Tests de dureté précoce


  La dureté, telle qu'elle est appliquée aux 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. Au fil des ans, différentes méthodes de détermination de la dureté des matériaux ont été mises au point et employées avec plus ou moins de succès. Depuis les formes précoces d'essai de résistance à la rayure à l'imagerie automatisée perfectionnée, l'essai de dureté a évolué en une méthode d'essai des matériaux de valeur, efficace et exacte.

Les techniques et l'équipement d'essai ont été considérablement améliorés, particulièrement ces dernières années, au rythme de l'avance rapide des capacités dans les domaines de l'électronique, de l'informatique, du matériel et de la programmation. Par le passé toutefois, des formes d'essai de dureté basiques, comme le simple essai de résistance à la rayure, suffisaient à répondre aux besoins de l'époque. Certaines des formes les plus anciennes d'essais par rayure datent d'environ 1722. 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. Plus tard, en 1822, des formes d'essai de dureté furent introduites, notamment la rayure de surface du matériau avec un diamant en mesurant la largeur de la ligne produite, essai connu sous le nom d'échelle de Mohs. Cette méthode est toujours employée à l'heure actuelle dans certains processus. L'échelle de Mohs se compose de dix minéraux, organisés du plus dur à 10 (diamant) au plus tendre à 1 (talc). Chacun des minéraux peut rayer les matériaux situés plus bas dans la hiérarchie de l'échelle. L'échelle Mohs n'est pas linéaire ; la différence de dureté entre 9 et 10 est nettement plus grande que celle entre 1 et 2. Pour mettre l'échelle Mohs dans son contexte, un exemple concret est celui d'un acier pour outils durci qui se trouve à environ 7 ou 8 sur l'échelle. Au cours des 75 années suivantes, d'autre versions plus affinées de l'essai de résistance à la rayure ont été introduites, notamment les appareils à microscope intégré, platine et diamant appliquant des charges jusqu'à 3 grammes. Le matériel à tester était rayé sous des charges variables puis comparé à un ensemble de rayures standard de valeur connue. Une version plus sophistiquée de ce système faisait appel à un diamant monté à l'extrémité d'un ressort en acier conique. L'autre extrémité du ressort était raccordée à un bras de balancier doté d'un poids de 3 grammes. Le matériau testé était déplacé par une roue actionnée manuellement et un système de vis sans fin, en haut duquel étaient placés une platine et un fixation de maintien du matériau. Une pression fixe était appliquée transversalement au matériau, produisant une « coupure » dans le matériau qui était ensuite mesurée sous un microscope à l'aide d'un oculaire micrométrique à réticule. Un formule mathématique inhérente au processus était ensuite utilisée pour déduire la dureté.

Le type de dureté par pénétration est apparu ultérieurement, une forme précoce de cette méthode ayant été développée vers 1859 étant basée sur la charge nécessaire pour produire une empreinte de 3,5 mm dans le matériau. La profondeur était mesurée avec un système à échelle graduée et la charge totale nécessaire pour atteindre 3,5 mm était appelée dureté. Le pénétrateur se composait d'un cône tronqué qui taraudait de 5 mm en haut à 1,25 mm au point. Cette méthode fonctionnait principalement avec les matériaux tendres. Une autre forme précoce d'essai par pénétration impliquait de presser les géométries à angle droit d'un même matériau les unes sur les autres et de mesurer l'empreinte obtenue. Différents formats ont évolué à partir de cette technique au début du XXe siècle, utilisant également la pénétration « réciproque » du matériau d'essai avec les axes longitudinaux pressés l'un sur l'autre à angles droits.
 

Essai de dureté Brinell


Le premier essai de dureté par pénétration largement accepté et normalisé a été proposé par J. A. Brinell en 1900. L'intérêt que Brinell portait à la science des matériaux est né lors de son implication dans plusieurs aciéries suédoises et de son désir de disposer d'un moyen cohérent et rapide pour déterminer la dureté d'un matériau. L'essai de dureté de Brinell, toujours largement utilisé aujourd'hui, consiste à pénétrer la surface du métal avec une bille de 1 à 10 mm de diamètre en acier et, plus récemment, en carbure de tungstène sous forte charge jusqu'à 3 000 kg. Le diamètre de l'empreinte obtenue est mesuré avec un microscope à faible puissance une fois la charge retirée. La moyenne de deux lectures du diamètre de l'empreinte à angles droits est établie et mathématiquement calculée sous forme de valeur de dureté. L'essai de Brinell a principalement introduit la phase de production de l'essai de dureté par pénétration et ouvert la voie à des essais supplémentaires de cette nature mieux adaptés aux types de matériaux.
 

Testeur de dureté scléroscope


À peu près à l'époque où l'essai de Brinell se développait, le duromètre scléroscopique faisait son apparition comme l'un des premiers instruments d'essai de dureté le laissant pas de marque. Albert F. Shore, qui a fondé la Shore Instrument Manufacturing Company à New York, et dont le nom est désormais synonyme d'essai au duromètre, a conçu le scléroscope comme une alternative à l'essai de dureté. Le scléroscope utilisait un « marteau » à tête en diamant, maintenu dans un tube à façade en verre, qui tombait d'une hauteur de 10 pouces sur un échantillon d'essai. Le rebond du marteau était mesuré sur une échelle graduée en unités de « Shore », chacune étant divisée en 100 parts offrant une comparaison avec le rebond pouvant être attendu d'un acier trempé au carbone. La valeur de dureté correspond techniquement à l'élasticité du matériau. L'un des avantages notables du scléroscope était sa nature « non destructive », en ce sens que contrairement aux autres méthodes d'essai de dureté de l'époque, un scléroscope ne laissait qu'une légère marque sur le matériau objet de l'essai, le laissant probablement utilisable après évaluation.

Au cours du déroulement du 20e siècle qui a enduré deux guerres mondiales parallèlement à l'épanouissement de la révolution industrielle, des demandes accrues du secteur industriel et l'industrialisation globale ont suscité une demande urgente pour des méthodes d'essai plus raffinées et efficaces, donnant lieu au développement de nouvelles techniques. 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.
 

Essais de dureté Vickers


L'essai de dureté Vickers a été développé en 1924 comme une alternative à l'essai Brinell, par deux messieurs, Smith et Sandland, chez Vickers Ltd, un conglomérat technique britannique. L'essai a été mis au point en réaction à la demande pour un essai plus affiné dépassant les limitations sur lesquelles le Brinell était efficace. L'essai Vickers utilise le même principe que le Brinell, soit une empreinte régulée sur le matériau, mais avec un pénétrateur diamant en forme de pyramide à la place de la bille de Brinell. L'essai ainsi créé était plus homogène et polyvalent. Ultérieurement, en 1939, une alternative à l'essai Vickers a été introduite par Fredrick Knoop auprès de l'agence nationale de la normalisation américaine. L'essai Knoop utilisait un format moins profond et allongé de la pyramide diamant et était conçu pour des forces d'essai plus faibles que l'essai de dureté Vickers, autorisant des essais plus précis sur des matériaux friables ou minces. Les essais Vickers et Knoop demeurent des méthodes d'analyse de la dureté plébiscitées à ce jour.
 

Essais de dureté Rockwell


Bien qu'il ait été conçu dans l'idée d'un professeur viennois, Paul Ludwik, en 1908, l'essai par pénétration Rockwell n'a atteint une envergure commerciale que vers 1914 lorsque les frères Stanley et Hugh Rockwell, travaillant dans une société industrielle de Bristol, au Connecticut, développèrent l'idée en utilisant un essai avec un pénétrateur en forme de diamant conique basé sur le déplacement et demandèrent un brevet pour un modèle de testeur Rockwell. Le principal critère pour ce testeur était de fournir une méthode rapide de détermination des effets d'un traitement thermique sur des chemins de roulement en acier. L'un des points fort de Rockwell était la petite surface de pénétration nécessaire. Il est également beaucoup plus facile à utiliser car les résultats sont directs, sans calcul ni mesures secondaires. La demande de brevet fut acceptée le 11 février 1919 et un brevet fut ensuite accordé en 1924 pour une amélioration du concept. Simultanément, Stanley Rockwell commençait la production commerciale des testeurs Rockwell en collaboration avec le fabricant d'instruments Charles H. Wilson à Hartford, Connecticut. La société évolua pour devenir la Wilson Mechanical Instrument Company et fut connue comme le premier fabricant de testeurs Rockwell. Après des changements de propriétaire à la fin des années 1900, Wilson fut acquise en 1993 par Instron, un leader mondial de l'industrie des essai de matériaux et fait aujourd'hui partie intégrante d'Instron/ Illinois Tool Works. Désormais sous le nom de Wilson Hardness, le savoir-faire combiné d'Instron/ Wilson, associé aux acquisitions qui suivirent de Wolpert Hardness et Reicherter Hardness, ont mené à la conception et à la production de système de dureté à la pointe de la technologie. L'essai Rockwell demeure l'un des essais de dureté les plus efficaces et des plus couramment utilisés.
 

Test de dureté - Aujourd'hui et demain


La technologie de l'essai de dureté est restée assez cohérente du milieu jusqu'à la fin des années 1900, la plupart des systèmes utilisant généralement la méthode du poids mort pour appliquer les forces d'essai. Bien que la technique du poids mort soit assez simple, fiable et largement acceptée, cette méthode n'est pas sans ambiguïtés. Une production lourde en main d'œuvre, associée aux complexités générées par un système hautement mécanique dépendant de leviers, pivots et guides suscita le besoin d'un développement plus avancé et il devint clair que d'autres formes de régulation de la force, récemment développés et utilisés dans l'instrumentation de mesure pourraient être appliqués également à l'essai de dureté. Eu égard à la demande croissante de productivité, d'exactitude, de fonctions utilisateur et de répétabilité en circuit fermé, la technologie de la cellule de charge devint un facteur dans le domaine de l'essai de dureté. Dans les années 1950, Instron, au Massachusetts, fut le premier à utiliser les systèmes en circuit fermé sur les instruments d'essai de traction. Les systèmes en circuit fermé diffèrent des système en circuit ouvert (poids mort) en ce sens qu'ils disposent des moyens électroniques pour mesurer la force appliquée lors de chaque essai et de retransmettre (ou boucler) les informations au système de contrôle. Le système de contrôle est conçu pour utiliser le retour d'information afin d'ajuster les mécanismes d'application de la force, de sorte qu'ils appliquent la force voulue avec un taux d'exactitude extrême. Ces systèmes fonctionnent si bien qu'aujourd'hui tous les instruments de traction/compression électroniques utilisent exclusivement le contrôle en circuit fermé. Grâce au rapprochement d'Instron et de Wilson, la capacité d'adaptation efficace du circuit fermé aux duromètres a conduit au développement de systèmes offrant une répétabilité jamais atteinte auparavant. Au début des années 1990, cette technologie a été introduite en premier lieu dans les duromètres Rockwell et ultérieurement dans les systèmes Knoop/ Vickers et Brinell. Le circuit fermé a rapidement pris de l'essor comme moyen d'obtenir des résultats d'essais de dureté extrêmement précis et reproductibles. Cette technologie est actuellement plébiscitée et largement utilisée.

Aujourd'hui, grâce aux améliorations considérables des dernières années en termes d'instrumentation d'essai de dureté, de matériel informatique, d'électronique, d'algorithmes d'imagerie et de capacités logicielles, une porte s'est ouverte sur des processus d'essai extrêmement précis et fiables qui produisent des résultats plus rapidement que jamais, souvent en mode automatisé. Ces composants et techniques ont fait la preuve des avantages qu'ils présentent pour améliorer l'efficacité, la rapidité et l'exactitude à des niveaux inégalés. Au cours des quelques dernières années et sans aucun doute davantage à l'avenir, de plus en plus de processus d'essai manuels ont et continueront à céder rapidement la place à l'automatisation dans tous leurs aspects. De nouvelles techniques de préparation et de manipulation des matériaux, de fixation de montage, de mouvement des platines, d'analyse et même de rapports ont désormais été introduites dans l'industrie de l'essai de dureté. Toujours plus de technologie d'automatisation est en cours d'intégration dans de nombreux systèmes de dureté, utilisant la platine transversale et l'analyse d'image des empreintes Knoop, Vickers et Brinell. Un système d'essai de dureté automatique se compose généralement d'un testeur entièrement contrôlable, incluant une tourelle à rotation ou pivotement automatique, ainsi que l'actionnement sur l'axe Z depuis le logement de la tête/du pénétrateur ou depuis un système d'axe entraîné, utilisé pour appliquer l'empreinte selon une force prédéterminée comme pour faire automatiquement la mise au point sur l'échantillon. Ajoutez à cela un ordinateur standard équipé d'un logiciel de dureté spécialisé, une platine motorisée traversant automatiquement XY, et d'une caméra vidéo USB, et vous aurez un puissant système d'essai de dureté entièrement automatique. Ces systèmes peuvent créer, mesurer et produire un rapport sans surveillance d'un nombre pratiquement illimité d'empreintes transversales. Cette technologie plus récente élimine la plupart des matériels qui posaient des problèmes de fonctionnement et encombraient l'espace de travail par le passé.

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. Au fil des ans, la mise en œuvre de moyens toujours plus productifs et efficaces d'essai d'essais en affinant les concepts conventionnels a cédé la place à de nouvelles méthodes de pointe qui exécutent et interprètent les essais de dureté plus efficacement que jamais. Le résultat est une capacité et une dépendance accrues à laisser l'instrument exécuter la tâche, contribuant à une augmentation considérable du rendement et de la cohérence. Les essais de dureté ont par conséquent continué à être 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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