Mesure de l'allongement

Les matériaux peuvent se déformer sous l'effet de la chaleur et de la mécanique. L'allongement est un exemple de changement de forme. Il s'agit du terme utilisé pour décrire la variation relative de la longueur d'un composant ou d'un matériau sous l'effet d'une contrainte mécanique (force) ou sous l'effet de la chaleur et du froid. Si une force est exercée sur un composant depuis l'extérieur, celui-ci s'allonge (allongement positif, allongement). Les allongements qui se produisent en réaction à l'application d'une force entraînent une déformation du matériau. Si le composant est exposé à la pression, il est comprimé (raccourci, allongement négatif). Si le matériau subit un changement de température qui augmente ses dimensions, on parle d'allongement thermique. Les températures élevées entraînent un allongement thermique positif, les températures froides un allongement thermique négatif. En outre, il y a un étirement dû à la contrainte interne. Ces déformations se produisent lorsque les composants sont forgés et soudés. Il existe également des allongements provoqués par un champ magnétique ou un champ électrique.

Pour calculer l'allongement d'un matériau, la variation de longueur est divisée par la longueur initiale et donnée en micromètres par mètre (μm / m). Pour de nombreux matériaux, l'allongement est proportionnel à la force exercée. L'étirement peut se produire dans la direction longitudinale ou à la suite d'une contraction transversale dans la direction de la force. Si les forces de traction, de compression et de cisaillement agissent de concert, il en résulte un allongement dans toutes les directions. Ces déformations complexes peuvent également être simulées sur ordinateur.

Les matériaux diffèrent en termes d'allongement : l'acier se déforme moins sous l'effet d'une force que le caoutchouc. Le titane ne s'allonge pas autant que l'aluminium sous l'effet de la chaleur. La cause de l'allongement des composants est indiquée par des coefficients de matière ou des modules. Lorsqu'il s'agit d'une contrainte mécanique, l'allongement est représenté par le module d'élasticité. Le coefficient d'allongement thermique décrit l'allongement dû à l'action de la chaleur. Un grand nombre de matériaux se dilatent uniformément dans toutes les directions. En revanche, l'allongement provoqué par une contrainte mécanique se produit généralement dans la direction de cette force. L'allongement peut être calculé et mesuré expérimentalement.

Les méthodes de mesure de l'allongement les plus utilisées aujourd'hui sont les mesures électriques et sans contact à l'aide de bandes de mesure de l'allongement (EMS). Si l'EMS est constituée d'une feuille métallique, elle peut être utilisée pour mesurer des allongements de 1/100 à 1/10 μm / m. Les EMS semi-conductrices permettent une détection précise de la variation de longueur dans une plage comprise entre 1/1000 et 1/100 μm / m. La bande de mesure de l'allongement indique toujours l'allongement moyen du matériau sur lequel elle est fixée à l'aide d'un adhésif spécial. En fonction des conditions environnementales, des EMS de différentes tailles sont utilisées.

Les bandes de mesure de l'allongement électrique sont également connues sous le nom de bandes à allongement de film. Elles sont disponibles depuis plus de 80 ans et se composent de deux fines feuilles de polyamide avec une grille de mesure intégrée en constantan. Des circuits à pont sont généralement utilisés pour effectuer la mesure. Au lieu d'une grille de mesure en métal, on peut également utiliser une grille en silicium (EMS semi-conductrice). Ces bandes de mesure de l'allongement sont beaucoup plus sensibles que les EMS métalliques. Les bandes de mesure électrique ont une taille comprise entre 0,2 et 150 mm. Avec une mesure conventionnelle, il est possible d'obtenir des écarts entre 0,1 et 1 % de la valeur de la pleine échelle.

Lors de l'étirement, la résistance de la grille de mesure augmente, de sorte qu'elle se déforme. La sensibilité de la détection de la déformation varie selon l'EMS semi-conductrice en fonction de l'orientation du cristal et du silicium (n ou p). Ces EMS permettent d'obtenir des résultats de mesure sans erreur dans la gamme de fréquences de 5 à 8 MHz. La tension maximale de fonctionnement dépend de la taille de la bande de mesure et du matériau. Les tailles courantes d'EMS qui adhèrent à de bons conducteurs de chaleur peuvent supporter une tension de 5 à 10 V. La mesure de l'allongement sans contact s'effectue à l'aide de capteurs à fibre sans contact (FOS), qui sont collés ou soudés au matériau concerné.

Ces bandes sans contact de mesure de l'allongement sont également connues sous le nom de capteurs à réseau de Bragg. Elles sont insensibles aux interférences électromagnétiques et autres conditions défavorables. Elles sont donc utilisées lorsque l'EMS électrique ne peut pas être utilisée, par exemple à des températures comprises entre -270 et 300 °C. L'EMS sans contact est constituée d'une fibre de verre de quartz plastifiée, entourée d'une gaine plus dense et d'une couche de protection en plastique. La fibre contient plusieurs réseaux de Bragg. Si la lumière laser introduite de l'extérieur via un interrogateur frappe cette grille, certains des faisceaux lumineux sont réfléchis et renvoyés à l'interrogateur. À partir de là, les contraintes dans le matériau et les déformations peuvent être déterminées.

Si la fibre est étirée pendant la mesure de l'allongement, les distances entre les parties de la grille augmentent. Dans le même temps, la longueur d'onde de la lumière réfléchie change. Comme chaque fibre peut contenir d'innombrables réseaux de Bragg, cette mesure de l'allongement convient à la surveillance des pipelines et des tunnels. Contrairement à la mesure électrique de l'allongement, dans laquelle chaque EMS doit être connectée à un câble de connexion distinct, une seule fibre de verre suffit pour l'EMS sans contact, ce qui permet de réduire les efforts et les coûts d'installation.

Les mesures d'allongement présentent l'avantage de pouvoir déterminer avec une extrême exactitude les changements de forme et de contrainte, même les plus infimes, et de pouvoir être utilisées de manière quasi universelle à l'aide de différentes bandes de mesure d'allongement. Les composants peuvent être surveillés pendant des années. Les mesures d'allongement peuvent également être effectuées sur des composants complexes (carter en aluminium moulé sous pression, patins de turbine) et sous l'eau avec l'aide de l'EMS.

La mesure de l'allongement peut également être effectuée à l'aide de systèmes de mesure sans contact dotés de caméras à haute résolution, tels que le système ARAMIS de ZEISS. Il suffit de marquer au préalable le matériau à tester avec une grille de mesure au moyen d'un laser de marquage. Pendant que le matériau se déforme, les deux caméras prennent des photos. La mesure de l'allongement en 3D peut également être effectuée sur des composants à géométrie complexe. Sur la base des coordonnées mesurées des pixels du motif appliqué, les allongements peuvent être calculés avec précision à l'aide d'un logiciel spécial de ZEISS. Le système de mesure sans contact peut être monté de manière permanente sur la machine d'essai concernée.

Les mesures d'allongement sont effectuées à l'aide de différentes méthodes qui sont limitées à des domaines d'application spécifiques. Les mesures elles-mêmes sont polyvalentes et peuvent être utilisées dans différents secteurs.