MÉTALLOGRAPHIE Essais physiques

Cas d'un échantillon isolé

Dans le cas d'un échantillon isolé, les mesures de longueur sont effectuées par voie optique ; à l'aide de cathétomètres de précision on vise deux repères de l'éprouvette, elle-même placée dans un four. Quand l'échantillon, généralement de grande longueur, se dilate, on note l'écartement des repères et on trace ensuite la courbe Δ = f (T). Cette méthode est une des plus anciennes, mais elle est d'un emploi peu commode, du fait que l'enregistrement ne peut être automatisé. Elle conserve néanmoins un certain intérêt dans deux cas : les mesures de dilatation à des températures très élevées (supérieures à 1 500 ⁰C) et les mesures extrêmement précises de dilatation au voisinage du point de fusion, permettant de caractériser l'influence des défauts ponctuels (lacunes) qui se traduit par un accroissement anormal de l'expansion thermique.

Cas d'un échantillon inséré dans un système de palpage

Un tel système de palpage comprend un support, fixé au bâti de l'appareil, dont une partie constitue une butée contre laquelle prend appui l'échantillon ; l'autre extrémité de l'éprouvette est en contact avec un poussoir qui transmet les variations dimensionnelles à un dispositif de mesure. Le poussoir et le support sont constitués du même matériau (généralement de la silice jusqu'à 1 000 ⁰C, de l'alumine entre 1 000 et 1 500 ⁰C, et du tungstène au-delà de cette dernière température). Il y a donc compensation des variations dimensionnelles du poussoir et du support sauf sur une longueur égale à celle de l'échantillon, de sorte que le paramètre mesuré expérimentalement est égal à :

K(Δ échantillon − Δ matériau support-poussoir), K désignant le coefficient d'amplification du dispositif de mesure.

Ces dispositifs de mesure amplificateurs sont principalement de deux types : des trépieds ou des comparateurs.

Deux dispositions de trépied sont possibles selon que celui-ci pivote autour d'un axe fixe défini par deux pointes – la troisième pointe étant sollicitée par le déplacement du poussoir appuyé contre l'échantillon – ou que seule une des pointes du trépied repose sur une butée fixe appelée grain. Dans ce dernier cas, la méthode met en œuvre l'échantillon à étudier et un étalon de référence dont la dilatation est connue et réversible. Sur ce principe sont fondés les différents dilatomètres proposés par Chevenard et Bollenrath. Ils présentent l'avantage de pouvoir tracer des courbes directes ou différentielles (différence instantanée des dilatations respectives de l'échantillon et de l'étalon).

À ces trépieds sont associés soit des styles (enregistrement graphique), soit des miroirs (enregistrement photographique ou par suiveur de spot). Les coefficients d'amplification sont généralement limités à une valeur de l'ordre de 1 500.

On distingue trois groupes de comparateurs ayant chacun une spécificité propre : les comparateurs mécaniques, électroniques et optiques. Les comparateurs mécaniques sont des comparateurs classiques au centième ou au millième de millimètre, couramment utilisés pour les contrôles dimensionnels (cf. mesure – Mesures mécaniques). Relativement peu coûteux, ils présentent par contre l'inconvénient de se prêter difficilement à un enregistrement automatique des variations.

Les comparateurs électroniques, généralement désignés par le terme de capteurs, sont soit de type inductif (transformateurs linéaires différentiels ; cf. ), soit de type capacitif. Ils délivrent un signal électrique qu'il est facile d'amplifier, de sorte qu'il est théoriquement possible d'accéder à des amplifications très grandes. En pratique, il est toutefois difficile d'enregistrer des courbes dépouillables avec des amplifications supérieures à 10 000.

Les comparateurs optiques sont fondés sur deux méthodes : l'autocollimation et l'interférométrie. La première méthode a été en particulier mise en œuvre par Nickols : elle est fondée sur la séparation, par des miroirs, de deux faisceaux lumineux dont l'inclinaison est fonction des dilatations respectives de l'échantillon étudié et de cales étalons en silice. La seconde méthode est fondée sur la formation d'anneaux de Newton à partir d'une face plane de l'échantillon et d'une lentille auxiliaire : toute dilatation de l'échantillon se traduit par une modification du système d'anneaux (dilatomètre de Terpstra).

Ces méthodes s'appliquent essentiellement à des échantillons de faible dimension (de l'ordre de quelques millimètres au plus), souvent monocristallins. Elles permettent d'effectuer des mesures très précises (coefficients de dilatation à 10^-7 près), mais elles s'appliquent surtout à des mesures effectuées à une température voisine de l'ambiante ou, au plus, voisine de 500 ⁰C.

Pour effectuer des mesures à basse température (jusqu'à la température de l'hélium liquide : 4 K), les dilatomètres mettent en jeu des cryostats parfaitement régulés et des systèmes amplificateurs assez puissants, du fait que l'intervalle des températures explorées est seulement de 300 degrés environ ; pour des grandes vitesses d'échauffement et surtout de refroidissement, on utilise des dilatomètres de trempe, particulièrement pour déterminer les caractéristiques d'évolution structurale des alliages métalliques : courbes T.T.T. (transformation, temps, température), T.R.C. (trempe en refroidissement continu), R.I.T. (revenu isotherme après trempe). Il faut alors compléter les montages dilatométriques par des systèmes de transfert automatique des échantillons d'un four à un autre ou d'un four dans un bain de trempe ou dans un moufle muni de buses de soufflage d'air pulsé. Les changements rapides de longueur et de température imposent l'emploi de systèmes de mesure électroniques à faible inertie (dilatomètre D.I.T.I.R.C. proposé par Georges Cizeron).