Essais de dureté Rockwell

Essais de dureté Rockwell

Figure 23.4 Schematic of the Rockwell indentation process using a diamond brale Indenter
Les méthodes d'essai de dureté Rockwell sont définies dans les normes suivantes : ASTM E18 Métaux, ISO 6508 Métaux et ASTM D785 Plastiques. Il est recommandé aux opérateurs de disposer d'un exemplaire à jour des normes applicables car elles font régulièrement l'objet de révisions. L'essai de dureté Rockwell repose sur la mesure de la différence de profondeur de pénétration sous une charge lourde (majeure) par rapport à une charge préliminaire (mineure). L'essai se déroule dans l'ordre suivant comme illustré par la Figure 23.4 à droite :
  • Application de la charge mineure. Enregistrement d'un point « zéro » (position d'origine).
  • Application progressive de la charge jusqu'à atteindre la valeur de la charge majeure. La position de pénétration maximale est enregistrée.
  • Dégagement de la charge jusqu'à atteindre la valeur de la charge mineure.
La valeur Rockwell qui en résulte correspond à la différence de profondeur par rapport à la position de référence suite à l'application de la charge majeure. La procédure dans sa totalité ne nécessite que quelques secondes (jusqu'à 15 pour les plastiques). Le principal avantage de l'essai Rockwell réside dans le fait que les résultats sont obtenus rapidement et directement, sans qu'une seconde mesure dimensionnelle ne soit nécessaire.

Il existe deux types d'essais Rockwell (Tableau 23.1) :
  1. Dureté Rockwell : la charge mineure est de 10 kgf et la charge majeure, de 60, 100 ou 150 kgf.
  2. Dureté Rockwell superficielle : la charge mineure est de 3 kgf et la charge majeure, de 15, 30 ou 45 kgf.
Tableau 23.1 : Quelques échelles courantes utilisées dans les essais de dureté Rockwell et Rockwell superficielle
Échelle Charge mineure (kg) Charge majeure (kg) Pénétrateur
HRA 10 60 Diamant
HRB 10 100 Bille de 1/16 po
HRC 10 150 Diamant
HR15N 3 15 Diamond
HR30N 3 30 Diamant
HR45N 3 45 Diamant
Dans les deux essais, le pénétrateur peut être soit un cône en diamant, soit une bille en carbure de tungstène, selon les propriétés du matériau à évaluer. La dureté Rockwell est exprimée sous forme d’une valeur numérique associée à un symbole d'échelle correspondant au pénétrateur utilisé et aux charges mineure et majeure. La valeur de dureté est suivie du symbole HR et de la désignation de l'échelle.

Le type de pénétrateur le plus courant est un cône en diamant rectifié de 120 degrés d'angle au sommet. Il permet de tester les aciers trempés et carbures. Les matériaux plus tendres sont généralement testés avec des billes en carbure de tungstène de 1/16 po à 1/2 po de diamètre. L'échelle Rockwell désigne le pénétrateur utilisé et la charge d'essai appliquée. Il existe 30 combinaisons et, donc, 30 échelles différentes. Le résultat de l'essai de dureté est donné sous forme d’une valeur réelle de dureté suivie des lettres HR et de l'échelle utilisée. 63HRC signifie ainsi une dureté de 63 selon l'échelle Rockwell C.

Des valeurs supérieures sont caractéristiques de matériaux plus durs comme l'acier trempé ou le carbure de tungstène. Elles peuvent parfois dépasser 70HRC. Les charges peuvent être appliquées au moyen d'une cellule de force ou d'un système traditionnel à « masses mortes ».

Facteurs affectant l'exactitude et la précision et biais pour les essais de dureté Rockwell

Figuere 23.5. GR&R results of various Rockwell testers
Parmi les principaux facteurs susceptibles d'altérer la précision et la fiabilité des résultats d'essai de dureté Rockwell figure la machine elle-même. La variabilité des résultats d'essai est la somme de la variabilité due à l'équipement et de celle due à l'opérateur et aux conditions environnementales. Des essais de répétabilité et reproductibilité des instruments de mesure (R&R) peuvent permettre d'évaluer la variabilité de la machine par rapport aux tolérances du process. Une variabilité élevée (ou une tolérance étroite du process) induit une valeur de R&R élevée. Un essai R&R effectué sur les différents équipements utilisés pour le même process permet à l'utilisateur de comparer directement les valeurs de variabilité intrinsèque des machines (plus la valeur R&R est faible, plus les performances de l'équipement sont élevées), cf. Figure 23.5. Des recherches ont montré [39] que des systèmes à cellule de force en boucle fermée, ainsi que d'autres caractéristiques de conception et de qualité de la construction, peuvent nettement améliorer les performances des équipements.

L'essai Rockwell est généralement considéré comme l'une des méthodes d'essai les plus simples. Elle est en effet très rapide et fournit des résultats d'une grande exactitude. Il est toutefois essentiel que la machine soit en bon état et correctement réglée et que l'échantillon soit correctement installé pour garantir des résultats exacts et constants. De nombreux facteurs peuvent en effet fausser le résultat. Il est cependant possible de les éviter pour la plupart grâce à de bonnes pratiques d'étalonnage et d'entretien de la machine et d'exécution de l'essai.

Par exemple, un pénétrateur endommagé est l'une des sources d'erreurs les plus courantes. Les pénétrateurs en diamant sont extrêmement durs, mais aussi relativement cassants. Un choc important peut les endommager. Ce type de dommage (tout comme une usure excessive de la pointe) réduit la résistance à la pénétration et se traduit donc par une valeur de dureté supérieure à la valeur réelle. Une déformation de la bille du pénétrateur peut également induire des valeurs excessives.

Une flexion du système d'application de la charge est une autre source d'erreurs fréquente. Elle peut avoir de nombreuses causes et se traduit généralement par des valeurs de dureté Rockwell plus faibles que la valeur réelle. Si l'enclume est endommagée ou marquée, le moindre matériau en relief sur la surface aura tendance à absorber une flexion sous charge. De même, la présence d'impuretés ou de graisse dans la zone de contact entre l'enclume et la tige de montée/descente ou sur le mécanisme de montée/descente lui-même peut induire une flexion excessive et fausser ainsi la mesure de la dureté.

L'échantillon joue également un rôle important dans l'exactitude des résultats. Si les exigences de préparation de la surface sont moins élevées pour l'essai de dureté Rockwell par rapport aux méthodes optiques, il n'en demeure pas moins que plus la surface est en bon état, plus les résultats sont précis et reproductibles. La surface inférieure de l'échantillon doit par ailleurs être parfaitement en contact avec l'enclume ; aucune impureté ne doit interférer. L'échantillon doit toujours, par conséquent, être nettoyé avant l'essai. Il doit par ailleurs être maintenu fermement pendant l'essai pour éviter tout mouvement qui viendrait fausser le résultat. Un déplacement de 2 µm correspond en effet à 1 degré Rockwell. Des vibrations excessives dans l'environnement ou une table inadaptée peuvent causer des problèmes similaires.

En conclusion, si l'opérateur est correctement formé aux différentes techniques de bridage et d'essai, que les conditions environnementales sont favorables et que les équipements font l'objet d'un entretien et d'une maintenance réguliers, la plupart des problèmes décrits ci-dessus peuvent être évités.

Pour plus d'informations sur les essais de dureté, consultez le Guide SumMet de Buehler.