Bases des essais de dureté


La dureté, telle qu'elle est appliquée à la plupart des matériaux, en particulier les métaux, constitue un essai mécanique couramment employé, utile et révélateur, utilisé sous différentes formes depuis plus de 250 ans. Sa valeur et son importance en qualité de propriété d'un matériau ne peut certainement pas être sous-estimée ; les informations d'un essai de dureté peuvent être utilisées pour offrir une perspective précieuse de la durabilité, de la résistance, de la souplesse et des capacités de divers types de composants, de la matière brute aux échantillons préparés et aux produits finis. L'essai de dureté est largement utilisé dans une multitude d'industries et joue un rôle prépondérant dans les analyses structurelles, aéronautiques, automobiles, de contrôle de qualité, d'analyse de défaut et de nombreuses autres formes de fabrication et d'industrie.

En quoi consiste un essai de dureté par pénétration?


La définition la plus basique et la plus couramment utilisée est la résistance d'un matériau à une déformation plastique permanente. La dureté est mesurée en chargeant un pénétrateur de géométrie et propriétés spécifiques sur le matériau, pendant une durée spécifiée et en mesurant la profondeur de pénétration de l'empreinte produite. L'essai Rockwell est la méthode la plus couramment utilisée en raison des résultats rapides qu'elle produit et elle est généralement utilisée sur les métaux et alliages. Il produit une valeur basée sur la profondeur de l'empreinte ou la pénétration non récupérée.

Importance d'une bonne pratique


Il est primordial pour des résultats de dureté Rockwell précis et fiables de veiller à ce que les opérateurs et les méthodes qu'ils utilisent respectent la technique d'essai appropriée et sa pratique. La nature précise et l'exactitude d'un essai Rockwell exige de respecter strictement le protocole de dureté qui suit et les normes. L'unité de mesure pour un point Rockwell normal étant égale à seulement 0,002 mm (environ 0,00008 pouce) il devient évident que des mesures aussi précises nécessitent un système et un processus de mesure très précis. L'incapacité à préparer et exécuter correctement un essai de dureté Rockwell peut compromettre les données d'essai ou produire des résultats faux, contribuant potentiellement à la production et à la livraison de produits de qualité inférieure. Ceci est susceptible d'avoir des effets préjudiciables et catastrophiques en termes de performance et d'intégrité des marchandises qu'ils composent.

Techniques d'essai Rockwell - Échelle d'essai


  • Type de matériau
  • Épaisseur de l'échantillon
  • Surface / largeur
  • Lieu de l'essai
  • Homogénéité du matériau
  • Limitations de l'échelle

Type de matériau


Suivre les bonnes pratiques et se conformer aux normes applicables est relativement simple et contribuera fortement à des résultats corrects et précis. Le plus important dans un processus d'essai Rockwell est l'identification de l'échelle de dureté appropriée à utiliser sur le composant objet de l'essai. Il existe 30 échelles Rockwell différentes, la majorité des applications étant couverte par les échelles HRC et HRB pour l'essai de la plupart des aciers, du laiton et autres métaux. Avec l'utilisation croissante des matériaux autres que l'acier et le laiton courants, ainsi que les demandes d'essai de matériaux minces et de tôle d'acier, des connaissances de base des facteurs qui doivent être pris en considération pour choisir l'échelle correcte pour assurer un essai Rockwell précis est nécessaire. Le choix ne réside pas uniquement entre l'essai de dureté normal et l'essai de dureté superficiel, avec trois charges différentes pour chaque, mais également entre le pénétrateur diamant et les pénétrateurs en bille d'acier de 1/16, 1/8, 1/4 et 1/2 po. de diamètre. Une spécification technique est souvent établie lors de la phase conceptuelle du matériau et l'opérateur ne peut s'appuyer que sur les exigences d'échelle documentées. En l'absence de spécification ou en cas de doute quant à une échelle prédéterminée, une analyse des facteurs suivants contrôlant la sélection de l'échelle doit être effectuée:

Épaisseur du matériau


En l'absence d'une échelle de dureté spécifique, le type de matériau doit être identifié et comparé à différents tableaux indiquant le type d'échelle normalement applicable à un matériau donné. Ces informations sont généralement basées sur des données historiques et d'essais empiriques. En règle générale, utiliser la charge la plus lourde que le matériau peut supporter est recommandé, car l'empreinte la plus large assure la meilleure intégrité en étant marginalement affectée par l'état de la surface. Les échelles de pénétrateurs diamant sont généralement utilisées sur les aciers trempés et autres matériaux très durs, alors que les échelles de billes sont plutôt applicables aux matériaux de type laiton, alliage de cuivre et aluminium. Bien que la connaissance de la composition du matériau soit un outil nécessaire pour sélectionner l'échelle, plusieurs autres paramètres du matériau très importants entrent en jeu pour déterminer la méthode d'essai appropriée et la technique à employer.

Support


L'épaisseur du matériau revêt une importance capitale pour sélectionner l'échelle. Les 30 échelles Rockwell étant distinguées par force d'essai totale ainsi que par type de pénétrateur, une charge ou une force excessive pour l'épaisseur du matériau est influencée à terme par l'enclume de support. Une telle interruption du flux de matériau produit des résultats erronés et une mauvaise interprétation importante de la dureté du matériau. L'ASTM indique les exigences d'épaisseur des échelles sous forme de tableau et de graphique. Il est conseillé de les utiliser comme guide de référence pour déterminer l'échelle appropriée en fonction de l'épaisseur du matériau. Une règle générale, bien qu'approximative, veut que le matériau soit d'au moins 10 fois la profondeur de l'empreinte et au moins 15 fois lorsqu'un pénétrateur en forme de bille est utilisé. Au besoin, la profondeur réelle d'une empreinte peut être calculée pour vérifier si cette exigence est remplie. Ce n'est toutefois généralement pas nécessaire car les tableaux et les graphiques de référence indiquent des informations adéquates pour prendre une décision éclairée. La règle finale veut qu'aucune déformation du matériau ne soit évidente sur la face de support (le dessous) du matériau.

Perpendicularité


Le support de l'échantillon est également extrêmement important dans un essai Rockwell, dû au fait que la méthode implique de mesurer la profondeur. Tout mouvement de l'échantillon est transféré au pénétrateur et au système de mesure, produisant une erreur intégrée à l'essai. Compte-tenu de la nature précise de l'essai (en n'oubliant pas qu'un point Rockwell sur l'échelle normale est égal à 0,002 mm ou 0,00008 pouce) un mouvement de seulement 0,001 pouce peut provoquer une erreur supérieure à 10 points Rockwell. L'enclume de support doit être sélectionnée en fonction de la géométrie de l'échantillon et pour assurer un support complet et sans compromis. Il est essentiel que l'enclume soit suffisamment rigide pour éviter toute déformation en cours d'utilisation. Certains critères doivent être respectés sur toutes les enclumes ; l'ASTM E18, qui contient des recommandations de base, notamment sur la dureté des enclumes, constitue une bonne référence. L'épaulement de support et la surface sur laquelle repose l'échantillon doivent être parallèles et l'enclume doit présenter l'échantillon d'essai perpendiculaire au pénétrateur. La surface de support et l'épaulement doivent être exempts d'entailles, de rayures et d'impuretés, et d'un modèle suffisant pour supporter correctement le matériau objet de l'essai. Les enclumes doivent être vérifiées régulièrement, de préférence avant chaque utilisation et remplacées si leur état n'est pas satisfaisant. Les pénétrateurs endommagés, entaillés ou sales peuvent provoquer des écarts et des problèmes de répétabilité considérables dans les résultats de dureté. Différentes fixations standardisées et sur mesure existent pour s'adapter aux différentes géométries des échantillons objets des essais. Certaines des enclumes les plus courantes comprennent les modèles plats pour supporter les surfaces planes, une enclume en V pour les pièces cylindriques et l'enclume cylindrique pour les pièces de grand diamètre. L'enclume à socle, dotée d'une petite surface surélevée est également courante. Elle est utilisée pour vérifier les pièces de petite taille ou de forme irrégulière ainsi que pour les essais de matériaux dont le fond n'est pas totalement plat. Il est essentiel que la pièce objet de l'essai et la partie de l'enclume juste sous le pénétrateur soient en contact, la petite surface surélevée minimise l'effet que pourraient avoir des pièces non plates en réduisant la surface de contact. Les pièces d'essai qui ne sont pas plate doivent être placées sur l'enclume à socle, face incurvée en bas pour assurer un bon contact avec l'enclume au point d'intérêt. Pour le support des produits en plaque fine, l'enclume à socle losange est recommandée. Elle se compose d'une surface en losange plate et polie, légèrement surélevée, qui soutient la pièce et prévient les dommages et influences qui pourraient survenir avec une enclume standard. Cette enclume n'est utilisée qu'avec les échelles Rockwell 15 T ou 30T. L'utilisation d'un pénétrateur diamant avec une enclume à socle losange est toujours déconseillée, car la rupture du pénétrateur comme de l'enclume est possible. Une enclume col de cygne est recommandée pour les essais de surfaces en-dehors du diamètre des tubes à paroi mince. Elle se visse généralement sur la vis-mère du duromètre ou sur le support et inclut un mandrin en haut pour supporter la pièce d'essai placée sur ce mandrin pour prévenir la conformité du matériau pendant l'essai. Les plus grandes pièces peuvent être supportées par des tables d'essai de grand diamètre ou une table rainurée en T qui peut être utilisée pour fixer la pièce d'essai à la table. En raison de la taille et du poids de la table en T, elle ne peut être utilisée qu'avec les duromètres Rockwell® qui actionnent le pénétrateur vers le bas en direction de la table statique fixée à la base de l'instrument, par opposition à l'introduction de la pièce vers le diamant par l'action de la vis-mère. La fixation Vari-Rest, qui s'étend horizontalement pour supporter les pièces longues est également utile.

Espacement des empreintes


Il est absolument fondamental que la surface à pénétrer soit perpendiculaire à la course du pénétrateur et que la pièce d'essai ne bouge pas et ne glisse pas pendant le cycle d'essai. Une étude a montré que l'effet sur l'échelle HRC indiquait qu'un angle d'inclinaison d'un degré entre la surface de l'échantillon et l'axe du pénétrateur pouvait produite une erreur de 5% de la dureté. L'angle d'inclinaison ne doit jamais dépasser 2 degrés pour un essai précis. La perpendicularité du pénétrateur par rapport à l'échantillon est influencée par de nombreux facteurs, notamment les surfaces opposées du matériau, l'enclume de support et les composants mécaniques de l'instrument. En outre, le pénétrateur et son support jouent un rôle crucial dans la perpendicularité.

Essais cylindriques et facteurs de correction


Lors de l'essai d'un échantillon ou de la vérification d'un coupon étalon, l'espacement entre les empreintes, ainsi qu'avec le bord du matériau doit être correctement maintenu pour éviter que des empreintes adjacentes ou un bord travaillé n'influencent l'essai suivant. Le critère admis est une distance entre le centre d'une empreinte d'au moins trois fois le diamètre de l'empreinte. Concernant la distance avec le bord du matériau, la distance entre le centre d'une empreinte et le bord de la pièce d'essai doit être au moins de deux fois et demie le diamètre de l'empreinte. L'objectif de ces distances consiste à garantir que les empreintes réalisées ne soient pas influencées par le durcissement et le flux de matériau autour de l'empreinte précédente. L'exigence de distance du bord assure également que la surface de contact de l'empreinte autorise un support correct.

Finition de la surface


Lors d'essai sur des surfaces cylindriques, les résultats indiquent généralement une valeur de dureté inférieure à celle des matériaux plats. Cette situation est due à la courbure de la pièce d'essai et dépend de la force appliquée, de la dureté du matériau, de la taille et de la forme de l'empreinte et du diamètre de la pièce d'essai. Si l'essai doit être utilisé uniquement à des fins de contrôle et que tous les autres facteurs demeurent égaux, (diamètre, échelle et pénétrateur de l'échantillon), les informations sont suffisante pour évaluer les données comparatives et les essais suivants. Toutefois, il est préférable dans la plupart des cas de comparer la dureté du matériau arrondi avec la valeur de dureté d'une pièce plate, en appliquant des facteurs de correction au besoin. Avec une pièce cylindrique, la réduction du support latéral produit une pénétration plus profondeur du pénétrateur dans le matériau, ce qui produit un résultat de dureté inférieur. Si le diamètre du matériau est supérieur à 25 mm (1 pouce) la surface offre une structure de surface convenable pour l'essai et les corrections sont inutiles. Le facteur de correction doit être ajouté au résultat de l'essai pour les pièces de petit diamètre. La plupart des duromètres Rockwell numériques disponibles permettent de rencontrer le diamètre cylindrique et le facteur de correction est automatiquement ajouté au résultat. Avec les duromètres à cadran manuel, les tableaux de correction ASTM doivent être consultés pour déterminer le facteur selon lequel ajuster. Alternativement, et contrairement aux surfaces convexes, les surfaces concaves offrent un meilleur support du matériau en raison de leur courbure vers le pénétrateur et produisent une dureté apparemment supérieure, due à une empreinte moins profonde. Dans ce cas, un facteur de correction doit être soustrait. À noter que toutes les corrections produisent des résultats approximatifs et qu'il ne faut pas s'attendre à ce qu'ils correspondent à la spécification exacte. Il est également essentiel d'assurer l'alignement exact du pénétrateur avec le rayon pour les essai cylindriques.

Autres facteurs importants à prendre en compte


Une bonne pratique consiste à ce que le matériau d'essai soit propre, lisse et régulier. Le degré de rugosité de la surface de l'échantillon susceptible d'affecter les résultats de dureté dépend de l'échelle Rockwell utilisée. En règle générale, les échelles normales peuvent tolérer une surface meulée pour obtenir des résultats précis. Toutefois, à mesure que les forces appliquées augmentent, l'état de la surface devient plus influent et la nécessité d'une surface plus lisse gagne en importance. Pour les forces d'essai les plus faibles, les échelles 15 Kgf, une surface polie ou rodée est recommandée. Lors de la finition d'un matériau avant essai, il convient de veiller à éviter le risque de provoquer un état de durcissement du matériau.
    De nombreux facteurs basiques mes importants doivent également être considérés pour exécuter des essais Rockwell.
  • La propreté du matériau, des enclumes de support, des pénétrateurs et de toutes les surfaces de contact, ainsi que l'état général de la machine constituent des aspects cruciaux.
  • L'environnement de l'instrument doit également être pris en compte. Prendre soin d'éviter les zones de vibration excessive évite les effets sur la performance de l'instrument et les résultats de dureté. Le maintien d'une plage de température constante à l'emplacement de l'instrument doit être assuré. L'ASTM recommande d'effectuer les essais à une température ambiante située entre 10 et 35° C (50 et 95° F). L'utilisation de l'instrument à des températures extrêmes peut être préjudiciable aux données d'essai.
  • La vérification de performance indirecte quotidienne de l'instrument d'essai est importante ; les échelles utilisées doivent être vérifiées à l'aide d'étalons ou de coupons standardisés. Si possible, il est conseillé de vérifier le système à chaque changement d'échelle et au début de chaque période de travail. Les étalons sélectionnés doivent se situer dans la plage approximative du matériau objet de l'essai et utilisés uniquement du côté étalonné. Deux entailles d'assise doivent être pratiquées pour fixer les enclumes, l'étalon et le pénétrateur. Ces valeurs doivent être supprimées avant l'enregistrement effectif des résultats. Cinq relevés au total doivent être effectués au cours du processus de vérification ; les valeurs mesurées doivent se situer dans les limites de tolérance indiquées sur l'étalon et son certificat. Si la vérification échoue, la machine doit être placée hors service jusqu'à ce que les réglages ou les réparations appropriés soient effectués. Une inspection visuelle régulière des pénétrateurs diamant et bille doit être effectuée pour vérifier s'ils ont été endommagés lors des essais et il convient de les remplacer si tel est le cas.
  • Enfin, la maintenance et la vérification agréée de l'instrument sont impératives pour le bon fonctionnement ininterrompu du système et l'assurance qu'il répond aux exigences de précision d'un essai Rockwell. L'ASTM recommande la maintenance et la vérification annuelles d'un duromètre Rockwell et une vérification plus fréquente en cas d'utilisation intensive ou dans des conditions extrêmes. La vérification doit être effectuée par une agence de vérification agréée et le rapport doit suivre la méthode d'essai Rockwell ASTM E18 et y faire référence.
  • L'essai de dureté est un outil utile et important dans les essais de matériaux, le contrôle de qualité et l'acceptation ainsi que la performance des matériaux. Nous dépendons des données produites pour vérifier le traitement thermique, l'intégrité structurelle et la qualité des composants pour déterminer si un matériau présente les propriétés nécessaires pour garantir que les objets que nous utilisons quotidiennement contribuent à un monde bien conçu, efficace et sûr. Une technique et une procédure appropriées ainsi que le strict respect des normes et les bonnes pratiques contribuent énormément à la précision et à l'utilité des essais Rockwell.

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