Essais de dureté des métaux : Essais Rockwell, Brinell, Vickers, Knoop et Leep

En science et en ingénierie des matériaux, les essais de dureté sont essentiels pour évaluer la résistance d’un matériau à la déformation, qui a un impact direct sur sa durabilité, sa résistance à l’usure et ses performances dans diverses applications. Comprendre ce qu’est la dureté d’un matériau est crucial pour déterminer l’adéquation de ce matériau à des tâches spécifiques.

Les essais de dureté les plus fréquemment cités dans les fiches techniques de matériaux sont les essais de Rockwell, Brinell et Vickers, l’essai de Rockwell étant le plus répandu en raison de son processus rapide et simple, en particulier dans les environnements industriels. Les essais de dureté de Leeb et de Knoop ont des usages spécialisés et sont moins fréquemment cités dans les fiches techniques standards des matériaux en raison de leurs applications spécifiques et de leurs environnements de test.

Comparaison des méthodes d’essai de dureté

Vous trouverez ci-dessous un tableau de référence rapide comparant les différentes méthodes d’essai de dureté en termes de matériaux appropriés, d’avantages et d’inconvénients, d’applications, de plage de charge, de type d’indentation et de normes applicables.

Tableau de conversion des essais de dureté

Les valeurs ci-dessous sont estimées sur la base de références de conversion largement acceptées telles que ASTM E140, qui fournit des directives pour convertir les indices de dureté entre différentes échelles telles que Rockwell, Brinell et Vickers. Les valeurs exactes peuvent légèrement varier en fonction du matériau et des conditions spécifiques de l’essai. Si un chiffre tombe entre deux indices de dureté, il vous suffit d’interpoler les résultats pour obtenir une estimation.

Un tableau de conversion est particulièrement utile pour fournir une méthode standardisée de comparaison des résultats de différents tests, assurant la cohérence entre différentes méthodes de test et différentes industries (les données fournies ci-dessous sont approximatives).

Sélection de la meilleure méthode d’essai de dureté pour votre application

Le tableau suivant fournit un aperçu des différents matériaux, y compris des métaux, ainsi que des différentes méthodes d’essai de dureté pour chacun. Le tableau classifie les matériaux en fonction de leur capacité à subir des essais de dureté spécifiques, tels que les essais de Rockwell, Brinell, Vickers, et d’autres. 

Ce résumé concis facilite le choix de la méthode d’essai appropriée pour différents matériaux, garantissant des mesures précises et fiables.

Bien que ce tableau ne présente que les essais de dureté des métaux, les polymères et les élastomères peuvent également être testés à l’aide de méthodes d’essai légèrement différentes (par ex., la dureté Shore).

Essai de dureté Rockwell

L’essai de dureté Rockwell est une méthode largement utilisée pour déterminer la dureté des matériaux, en particulier dans les environnements de test à gros volume, en raison de sa rapidité, de sa simplicité et de son efficacité. Il fournit des lectures directes de dureté sans nécessiter de calculs supplémentaires, ce qui le rend idéal pour les contrôles qualité de routine. 

L’essai Rockwell est particulièrement adapté aux matériaux plus durs comme les aciers et les alliages, où les indentations plus petites et la précision de la mesure de la profondeur d’indentation donnent des résultats fiables. Il nécessite également moins de compétences de la part de l’opérateur et réduit la probabilité d’erreur humaine par rapport à d’autres méthodes, telles que Brinell, ce qui en fait un choix privilégié dans les environnements de production où vitesse et facilité d’utilisation sont des facteurs essentiels.

Échelles de dureté Rockwell

Méthodologie Rockwell

L’essai de dureté Rockwell consiste à appliquer une séquence de charges sur le matériau et à mesurer la profondeur de l’indentation résultante, qui donne une indication de la dureté du matériau. Voici une description étape par étape du processus :

1. Appliquez une charge préliminaire
   • Commencez par appliquer une charge mineure de 10 kgf sur le matériau.
   • Cette charge initiale aide à établir une base de départ cohérente et élimine les irrégularités de surface.
2. Stabilisez la charge
   • Laissez la charge mineure se stabiliser, en vous assurant que le pénétrateur est correctement positionné sur le matériau.
3. Appliquez une charge majeure
   • Une fois que la charge mineure est stable, appliquez la charge majeure.
   • La charge majeure peut varier de 60 à 150 kgf, selon l’échelle Rockwell spécifique utilisée.
   • Cette charge crée une indentation plus profonde dans le matériau.
4. Maintenez la charge
   • Maintenez la charge majeure pendant une durée prédéterminée.
   • Cela permet au matériau de réagir pleinement à la force appliquée.
5. Retirez la charge majeure
   • Une fois le temps requis écoulé, retirez la charge majeure tout en maintenant en place la charge mineure.
6. Mesurez l’indentation
   • Mesurez la profondeur de l’indentation finale par rapport à la position initiale de la charge mineure.
   • La mesure est enregistrée en unités de 0,002 mm.

L’indice de dureté Rockwell, calculé automatiquement par la machine de test, reflète cette profondeur—des valeurs plus élevées indiquent des matériaux plus durs avec des indentations plus profondes, tandis que des valeurs plus basses correspondent à des matériaux plus mous avec des indentations plus profondes.

Dépannage

• Étalonnage : Assurez-vous que la surface de test est propre, lisse et exempte de revêtements ou de contaminants pouvant affecter l’indentation.
• Calibration: Étalonnez régulièrement le testeur et vérifiez s’il existe un problème mécanique quelconque avec le pénétrateur ou le système de chargement.
• Chargement adéquat : Vérifiez que les charges préliminaire et principale sont appliquées de manière adaptée, en évitant une force excessive qui peut causer des dommages à la surface ou un sous-chargement qui conduit à des lectures inexactes.

Essai de dureté Brinell

L’essai de dureté Brinell est idéal pour mesurer la dureté des métaux à grain grossier ou non homogène, tels que la fonte et les métaux plus mous comme les alliages d’aluminium. Il mesure le diamètre d’une indentation plus grande, ce qui donne une moyenne des variations de la microstructure du matériau, fournissant une valeur de dureté plus représentative pour les matériaux aux propriétés non uniformes.

L’essai Brinell est particulièrement utile pour tester les matériaux plus mous ou lorsqu’une zone d’indentation plus grande est nécessaire pour l’analyse. Au contraire, l’essai Rockwell est mieux adapté aux matériaux plus durs et aux scénarios nécessitant des lectures rapides et directes, mais peut être moins précis pour les matériaux à microstructures variables.

Échelles de dureté Brinell

Méthodologie

L’essai de dureté Brinell mesure la dureté des matériaux en déterminant le diamètre d’une indentation faite par une bille en acier trempé ou en carbure sous une charge spécifique. Une charge, généralement comprise entre 500 et 3000 kgf, est appliquée à la surface du matériau pendant 10 à 15 secondes, permettant à la bille de pénétrer et de créer une indentation.

Après avoir retiré la charge, le diamètre de l’indentation est mesuré à l’aide d’un microscope. L’indice de dureté Brinell est calculé en fonction de la charge appliquée et de la surface de l’indentation, des diamètres plus grands indiquant des matériaux plus mous et des diamètres plus petits indiquant des matériaux plus durs.

Dépannage

• Application de la force adéquate : Assurez-vous que la force adéquate est appliquée sur le matériau testé, car une force trop importante ou trop faible peut entraîner des formes d’indentation incorrectes.
• Homogénéité du matériau : Vérifiez l’uniformité du matériau ; des matériaux inhomogènes peuvent entraîner des indentations irrégulières.
• Mesure précise : Utilisez un grossissement et un éclairage appropriés pour mesurer avec précision le diamètre de l’indentation, et évitez les erreurs de parallaxe en vous assurant que la mesure est prise directement au-dessus de l’indentation.

Essai de dureté Vickers

L’essai de dureté Vickers est une méthode polyvalente et précise adaptée à un large éventail de matériaux, des métaux mous aux céramiques dures, et est particulièrement précieux pour les essais de microdureté nécessitant des mesures précises et faibles. Cet essai utilise un pénétrateur pyramidal en diamant, qui crée une indentation constante quelle que soit la dureté du matériau, ce qui garantit des résultats très précis.

Contrairement à l’essai Brinell, adapté aux matériaux à grains grossiers, ou à l’essai Rockwell, idéal pour les essais rapides à gros volume, la méthode Vickers excelle dans les tests de très petits ou de très fins échantillons et fournit des données détaillées sur la microdureté. Cela le rend particulièrement utile dans les domaines de la recherche, de la science des matériaux et pour les applications nécessitant des détails fins et de la précision.

Échelles de dureté Vickers

Le test HV (Vickers Hardness Number, ou indice de dureté Vickers en français) peut être effectué sous des charges allant de 1 gf à 100 kgf. La polyvalence de la plage de charge lui permet d’être utilisé aussi bien pour les essais de microdureté que pour ceux de macrodureté.

Méthodologie

L’essai de dureté Vickers mesure la dureté des matériaux en déterminant la taille d’une indentation faite par un pénétrateur en forme de pyramide de diamant sous une charge spécifique. Une charge allant de 1 gf à 100 kgf est appliquée à la surface du matériau, créant une indentation à la forme carrée. Après avoir retiré la charge, les diagonales de l’indentation sont mesurées à l’aide d’un microscope.

Le HV est calculé en fonction de la charge appliquée et de la surface de l’indentation. Des indentations plus petites indiquent des matériaux plus durs, tandis que des indentations plus grandes indiquent des matériaux plus mous, le test étant particulièrement utile pour des mesures de dureté précises sur une large gamme de matériaux.

Essai de dureté Knoop

L’essai de dureté Knoop est un test de microdureté conçu pour les matériaux fragiles tels que les céramiques et le verre, ainsi que pour les sections métalliques fines ou petites. Il utilise un pénétrateur en forme de diamant allongé pour créer une indentation peu profonde et étroite, idéale pour mesurer la dureté sur des couches minces ou des revêtements à l’échelle microscopique sans causer de dommages excessifs.

L’essai Knoop est particulièrement adapté aux matériaux très fragiles ou aux applications nécessitant des mesures de dureté précises dans de petites zones, comme les sections transversales des revêtements, les microstructures ou les films très fins, où des indentations plus profondes du test Vickers pourraient provoquer des fissures ou des fractures.

Échelles de dureté Knoop

Les essais d’indice de dureté Knoop (HK) peuvent être effectués avec des charges allant de 10 gf à 1 000 gf, ce qui permet une analyse détaillée de la dureté des matériaux fragiles et des revêtements minces.

Méthodologie

L’essai Knoop mesure la dureté des matériaux en déterminant la longueur d’une indentation faite par un pénétrateur en forme de diamant allongé sous une charge légère. La charge, généralement comprise entre 10 gf et 1000 gf, est appliquée à la surface du matériau, créant une petite indentation allongée. Après le retrait de la charge, la longueur de la diagonale longue de l’indentation est mesurée à l’aide d’un microscope. 

L’indice de dureté Knoop (HK) est calculé en fonction de la charge et de la surface de l’indentation, les indentations plus longues indiquant des matériaux plus doux et les indentations plus courtes indiquant des matériaux plus durs. Ce test est particulièrement adapté aux matériaux fragiles et aux revêtements minces.

Dépannage

• Alignement du pénétrateur : Vérifiez que le pénétrateur est correctement aligné avec la surface de test pour éviter des indentations décalées ou excentrées.
• Grossissement élevé : Utilisez un grossissement élevé pour mesurer les petites indentations, en particulier pour les essais Knoop, afin de garantir une mesure précise.
• Chargement constant : Assurez-vous que le processus de chargement est graduel et constant pour éviter des variations de la taille de l’indentation et des lectures de dureté.

Essai de dureté Leeb

L’essai de dureté Leeb, également connu sous le nom d’essai de dureté par rebond, mesure la dureté en analysant le rebond d’un pénétrateur, plutôt que la taille d’une indentation. L’essai Leeb est portable et idéal pour les essais sur site de composants volumineux et lourds, offrant une méthode non destructive qui cause des dommages minimes aux pièces finies et aux revêtements.

L’essai Leeb est polyvalent, car il s’adapte à différents matériaux et niveaux de dureté avec différentes sondes et énergies d’impact. L’essai Leeb fournit des lectures de dureté rapides et directes avec un minimum de configuration et de compétences de l’opérateur, ce qui le rend efficace pour les applications nécessitant de la rapidité, une grande facilité d’utilisation et des capacités de test sur le terrain.

Types de sonde

Les essais d’indice de dureté Leeb (HL) peuvent être effectués avec différentes énergies d’impact, généralement allant de 5,5 mJ (sonde de type D) à 74,5 mJ (sonde de type G) selon la sonde utilisée.

Méthodologie

L’essai de dureté Leeb mesure la dureté des matériaux en déterminant la vitesse de rebond d’une bille en carbure de tungstène après son impact sur la surface du matériau sous une énergie d’impact spécifique. L’essai utilise généralement une sonde qui délivre une énergie d’impact allant de 9,8 mJ à 74,5 mJ, selon le type de sonde.

Après que la bille a frappé le matériau, la vitesse de rebond est mesurée, et HL est calculé en fonction du rapport vitesse de rebond sur vitesse d’impact. Une vitesse de rebond plus élevée indique un matériau plus dur, tandis qu’une vitesse de rebond plus faible indique un matériau plus mou. Ce test est portable, et idéal pour tester des composants volumineux et lourds sur site.

Dépannage

• Sélection de la sonde : Choisissez le type de sonde et l’énergie d’impact adéquats au matériau testé pour garantir des résultats précis.
• Préparation de la surface : La surface devrait être lisse et exempte de débris ; des surfaces rugueuses ou sales peuvent entraîner une perte d’énergie lors de l’impact, ce qui peut conduire à des lectures inexactes.
• Angle d’impact : Assurez-vous que l’impact est perpendiculaire à la surface pour éviter des résultats biaisés.

Garantir l’exactitude et la fiabilité des résultats des essais de dureté

Pour garantir des valeurs de dureté précises et fiables lors des essais, tenez compte des conseils généraux suivants :

• Préparation de l’échantillon : Assurez-vous que la surface de l’échantillon est correctement préparée, exempte de contaminants et présente une surface lisse et plane. Des conditions de surface inconstantes peuvent conduire à des mesures inexactes.
• Application d’une charge adéquate : Vérifiez que la charge sélectionnée est adaptée au matériau testé. L’utilisation de charges non adaptées peut conduire à des indentations trop superficielles ou trop profondes, entraînant des résultats erronés.
• Étalonnage correct : Étalonnez régulièrement la machine d’essai de dureté avec des matériaux de référence certifiés. L’étalonnage permet de maintenir l’exactitude des mesures au fil du temps.
• État du pénétrateur : Inspectez régulièrement le pénétrateur pour détecter tout signe d’usure. Un pénétrateur usé ou endommagé peut produire des résultats incohérents et doit être remplacé immédiatement.
• Alignement : Assurez-vous que le pénétrateur est correctement aligné avec l’échantillon. Un mauvais alignement peut entraîner une distribution inégale de la pression, conduisant à des résultats biaisés.
• Conditions environnementales : Contrôlez l’environnement de test, en particulier la température et l’humidité, car elles peuvent influencer les propriétés du matériau et les résultats des essais.
• Éviter les vibrations : Placez le testeur de dureté sur une surface stable de manière à éviter les vibrations, qui peuvent interférer avec le processus d’indentation et affecter la précision des mesures.
• Temps d’indentation constant : Respectez le temps d’indentation recommandé pour chaque essai de dureté. Des variations de temps peuvent modifier la taille de l’indentation et donc la valeur de dureté.

Résultats d’essai de dureté pour des performances de matériaux fiables

L’essai de dureté est une pratique fondamentale en science et en génie des matériaux, fournissant des informations cruciales sur la résistance d’un matériau à la déformation et sa durabilité générale. En comprenant les différences entre les différentes méthodes d’essai de dureté, vous pouvez sélectionner la méthode d’essai de dureté adaptée à un métal spécifique, ce qui vous permettra de choisir les matériaux de manière plus judicieuse et d’obtenir de meilleures performances dans les applications réelles.

Bookmark (0)

Close

Partager

Connexion

Label

Nom

Email

Label

Nom

Email

0 Commentaires

Commentaires en ligne

Afficher tous les commentaires