Avec plus de 30 ans d’expérience dans le développement de solutions d’essais innovantes, l’ingénieur MTS Steve Lemmer apporte une expertise unique à la conception de produits. Dans cette séance de questions-réponses, il présente les défis liés aux essais à haute température et décrit les évolutions des mors haute température.
Q. Pourquoi les essais à haute température sont-ils importants ?
R. Les matériaux doivent souvent être utilisés dans des environnements plus chauds que la température ambiante, et les ingénieurs doivent comprendre comment la température affecte les propriétés des matériaux telles que la résistance, le module et le fluage/la rupture. Il existe trois grandes plages de température utilisées pour tester différents types de matériaux. Les essais à chaud modéré vont jusqu’à environ 200 °C ; c’est la plage utilisée pour tester les plastiques et les composites. Viennent ensuite les essais à chaud, de 200 °C à 1200 °C, dont la majorité se situe entre 600 °C et 1000 °C, par exemple pour tester les matériaux des moteurs à réaction. Enfin, il y a les températures ultra-élevées, à partir de 1200 °C et au-delà. Cette plage est utilisée pour tester les céramiques, les matériaux carbone et les métaux réfractaires tels que le molybdène, le tungstène et le rhénium. L’un des défis est que des technologies différentes sont nécessaires pour atteindre ces différentes plages de température.
Q. Qu’est-ce que beaucoup de personnes ne savent pas au sujet des essais à haute température ?
R. La plupart des professionnels du monde des essais comprennent l’alignement, la température et la mesure de la déformation, mais à mesure que la température augmente, la complexité du montage d’essai augmente également. Il est relativement simple d’installer des mors et une éprouvette dans une enceinte environnementale et de réaliser un essai jusqu’à 600 °C, mais plus la température est élevée, plus l’équipement et la configuration d’essai deviennent complexes. Par exemple, le choix des matériaux change, les dispositifs de mesure de la température changent, les méthodes de chauffage changent, les environnements atmosphériques peuvent changer, et à terme les températures atteignent un niveau pour lequel les technologies disponibles pour réaliser des fonctions d’essai critiques sont limitées.
Même lorsqu’il est admis que la complexité augmente avec la température, peu de personnes réalisent que cette complexité peut entraîner une hausse des coûts. Les matières premières utilisées pour ces accessoires sont coûteuses et souvent disponibles en quantités commerciales limitées. Ces matériaux sont difficiles à transformer en composants usinés, ce qui rend le coût des pièces nettement plus élevé que celui de pièces équivalentes fabriquées à partir d’un acier traditionnel. Si les températures souhaitées se situent dans la plage la plus élevée, au-delà de 2000 °C, des matériaux carbone ou des métaux réfractaires peuvent être nécessaires dans des environnements sous vide partiel ou total. Les métaux réfractaires rendent les superalliages coûteux presque bon marché !
Q. Existe-t-il des alternatives moins coûteuses pour les essais à haute température ?
R. J’aimerais dire non. Une solution d’essais à haute température doit répondre à des exigences spécifiques et complexes. Il est possible de choisir des équipements moins coûteux, comme les mors ou le bâti de charge, mais ces choix se font souvent au détriment de l’alignement et de la flexibilité. On peut opter pour des « mors froids » fabriqués à partir de matériaux moins chers ou pour un four à une seule zone au lieu de trois zones, au prix de gradients de température moins maîtrisés. Parmi les autres éléments à prendre en compte : mon montage d’essai peut-il créer du jeu dans la chaîne de charge ? L’axe de chargement change-t-il lorsque j’applique la charge ? La manière dont je monte une enceinte ou un extensomètre sur le bâti affecte-t-elle l’alignement de l’essai ? Le frottement dans l’actionneur influence-t-il le signal de retour de l’essai ? Enfin, l’aisance et la flexibilité lors du changement d’éprouvettes sont-elles importantes pour moi ? En résumé, les choix effectués peuvent compromettre les résultats des essais.
Q. Quels sont certains des défis des essais à haute température ?
R. La mesure de la température, la mesure de la déformation et la capacité des matériaux des équipements d’essai à survivre indéfiniment en font partie. Il s’agit d’un système complexe dans lequel tous les composants interagissent et doivent fonctionner ensemble : le four, les systèmes de mesure de la déformation par contact et sans contact, les capteurs de charge et de déplacement, l’électronique de commande et les mors d’éprouvettes. Il est nécessaire de comprendre comment ces composants interagissent lorsque l’on chauffe l’éprouvette et que l’on mesure la charge et la déformation ; de plus, les environnements à haute température ne sont pas propices à la mesure de la déformation sur l’éprouvette.
Les extensomètres à contact MTS sont conçus pour appliquer la charge latérale la plus faible possible à l’éprouvette, mais ils doivent néanmoins être en contact avec celle-ci et ne pas glisser lors de l’application de la charge. Les méthodes sans contact fonctionnent bien à des températures plus basses, mais à mesure que la température augmente, la chaleur et les distorsions lumineuses affectent les mesures. En plus de ces défis liés à la mesure de la déformation, les géométries des éprouvettes peuvent compliquer les essais. Par exemple, les essais sur éprouvettes plates peuvent être particulièrement difficiles.
Q. Pourquoi les essais à haute température sur des éprouvettes plates sont-ils difficiles ?
R. Le serrage des éprouvettes plates est plus difficile que celui des éprouvettes cylindriques, car la meilleure façon de maintenir une éprouvette plate consiste à appliquer une force normale directement sur la face de l’éprouvette et à générer des forces de frottement sur cette face plutôt que des forces de cisaillement sur les arêtes. Cette méthode de serrage par mors à coin génère généralement des contraintes élevées dans le mécanisme de serrage. MTS dispose d’une méthode brevetée permettant d’utiliser des superalliages conventionnels capables de reprendre ces contraintes tout en testant des éprouvettes à des températures allant jusqu’à 1500 °C.
Q. Qu’est-ce qui rend les mors haute température MTS modèle 680 uniques ?
R. La famille de mors hydrauliques 680 permet de réaliser des essais de fatigue de manière constante et précise. Avec des mors mécaniques, il est difficile de vérifier la précharge appliquée à l’éprouvette pour un essai de fatigue. Les mors hydrauliques modèle 680 maintiennent précisément la précharge tout au long du cycle d’essai. Le mors 680.01 est utilisé pour des éprouvettes à tête boutonnée ou filetées jusqu’à 1000 °C. Le modèle 680.10 étend les capacités d’essai à 1000 °C en ajoutant la possibilité de tester des éprouvettes plates. Le modèle 680.15 permet des essais jusqu’à 1500 °C et a été conçu pour tester des composites à matrice céramique plats, généralement plus difficiles à tester en raison des exigences d’alignement. Les modèles 680.10 et 680.15 peuvent être utilisés pour tester des éprouvettes plates et cylindriques : en remplaçant simplement les composants haute température, le même mors peut être utilisé pour tester des éprouvettes plates ou cylindriques à tête boutonnée ou filetée, à différentes températures.
Q. Quel est l’avantage du refroidissement par air des mors haute température ?
R. Le refroidissement par air des composants structurels haute température permet de réaliser des essais à des charges et des températures plus élevées avec des mors hydrauliques. Sur les mors 680.10 et 680.15, le refroidissement par air est interne aux composants des mors et ne perturbe donc pas l’environnement d’essai à l’intérieur du four. Le maintien d’une température plus élevée des mors limite les pertes de chaleur dans l’éprouvette et améliore les gradients thermiques le long de la zone utile. Ces mors maintiennent des gradients conformes aux recommandations ASTM et ISO, dans des plages de ±2 °C ou ±1 % de la température d’essai. Comme les mors sont hydrauliques, ils offrent les mêmes avantages que nos mors hydrauliques à température ambiante : une meilleure répétabilité de l’alignement, une plus grande flexibilité en termes de dimensions d’éprouvettes et des forces de serrage constantes et connues.
Q. Qu’est-ce qui a changé dans les essais à haute température au cours des dernières années ?
R. Les évolutions dans la production d’énergie, l’efficacité énergétique et l’allègement des structures entraînent la nécessité d’atteindre des températures plus élevées. Du point de vue technologique, la mesure de la déformation et de la température évolue également, car les températures plus élevées exigent de nouvelles technologies. Enfin, je mentionnerais le besoin croissant de tester les éprouvettes dans différents environnements, tels que les gaz d’échappement, l’hydrogène, les gaz inertes et le vide.
Les solutions d’essais à haute température peuvent être achetées sous forme de composants individuels auprès de plusieurs fournisseurs, mais si vous souhaitez la meilleure solution intégrée, il est préférable de l’acquérir sous forme de sous-système afin que tous les éléments fonctionnent ensemble. Si vous débutez dans les essais à haute température, vous ne réalisez peut-être pas tous les détails nécessaires à la réussite d’un essai. Fort de plusieurs décennies d’expérience dans les essais à haute température, MTS dispose des connaissances et des produits nécessaires pour concevoir une solution intégrée adaptée à votre application d’essais à haute température.
