• Le Service des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme 

• Laboratoire de cryogénie et des stations d’'essais (LCSE) 

Laboratoire d'essais mécaniques

Machine de 150 kN équipée du " petit " cryostat

Le laboratoire d'essais mécaniques intervient en soutien aux différents projets du service. Grâce à la réalisation d’essais mécaniques à température ambiante et/ou cryogénique, il permet de valider, sur des éprouvettes les caractéristiques des matériaux utilisés, ou sur des prototypes les solutions techniques envisagées.
Les moyens d'essais du laboratoire sont :
2 machines électromécaniques INSTRON d’une capacité de 150 kN et de 300 kN
1 presse hydraulique d’une capacité de 2000 kN, en compression uniquement
3 cryostats d'essai à température variable (300K, 77 K et 4,2 K) :
un " petit cryostat " d’une capacité de 50 kN
un " gros cryostat " d’une capacité 80 kN en traction et 150 kN en compression
un cryostat " multi-échantillons " permettant de refroidir simultanément 6 échantillons et de les solliciter un par un jusqu’à 30 kN.
 

 

Des montages d’essais, développés pour des applications spécifiques, sont aussi disponibles :
un moule de compression pour les empilements droits de câbles
un moule de compression pour les empilements courbes de câbles
un moule pour des mesures de rétreint thermique
un dispositif pour des essais de frottement à froid
un montage pour solliciter un échantillon en compression+flexion
 

 

Type d’éprouvette utilisé régulièrement au laboratoire

Les types d’éprouvette les plus représentatives de notre activité sont présentées sur la figure suivante. Elles sont décrites de gauche à droite.
éprouvette cylindrique classique pour matériaux métalliques
éprouvette axisymétrique entaillée en vue de tester la sensibilité à l’entaille à basse température (essai plus facile à mettre en œuvre que la détermination de la ténacité en déformations planes)
éprouvette de traction pour résine
éprouvette permettant de tester l’adhérence de l’aluminium sur le câble supraconducteur
empilement de câbles supraconducteurs NbTi isolés par du Kapton en vue d’être testé en compression essentiellement
éprouvette de sollicitation en cisaillement d'une liaison bimétallique
 

 

Les différents essais nécessitent une instrumentation fine et des systèmes d'acquisition de données. Les efforts sont mesurés soit par des cellules d’effort INSTRON de 10, 150 ou 300 kN, soit par des capteurs FGP de 5, 50 ou 2000 kN. Les déplacements sont mesurés par des capteurs de type LVDT, ou par capteurs fonctionnant à partir de jauges de déformations (HBM et INSTRON). Ces derniers sont très utilisés pour les mesures à température cryogénique. Une centrale de mesures HBM présentant 100 voies de mesures nous permet une vaste acquisition extensométrique par jauges de déformation. Des mesures de contraintes grâce à des capteurs capacitifs sont aussi disponibles.
PROPRIÉTÉS DES MATÉRIAUX LES PLUS UTILISÉS
Les matériaux les plus utilisés dans nos installations sont les aciers inoxydables austénitiques, en particulier ceux de la série AISI 300, les alliages d’aluminium, les alliages de titane et les matériaux composites (fibre minérale + résine époxy ou câbles supraconducteurs isolés).
Si la tenue mécanique de ces matériaux est relativement bien connue à température ambiante, le laboratoire intervient tout de même pour mener à bien un certain nombre d’essais nécessaires au contrôle de réception matière des matériaux métalliques. De plus, leur utilisation à température cryogénique nécessite une parfaite connaissance de leur comportement, ainsi qu’une caractérisation du risque d’instabilité de défauts préexistants. La figure suivante présente, à titre d’illustration, l’effet de la température sur le comportement en traction d’un alliage d’aluminium 5083. On observe globalement que l’abaissement de la température a pour effet d’élever les caractéristiques mécaniques et de réduire significativement la ductilité. La deuxième étape de notre démarche est alors, soit de déterminer la ténacité du matériau, soit de solliciter une éprouvette axisymétrique entaillée en vue de caractériser la sensibilité à une entaille de cet alliage.

 

DIFFÉRENTES ÉTUDES TYPES
Voici trois études représentatives de l’activité du laboratoire.
Aide au choix de solution technique
Nous avons réalisé des essais de traction à 4,2 K sur des éprouvettes travers soudure lisses et entaillées en vue de qualifier un procédé de soudage sur un alliage d’aluminium et de choisir le traitement de détensionnement optimum.
Nous avons aussi solliciter en traction à 4,2 K différents systèmes d’isolation " du commerce " en vue de choisir la fibre minérale + résine époxy offrant le meilleur compromis épaisseur, résistance à la traction, isolation électrique.
Test de pièces prototypes
Nous avons déterminé le comportement en traction d’une résine entrant dans la fabrication d’une virole composite en vue d’optimiser le dimensionnement thermomécanique de ce composant. Puis un test en traction+flexion d’une virole prototype a été réalisé avant le lancement en fabrication de ces viroles.
R&D sur comportement mécanique
Un travail de R&D est initié sur le comportement en compression d’un câble composite supraconducteur. Il s’agit de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu et de formuler ce comportement. Pour cela, des essais à température cryogénique sur des échantillons représentatifs de bobinage ont été entrepris. A partir de ces essais, des lois de comportement seront identifiées puis implantées dans un code éléments finis, ce qui améliorera la conception des bobinages.
 

 

maj : 12-09-2005 (739)

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