Dureté (matériau)
Source: Wikipédia sous licence CC-BY-SA 3.0.
La liste des auteurs de cet article est disponible ici.

À la différence des minéraux dont la dureté est historiquement caractérisée par rayage (cf. Échelle de Mohs), on utilise généralement des essais de rebondissement ou de pénétration pour caractériser la dureté des métaux.

Ces essais ont l'avantage d'être plus simples à réaliser et de donner des résultats reproductibles.

Mesure de dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.) par rebondissement : essai Shore

On laisse chuter bien verticalement d'une hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) fixe une petite masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de...) terminée par un diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise...) arrondi (Un arrondi d'un nombre est une valeur approchée de ce nombre obtenue, à partir de son développement décimal, en réduisant le nombre de chiffres...). La masse est guidée dans sa chute par un tube lisse. La dureté est évaluée ensuite d'après la hauteur du rebond.

De manière simplifiée, cet essai mesure l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de déformation plastique : si le choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) est parfaitement élastique (pas de déformation plastique (La déformation plastique est la déformation irréversible d'une pièce ; elle se produit par un réarrangement de la position des atomes.), pièce à tester très dure), la pointe rebondit théoriquement jusqu'à sa hauteur de lâcher (en négligeant les frottements) ; on peut relier la différence de hauteur h à l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est égale au travail nécessaire...) ΔEc absorbée lors du choc :

\Delta E_c=m\cdot g\cdot h

m est la masse lâchée et g est l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est une grandeur...) de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). Dans le cas d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini...) extrêmement mou, la pointe s'enfonce et ne rebondit pas. Les appareils sont en principe étalonnés pour obtenir une dureté de 100 pour un acier trempé à 0,9 % de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) et d'environ 35 pour les aciers doux.

Notons cependant que les résultats de l'essai Shore dépendent beaucoup de l'état de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) de la pièce testée. L'appareil doit être tenu de manière bien verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) pour éviter d'avoir des frottements qui fausseraient la mesure. La masse de la pièce à mesurer doit être beaucoup plus importante que la masse de la masse utilisée dans l'appareil de mesure.

(informations à vérifier, les autres sites n'ont pas du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) la même définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) pour la dureté shore ; apparemment il y existent deux essais différents, un essai pour déterminer la dureté des métaux et un autre pour la dureté des polymères).

Mesures de dureté par pénétration

Il s'agit des essais les plus couramment pratiqués. Le principe est toujours identique : un pénétrateur indéformable laisse une empreinte dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) à tester. On mesure les dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) de l'empreinte et on en déduit la dureté.

Dans une première approche, on peut relier de manière assez simple la limite d'élasticité Re avec la surface de l'empreinte : plus l'objet pénétrant s'enfonce, plus la surface S de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) s'agrandit, donc la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) F étant constante, plus la contrainte diminue. Lorsque la contrainte n'est plus suffisante pour déformer plastiquement le solide à tester, l'objet pénétrant s'arrête, et on a donc :

R_e=\frac{F}{S}\,\!

Les valeurs de dureté obtenues grâce aux différents protocoles et dispositifs d'essais indiqués ci-dessous sont cette limite d'élasticité Re mais les résultats ne sont pas identiques car ces calculs simplifiés prennent en compte la surface de la projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une carte.) de l'empreinte (comme un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) ou un carré) au lieu de prendre en compte la vraie surface de l'empreinte (comme la surface de la calotte sphérique ou des facettes de l'empreinte pyramidale). Un essai Brinell et un essai Vickers (Vickers, fondé initialement comme Vickers Company en 1828, était un fabricant britannique d'équipement militaire traditionnellement basé à Barrow-in-Furness. Le nom Vickers est...) sur la même éprouvette ne donnent pas la même valeur en résultat, mais en ramenant par le calcul la valeur de la force à la vraie surface de l'empreinte (respectivement un calotte sphérique ou une pyramide), on tombe dans les deux cas sur la même valeur qui est la valeur " de pression " du matériau solide.

Elles ne prennent pas en compte l'écrouissage qui est différent pour chaque type d'essai.

Essai de dureté Brinell

Principe

L'essai consiste à faire pénétrer en appliquant une force F un pénétrateur ayant une forme de bille dans un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...) afin d'en déduire la dureté de ce matériau.

HB : dureté Brinell
D : diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment....) du pénétrateur (mm)
d1 et d2 : mesure de l'empreinte réalisée à 90°(mm)
h : profondeur (mm)
F : charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui...) d'essai (N)
g : accélération de la pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous les corps matériels au voisinage de la Terre : on observe ainsi qu'en un lieu donné tous les...)
\begin{matrix} & H_B & = & {\rm Constante} \cdot \frac{\rm ( Charge\ de\ l'essai ) }{\rm (Aire\ de\ l'empreinte) } \\ \\ & & = & 0,102 \cdot \frac{2F}{\pi \cdot D(D-\sqrt{D^2-d^2})} \end{matrix}

avec

{\rm Constante} = \frac{1}{g}=\frac{1}{9,8066}=0,102
d=\frac{d_2+d_1}{2}

Le pénétrateur

Matière : généralement du carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils présentent donc une formulation générale de type CxXy.) poli

Dimension : diamètre D

Le matériau à tester

La surface doit être plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le...) et nettoyée (sans lubrifiant, oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) ou calamine). Il est nécessaire d'avoir une épaisseur suffisante afin que la pénétration de la bille ne déforme pas le matériau. Dans le cas contraire, la mesure ne serait pas fiable. Il faut une épaisseur de au moins huit fois la profondeur h de l'empreinte.

Mode opératoire (Un mode opératoire consiste en la description détaillée des actions nécessaires à l'obtention d'un résultat. On parle aussi de process ou de processus. Le mode opératoire décrit généralement le déroulement...)

Placer le pénétrateur en contact avec la surface du matériau. Appliquer la force. Maintenir cette charge pendant 10 à 15 secondes.

Mesurer sur l'empreinte deux diamètres à 90° l'un de l'autre. La mesure est effectuée à l'aide d'un dispositif grossissant et d'une règle graduée tenant compte du facteur de grossissement..

Norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus...)

  • Normes européennes (CEN) et internationales (ISO):
  • EN ISO 6506-1 : Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) métalliques - Essai de dureté Brinell - Partie 1 : Méthode d'essai.
  • EN ISO 6506-2 : Matériaux métalliques - Essai de dureté Brinell - Partie 2 : Vérification et étalonnage des machines d'essai.
  • EN ISO 6506-3 : Matériaux métalliques - Essai de dureté Brinell - Partie 3 : Étalonnage des blocs de référence.
  • Américaine (ASTM)
  • ASTM E10 : Standard method for Brinell hardness of metallic materials.

Essai de dureté Meyer

Le pénétrateur est identique au pénétrateur de la dureté Brinell. D'une manière plus générale, on utilise le même duromètre que celui utilisé pour la dureté Brinell.

La mesure est effectuée avec les même principes que la dureté Brinell. Les valeurs de dureté Meyer sont calculées avec la formule suivante :

\begin{matrix} H_M & = & 0,102 \cdot \frac{4F}{\pi \cdot d^2} \end{matrix}

avec

{\rm Constante} = \frac{1}{g}=\frac{1}{9,8066}=0,102
d=\frac{d_2+d_1}{2}

Essai de dureté Vickers

Principe

La mesure de dureté Vickers se fait avec une pointe pyramidale normalisée en diamant de base carrée et d'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) au sommet entre face égal à 136°. L'empreinte a donc la forme d'un carré ; on mesure les deux diagonales d1 et d2 de ce carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la...) à l'aide d'un appareil optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). On obtient la valeur d en effectuant la moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils...) de d1 et d2. C'est d qui sera utilisé pour le calcul de la dureté. La force et la durée de l'appui sont également normalisées.

  • HV : dureté Vickers
  • d1 et d2 : mesure de l'empreinte réalisée à 90° (2 diagonales du carrée de l'empreinte)(mm)
  • F : charge d'essai (N)
  • g : accélération de la pesanteur
\begin{matrix} & H_V & = & {\rm Constante} \cdot \frac{\rm ( Charge\ de\ l'essai ) }{\rm (Aire\ de\ l'empreinte) } \\ \\ & & = & 0,102 \cdot  \frac{2F \cdot \sin(\frac{136^\circ}{2})}{d^2} \\ \\ & & = & 0,189 \cdot  \frac{F}{d^2} \end{matrix}

avec

{\rm Constante} = \frac{1}{g}=\frac{1}{9,8066}=0,102
d=\frac{d_2+d_1}{2}

Le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de dureté, noté Hv, est ensuite lu sur un abaque (une table) ; il y a un abaque par force d'appui.

Normes

  • Internationale (ISO) et européenne (CEN)
  • EN ISO 6507-1 : Matériaux métalliques - Essai de dureté Vickers - Partie 1 : méthode d'essai
  • Américaine (ASTM)
  • Métaux
  • E92 : Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials
  • Céramiques
  • C1327 : Standard Test Method for VICKERS Indentation (Une indentation est un retrait par rapport à la norme. Cela peut se comprendre de quatre manières :) Hardness of Advanced Ceramics

Essai de dureté Rockwell

Principe

Les essais de dureté Rockwell sont des essais de pénétration. Il existe en fait plusieurs types de pénétrateurs qui sont constitués d'un cône en diamant ou d'une bille en acier trempé polie. Pour obtenir une valeur de dureté Rockwell, on mesure une pénétration rémanente du pénétrateur sur lequel on applique une faible charge.

L'essai se déroule en trois phases :

  • Application sur le pénétrateur d'une charge initiale F0= 98 N (soit 10 kgf. Le pénétrateur s'enfonce d'une profondeur initiale I. Cette profondeur étant l'origine qui sera utilisée pour mesure la dureté Rockwell.
  • Application d'une force supplémentaire F1. Le pénétrateur s'enfonce d'une profondeur de P.
  • Relâchement de la force F1 et lecture de l'indicateur d'enfoncement.

La valeur de r étant l'enfoncement rémanent obtenu en appliquant puis en relâchant la force F1.

La valeur de dureté est alors donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...) par la formule suivante :

  • Échelle B, E et F
HRB  = 130 - r\,
  • Échelle C
HRC  = 100 - r\,

Une unité de dureté Rockwell correspondant à une pénétration de 0,002 mm.

Les différentes échelles

Échelle Symbole Pénétrateur Valeur de la force totale F0 + F1 Application
A HRA Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm 588,6 N Carbure, acier en en épaisseur mince
B HRB Bille d'acier de 1,588 mm (1/16 de pouce) de diamètre 981 N Alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...), acier doux, alliage d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.)
Matériaux ayant une résistance à la rupture comprise entre 340 et 1000 MPa
C HRC Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm 1471.5 N Acier, fonte, titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.)

Matériau ayant une dureté résistance à la rupture supérieure à 1000 MPa

D HRD Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm 981 N
E HRE Bille d'acier de 3,175 mm (1/8 pouce) de diamètre 981 N Fonte, Alliage d'aluminium et de fonte
F HRF Bille d'acier de 1,588 mm de diamètre 588,6 N Alliage de cuivre recuit, fine tôle de métal.
G HRG Bille d'acier de 1,588 mm de diamètre 1471,5 N Cupro-nickel, Alliage cuivre-nickel-zinc

Les deux échelles les plus utilisées sont les échelle B et C.

Dureté Rockwell superficielle

Ces échelles sont utilisées pour des produits très minces et pour la mesure de dureté de revêtements.

Les deux échelles utilisées sont l'échelle N (Cône de diamant) et T (bille en acier). Dans les deux cas, la charge initiale (F0) est de 29,4 N. Chacune d'entre elle peuvent être utilisé en utilisant une charge total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En...) de 147 N, 294 N ou 441 N. On notera qu'il existe également des échelles W (bille de diamètre 3,175 mm), X (bille de diamètre 6,350) et Y (bille de diamètre 12,70 mm).

Dans ce cas une unité de dureté Rockwell correspond à un enfoncement de 0,001 mm.

Pour les échelles N et T la dureté est donnée par la formule :

Echelle Symbole Pénétrateur Valeur de la force totale F0 + F1
N HR15N Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm 15 N
N HR30N Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm 30 N
N HR45N Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm 45 N
T HR15T Bille d'acier de 1,588 mm de diamètre 15 N
T HR30T Bille d'acier de 1,588 mm de diamètre 30 N
T HR45T Bille d'acier de 1,588 mm de diamètre 45 N

Normes

  • Internationale (ISO) et européenne (CEN)
  • EN ISO 2039-2 : Plastiques - Détermination de la dureté - Partie 2 : dureté Rockwell.
  • EN ISO 6508-1 : Matériaux métalliques : essai de dureté Rockwell- Partie 1 : méthode d'essai (échelles A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)

.

  • Américaine
  • ASTM E18 : Standard methods for rockwell hardness and rockwell superficial hardness of metallic materials.

Comparaison entre les méthodes par pénétration

Type d'essai Préparation de la pièce Utilisation principale Commentaire
Brinell La surface de la pièce ne nécessite pas une préparation extrêmement soignée (tournage ou meulage) En atelier La méthode ayant la mise en œuvre la plus facile des trois méthodes.
Rockwell Bonne préparation de surface (au papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous...) de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de...) OO par exemple). La présence de rayures donne des valeurs sous estimée. En atelier L'essai est simple et rapide

Convient bien pour des duretés plus élevées (supérieures à 400 Brinell). Elle est plutôt utilisée pour les petites pièces (il est nécessaire que la pièce soit parfaitement stable)
La dureté Rockwell présente l'inconvénient d'avoir une dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se propagent pas à la...) relativement importante.

Vickers État de surface très soigné (on obtient de petites empreintes, la présence d'irrégularité gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la synthèse d'une chaîne de polypeptide ou d'un acide ribonucléique...) la lecture). En laboratoire C'est un essai assez polyvalent qui convient aux matériaux tendres ou très durs.

Il est utilisé généralement pour des pièces de petites dimensions. La lecture des longueurs de diagonale (On appelle diagonale d'un polygone tout segment reliant deux sommets non consécutifs (non reliés par un côté). Un polygone à n côtés possède diagonales.) est généralement lente (La Lente est une rivière de la Toscane.).

Mesures de microdureté

Fait sous très faible charge, les essais de microdureté permettent des mesures très localisées (sur environ 100 µm2). À l'aide d'un microduromètre, on peut par exemple déterminer la dureté d'une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) donnée dans un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) polyphasé ou celle d'un échantillon très fragile et mince.

Informations complémentaires

  • ductilité (La ductilité désigne la capacité d'un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu'un défaut (fissure ou cavité), induit par la déformation plastique, devient critique et se...)
Page générée en 0.170 seconde(s) - site hébergé chez Amen
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique