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 compléter et souvent être utilisées en conjonction avec d'autres techniques de vérification matérielle comme la traction ou la compression pour fournir une information de performance essentielle.

Quel est le degré d'importance et d'utilité des essais de dureté des matériaux?


Considérez les informations fournies et leur signification dans les analyses structurelles, aéronautiques, automobiles, de contrôle de qualité, d'analyse de défaut et de nombreuses autres formes de fabrication et d'industrie. La détermination de ces propriétés matérielles offre 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 une forme d'essai matériel largement utilisée. Il est relativement facile à exécuter, généralement peu pas destructif et la majorité de l'instrumentation est peu onéreuse par rapport à d'autres types d'équipement de vérification des matériaux. En outre, il peut généralement être exécuté directement sur le composant sans altération considérable. Alors que les techniques d'essai se sont considérablement améliorées grâce aux avancées électroniques et informatiques, les techniques plus anciennes comprenaient de simples essai de résistance à la rayure. Ces essais étaient basés sur une barre dont la dureté augmentait d'une extrémité à l'autre. Le niveau auquel le matériau testé était capable de former une rayure sur la barre constituait un facteur déterminant de dureté des échantillons. Les formes d'essai de dureté plus anciennes comprenaient la rayure des surfaces de matériaux et la mesure de largeur de la ligne ainsi produite et, ultérieurement, la pénétration du matériau à l'aide d'une bille d'acier soumise à une force. Avec les demandes accrues du secteur industriel et l'avènement de l'industrialisation globale, puis une demande beaucoup plus urgente durant les deux guerre mondiales des machines et des techniques plus raffinées ont été développées. Des formes précises et efficaces d'essai étaient nécessaires pour répondre aux demandes de l'industrie lourde, aux défauts structurels et à la nécessité de concevoir une intégrité matérielle suffisante au sein de l'infrastructure globale en pleine croissance. Récemment, des avancées considérables en termes de matériel, d'électronique et de logiciels ont conduit à des équipements d'essai de dureté beaucoup plus sophistiqués, capables de fournir rapidement et de manière fiable des informations utiles et essentielles sur les propriétés des matériaux.

En quoi consiste exactement 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. Bien que d'autres formes d'essai de dureté : rebond, électromagnétique et ultrasonique soient utilisées dans différentes applications et mesurent la dureté des matériaux grâce à d'autres techniques, l'essai de dureté par pénétration constitue un type d'essai fiable, direct et couramment appréhendé. 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. Plus le matériau objet de l'essai est tendre, plus la profondeur de pénétration ou les dimensions de l'empreinte augmentent. Les types d'essai de dureté courants comprennent l'essai Rockwell (profondeur de pénétration ou empreinte non récupérée), Knoop/ Vickers et Brinell (surface de pénétration). 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. Les essais Knoop et Vickers conviennent mieux pour les matériaux minces, les revêtements et les composants métallographiques enrobés. Les application d'essai Brinell comprennent généralement la fonte, les grands cadres en acier et l'aluminium. Certains essais de dureté peuvent être exécutés en quelques secondes avec un appareil portable. L'empreinte créée par l'essai de dureté peut être meulée ou être si modeste qu'elle n'affecte pas la performance ou l'aspect du composant. L'essai étant appliqué au composant proprement dit, chaque produit ou un contrôle ponctuel des produits peut être soumis à l'essai avant de l'expédier au client.

Comment ces types d'essai de dureté courants sont-ils effectués?


L'essai de dureté Rockwell est basé sur une relation inverse à la mesure de profondeur supplémentaire à laquelle un pénétrateur est forcé par une charge totale (majeure), au-delà de la profondeur résultant d'une charge préliminaire (mineure) précédemment appliquée. Une charge mineure est initialement appliquée et une position de point zéro est établie. La charge majeure est ensuite appliquée pendant la durée spécifiée puis supprimée, laissant la charge mineure appliquée. La valeur Rockwell qui en résulte représente la différence de profondeur à partir de la position zéro produite par l'application de la force majeure. L'ensemble de la procédure prend entre quelques secondes et jusqu'à 15 pour les plastiques. Dans un essai Rockwell, les résultats sont obtenus rapidement et directement sans qu'une mesure dimensionnelle secondaire soit nécessaire. Le type de pénétrateur le plus courant est en diamant conique meulé à 120 degrés pour les essais sur les aciers et les carbures. Les matériaux plus tendres sont généralement soumis à essai en utilisant des billes en carbure de tungstène de 1/16" à 1/2" de diamètre. La combinaison du pénétrateur et de la force d'essai constitue l'échelle Rockwell. Ces combinaisons forment 30 échelles différentes et sont exprimées en termes de dureté effective, suivie par les lettres HR et l'échelle respective. Une valeur de dureté enregistrée HRC 63 signifie une dureté de 63 sur l'échelle Rockwell C. Les valeurs plus élevées indiquent des matériaux plus durs comme l'acier trempé ou le carbure de tungstène. Ces dernier peuvent présenter des valeurs HRC supérieures à 70 HRC. Les forces d'essai Rockwell peuvent être appliquées par cellule de charge en circuit fermé ou systèmes de poids mort conventionnels.

L'essai de micro ou de macrodureté, couramment appelé essai Knoop ou Vickers, est également effectué en appuyant un pénétrateur de géométrie spécifique à la surface d'essai. Contrairement à l'essai Rockwell, l'essai Knoop ou Vickers applique une seule force. L'empreinte ou la surface non récupérée qui en résulte est ensuite mesurée en utilisant un microscope de forte puissance associé à des oculaires de mesure à réticule ou, plus récemment, de façon automatique avec un logiciel d'analyse d'image. Le diamant Knoop produit une forme allongée rhombique basée sur une indentation en forme de diamant avec un rapport entre les diagonales longues et courtes de 7 à 1. Les essais Knoop sont généralement effectués à des forces d'essai de 10 à 1000 g, sont essentiellement désignés comme des essais de microdureté ou de micropénétration et sont préférablement utilisés dans les petites zones d'essai ou sur des matériaux friables lorsqu'une déformation minimale du matériau survient dans la zone de la diagonale courte. Le diamant Vickers produit une forme pyramidale à base carrée dont la profondeur d'empreinte est d'environ 1/7e de la longueur diagonale. L'essai Vickers est effectué selon deux plages de force distinctes, micro (10 à 1000 g) et macro (1 à 100 kg), pour couvrir tous les besoins d'essai. Le pénétrateur est le même pour les deux plages, ainsi les valeurs de dureté Vickers sont continues sur la plage totale de dureté des métaux (généralement HV100 à HV1000). Les essais Vickers sont généralement appelés essais par micro-pénétration et sont utilisés sur un plus large éventail de matériaux, notamment durcis en surface et composants en acier. Les empreintes Vickers sont également moins sensibles à l'état de la surface que les pour les essais Knoop. Dans les deux types, la surface mesurée est utilisée dans une formule qui inclut la force appliquée pour déterminer une valeur de dureté. Les tableaux ou les mesures électronique et d'imagerie automatiques représentent une méthodes plus courante et plus commode pour générer les valeurs de dureté Knoop et Vickers.

L'essai de Brinell, autre type d'essai de dureté courant, consiste à appliquer une charge ou force constante, généralement entre 500 et 3000 Kgf, pendant une durée spécifiée (de 10 à 30 secondes) en utilisant une bille au carbure de tungstène de 5 ou 10 mm de diamètre. La durée de charge est nécessaire pour garantir que le flux plastique du métal a cessé. Des forces plus faibles et des billes de diamètre inférieur sont parfois utilisées dans des applications spécifiques. Similaire à l'essai Knoop et Vickers, l'essai Brinell applique une seule force. Une fois la force supprimée, l'empreinte ronde récupérée qui en résulte est mesurée en millimètres à l'aide d'un microscope de faible puissance ou d'un dispositif de mesure automatique. L'essai Brinell est généralement utilisé dans les essais d'alliages d'aluminium et de cuivre (avec des forces plus faibles) et d'aciers et de fontes dans les plages de force supérieures. L'acier trempé ou d'autres matériaux ne font généralement pas l'objet de la méthode d'essai Brinell, mais l'essai Brinell est particulièrement utile sur certaines finitions de matériaux, car il est plus tolérant en termes d'état des surfaces grâce à la taille du pénétrateur et à la force importante appliquée. Les duromètres Brinell sont souvent fabriqués pour accepter de grandes pièces comme des moulages de moteur et des tuyaux de grand diamètre.

L'essai de dureté joue un rôle important dans les essais de matériaux, le contrôle de qualité et l'acceptation des composants. Nous dépendons des données pour vérifier le traitement thermique, l'intégrité structurelle et la qualité des composants et déterminer si un matériel possède les propriétés nécessaires pour l'usage prévu. La corrélation entre le résultat de dureté et la propriété recherchée du matériau le permet, rendant les essais de dureté très utiles dans les applications industrielles et de recherche et développement, pour garantir que les matériaux utilisés dans les objets que nous utilisons quotidiennement contribuent à un monde bien conçu, efficace et sûr.

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