Essais mécaniques in-situ

La technique de corrélation d’images numériques (DIC) constitue une approche promet-teuse pour une investigation des champs de déformations hétérogènes à une échelle locale d’un matériau tel que l’acier AISI H11. Dans ce qui suit, le dispositif et les procédures ex-périmentaux mis en œuvre permettant une caractérisation multi-échelle du comportement mécanique de ce matériau sont présentés.

2.3.1 Dispositif expérimental

Les présents essais mécaniques in-situ sont menés sur une machine de traction électro-mécanique de type Instron ayant une capacité de charge de 100 kN. Le montage réalisé consiste en un support sur lequel est placé un microscope optique de type Keyence. Ce der-nier utilise un objectif avec un grossissement allant jusqu’à × 1000. Il permet l’acquisition d’images numériques de dimensions 1600 × 1200 pixels2en vue d’une analyse pertinente des champs locaux. Le système d’observation possède une capacité d’effectuer des translations selon trois dégrés de liberté. Celui-ci offre donc une grande souplesse dans le positionne-ment de l’objectif du microscope vis-à-vis de la surface de l’éprouvette. La zone d’intérêt peut alors être définie avec précision et des réglages correctifs peuvent éventuellement être effectués en vue d’une amélioration de l’acquisition des images (Figure 3.5a).

(a) Vue d’ensemble (b) Partie utile

Figure 2.5 – Dispositif expérimental des essais mécaniques in-situ

Par ailleurs, un extensomètre d’une base de 12,5 mm est placé sur la partie utile de l’éprouvette. Celui-ci permet une mesure globale de la déformation de l’acier AISI H11 au cours de l’essai (Figure 3.5b) qui est reliée aux champs mécaniques locaux. Les éprouvettes6 utilisées dans ce travail sont prélevées dans des plaques ayant subi le procédé de génération de surfaces similaires à celles issues de l’opération de réalisation des outillages décrit dans

6. Pour rappel, deux type d’éprouvettes sont utilisés, à savoir de premier type ayant une épaisseur de 1

§1.3.1. Les dimensions de celles-ci sont adaptées de manière à pouvoir réaliser des analyses in-situ (Figure 2.6). On rappelle également qu’un intérêt particulier est porté au comporte-ment des couches superficielles de l’acier AISI H11, ce qui impose d’autres contraintes quant aux dimensions de l’éprouvette. Pour ce faire, cette dernière est par ailleurs montée dans le sens transverse permettant ainsi des observations au niveau de son épaisseur (Figure 3.5b) où les mesures in situ ont tendance à être assez proches du bord. À noter que les tranches des éprouvettes ont été préalablement polies à la pâte diamantée au moyen de broches cy-lindriques. Cette préparation est assez délicate à mettre en œuvre en raison de la géométrie des éprouvettes, mais surtout du fait que la zone d’intérêt qui se situe essentiellement au niveau du bord (cf. §2.4.2).

Figure 2.6 – Dimensions des éprouvettes de premier type (1 mm) et position de la zone d’analyses in-situ

2.3.2 Procédure expérimentale

Les essais mécaniques in-situ sont pilotés manuellement en imposant des cycles de dé-placement ce qui permet une mise en œuvre des mesures de champs in-situ plus aisée. Il est alors possible d’effectuer d’éventuels réglages ou vérifications liés à l’acquisition d’images en cours d’essai, ce qu’une consigne automatique n’aurait pas permis.

La procédure expérimentale consiste dans un premier temps à effectuer une attaque chimique au nital permettant une génération d’un mouchetis « naturel », i.e. un marquage lié aux artefacts stéréologiques. Une zone d’intérêt, qui est de forme rectangulaire, est par la suite repérée à l’aide d’un trusquin. Celle-ci a le plus souvent pour dimensions une zone de 500 × 500 µm2. Dès lors que l’éprouvette est fixée dans les mors mécaniques, une optimisation de la qualité d’acquisition des images numériques est effectuée. Celle-ci est relative à la netteté, au contraste... mais surtout à la distribution des niveaux de gris (Figure 2.7). Cette optimisation est essentiellement réalisée lors de l’acquisition de la première image d’un essai donné. Seules certaines vérifications sont menées pour les images acquises par la suite en vue de garantir une conservation quasi-optimale de la qualité et des niveaux de gris des images numériques à corréler. À noter également qu’un autre type de correction peut être envisagé en cours d’essai. Celui-ci consiste en des translations du système d’observation

afin de bien conserver le centre du domaine de corrélation dans l’image au cours de la déformation. Cependant, étant donné que les essais actuels sont réalisés dans le domaine des petites perturbations (HPP), cette dernière correction ne s’avère pas nécessaire.

Figure 2.7 – Exemple de distribution des niveaux de gris

Comme évoqué ci-dessus, le pilotage des essais est réalisé manuellement. Par le biais du système de mesure de déformation, les données liées au comportement global sont enregis-trées d’une manière incrémentale. À chaque incrément, une acquisition d’image est réalisée, permettant une corrélation des champs mécaniques locaux à un état de chargement global donné. Dans le présent travail, deux types de chargements uniaxiaux sont considérés, quasi-statique et cyclique. Le chargement quasi-quasi-statique est imposé aux éprouvettes de premier type, i.e. ayant une épaisseur de 1 mm, tandis que le chargement cyclique est appliqué aux éprouvettes de second type, i.e. ayant une épaisseur de 0,5 mm.

Si le chargement quasi-statique ne pose a priori aucun problème particulier, certaines précautions sont à mettre en place pour le chargement cyclique. Les géométries plates sont de faibles épaisseurs et peuvent être sujettes à un flambement dès lors que le rapport de charge est négatif voire nul. De ce fait, seul un rapport de charge positif est considéré et divers chargements de type traction-traction sont appliqués à l’ensemble des éprouvettes de second type. La procédure utilisée consiste alors à imposer un déplacement manuel de la traverse de la machine tout en contrôlant l’effort global induit. Dans le contexte actuel, neuf cycles équirépartis en trois blocs différents sont appliqués pour chaque éprouvette en acier AISI H11 de second type (Tableau 2.1).

Tableau 2.1 – Répartition des différents blocs pour le chargement cyclique

N˚d’éprouvette Bloc 1 Bloc 2 Bloc 3

Éprouvette 1 105−1050 MP a 105−1050 MP a 105−1050 MP a

Éprouvette 2 105−1050 MP a 115−1150 MP a 125−1250 MP a