Appareillages et système d'acquisition

Les échantillons comportent un défaut macroscopique initial, réalisé au centre de la feuille. Un jeu de lames de rasoir calibrées nous permet d'obte-nir une forme et une longueur de fente initiale précise. Nous analyserons la dynamique de croissance de cette fente initiale.

Le capteur de force mesure la force appliquée à l'échantillon ; sa défor-mation est connue à partir du déplacement imposé par le moteur. Enn, la croissance de la ssure est analysée grâce à une caméra haute-résolution et ultra-rapide.

2.2 Appareillages et système d'acquisition

2.2.1 La machine de traction

La machine de traction conçue et réalisée par l'équipe technique du labo-ratoire est une machine en acier, permettant de charger uniaxialement une plaque ne en mode 1 de rupture. Les échantillons sont chargés en augmen-tant la distance entre les mâchoires. Un moteur pas à pas (Micro Controle modèle UE42), asservi à un système de pilotage éléctronique (Micro Controle ITL09) entraîne en rotation une vis sans n déplaçant une mâchoire, guidée par 2 barres cylindriques. Grâce à un système de découplage, ce moteur pas à pas contrôle le déplacement avec une précision de400 pas par micromètre. La vitesse de chargement est de l'ordre de v = 38µm/s. Le frottement de la machoire sur le système de guidage est de l'ordre de 3N.

Fig. 2.2  Schéma de la machine de traction.

Des barreaux cylindriques en acier sont bloqués sur les mâchoires par des vis. Les échantillons sous forme de feuilles sont scotchés et enroulés autour de

28 Chapitre 2. Dispositif expérimental

ces barreaux (2 tours sont eectués an d'utiliser le frottement et réduire la tension sur le scotch), en s'assurant que la tension appliquée est bien homo-gène sur les bords des échantillons. Le parallélisme entre les machoires a été vérié. De plus, un système de guidage des échantillons sur les barreaux n'au-torise qu'un jeu inférieur au millimètre pour une longueur d'échantillon de l'ordre de ∼ 21cm, assurant ainsi des conditions expérimentales très proches d'un mode 1 de rupture de nos échantillons

Un système de vis micrométrique permet de déplacer une lame de rasoir an de réaliser la fente initiale, de manière précise au centre de la feuille. De plus, la contrainte à la pointe du défaut dépend aussi bien de la longueur du défaut que de sa forme. Aussi, pour obtenir une meilleure reproductibilité des mesures, nous disposons d'un jeu de lames de diérentes tailles an de travailler sur des échantillons avec des défauts de longueurs et de formes initiales bien calibrées. La largeur de la lame utilisée nous donne la longueur de la ssure initiale, qui varie ainsi de Li = 1cm à Li = 4cm.

2.2.2 Le capteur de Force

Une jauge de contraintes de précision (Mini-capteur de force en "S", In-terface) est xée à une machoire libre de glisser sous l'eet de la tension, transmettant donc la tension appliquée au capteur de force. Cette jauge de contraintes nous permet de mesurer la force appliquée à l'échantillon. Sa sensibilité est de 3, 23mV/V et sa capacité est de 2000N ; pour une alimen-tation de 10V , le signal délivré par le capteur de force est de 32.3mV , pour une force de 2000N. Les forces appliquées à nos divers échantillons sont de l'ordre de quelques centaines de Newtons. La raideur du capteur de force est de K = 4.106N/m.

Un conditionneur réalisé au laboratoire, amplie et ltre (ltrage passe-bas de fréquence de coupure fc = 1kHz) le signal délivré par le capteur de force.

2.2.3 PC - Carte d'acquisition

Un ordinateur (processeur Pentium à133MHz) muni d'une carte d'acqui-sition Analogique/Digital 16 bits, (PC-M10-16XE10, National Instruments), contrôle via un système de pilotage électronique (Micro-Controle) et enre-gistre le déplacement d imposé par le moteur pas à pas. Connaissant la lon-gueur de l'échantillon W , on peut en déduire sa déformation ǫ = d−dF

W , en tenant compte de l'allongement du capteur de force dF = ∆F

K , ∆F étant la variation de force appliquée et K la raideur du capteur. La mesure du dépla-cement d et de la force permettent de connaître le travail fourni à l'échantillon

2.2. Caméra 29

pour le déformer. L'ordinateur enregistre également le signal amplié et l-tré issu du capteur de force, et son horloge nous permet d'avoir une base de temps avec une précision de l'ordre de la milliseconde.

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Fig. 2.3 Schéma du système d'acquisition

De plus, le logiciel de contrôle du déplacement réalisé par le moteur nous permet d'imposer une rampe de déplacement à vitesse constante, une dé-formation, ou grâce à une boucle de rétroaction, une force constante. Pour les expériences à force imposée, cette boucle de rétroaction nous permet de maintenir la force appliquée à l'échantillon constante, alors que la ssure grandit, avec une stabilité comprise entre 0.1N et 0.5N, et des temps de réponse inférieurs à 10ms.

2.2.4 Caméra

Pour suivre la croissance de la ssure, nous utilisons une caméra haute résolution et (ultra)rapide (Ultima 1024, Photron). Cette caméra utilisant des capteurs CMOS, est capable d'acquérir des images à un taux de 500 images par secondes pour une résolution de 1024 × 1024 pixels, et jusqu'à 16000 images par secondes à une résolution spatiale réduite32 × 128 pixels. Nous travaillerons à une résolution de 1024 × 512 pixels. Dans ce cas, nous ne pouvons enregistrer que 1024 images, puisque l'espace mémoire embarqué sur la caméra est limité à 500Mo.

30 Chapitre 2. Dispositif expérimental

Nous désirons suivre la croissance complète de la ssure, depuis la lon-gueur initiale du défaut jusqu'à la rupture totale de l'échantillon. Or, la caméra ne peut acquérir qu'un nombre restreint d'images, soit500 en résolu-tion maximale de 1024 × 1024 pixels. De plus, proche du seuil de rupture de l'échantillon, le temps d'enregistrement sur le disque de l'ordinateur est trop long pour que nous envisagions de transférer les images en temps réel, sans perdre des informations concernant l'avancement du défaut. Enn, le temps de rupture étant inconnu, il ne peut donc évidemment pas servir à détermi-ner des intervalles de temps réguliers ou non pour acquérir des images. Pour contourner cette diculté et pouvoir suivre malgré un nombre d'images li-mité toute la dynamique de rupture qui, comme nous l'observerons s'accélère, nous utilisons la déformation de l'échantillon, qui elle, en revanche, augmente toujours de manière approximativement équivalente, quel que soit le temps de rupture.

On utilise donc le signal de déplacement du moteur pas à pas pour dé-clencher la caméra : lorsque l'échantillon s'est allongé d'une valeur seuil que l'on choisit typiquement de 1µm (parce que l'allongement de l'échantillon ne dépasse pas en général 500µm), la carte d'acquisition envoie un signal déclenchant la caméra qui enregistre alors 2 images à une fréquence d'ac-quisition typiquement de 250 images par seconde (ce qui nous donnera un ordre de grandeur de la vitesse instantanée de la ssure), à une résolution de 1024 × 512 pixels. A cette résolution, nous ne pouvons enregistrer que 1024 images, puisque l'espace mémoire embarqué sur la caméra est limité à500Mo. Ce procédé de déclenchement nous permet d'obtenir l'ensemble de la dyna-mique de rupture sous-critique de l'échantillon, et donc de suivre l'évolution de la ssure depuis sa longueur initiale Li jusqu'à rupture de l'échantillon.

Une analyse des images recueillies par la caméra nous permet ensuite d'extraire la longueur de la ssure avec une résolution comprise entre 50 et 150µm suivant le champ d'observation de la caméra, et enn d'obtenir l'évolution temporelle du défaut initial.