Réponse à une perturbation

La maîtrise du déplacement des mors s’avère nécessaire pour assurer un état de

contrainte uniaxial dans l’éprouvette : en effet, un éventuel déplacement gauche lors de la

mise en charge peut induire des sollicitations parasites dans l’éprouvette (flexion, torsion, et

un plissement lié à une rotation dans le repère défini en figure II2 - 5).

De ce fait, un alignement précis des deux mors constitue une étape primordiale et

préalable à la réalisation d’un essai de microtraction.

Compte tenu de la conception de la platine, réaliser un alignement qui demeure stable

est délicat. En conséquence nous avons adapté la procédure expérimentale pour optimiser

l’alignement des mors lors d’une étape initiale à la campagne d’essais, et pour ensuite vérifier

systématiquement la qualité de cet alignement lors de chaque essai.

En conséquence, plusieurs tâches ont été réalisées :

– des mors adaptés ont été usinés pour pouvoir régler l’alignement du mors non sensible

sur l’axe du capteur de force²⁸. Cet alignement est réalisé au début de chaque campagne

d’essais à l’aide d’un profilomètre optique,

– le protocole expérimental dans la mise en place de chaque essai a été adapté pour

vérifier l’alignement des deux mors avant toute sollicitation,

– la robustesse du procédé²⁹ pour tout écart d’alignement a été évaluée de manière à

fournir un ordre de grandeur des erreurs résultantes commises dans l’évaluation des

propriétés mécaniques.

Alignement des deux mors

Deux mors ont été conçus pour permettre d’assurer mécaniquement — et de manière

simple — un réglage en position du mors non sensible selon le principe exposé sur le

schéma II2 - 5. D’un point de vue technologique, cette solution est réalisée à l’aide de deux

vis de pression pour la translation verticaleuz et la rotation autour de l’axe de tractionωx.

L’appui plan et l’arrêt en translation selon l’axe transverse (axey sur la figure) sont assurés

par un serrage, à l’aide d’un boulon, du mors sur un plan perpendiculaire à l’axe de traction

(appui plan de normale u~x et contact linéique sur l’axe de traction induisant u˙y = 0). La

translation verticale est rendue possible par un trou oblong percé dans le mors. La solution

technologique est décrite en annexe A.5.

Ces deux degrés de liberté s’avèrent nécessaires pour corriger les défauts de

positionnement induits par le capteur de force. Ce dernier ne garantit en effet pas la coaxialité

de ses deux axes filetés, et introduit par conséquent une erreur angulaire αentre l’axe de

traction (assuré par une glissière à la base du mécanisme, constituée d’un rail et de plusieurs

rouleaux) et l’axe de l’éprouvette assimilé à l’axe du mors (se référer au schéma II2 - 3). Cette

erreur et la correction qui est apportée sur le mors non sensible sont illustrées en figure II2 - 6.

28

Par mors « sensible », on désigne le mors monté en série avec le capteur de force. Par opposition, le mors

opposé est désigné par « non sensible » (cf. figures II2 - 5, II2 - 6.)

29

La robustesse est ici considérée comme étant la capacité d’un système à maintenir ses performances, malgré

des changements dans les conditions d’utilisation ou la présence d’incertitudes liées à ses paramètres ou à ses

composants.

II.2 Banc de microtraction PART.II

FIG. II2 - 5– Présentation de la solution technologique retenue pour minimiser les écarts

d’alignement entre les deux mors. Deux vis de pression assurent la possibilité de réaliser

une rotationω

x

et une translationu

z. Il est donc possible d’assurer une coaxialité entre

l’axe des mors sensible et non sensible et une coplanarité entre les deux plans des mors

sur lesquels est arrimée l’éprouvette.

La courbure de l’éprouvette (contrainte en flexion) se trouve donc minimisée à l’aide des

réglages possibles sur le positionnement du mors non sensible.

De plus, le degré de réglageωx assure le parallélisme des plans des deux mors. En effet,

la position angulaire du mors sensible se fait manuellement, avec un arrêt en rotation par

serrage d’un écrou dans le mors qui vient pincer l’axe fileté du capteur de force. La torsion

dans l’éprouvette se trouve ainsi également minimisée.

Robustesse des mesures

Outre la minimisation des sollicitations parasites à l’aide d’une modification technique,

la perturbation introduite sur l’évaluation des propriétés mécaniques par un écart

d’alignement a été évaluée à l’aide d’une simulation par éléments finis. Pour ce faire,

les paramètres d’entrée de la simulation ont été relevés sur la configuration optimisée

de la platine par profilométrie confocale. Les écarts mesurés (topographie II2 - 7) sont

représentatifs des conditions d’un essai. La différence de hauteur entre les deux mors est

d’approximativement30µm, celui sur l’axe transverseyest négligeable.

La modélisation par éléments finis de l’éprouvette (code ANSYS) a été réalisée de manière

à estimer les erreurs induites sur les mesures des propriétés mécaniques³⁰. L’éprouvette

simulée est constituée d’un matériau supposé homogène, isotrope, et parfaitement élastique

avec un module et un coefficient de Poisson représentatifs (E = 70 GPa etν = 0,34). Une

section de200×1µm²a été modélisée pour correspondre aux essais faits sur les éprouvettes

en aluminium. Une comparaison a été réalisée entre un essai de traction sans défaut

d’alignement, puis avec un défautδz=30µm(résultats présentés en figure II2 - 8).

30

Cette simulation a également été utilisée pour évaluer l’influence d’une perte d’adhérence au niveau des

ancrages. Les résultats sont exploités dans le paragraphe II.3.2.3.

PART.II II.2 Banc de microtraction

FIG. II2 - 6– Défaut de coaxialitéαentre les deux axes du capteur de force introduisant

une flexion indésirable dans l’éprouvette. Le montage proposé permet un réglage en

hauteur (u

z) du deuxième mors de manière à minimiser une telle flexion.

FIG. II2 - 7– Topographie des mors effectuées à l’aide d’un profilomètre confocal (STIL)

et profil extrait (axe des capteurs). La topographie a été redressée pour avoir le mors

sensible plan. Le parallélisme entre les deux mors est suffisant (du moins pour la zone

de fixation des éprouvettes) avec une différence de hauteur d’environ30µm.

II.2 Banc de microtraction PART.II

FIG. II2 - 8 – Simulation par éléments finis (ANSYS) d’un essai de traction sur une

éprouvette de section200×1µm

2

, de module E = 70 GPaconsidéré comme élastique

et isotrope. Deux cas de figure ont été simulés : avec ou sans écart de hauteur entre les

deux mors (δz=30µm). La figure représente l’état de contrainte dans le cas avec défaut

d’alignement.

Un déplacement de100µma été imposé sur une extrémité de l’éprouvette, et la contrainte

maximale résultante est utilisée pour évaluer le module d’élasticité. Les résultats sont

présentés dans la table II2 - a.

TAB. II2 - a– Résultats de la simulation par éléments finis : influence sur l’évaluation du

module d’élasticité d’une erreur d’alignement. Les valeurs sont enGPa.

E Eeq

u_z=0µm 75,66 70,91

uz=30µm 75,75 71,00

Cette table comporte deux colonnes,EetE_eq. En effet, la poutre simulée possède la même

géométrie que les éprouvettes réelles sollicitées dans le cadre de ce projet ; le module Eeq

correspond au module calculé en utilisant une longueur équivalente prenant en compte les

zones de transition à double raccord³¹. La valeur corrigée vaut70,91 GPa, soit un écart de1,3 %

par rapport à la valeur rentrée dans le modèle.

D’autre part, l’introduction d’une différence de hauteur de 30µm entre les deux mors

induit une composante supplémentaire dans le déplacement. L’allongement subi par

l’éprouvette est donc plus important que dans le cas sans défaut. Toutefois, la mesure de

déplacement, si elle est correctement calibrée, ne relève que la composante du déplacement

parallèle à l’axe de l’éprouvette tel que défini sur le schéma II2 - 3, à savoir dans notre cas

100µm. L’écart d’alignement des deux mors se traduit par une variation de0,12 %du module

de Young, et la valeur obtenue ne s’écarte pas de plus de1,4 %de l’entrée du modèle par

éléments finis.

PART.II II.2 Banc de microtraction

FIG. II2 - 9– Schématisation d’un essai de traction : l’éprouvette et les différents organes

de la platine sont représentés par des ressorts en série (S est la raideur de l’éprouvette,

K

f b,

K

f a

et F sont respectivement celles du bâti côté « non sensible », du bâti côté

« sensible »

28

et celle du capteur de force). Les deux patins M

a

et M

b

représentent le

serrage de l’éprouvette sur les mors : en cas de mauvais serrage, il peut y avoir glissement

à partir d’une certaine charge. Enfin, les deux capteurs de déplacement sont représentés :

d

inter f ero

etd

embarque

sont respectivement la mesure fournie par les interféromètres et la

mesure délivrée par le capteur à taux de réflectance.

Le système retenu pour l’alignement des mors fournit des résultats satisfaisants.

En effet, une analyse de la platine dans des conditions normales d’utilisation met

en évidence des variations d’approximativement 30µmentre l’altitude des deux

mors. Une telle variation de hauteur semble avoir un impact limité sur l’estimation

du module, puisque la variation enregistrée entre les configurations idéale et réelle

ne dépasse pas0,12 %.

Dans le document Caractérisation micromécanique de matériaux en couche mince destinés aux micro- et nano- technologies (Page 123-127)