Outils de mesures

Force

L’essai de traction mesure une force et un déplacement de manière à fournir une

estimation de la relation contrainte-déformation d’un élément de volumedV.

La mesure de force se fait à l’aide d’une cellule miniature²¹ montée en série avec

l’éprouvette de microtraction. Dans le cadre de cette étude, deux capteurs ont été utilisés :

1,5 N et 40 N. À l’aide de ces deux capteurs, et compte tenu de la souplesse de la platine,

il est possible de réaliser des mesures de la force précises entre zéro et un newton avec le

capteur1,5 N, et entre quatre et douze newton avec le deuxième.

PART.II II.2 Banc de microtraction

FIG. II2 - 2 – Premier prototype d’une platine de traction symétrique développé par

Michel Ignat, Charles Josserond et Laurent Debove. La cinématique de l’essai est

similaire à celle d’un système de levage pour véhicule léger.

II.2 Banc de microtraction PART.II

FIG. II2 - 3– Illustration des différents moyens techniques mis en œuvre pour mesurer

un déplacement, et ainsi remonter à un calcul de déformation. Le capteur embarqué

se trouve aligné sur la glissière assurant le déplacement des mors, désignée par « axe

de traction » et les interféromètres visent des cibles perpendiculaires à « l’axe de

l’éprouvette ». L’angle entre les deux axes est désigné par angle «α». Enfin, le microscope

réalise une observation locale de l’éprouvette, et réalise une estimation dense du champ

de déformation.

D’un point de vue géométrique, le capteur est composé d’un cylindre comprenant la

membrane sensible, et de deux axes filetés. La tolérance géométrique sur l’alignement des

mors est relativement large (du moins sur les capteurs qui ont été utilisés dans le cadre de

cette étude), impliquant une forte probabilité d’une occurrence de déplacements hors axe

liés à un mauvais alignement des deux mors. Des actions correctives ont donc été envisagées ;

elles sont présentées dans le paragraphe II.2.2.1.

Déplacement

Comme évoqué dans la partie I.3.3, plusieurs approches peuvent être suivies pour réaliser

ces mesures. En particulier, le champ de déformation se déduit de mesures de déplacement

faites soit par extensométrie optique (DIC par exemple), soit partiellement à partir d’une

mesure de déplacement globale — entre mors.

Dans la suite de cette étude, nous désignerons par « axe de traction » l’axe de translation

de deux mors. En raison des incertitudes géométriques élevées, introduites notamment par le

capteur de force, cet axe est de manière générale non confondu avec « l’axe de l’éprouvette »,

ou encore l’axe des mors. Cette distinction est schématiquement représentée en figure II2 - 3.

PART.II II.2 Banc de microtraction

Capteur embarqué, une première solution: Dans sa version initiale, la platine de

microtraction, utilisait un capteur de déplacement mesurant un taux de réflectance laser²².

Cette technologie a été retenue pour plusieurs raisons : elle est adaptée aux larges plages

de mesure souhaitées (de quelques microns à plusieurs millimètres), et la mesure de

déplacement est peu sensible aux erreurs angulaires.

Plusieurs inconvénients ont toutefois été rencontrés lors de la phase de validation des

mesures :

– ce capteur est excentré en raison de l’encombrement nécessaire pour les mors. Il se

trouve aligné sur la glissière assurant la translation des deux parties du mécanisme

désignée par « axe de traction ». La mesure de déplacement inclut donc l’allongement

de l’éprouvette, la déformation du système d’attache des éprouvettes, la déformation

du capteur de force, et, pour finir, la déformation subie par le bâti. Une telle chaine de

mesure rend délicate l’extraction de la déformation de la partie utile de l’éprouvette.

De plus, la reproductibilité d’un essai à l’autre est perturbée par les désalignements

nécessairement introduits par les interventions sur le capteur de force, qui induisent

une erreur angulaire entre l’axe de traction et l’axe de l’éprouvette,

– d’autres inconvénients apparaissent, comme la sensibilité du capteur à un

endomma-gement de la cible : une simple rayure ou une poussière peuvent perturber le taux

de réflectance de la cible, et induiront nécessairement des dérives dans la mesure du

capteur si ce dernier n’est pas très régulièrement ré-étalonné,

– de plus, le capteur laser se trouve à l’extrémité d’un renvoi coudé sur un câble blindé de

diamètreΦ =0,8 cm. La rigidité de flexion de ce câble est suffisante pour venir perturber,

même à grande distance, la dynamique de l’essai. En particulier, le déplacement du

câble peut introduire sur l’enregistrement de la force des variations supérieures à

150 mN. Cette valeur est à comparer avec les40 mNappliqués sur certaines éprouvettes

d’aluminium autoportantes (résultats présentés en partie III),

– enfin, un autre inconvénient majeur de cette technologie est le rapatriement des

données vers l’ordinateur, qui se fait via un port série (vitesse de transfert limitée, et

information « noyée » dans une chaine de caractères relativement longue). Ce point

n’est pas critique pour des essais quasi-statiques, mais devient vite problématique

dès que l’on souhaite dépasser 4Hz de fréquence d’acquisition (en particulier pour

l’utilisation de l’étage piézoélectrique), ou pour des essais de relaxation et/ou fluage

qui nécessitent l’utilisation d’une régulation en boucle fermée.

L’utilisation des interféromètres laser et l’utilisation d’une méthode d’extensométrie

optique — la corrélation d’image — répondent en partie aux critiques soulevées pour le

capteur embarqué.

II.2 Banc de microtraction PART.II

FIG. II2 - 4 – Exemple d’exploitation d’une analyse par corrélation d’image obtenu

sur une éprouvette bicouche {Polymère+Cuivre}. Le médaillon représente le champ de

déformation évalué au point de fonctionnement repéré sur la courbe caractéristique de

l’essai.

Extensométrie optique: Dans le cas présent, deux méthodes sont utilisées en parallèle. La

première consiste à réaliser une observation directe de l’éprouvette, par une acquisition

cadencée de clichés, qui est ensuite analysée par corrélation d’image (DIC) pour obtenir

une mesure dense des champs de déplacement et de déformation (un exemple de mesure

obtenue par DIC est présenté en figure II2 - 4).

Le système d’acquisition²³ réalise des observations optiques avec un grossissement

variant entre trente-cinq et sept mille fois (pour un écran 15 pouces). L’acquisition se fait

en noir et blanc24, avec une fréquence maximale de1 Hz. Les éprouvettes les plus larges sont

observées à l’aide d’un grossissement×350, et les plus étroites avec un grossissement×700.

Cette technique présente principalement deux avantages :

– l’observation d’une partie sélectionnée de l’éprouvette permet de réaliser une mesure

de déformation qui n’est pas perturbée par les zones de transition où la section n’est pas

constante. Ainsi, l’ensemble observé par corrélation d’image peut être classiquement

assimilé à un élément de volume.

– l’obtention d’un champ dense de déplacement mène à la mesure non seulement de

l’allongement axialεx mais également à une mesure de la contraction transverseεy. Il

est ainsi possible d’avoir une estimation du coefficient de Poissonνtel que défini par

l’équation I3.36.

L’annexe A.6.1 présente, dans la configuration retenue dans le cadre de cet essai, une

estimation de l’erreur de parallaxe qui peut être introduite par un système d’observation dont

l’axe optique n’est pas rigoureusement parallèle à la normale du plan de traction. Le calcul

de cette imprécision s’appuie notamment sur l’utilisation de la faible profondeur de champ

inhérente aux systèmes optiques de type microscope. Avoir une image nette de l’éprouvette

dans tout le champ garantit une certaine perpendicularité du plan de l’éprouvette à l’axe

optique. Ainsi, l’erreur commise sur la mesure de déplacement ne dépasse pas0,25 %. L’erreur

23

Il s’agit d’un microscope KH-7700 fourni par Hirox.

PART.II II.2 Banc de microtraction

sur le module d’élasticité vaut également environ0,25 %. Une telle amplitude justifie le choix

d’utiliser une seule caméra pour les mesures d’extensométrie optique, et non pas un système

complexe de triangulation à l’aide de deux caméras pour réaliser une stéréovision (comme

dans le cas des essais macroscopiques).

Néanmoins, plusieurs inconvénients ont été rencontrés. Tout d’abord, la mesure du

champ de déplacement ne se fait pas en temps réel ; et l’étape de post-traitement nécessaire

pour l’obtention du champ de déformation s’avère pour l’instant relativement longue. De

plus, sa mise en œuvre n’est pas systématiquement réalisable. En effet, elle nécessite, dans

la configuration actuelle, une surface suffisamment contrastée pour pouvoir distinguer de

manière unique deux ensembles de pixels différents. Dans le cas des éprouvettes métalliques,

cette condition n’a pas été vérifiée.

Interférométrie laser: En tenant compte des remarques précédentes, il a donc été

nécessaire de faire appel à une technique complémentaire, plus souple d’utilisation :

l’allongement entre mors, à savoir une mesure globale de déplacement. Bien que plusieurs

auteurs ne considèrent pas cette mesure comme suffisamment précise [Sharpe 08], des

précautions ont été prises pour garantir la qualité des résultats (ces différents points sont

détaillés dans la section suivante). Cette technique est d’autant plus avantageuse qu’elle

permet de réaliser des mesures en temps réel, et qu’elle demeure simple d’utilisation. La

mesure du déplacement se fait à l’aide d’un système d’interférométrie laser²⁵, composé de

deux faisceaux opposés — ciblant chacun un mors — et d’une électronique réalisant le

traitement du signal. Ce système fonctionne jusqu’à plusieurs kilohertz et est compensé en

pression et en température.

La chaîne de mesure est considérablement réduite (notamment par rapport au capteur

à taux de réflectance laser) : les cibles des faisceaux ont été ajoutées directement sur les

mors, au plus près de l’ancrage des éprouvettes. Ainsi, l’allongement mesuré ne prend

en compte que l’allongement de la partie autoportante et le glissement éventuel de la

tête de l’éprouvette dans les mors — ce déplacement parasite ne se produit généralement

pas²⁶et son éventuelle présence liée à un défaut de montage est détectée lors d’une étape

préliminaire de vérification de la rigidité du montage.

Un système d’alignement des faisceaux laser fait appel à la superposition d’un

signal oscillant, et à l’analyse harmonique de la réponse captée. La figure de Lissajou

correspondante et les pourcentages de taux de réflectance permettent, avant chaque essai,

d’aligner les interféromètres sur l’axe de l’éprouvette — et non sur l’axe de traction comme

pour le capteur embarqué. Ces capteurs de déplacement sont conçus pour fonctionner aussi

bien sur des surfaces réfléchissantes que sur des surfaces mates.

Ces mesures étant sans contact, avec des sondes fixes extérieures au mécanisme, aucune

perturbation n’est induite par les masses de l’instrumentation.

25

Vibromètres S-PS de SIOS, compatibles avec une mesure de déplacement oscillant jusqu’à plusieurs

kilohertz.

II.2 Banc de microtraction PART.II

Enfin, deux logiciels sont fournis avec le système électronique. L’un permet la réalisation

d’essais « quasi-statiques », jusqu’à une fréquence de 100 Hz tandis que l’autre permet de

monter à plusieurs kilohertz en travaillant sur une analyse fréquentielle du signal reçu.

Dans le cas de mesures in-situ, les interféromètres ne peuvent plus être utilisés car ils

nécessitent l’alignement de la platine de microtraction avec deux têtes de mesure externes.

Dans ce cas de figure, le capteur de déplacement embarqué permet de réaliser une mesure

moins précise, mais nécessaire au pilotage de la platine. En raison des inconvénients de ce

type de capteur, il est principalement utilisé pour le pilotage et ne constituera pas la mesure

principale de déplacement (mobilisation de techniques d’extensométrie lors des mesures

in-situ, soit par AFM ou par imagerie électronique par exemple).

Dans le document Caractérisation micromécanique de matériaux en couche mince destinés aux micro- et nano- technologies (Page 116-122)