Vers une meilleure compréhension et caractérisation du comportement des aciers à très haute température

Dispositif de mesure installé au Cemef 

Description du montage expérimental L’instrumentation complète est présentée sur la Figure 90 et est représentée schématiquement sur la Figure 91. Comme le montrent les photographies présentées (Figure 90), le montage Speckles a directement été installé sur la machine de traction Taboo. Ce montage se compose de quatre éléments principaux, un laser, une lentille, un filtre et une caméra CCD munie d’un objectif télé-centrique. Comme le montre [Orteu], l’utilsation d’un objectif télécentrique permet de diminuer de manière significative les effets des déplacements hors plans de l’échantillon lors d’un essai. 5. Dispositif de mesure installé au Cemef – 141 – Figure 90 : photographie du dispositif expérimental sur la machine Taboo La source laser est élargie grâce à l’objectif d’un microscope et est projetée sur la zone où doit être mesurée la déformation. Ceci permet de mesurer des déplacements sur une large zone de l’éprouvette (typiquement 10 x 6 mm). Le filtre vert est utilisé pour s’affranchir des rayonnements de l’éprouvette rougeoyante. Les speckles causés par les rugosités de surface sont capturés par une caméra CCD et stockés sur un PC. La zone d’étude équivaut sur le capteur à une surface de 1920 x 1080 soit environ 2Mpixels. Chaque pixel est stocké en nuance de gris sur une échelle de 0 à 255 (soit 8-bit). Ce montage est résumé schématiquement sur la Figure 91 Figure 91 : schéma de principe du dispositif expérimental installé sur la machine Taboo. Le processus de formation de l’image dans la caméra convertit l’intensité continue du signal en une zone d’intensité discrète, comme illustré à la Figure 92. Chapitre 4 :Mesure de déformation par corrélation d’images de speckles laser – 142 – Figure 92 : exemple d’un mouchetis speckles 25 x 25 pixels.

Validation de la nouvelle méthode sur des essais à froid

Mouvement de translation

L’échantillon (une éprouvette Taboo) est placé sur une table de translation munie d’une vis micrométrique. Le spot laser est projeté sur l’éprouvette afin de produire le mouchetis. Des translations sont alors appliquées sur l’échantillon via la vis micrométrique. Celle-ci permet de réaliser des déplacements minimum de 0,5 μm et sa précision est de l’ordre du dixième de micron. Nous avons réalisé différents tests pour différentes valeurs de translation. Une première série pour des translations comprises entre 2 et 20 μm. Une deuxième série pour des translations plus importantes, de 60 μm à 1,5 mm. Les résultats obtenus par corrélation d’image à l’aide de l’algorithme CC-CS sont présentés Figure 93. Pour la série de faibles translations, en considérant la résolution de la caméra, les déplacements imposés sont compris entre 0,26 et 2,6 pixels. Figure 93: résultats en translation pour de faibles déplacements a) et pour de plus grands déplacements b) Ceci montre à nouveau l’efficacité de l’algorithme lorsqu’il s’agit de mesurer des déplacements inférieurs au pixel. Pour des translations plus importantes, nous remarquons que les résultats sont concordants jusque 1mm environ. Au-delà de ce niveau de translation, l’image initiale et finale diffèrent trop l’une de l’autre (Figure 93b). B. Essais de traction à froid Une éprouvette (Figure 94) entaillée de 25 mm de large, 120mm de long et 1mm d’épaisseur a été utilisée pour des essais de traction à froid sur une machine hydraulique Dartec. Un côté de l’éprouvette a été recouvert d’un mouchetis de peinture noire et blanche, tandis que l’autre côté a été éclairé par le spot laser. Sur la Figure 95, on présente l’éprouvette placée sur la Dartec. La face visible est celle recouverte de speckles. Les images telles qu’elles sont observées et enregistrées sont montrées de part et d’autre de la photo du montage. Différentes images à différents temps ont été enregistrées. Différentes comparaisons ont été réalisées sur ces essais, dans le but de vérifier la méthode et l’algorithme. Figure 94 : éprouvette en acier inox utilisée pour les essais de traction à froid Figure 95 : montage utilisé sur la Dartec, deux caméras, deux types de mouchetis. A gauche le mouchetis laser enregistré par la première caméra, à droite le mouchetis peinture enregistré par l’autre caméra.

Comparaison des résultats obtenus sur la face peinte 

Notre algorithme ainsi que l’algorithme commercial Aramis ont été utilisés sur la surface peinte des éprouvettes. Les cartes de déplacement ainsi qu’une coupe transversale du déplacement sont présentées Figure 96 . Dans les deux cas, les résultats s’avèrent être similaires. On peut néanmoins noter de petites différences : d’une part sur le champ issu de analyse CC-CS certaines zones sont aberrantes, cela vient probablement du fait qu’à ces endroits la taille des sub-images choisies était insuffisante par rapport au mouchetis pour satisfaire la condition de taille de pattern convenable. Ceci n’est pas observé sur les images traitées par Aramis, cela vient sans doute de l’algorithme qu’utilise Aramis. En effet le maillage de l’éprouvette en sub-images n’est pas séquentiel sur Aramis, mais plus aléatoire en partant de certains points où le taux de corrélation est le meilleur. D’autre part on remarque un décalage sur la fin de la courbe. Il semble que ce décalage puisse aussi être expliqué par la méthode de maillage qu’utilise Aramis. Avec notre algorithme les bords sont moins bien pris en compte, puisque les derniers cadres ont une partie qui dépasse la zone d’analyse. ) Figure 96: distribution du déplacement vertical obtenu sur un mouchetis peinture. Analyse par Aramis (a) et avec notre algorithme (b). En bas, comparaison des courbes de déplacement (c) b) Comparaisons des résultats obtenus sur le mouchetis laser Dans cette partie, nous considérons uniquement la face couverte par un mouchetis laser. Les déplacements enregistrés sur cette face sont analysés avec les deux algorithmes décrits et utilisés dans le paragraphe précédent. Les résultats présentés par la Figure 97, montrent un bon accord entre les champs de déplacement. Ceci se vérifie sur le graphique du déplacement longitudinal. On remarque néanmoins une différence sur les champs obtenus. En effet sur le champ de déplacement obtenu à l’aide de Aramis, certaines zones du mouchetis n’offrent pas une qualité suffisante pour être dépouillées. En fait, comme Aramis se base sur un coefficient de corrélation, si celui-ci n’arrive pas à être suffisamment minimisé les zones d’analyse n’apparaissent pas. Ceci provient certainement d’un mauvais contraste dans les zones en question. A la vue de ces résultats, notre algorithme semble être plus performant et plus robuste que l’algorithme commercial pour des speckles laser. Figure 97 : champ de déplacement vertical déterminé grâce à Aramis (droite-haut) et grâce à l’algorithme hybride (droite-bas). A gauche la comparaison des courbes de déplacement surface peinte en noir et blanc et son équivalent sur la face opposé, éclairée par un laser b) comparaison des déplacements obtenus sur les deux faces, en utilisant les deux techniques et les deux algorithmes c) Comparaison des résultats sur les deux mouchetis (peinture et speckles). On considère deux images, une initiale et une déformée, et ce pour le mouchetis peinture ainsi que pour le mouchetis laser. On a donc quatre images, deux sur chacune des deux faces. Ces images sont analysées deux à deux. L’analyse du mouchetis peinture est réalisée avec Aramis, l’analyse du mouchetis laser est faite grâce à notre algorithme. La Figure 98 montre une comparaison du déplacement selon un profil longitudinal des déplacements obtenus respectivement à partir d’Aramis et de l’algorithme CC-CS. Ces courbes ont été obtenues après un recalage du 0 entre le déplacement mesuré sur la face peinte et celui mesuré sur la face éclairée par le laser. On note qu’après recalage les résultats obtenus sont très proches. En conclusion de ces essais de validation à froid, on note d’une part, comme les essais de translation nous l’ont montré, que la gamme de mesures offerte par cette technique est assez large, ce qui rend possible l’utilisation de cette méthode pour des vitesses de déformations plus élevées que celles rencontrées dans nos essais. Quant aux validations croisées menées sur les essais de traction à froid, elles nous ont permis de mettre en évidence la fiabilité aussi bien de la méthode des speckles que de l’algorithme utilisé. ) )

Dispositif de mesure développé chez Ascometal 

Dispositif de mesure développé chez Ascometal Dans le cadre du projet ANR Cracracks, Ascometal est en charge de la caractérisation rhéologique des nuances 100Cr6 et 40CMD8. Cette caractérisation s’effectue sur une Gleeble 3800. Ascometal comme le Cemef possède des extensomètres haute température. Mais comme pour celui utilisé au Cemef, ils sont limités à 1100°C. Cette problématique nous a conduit à réfléchir à une utilisation des speckles, en cours de développement au Cemef, sur la machine Gleeble, avec des contraintes différentes de celles rencontrées sur Taboo. D’une part le montage doit pouvoir s’insérer dans l’espace restreint d’une Gleeble et d’autre part pouvoir être utilisable avec la géométrie d’éprouvettes standard. En effet les géométries d’éprouvettes utilisées sur Gleeble sont axisymétriques, rendant difficile l’utilisation d’un montage Cemef. Il nous a donc fallu concevoir un nouveau montage. Nous nous sommes encore plus inspirés de l’astrophysique. En effet à la différence du montage Cemef, nous avons choisi de ne pas filmer la surface de l’éprouvette, mais plutôt d’utiliser les speckles produits par la surface et « présents dans l’air ambiant». Ces speckles pouvant être observés directement à l’aide d’un capteur CCD. 6.1 Description du montage expérimental On distingue deux types de speckles, les speckles dits objectifs de ceux dits subjectifs. La principale différence provient de l’utilisation ou non d’un moyen optique pour produire ces speckles. Comme le montre la Figure 99, un speckle objectif se forme dans l’espace et peut être directement observé sur un écran (plaque photographique, CCD…). Dans le cas d’un speckle objectif chaque point sur l’écran est formé par la réflexion des rayons sur la surface rugueuse. Figure 99: illustration de la notion de speckles objectifs (http://www.minesales.fr/CMGD/ILOA/ILOA.html) Chapitre 4 :Mesure de déformation par corrélation d’images de speckles laser 

Principes du système de mesure

Pour concevoir et développer le système mis en place chez Ascométal, nous nous sommes basées sur cette notion de speckles objectifs. En fait la difficulté avec des éprouvettes cylindriques est de pouvoir réaliser une mise au point sur la surface d’une éprouvette cylindrique sans craindre des aberrations optiques dues à la courbure des éprouvettes. Ce système de speckles objectifs nous permet de nous affranchir de ce problème. Par contre avec un tel système, la mesure se trouve être très locale. On a donc conçu un système de type extensomètre. En effet dans le cas présent, comme le montre la Figure 100, pour réaliser un montage de type extensomètre, nous avons utilisé deux lasers (puissance 5 mW) et deux caméras fireware CCD (1280 x 1024 pixels). Ces lasers pointés de part et d’autre de la zone utile de l’éprouvette sont utilisés pour mesurer le déplacement des deux points de matière. L’allongement de la zone de mesure se calcule comme la différence des déplacements entre les deux taches laser. Comme pour le montage Taboo, pour s’affranchir du rayonnement haute température, des lasers verts ainsi que des filtres verts sont utilisés. Chaque laser agissant comme une source lumineuse éclaire la surface de l’éprouvette, les rugosités de celle-ci diffractent les rayons laser qui vont interférer entre eux. Ces interférences forment deux images qui sont capturées en continu par les deux caméras. Chaque série d’images obtenue par l’une ou l’autre des caméras sont traitées indépendamment en utilisant une technique décrite précédemment dans ce chapitre. De plus, afin de garder une bonne corrélation entre deux enregistrements, le déplacement total est calculé comme la somme d’une série de petits déplacements.