procédé pour mesurer la dureté d'une matière et appareil pour la mise en ceuvre de ce procédé
Selon des procèdes connus, pour mesurer la dureté, on applique un poinçon sur la surface de la matière sous une forme déterminée dirigée normalement à cette surface, de sorte que la profondeur de pénétration du poinçon et les dimensions de l'empreinte dépendent de la dureté. Cette profondeur, ou une autre dimension de l'empreinte, est mesurée pour déterminer la dureté.
Les poinçons utilisés sont de forme sphérique ou conique.
Lors de l'essai, de Brinell, un poinçon sphérique est utilisé et la dureté Brinell est le quotient de la charge appliquée divisée par l'aire, de l'empreinte. La dureté est déterminée en mesurant le diamètre de l'empreinte et en relevant sur une table l'indice de dureté Brinell donné en fonction de ce diamètre.
Dans l'essai de Vickers, le poinçon a la forme d'une pyramide à base carrée dont les faces forment entre elles des angles de 136 . L'indice de dureté Vickers est à nouveau le quotient de la charge divisée par l'aire de l'empreinte. Dans ce cas, on mesure la diagonale de l'empreinte pour relever sur une table la dureté Vickers donnée en fonction de cette diagonale.
Pour l'essai Rockwell, le poinçon peut être sphérique ou conique, la dureté Rockwell étant la profondeur de l'empreinte, selon deux échelles correspondant chacune à une des formes du poinçon.
Ces procédés connus et les appareNs développés pour leur mise en oeuvre ne conviennent pas bien à la mesure de la dureté de pièces déjà usinées, ou de pièces déjà montées dans des ensembles. En effet, il faut que la matière soit soutenue de manière appropriée pour supporter la force considérable exercée pour faire pénétrer le poiçon dans la matière. Cette force est de l'ordre de 5 à 150 kg lors de l'essai Vickers, et de l'ordre de 1500 kg lors de l'essai Brinell. L'application de telles forces nécessite l'emploi de posage spéciaux ou de cales soutenant la pièce à contrôler.
En outre, ces procédés ne conviennent souvent pas au contrôle non destructif de pièces fabriquées en série, d'une part par suite de l'encombrement des appareils utilisés, et d'autre part, dans certains cas, par suite de la dimension appréciable de l'empreinte, qui peut être pro hibitive sur de petites pièces.
Le contrôle non destructif de la dureté des pièces façonnées est toutefois de grande importance, car la dureté donne une indication au sujet d'autres propriétés mécaniques importantes, telles que la contrainte de traction admissible, par exemple.
La présente invention vise à fournir un procédé de mesure de la dureté susceptible d'une mise en oeuvre rapide et facile ne nécessitant pas de posages ou d'outillages spéciaux pour supporter les pièces en cours d'exa- men. L'invention vise aussi à fournir un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédésusceptibled'être construit sous la forme d'une tête de percussion compacte pouvant être appliquée manuellement contre la pièce à con trôler.
Selon la proz ; édé objet Idfe ; I ;'invention, pour mesurer la dureté d'une matière, on amène un poinçon en contact avec la surface de la matière alors que le poinçon possède une énergie cinétique suffisante pour provoquer sa pénétration dans la matière dont la résistance amène le poinçon à Parrêt, et on engendre un signal de dureté correspondant à la force antagoniste agissant sur le poinçon pendant qu'il est amené à l'arrêt.
Ce procédé a pour bas, lia loi de Meyer : f = krn dans laquelle : f est la force produisant l'empreinte dynamique d'une matière ; k. est une constante ; r est le r. ayon d : e 1'emprente a la surface de 1a maitaere ; et n est l'indice, de Meyer (constant pour une matière donnée).
Pour un indice de Meyer n voisin de 2, (cet indice est de 2, 04 pour l'acier trempé), la force maximum fmax exercée sur le poinçon pour l'amener à l'arrêt est fonction de la contrainte dams la zone fléchie de la matière (c'est-à-dire du quotient de la force exercée par le poinçon sur la matière divisée par l'aire de la surface projetée de l'empreinte désignée par Y), suivant la relation :
max"Y* (pour un poinçon sphérique), la profondeur de pénétration maximum, Xmax, étant donnée par la relation :
-1E
max
Des relations du même genre sont valables pour un poinçon de forme pyramidale, à savoir : ax I-et X,,, Y-11-
La grandeur Y est en relation étroite avec les indices de dureté conventionnels.
Dans le cas des procédés conventionnels utilisant un poinçon sphérique, la grandeur Y est une bonne appro- ximation de l'indice de dureté qui, dans l'essai Brinell, notamment, est le quotient de la charge appliquée divi- sée par l'aire de l'empreinte, pour autant que l'em- preinte reste limitée à une petite partie de la sphère.
Dans les procédés conventionnels utilisant un poinçon convergeant symétriquement vers une pointe, par exemple dans l'essai Vickers utilisant un poinçon en forme Ide pyramide à base carrée, la grandeur Y est proportionnelle à l'indice de dureté Vickers qui est le quotient de la charge divisée par l'aire de l'empreinte pyramidale, car cette aire est elle-même proportionnelle à l'aire de la surface projetée plane de l'empreinte.
La relation entre la grandeur Y et l'indice de dureté
Rockwell ressort des relations données ci-dessus établissant la liaison existant entre XmlXx et Y.
Dans les procédés connus de mesure de la dureté, consistant à déterminer des indices Brinell, Vickers ou
Rockwell, une grandeur qui est en rapport avec XmaX est mesurée (le diamètre de l'empreinte dans l'essai Brinell, la diagonale de l'empreinte dans l'essai Vickers, la profondeur de l'empreinte dans L'vessai Rockwell).
Le procédé de l'invention est basé sur l'idée nouvelle de recourir à la mesure de la grandeur fn, ax (force de retenue maximum) qui peut être plus facilement mesurée que des dimensions de l'empreinte, comme on le fait dans les essais conventionnels.
Dans une mise en oeuvre préférée du procédé objet de l'invention, le signal de dureté est engendré en soumettant un élément électrique sensible aux contraintes
associé au poinçon à la force d'arrêt ou à une proportion
déterminée de cette force, l'apogée du signal, ou une grandeur proportionnelle à cette valeur maximum étant mesurée.
On note que la force d ? arrêt exercée sur le poinçon est nécessairement proportionnelle. à la décélération du poinçon, de sorte qu'on peut mesurer indifféremment
cette décélération ou la force antagoniste. Il faut donc
comprendre que la, détermination de la force antagoniste n'est pas nécessairement le résultat d'une mesure directe, mais peut résulter d'une mesure indirecte basée sur la détarmination d'une autre grandeur fonction de la force
antagoniste.
L'invention a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre du nouveau procédé, qui est caractérisé en ce qu'il comprend un poinçon, une source d'éner- gie pour domer une énergée cinétique au poinçon alors
que ce dernier-est amené à psrcuter la matière dont la
dureté doit être déterminée, et un organe associé au poinçon agencé pour engendrer un signal de dureté fonction de la force antagoniste exercée par la matière pour amener le poinçon à l'arrêt.
Dans une forme d'exécution préférée de cet appareil, un élément électrique sensible aux contraintes est placé entre une masse, à laquelle une vitesse est communiquée par la dite source d'énergie, et le poincon, cet élément étant agencé de manière à subir au moins une wartie de la force antagoniste amenant le poinçon au repos.
Il est préférable que la masse constituant la source 'd'énergie cinétique et la vitesse à laquelle cette massse est portée avant la pénétration du poinçon dans la matière à examiner, soient déterminées de manière que la contrainte à laquelle l'élément électrique sensible est soumis, par suite de l'énergie cinétique de la masse, pendant l'immobilisation du poinçon, soit grande par rapport à la contrainte (positive ou négative) qu'il subit par suite du poids propre de cette masse.
L'appareil peut alors être utilisé en toutes positions, pratiquement avec même précision.
L'élément électriquesensible aux contraintes peut être relié électriquement à un dispositif de mesure indiquant la valeur maximum ou apogée du signal de dureté produit. Ce dispositif peut comprendre des moyens s emmagasinant ou mémorisant des signaux électriques relatifs à ces percussions successives des signaux électri- ques relatifs à des percussions successives du poinçon et des moyens déterminant la valeur moyenne des signaux enregistres.
Le dessin représente, à titre d'exemple, und forme d'exécution de L'appareil objet, de l'invention, une mise en oeuvre du procédé de l'invention étant décrite en relation avec ce dessin.
La fig. 1 est une vue de cette forme d'exécution de l'appareil.
La fig. 2 représente une variante de la tête de per cussion. de l'appareil de la fig. 1.
La fig. 3 est un idiagramme explicatif.
La fig. 4 est une vue schamaitque d'une variante du dispositif de mesure électrique de l'appareil de la fig. 1.
L'appareil représenté à la fig. 1 comporte une tête de percussion 10, qui peut être de relativement petites dimensions pour pouvoir être appliquée sur une matière dont la dureté doit être contrôlée représentée en 26, même si cette matière est comprise dans une pièce déjà façonnée, éventusHemenit même après le montage de la pièce dans un ensemble.
La tête 10 comporte un corps tubulaire 11 dont l'alésage constitue un guide ouvert à une extrémité et fermé à l'autre, par un bouchon fileté 12.
Dans le corps 11 est logé à coulissement un équipage mobile comportant une tête-poinçon 13 de forme sphérique, en acier trempé eu en toute autre matière dure capable de poinçonner les différentes matières dont on désire contrôler la dureté.
Cet équipage comporte une masse 14 de forme cylindrique percée d'un trou axial 15. Un cristal piézoélectrique 16 est disposé entre la masse 14 et le poinçon 13 ; ce cristal peut être fixé à la masse et au poinçon par un adhésif approprié placé entre les faces de contact.
L'équipement mobile constitué par la poinçon 13, la masse 14 et le cristal 16, susceptible de coulisser le long de l'alésage du corps 11, est chassé en direction de l'ex trémité ouverte du corps par le moyen d'une source d'énergieconstituéepar un ressort hélicoïdal 17 disposé entre le bouchon 12 et la masse 14.
Le ressort 17 est tout d'abord comprimé alors que l'équipement mobile est enfoncé dans le corps 11 jusque dans une position retirée représentée à la fig. 1 dans laquelle l'équipage est maintenu par le moyen d'un levier de verrouillage 18 comportant un bec de retenue 19 situe dans le corps et un poussoir 20 situé hors de ce dernier. Le levier 18, pivoté sur un cheville 21, est logé en majeure partie dans une fente 22 traversant la paroi du corps 11.
La masse 14 comporte une rainure longitudinale 23 don, t l'extrémité supérieure 24 constitue un épaulement avec lequel le bec 19 coopère pour maintenir l'équipement mobile en position retirée.
Une pression exercée. sur le poussoir 20 provoque le retrait du bec 19 et permet à l'équipement mobile d'avancer vers l'extrémité ouverte du corps sous la poussée du ressort 17, pour venir poinçonneur une empreinte, indiquée en 25 en trait pointillé, dans la matière 26.
Le levier de verrouillage 18 comporte une patte 31 placée dans la rainure 23 et qui empêche l'expulsion de l'équipement mobile hors du corps 11 si la tête est actionnée sans reposer sur une surface d'appui.
Par suite de l'application de l'extrémité antérieure du corps 11 sur la surface de la matière 26, lors du retrait du bec 19, l'équipement mobile parcourt une distance donnée dans ledit corps et prend une vitesse déterminée de sorte que l'énergie cinétique communiquée à la masse 14 a la même valeur à chaque actionnement du disposi- tif.
Cette énergie cinétique doit être assez grande pour que la force antagoniste maximum exercée par la matière en cours d'arrêt de l'équipage mobile soit élevée par rapport au poids propre de l'équipage. De la sorte, la tête de percussion peut alors être utilisée en toutes positions, sans erreur appréciable. L'énergie cinétique emmagasinée dans l'équipage mobile sera par exemple de l'ordretde 105 dyne. cmx (0, 1 joule).
La masse 14 a une masse propre notablement plus élevée que le poinçon 13 ou le cristal 16, de sorte que la contrainte subie par le cristal en cours d'arrêt du poinçon 13 résulte principalement de l'énergie cinétique emmagasinée dams la masse 14.
La valeur maximum de cette contrainte est mesurée par le moyen d'un signal produit par le cristal 16 qui est relié par un câble souple 27 à un dispositif de mesure 29. Le câble 27 comporte deux conducteurs 28 passant par I'alésage 15 de la masse et qui sont reliés chacun à l'une des faces du cristal.
Le dispositif de mesure comporte un voltmère enregistreur 30, et un condensateur C branchés en parallèles entre les bornes d'entréetet t2 du dispositif. Le signal est de préférence amené afu condensateur par l'intermé- diaire de moyens empêchant la décharge de ce dernier, un redresseur 31 dans l'exemple représenté. De la sorte, le voltmètre indique une tension constante ou approximativement constante.
Le cristal piézo-électrique est capacitif et, de ce fait, le courant produit par suite de la naissance d'une impul- sion de tension est partagé entre le condensateur constitué par le cristal lui-même, et le condensateur C du dispositif de mesure. La capacité du condensateur C est déterminée en fonction de celle du cristal de manière que la tension aux bornes du condensateur C ait un ordre de grandeur permettant sa mesure précise par le voltemètre. La tension maximum de charge du conden- sateur C est ainsi fonction de la valeur de l'apogée de l'impulsion de tension, et l'indication donnée par le vol temètre est ainsi fonction de la valeur maximum de la force antagoniste, dont elle dépend directement.
L'échelle du voltmètre 30 peut être établie directement en indices de dureté, Bri-nell ou Vickers, par exem- ple.
Le voltmètre peut comporter un commutateur permettant de décharger le condensateur après chaque impact du poinçon ou après un nombre déterminé de fonctionnements.
Dans la variante représentée à la fig. 2, la tête de percussion comprend'un corps cylindrique 50 pressentant une partie antérieure conique 51. Ce corps 50, creux, comporte une chambre inférieure 53, et une chambre supérieure 52 d'un plus petit diamètre, les deux chambres étant renées par une partie 54, de forme tron-conique.
A l'extrémité antérieure du corps 50, deux guides 55 et 56 axialement espacés guident une tige 57 dépassant hors du corps et se termiant par un poinçon 58 de forme sphérique. La tige 57 comporte un épaulement 59 et un ressort hélicoïdal 60, de faible force, est placé entre cet épaulemsnt et la paroi transversale. du corps présentant le guide 56. L'extrémité supérieure do la tige 57 est engagés dans un trou borgne 62 percé axialement dans un bloc cylindrique 61. Le bloc 61 est logé partiellement dans la chambre supérieure 52 et son diamètre extérieur est légèrement plus petit que le diamètre de cette chambre, pour qu'il puisse coulisser facilement dans cette dernière. Le bloc 61 est percé d'un trou transversal 63 traversant le trou 62 au voisinage du fond de ce dernier.
Le trou 63 loge un coulisseau 64 ajusté à glissement dans ledit trou. Le coulisseau 64 est percé dans sa partie centrale d'un trou 64 de même diamètre que le trou borgne 62 et qui peut venir en Mgne avec ce trou borgne pour permettre le mouvement relatif du bloc 61 et de la tige 57. Le coulisseau est sollicité par une lame élastique 66 tendant à le maintenir dans la position représentée pour laquelle les trous 62 et 65 sont décalés. Dans cette position, la tige 57 ne peut pas pénétrer plus avant dans le trou 62 partiellement obstrué par le coulisseau 64.
La lame 66, engagée par une extrémité dans une creusure 67 du bloc 61 et par l'autre extrémité dans une creusure 68 de l'extrémité du coulisseau 64, a la forme incurvée représentée. Le dégagement latéral de la lame est empêché par la paroi du corps 50 constituant une butée pour le sommet de la lame. A son extrémité de gauche, la coulisseau 64 présente une surface en biseau 69 conformée pour pouvoir coopérer avec la surface tron-conique 54 du corps.
Le bloc 61 est chassé vers le bas par un fort ressort hélicoïdal 70 placé entre la face supérieure du bloc et le corps. Sur la face supérieure du bloc 61, à l'intériemr du ressort 70, est placé un disque 71 conducteur de l'élec- tricité supportant un cristal piézo-électrique 72 sur lequel repose une masse 73 en une matière conductrice de l'électricité. Le bloc 61, le disque 71, le cristal 72 et la masse 73 peuvent être assemblés les uns aux autres, par exemple au moyen d'adhésif. La masse 73 sollicite le cristal 72, par suite de son inertie, lorsque le poinçon 58 percutant la matière à contrôler est immobilisé du fait de la résistance offerte par cette dernière.
La tension induite par le cristal est conduite au dispositif de mesure par des conducteurs souples 74 et 75 branchés respectivement t su-i disque 71 et sur la masse 73.
Pour contrôler la dureté d'unie éprouvette, la tête de percussion'est approchée de l'échantillon de manière que le poinçon 58 touche la surface de ce dernier. Une fois le poinçon de la surface, l'abaissement du corps 50 en direction de cette dernière provoque la compression du ressort 70 par suite du mouvement relatif vers. le haut du bloc 61 portant sur l'extrémité supérieure de la tige 57 par l'intermédiaire du coulisseau 64. Au cours de ce mouvement, le coulisseau est amené à coopérer par son biseau 69 avec la surface conique 54. Il est alors déplacé vers la droite contre l'action de la lame élastique 66, ce qui met en ligne les trous 65 et 62. Le bloc 61 peut alors être repoussé vers le bas par le ressort 70, et le fond du trou borgne 62 vient buter sur l'extrémité de la tige 57 et transmet un coup déterminé au poinçon 58.
La décélération de l'équipement mobile constitué par la masse 73, le cristal 72, le disque 71, le bloc 61 et la tige 57, par suite, de la résistance rencontrés par le poinçon, provoque une contrainte du cristal et le signal électrique engendré par le cristal est mesuré par le moyen d'un dispositif de mesure électrique tel que celui déjà décrit.
Lorsque la tête de percussion est écartée de la surface 76, le ressort 60 amène la tige 57 en position extérieure et la lame élastique 66 ramène le coulisseau 64 vers la gauche, de sorte que la tête de percussion est à nouveau prête à l'emploi. La tête de percussion est donc automatiquement armée et déclenchée du seul fait de son application sur la surface à contrôler et de son retrait. Elle peut être utilisée en toute position car le poids de la masse 73 est petit par rapport à la force exercée sur le cristal pendant la décélération.
L'importance de la masse 73 est déterminée en fonction de la grandeur de la tête de manière que le cristal l donne une tension de sortie suffisante. Selon les caracté- ristiques du cristal, il n'est pas toujours nécessaire de soumettre le cristal à la force de freinage, comme c'est le cas dans l'a tête de la fig. 1. Une impulsion de sortie caractéristique est représentée à, la fig. 3. On voit que l'apogée de la tension est de l'ordre de 50 volts et que la durée de l'impulsion est de l'ordre de de seconde.
Dans une variante, on peut recourir à un circuit de mesure plus complexe tel que celui représenté à la fig. 4.
Dans ce circuit, des bornes d'entree tg et t4 sont reliées aux deux conducteurs du câble 27 provenant, de la tête de percussion et le circuit comporte une série de souscircuits qui seront branchés à tour de rôle entre les bornes tg et t4. Chaque sous-circuit comporte un condensateur, Cl à C7, et un balai, B1 à B7, susceptible de coopérer avec une touche 32 d'un segment 33 conduc- teur de l'électricité d'un. distributeur amené à tourner autour d'un axe 34, la touche 32 étant amenée en contact successivement avec les différents balais.
Chaque circuit reçoit ainsi une impulsion de courant par l'intermédiaire d'un redresseur 35, et le condensateur correspondant est chargé sous une tension qui est fonction de la dureté de la matière alors placée sous la tête de percussion.
Après une série d'essais au cours de laquelle tout ou partie des condensateurs Cl à C7 a été chargé, les circuits des condensateurs chargés sont branchés en paral par par suite de la rotation du distributeur amenant un segment conducteur 36 de ce dernier à court-circuiter tous les balais.
La tension entre le segment 36 et la ligne 37 reliée à la borne t4 est alors la moyenne des tensions précédem- ment communiquées aux différents balais. Cette tension moyenne est transmise à un voltemètre de mesure 38 par 1e moyen d'un interrupteur S1.
Bien que l'organe répondant à la contrainte soit le plus souvent un élément électrique (produisant un signal électrique à la suite de l'application de la contrainte), d'autres moyens peuvent également être utilisés pour mesurer le maximum de la force résistante. On peut nottament utiliser à cette fin urne capsule compressible con- tenant un liquide chassé hors de la capsule par un conduit aboutissant à un organe indicateur, à ressort anta- goniste ou, autre, agencé pour indiquer la valeur de l'apogée de la force résistante.
Les dispositifs de mesure peuvent également être agencés pour comparer la valeur mesurée à une valeur de référence, sans qu'une grandeur soit à proprement parler indiquée.