Comment le groupe Baowu a résolu les essais de fatigue à fréquence variable avec ElectroPuls™
Face aux nouvelles exigences d’essais liées à l’essor des véhicules à énergies nouvelles, l’Institut central de recherche du groupe Baowu avait besoin d’une solution pour les essais de fatigue sous amplitude, fréquence et température variables — des conditions que les machines servohydrauliques et à résonance électromagnétique traditionnelles ne pouvaient pas gérer. L’Instron ElectroPuls E10000 a combiné une capacité haute fréquence avec des essais à amplitude variable programmables dans un système compact nécessitant peu d’entretien, offrant à l’équipe de Baowu un outil polyvalent pour des matériaux allant de l’acier aux plastiques légers.
À propos
Baosteel et WISCO — leaders de l’industrie sidérurgique chinoise — ont fusionné en septembre 2016 pour former Baowu Iron & Steel Group, aujourd’hui le plus grand groupe sidérurgique de Chine. Baowu poursuit trois stratégies de transformation : de l’acier aux matériaux, de la fabrication au service, et d’un leader en Chine à un leader mondial de l’industrie sidérurgique.
Lieu
Chine
Site web
Pour se conformer à ses trois stratégies de transformation, le laboratoire de mécanique de l’Institut central de recherche (centre technique) de Baowu a consenti des efforts importants dans le domaine des matériaux industriels — en particulier les matériaux pour énergies nouvelles — par l’évaluation des propriétés mécaniques et le développement de méthodes d’essai pour les matières premières sidérurgiques.
La recherche et le développement des matériaux et des applications doivent suivre le rythme des exigences du monde réel. Prenons l’exemple d’un véhicule qui accélère : le mécanisme d’entraînement prend de la vitesse, atteint un régime de croisière stable, puis freine et décélère. Ce comportement cyclique expose les matériaux à des fréquences de charge qui passent de hautes à basses, puis à des fréquences constantes. Une application typique est l’acier utilisé dans les machines électriques des véhicules à énergies nouvelles. Les essais de fatigue traditionnels utilisant une amplitude et une fréquence constantes ne peuvent plus répondre aux défis techniques posés par ces nouveaux matériaux — les changements d’environnement, de vitesse, d’amplitude et de fréquence sont devenus des sujets centraux dans la recherche sur les matériaux automobiles à énergies nouvelles.
« Les études de performance mécanique à long terme des matériaux sous fréquence et amplitude variables seront la tendance future », a déclaré le Dr Fang. « Cependant, en Chine, nous suivons toujours la norme d’essai GB/T 15248-2008, Essai de fatigue oligocyclique des matériaux métalliques sous amplitude axiale constante, qui ne peut manifestement pas répondre aux exigences d’essai de ces nouveaux matériaux. Il existe déjà une norme internationale — ISO 12110-1:2013, Matériaux métalliques — Essais de fatigue — Essais de fatigue sous amplitude variable — Partie 1 : Principes généraux, méthode d’essai et exigences en matière de rapport — pour tester ce type de matériau, mais une norme chinoise correspondante n’a pas encore été publiée. »
Avec l’essor des véhicules à énergies nouvelles et le soutien du gouvernement chinois, de nombreux constructeurs automobiles de renom — dont Tesla, Volkswagen et General Motors — ont déjà établi leurs propres normes d’essais de fatigue des matériaux. De nouveaux concepts tels que les essais à amplitude variable, à fréquence variable et à température variable imposent de nouvelles exigences aux fournisseurs mondiaux de matériaux. Pour les fournisseurs de matériaux, y compris Baowu Steel, trouver rapidement les bonnes solutions d’essai est devenu un nouveau défi pressant.
« Les propriétés mécaniques à long terme des matériaux sous fréquences et amplitudes variables seront une tendance à l’avenir. Pour une machine servohydraulique traditionnelle, la plage de fréquences est trop réduite, les coûts de maintenance sont élevés et le bruit est important pendant le déroulement d’un essai. Si nous voulons tester la fatigue d’aciers ultra-fins, les machines d’essais de fatigue à haute fréquence à résonance électromagnétique traditionnelles sont également difficiles à contrôler. Ces deux défis nous poussent à trouver de nouvelles solutions. »
Dr Jian Fang
Ingénieur en chef des essais mécaniques, Institut central de recherche, Groupe Baowu
Trouver une nouvelle solution d’essai
S’agissant d’un défi émergent, il est essentiel de rompre avec les méthodes d’essai traditionnelles pour trouver des solutions efficaces. En tant que technicien en chef, le Dr Fang apporte une vaste expérience dans l’essai des matériaux métalliques — et selon lui, bien qu’il existe de nombreuses façons de réaliser des essais de fatigue, peu de dispositifs peuvent mesurer avec précision sous amplitude, fréquence et température variables simultanément.
Les machines d’essais de fatigue servohydrauliques sont couramment utilisées pour les essais de fatigue des matériaux sous amplitude, fréquence et température variables, mais leur capacité en fréquence est limitée à quelques dizaines de hertz — ce qui est insuffisant pour les besoins d’essais à haute fréquence et manque d’efficacité. Les machines d’essais de fatigue à haute fréquence à résonance électromagnétique peuvent gérer les essais à haute fréquence, mais n’ont pas la capacité de tester sous fréquence et amplitude variables — un défi particulier lors de l’essai de matériaux légers.
« D’une part, les machines de fatigue servohydrauliques traditionnelles sont inefficaces, car la station de pompage hydraulique est coûteuse à entretenir et génère beaucoup de bruit », a expliqué le Dr Fang. « D’autre part, les machines d’essais de fatigue à haute fréquence à résonance électromagnétique traditionnelles sont difficiles à contrôler lors de la réalisation d’essais de fatigue sur certains aciers ultra-fins de qualité grand public. Ces défis nous ont poussés à trouver de nouvelles solutions pour les essais de fatigue. »
Les machines d’essais de fatigue électroniques dynamiques et statiques coûtent peu en entretien et peuvent tester sous amplitude et fréquence variables, combinant la capacité haute fréquence des machines à résonance électromagnétique avec l’amplitude et la fréquence variables programmables des machines d’essais de fatigue oligocyclique. Cela les rend parfaitement adaptées aux essais mécaniques de matériaux ultra-fins et légers. Elles occupent également une faible surface au sol, sont faciles à entretenir et ne nécessitent ni eau de refroidissement ni huile hydraulique — fonctionnant à la place sur une alimentation monophasée avec une faible consommation d’énergie. Le Dr Fang a été immédiatement attiré par la machine d’essais électroniques dynamiques et statiques d’Instron, polyvalente et bien conçue, lors d’un salon industriel.
Tester pour le futur, pas seulement pour le connu
« Pour les essais de fatigue traditionnels, nous choisissions souvent des fréquences aussi élevées que possible, en espérant atteindre la limite de fatigue dans un court laps de temps », a déclaré le Dr Fang. « Mais les essais de fatigue pour les nouveaux matériaux ont changé — nous sommes maintenant curieux de savoir ce qu’il adviendra des propriétés de fatigue de l’acier sous des conditions d’amplitude variable ou de fréquence variable. »
« Tous ces essais peuvent être réalisés à l’aide de l’Instron E10000, et les résultats ont été bien accueillis par nos clients », a déclaré le Dr Fang. « En plus des matériaux métalliques, nous utilisons également l’E10000 pour tester des matériaux légers de qualité alimentaire et des plastiques. En résumé, des essais statiques à basse vitesse aux essais dynamiques en boucle fermée à haute fréquence, la machine d’essais statiques et dynamiques ElectroPuls peut répondre à toutes nos exigences d’essai. »
Le Dr Fang a également souligné qu’un avantage significatif de travailler avec Instron est que les accessoires peuvent être partagés sur toute la gamme de produits — les cellules de charge, les fixations et les extensomètres peuvent tous être configurés sur la même série d’instruments, ce qui permet aux clients d’économiser du temps et de l’argent. « Par exemple, l’extensomètre Instron AVE peut être utilisé dans tout notre laboratoire, d’une machine statique de 1 tonne à une machine dynamique de 25 tonnes », a déclaré le Dr Fang.
Bien que l’Instron E10000 ait été installé et utilisé depuis moins d’un an au moment de la rédaction de cet article, les techniciens de Baowu avaient déjà accumulé une expérience significative dans les essais de fatigue à amplitude et fréquence variables à l’aide du système. Alors que l’industrie des énergies nouvelles continue de croître, les machines d’essais statiques et dynamiques ElectroPuls d’Instron devraient trouver une gamme d’applications encore plus large.
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