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Dureté des matériaux – des types de dureté aux tests et unités

La dureté est la qualité d’un matériau pour résister à une déformation localisée. Cela peut être particulièrement important lorsque vous recherchez un matériau adapté à un environnement comprenant de petites particules pouvant induire une usure du matériau. Les matériaux mous subissent des empreintes tandis que les matériaux durs résistent à tout changement de forme.

La dureté doit être considérée dans le contexte d’autres propriétés des matériaux comme la résistance, l’élasticité, etc. Par exemple, de nombreux matériaux durs ont tendance à être cassants, ce qui limite leurs cas d’utilisation.

Dans cet article, nous verrons de plus près ce qu’est la dureté du matériau, comment elle est mesurée et comment comparer les différentes unités.

Qu’est-ce que la dureté du matériau?

La dureté est la mesure de la résistance d’un matériau à la déformation permanente localisée. La déformation permanente est également appelée déformation plastique. Alors que la déformation élastique signifie qu’un matériau ne change de forme que lors de l’application d’une force, une déformation plastique qui en résulte signifie que le matériau ne reprendra pas sa forme d’origine.

Certains matériaux sont naturellement durs. Par exemple, le tungstène est un métal incroyablement dur qui est utilisé comme élément d’alliage dans les aciers à outils. Cela garantit que ce groupe d’aciers peut résister à l’usure même à des températures élevées pendant les opérations de coupe.

Le carbure cémenté, qui trouve une grande utilité dans les fraises, comprend également souvent du tungstène. Ces bits d’outils de coupe remplaçables allongent considérablement la durée de vie des outils de coupe.

En revanche, certains matériaux, dont les métaux, sont mous au point de les rendre inutiles pour de nombreuses applications. L’or pur est si doux que le grattage ou le pliage ne nécessite pas beaucoup d’efforts. Par conséquent, l’ajout d’autres métaux comme l’argent, le cuivre et l’aluminium est essentiel pour améliorer sa dureté.

Avec certains matériaux, le traitement thermique est une possibilité d’induire une plus grande dureté de surface tout en conservant les autres qualités du métal dans son noyau. Les arbres de machines subissent souvent ce processus pour garantir une durée de vie plus longue.

Un ingénieur doit également tenir compte du rapport de dureté lors de la création d’un concept de conception. Par exemple, dans un ajustement de roulement et d’arbre, le roulement doit être plus souple car il est plus facile à remplacer. Avec un mouvement constant, une pièce doit être portée et le choix appartient à l’ingénieur.

Types de dureté

Les matériaux se comportent différemment sous différents types de chargement. Par exemple, un métal qui peut très bien subir un impact ponctuel énorme peut ne pas agir de la même manière lors d’un chargement continu.

Des essais de dureté doivent être effectués pour chaque cas afin qu’un choix bien informé puisse être fait pour l’application.

Les trois types de dureté sont dureté de rayure, de rebond et d’indentation. La mesure de chaque type de dureté nécessite un ensemble d’outils différent. En outre, le même matériau aura des valeurs de dureté différentes pour chacun des types mentionnés ci-dessus.

Dureté d’indentation

Ce type de dureté fait référence à la résistance à la déformation permanente lors de la soumission d’un matériau à une charge continue.

La dureté d’indentation est ce les ingénieurs et les métallurgistes se réfèrent généralement lorsqu’ils parlent de dureté. La mesure de sa valeur est d’un intérêt primordial car le chargement continu est la forme la plus courante de chargement des métaux.

Dureté aux rayures

Ce type de dureté fait référence à la capacité d’un matériau à résister aux rayures sur la surface. Les rayures sont des empreintes continues étroites dans la couche supérieure en raison du contact avec un matériau pointu et plus dur.

Le test de rayures est également couramment utilisé pour les matériaux fragiles tels que la céramique car ils ne subissent pas de déformation plastique significative. Il est important de tenir compte de la dureté des rayures, car certaines applications de matériaux sont très sensibles à la notation.

Prenons l’exemple d’une chemise de cylindre de moteur. Le grattage ou la notation peut avoir lieu pour diverses raisons. La surface du revêtement entre en contact avec une variété de métaux tels que les segments de piston, les particules étrangères dans le carburant ou l’huile de lubrification. Parfois, une mauvaise assise du revêtement peut y contribuer.

Les particules abrasives peuvent provoquer des rayures qui dégradent finalement les performances du moteur et coûtent plus cher en maintenance, en pièces détachées et en consommation de carburant à long terme.

Au stade de la conception, la bonne sélection de métaux tient compte de la dureté des matériaux avec lesquels ils entreront en contact. La dureté du revêtement doit être supérieure aux matériaux avec lesquels il interagira. Cela permet d’éviter de nombreux problèmes possibles.

Rebond ou dureté dynamique

La dureté de rebond a plus à voir avec la dureté élastique que la dureté plastique. Le matériau absorbe l’énergie à l’impact et la renvoie au pénétrateur.

Un pénétrateur est un matériau de référence utilisé pour les tests de dureté. La dureté dynamique est généralement mesurée en laissant tomber un marteau à pointe de diamant sur l’éprouvette et en enregistrant le rebond du marteau après qu’il frappe la surface.

Plus la hauteur est proche de la hauteur de chute d’origine, plus la valeur de dureté de rebond est élevée.

Différentes unités de dureté

L’unité de dureté SI est N / mm². L’unité Pascal est donc également utilisée pour la dureté mais la dureté ne doit pas être confondue avec la pression.

Les différents types de dureté discutés ci-dessus ont différentes échelles de mesure. Pour les duretés de rayure, d’indentation et de rebond, les méthodes de mesure varient (par exemple Brinell, Rockwell, Knoop, Leeb et Meyer). Comme les unités sont dérivées de ces méthodes de mesure, elles ne conviennent pas à une comparaison directe.

Cependant, vous pouvez toujours utiliser une table de conversion pour comparer les valeurs de Rockwell (B & C), Vickers et Brinell. Des tableaux comme ceux-ci ne sont pas précis à 100% mais donnent une bonne indication.

Dureté Brinell Rockwell Rockwell Vickers N / mm²
HB HRC HRB HV
469 50 117 505
468 49 117 497
456 48 116 490 1569
445 47 115 474 1520
430 46 115 458 1471
419 45 114 448 1447
415 44 114 438 1422
402 43 114 424 1390
388 42 113 406 1363
375 41 112 393 1314
373 40 111 388 1265
360 39 111 376 1236
348 38 110 361 1187
341 37 109 351 1157
331 36 109 342 1118
322 35 108 332 1089
314 34 108 320 1049
308 33 107 311 1035
300 32 107 303 1020
290 31 106 292 990
277 30 105 285 971
271 29 104 277 941
264 28 103 271 892
262 27 103 262 880
255 26 102 258 870
250 25 101 255 853
245 24 100 252 838
240 23 100 247 824
233 22 99 241 794
229 21 98 235 775
223 20 97 227 755
216 19 96 222 716
212 18 95 218 706
208 17 95 210 696
203 16 94 201 680
199 15 93 199 667
191 14 92 197 657
190 13 92 186 648
186 12 91 184 637
183 11 90 183 617
180 dix 89 180 608
175 9 88 178 685
170 7 87 175 559
167 6 86 172 555
166 5 86 168 549
163 4 85 162 539
160 3 84 160 535
156 2 83 158 530
154 1 82 152 515
149 81 149 500

Dans toutes ces échelles, un matériau dur aura un indice de dureté plus élevé.

Les unités couramment utilisées pour la mesure de la dureté sont:

  • Indice de dureté Brinell (HB)
  • Indice de dureté Vickers (HV)
  • Indice de dureté Rockwell (HRA, HRB, HRC, etc.)
  • Valeur de dureté Leeb (HLD, HLS, HLE, etc.)

Mesurer la dureté

Les différents types de dureté sont mesurés à l’aide de différentes méthodes d’essai. Un point commun entre toutes les méthodes est l’utilisation d’un pénétrateur pour créer l’indentation sur la surface de l’éprouvette. L’indentation fournit une représentation tangible de la dureté des matériaux et est facile à mesurer et à reproduire.

Les matériaux plus durs auront des indentations peu profondes et les matériaux plus tendres auront des indentations plus profondes.

Test de dureté Brinell

Test de dureté Brinell

Essai de dureté sur une pièce métallique à l’aide de la méthode d’essai Brinell

Le test Brinell a été l’un des premiers tests de dureté largement acceptés pour la mesure de la dureté par indentation. Dans le test Brinell, une bille d’acier de 10 mm de diamètre est utilisée comme pénétrateur pour créer une impression sur l’éprouvette afin de calculer son indice de dureté Brinell.

Le ballon est maintenu en place pendant une durée prédéterminée, généralement 30 secondes, et une force est appliquée sur le ballon. Cette force variera en fonction du métal d’essai mesuré.

La charge standard est de 3000 kg, mais elle peut être réduite à 500 kg pour les métaux plus tendres. Pour les métaux plus durs, une bille en carbure de tungstène peut être utilisée pour empêcher la déformation de la bille. L’unité de dureté HB (ou HBN) sera remplacée par HBW en cas de tungstène pour notifier son utilisation (Tungsten = Wolfram en allemand / suédois).

Lors du retrait de l’indenteur, la dent est observée avec un microscope à faible puissance et la taille est calculée en prenant la moyenne des mesures à angle droit.

À la fin du test de Brinell, l’indice de dureté est calculé comme suit:

Formule de calcul de la dureté Brinell

, où

F – force, N

D – diamètre du pénétrateur, mm

d – diamètre d’indentation, mm

Test de dureté Rockwell

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Test de dureté Rockwell

Test de dureté avec la méthode Rockwell

Le test de dureté Rockwell est la méthode la plus couramment utilisée pour les mesures de dureté par indentation. La valeur de la dureté Rockwell est accompagnée de l’échelle utilisée.

Selon le matériau testé, une échelle appropriée doit être sélectionnée. Cette échelle de dureté donne des informations sur le type de combinaison pénétrateur-charge utilisé.

Il y a un total de 30 échelles disponibles au choix. C’est ce qui fait de Rockwell un test de référence pour mesurer la dureté d’un large éventail de matériaux. Même les mesures de dureté des matériaux céramiques et composites sont possibles. Les échelles les plus couramment utilisées sont «B» et «C».

Dans l’essai de dureté Rockwell, avant d’appliquer la charge d’essai, une petite charge mineure est appliquée pour asseoir le pénétrateur dans l’éprouvette et éliminer l’effet de toute irrégularité de surface. Cela offre une meilleure précision.

Puis similaire au test de Brinell, le pénétrateur est utilisé pour créer une impression sur le matériau en appliquant la charge de test également connue sous le nom de charge principale. L’impression est ensuite mesurée pour déterminer la dureté. Un comparateur à cadran est utilisé pour enregistrer la déformation.

L’augmentation nette de la dimension de la dent (entre l’application d’une charge mineure et majeure) est prise en compte pour le calcul de la valeur de dureté.

Il est nécessaire de spécifier la vitesse de chargement. Dans les métaux mous, des vitesses variables d’application de la charge peuvent produire une différence appréciable dans la valeur finale. Il est important de surveiller attentivement que le taux de chargement est conforme à la norme.

La formule pour la dureté Rockwell est:

Formule de calcul de la dureté Rockwell

, où

N – facteur d’échelle en fonction de l’échelle utilisée

s – facteur d’échelle en fonction de l’échelle utilisée

d – profondeur d’indentation permanente par rapport à une charge mineure, mm

Test de dureté Vickers

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Test de dureté Vickers

Test de la dureté du matériau à l’aide de la méthode Vickers

La troisième façon de mesurer la dureté du matériau consiste à utiliser le test Vickers. Ceci est particulièrement adapté aux matériaux plus mous qui n’ont pas besoin de charges élevées. Avec des matériaux souples, la méthode Vickers offre une meilleure précision.

De plus, le calcul de la valeur de dureté est plus facile, car Vickers utilise le même pénétrateur diamant pour tous les matériaux. Il n’est donc pas nécessaire de modifier la formule.

Une autre caractéristique importante est l’utilisation d’une loupe, permettant de tester des zones avec une microstructure spécifique.

Tout d’abord, le testeur doit placer la pièce sur la machine et utiliser le microscope pour trouver la hauteur appropriée. Ensuite, en utilisant les images, l’emplacement correct est déterminé.

Le pénétrateur en diamant a la forme d’une pyramide à quatre côtés. Après avoir touché la pièce, la machine atteint rapidement la valeur de force prédéterminée. Il reste à la même charge pendant un certain temps.

Ensuite, la mesure de l’indentation a lieu. Le calcul de la valeur de dureté Vickers utilise la formule suivante:

Formule de calcul de la dureté Vickers

, où

F – force, N

d – diagonale d’indentation, mm

Test de dureté Mohs

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Test de dureté MOHS

Test de la dureté du béton avec un jeu de pics MOHS

Le minéralogiste allemand Mohs a d’abord conçu le test de dureté Mohs pour mesurer la dureté des rayures des matériaux. Dans ce test, le matériau est rayé avec un matériau de référence qui a une dureté définie.

Une valeur de dureté numérique est attribuée au matériau d’essai sur la base des résultats de l’essai. Le test de dureté Mohs utilise 10 matériaux de référence de dureté variable comme échelle pour le test.

Le matériau le plus mou utilisé est le talc (valeur = 1) et le matériau le plus dur est le diamant (valeur = 10). Étant donné que les références utilisées pour l’échelle de Mohs n’ont pas d’augmentation graduelle, l’échelle de Mohs manque de précision et n’est qu’une mesure approximative de la dureté.

Aujourd’hui, des tests de rayure modernes sont effectués à l’aide d’indenteurs diamantés Rockwell en grattant l’éprouvette pour une longueur spécifique pressée par la valeur de charge sélectionnée.

Test de scléroscope

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Test de dureté de rebond

Vérification de la dureté de rebond de l’acier

Un scléroscope est un appareil utilisé pour mesurer la rebond ou dureté dynamique des matériaux. L’installation se compose d’un tube de verre vertical creux connecté à un support. À travers ce tube, un marteau en diamant est déposé sur l’éprouvette et le rebond du marteau est enregistré.

Le marteau diamant tombe d’une hauteur fixe sous son propre poids. En entrant en contact avec l’éprouvette, le marteau rebondit. Ce rebond sera plus élevé pour les matériaux de dureté plus élevée.

Le rebond sera plus faible pour un métal mou car une partie de l’énergie d’impact sera épuisée en créant une bosselure sur la surface d’essai. Le tube de verre a des gradients pour mesurer la hauteur du rebond. La dureté de rebond est mesurée en unités côtières.

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