En apprendre un peu plus sur les essais de dureté

Notions générales:

- Propriété qui n’est pas si simple
- Caractérise la résistance à la déformation
- Relation avec la résistance mécanique dans une certaine mesure et avec précaution
- Essais semi-destructifs
- Le caractère conventionnel des mesures oblige pour conserver la reproductibilité et la fidélité de suivre des modes opératoires très précis.

Les différents types de dureté:

Les essais Sclérométriques ou par rayure
(Échelle de MOHS en 1820: Diamant: 10 --> Talc: 1)

Les essais par rebondissement
(Masse échantillon > 1000 fois celle du marteau)

Les essais par pénétration
(Pénétrateurs de formes variées, charge constante)

Les méthodes indirectes
(Magnétiques: bruit Barkhausen, Ultrasons)

Les essais par pénétration:

Dureté BRINELL (HBW)
Dureté VICKERS (HV)
Dureté ROCKWELL (HRC, HRBW, HRA, HRN,..)
Autres (SHORE, KNOOP,..)

La dureté BRINELL:

Bille en carbure de Tungstène (D: 1 - 2,5 - 5 et 10 mm)

Mesure du diamètre de l'empreinte laissée par le pénétrateur (bille) sous une charge et un temps donné.

Charge choisie de manière à respecter les équivalences suivantes:

pour les aciers
pour les alliages de Cuivre et Aluminium à l’état trempé
pour les alliages de Cuivre et Aluminium

Pour l’acier

D: mm	1	2,5	5	10
F: kgf	30	187,5	750	3000

Plage de dureté recommandée comprise entre 15,9 et 650 HBW

La valeur de dureté est donnée par la formule suivante:

avec d = moyenne des diagonales de l'empreinte à 90°

D = diamètre de la bille en Tungstène

1: pénétrateur bille

2: pièce d'essai

d=D.sinß

Rappel:

On remarque que si on prend une charge et une bille non standardisées, il est nécessaire de produire une empreinte similaire de telle sorte que:

si ß = 90°, d=D et la bille s'est enfoncée d'une profondeur égale à son rayon.

Pour l'acier: K = 30 et donc HBW = 19,1.

Selon l'ASTM E10: pour le rapport 3000/10² = 30, la plage recommandée est de 95,5 HBW = 5 x 19,1 à 650 HBW (facteur de sécurité = 5)

Pour les alliages de Cuivre: K = 5 et donc HBW = 3,18.

Selon l'ASTM E10: pour le rapport 125/5² = 5, la plage recommandée est de 15,9 HBW = 5 x 3,18 à 109 HBW (facteur de sécurité = 5)

Pour une plage recommandée variant de 95,5 à 650 HBW et pour K = 30 par exemple, les angles respectifs sont de ß = 36,9° et 13,9°.

Ces angles sont valables quel que soit la dureté Brinell.

On sait que d=D.sinß et d doit être compris entre 24 et 60% de D donc:

Les exigences de la taille de l’empreinte et des plages recommandées sont bien équivalentes.

Quelques relations utiles:

e: profondeur de l'empreinte

La dureté VICKERS:

Diamant pyramidale à base carrée d’angle au sommet 136°
Plage des charges: quelques nanogrammes à 100 kgf
La valeur de dureté est donnée par la formule suivante:

d: moyenne des diagonales à 90°de l’empreinte

1: pénétrateur VICKERS

2: pièce d'essai

Contrairement à ce que l’on pourrait logiquement penser, les diagonales que l’on mesure ont un angle de 148° et non pas de 136°.

Si nous exprimons d en fonction de h et de Θ:

Si nous exprimons HV en fonction de d, il advient:

Ce rapport constant entre d et h ne fonctionne que pour les aciers doux (pas de retour élastique ni de relaxation).

L’aire projetée de l’empreinte est:

On peut donc écrire que: Ap = 24,5.h²
L'aire projetée est utilisée en nanodureté pour estimer le module de Young d'un matériau.

La dureté ROCKWELL:

Diamant conique d’angle au sommet 120° (HRC)
Rayon de la pointe: 0,2 mm
Bille en carbure de Tungstène (HRBW) de diamètre de 1,5885; 3,175; 6,35 et 12,7 mm,
La valeur de dureté est donnée par la formule suivante:

1: pénétrateur ROCKWELL

2: pièce d'essai

Soit deux mesures de duretés distinctes de valeurs respectives: HRC1 et HRC2:

Formules très simples pour déterminer la profondeur rémanente en µm.

Les principales normes les plus utilisées:

BRINELL
ISO 6506-1: Matériaux métalliques - Essai de dureté Brinell - Partie 1 : méthode d'essai
ISO 6506-2: Matériaux métalliques - Essai de dureté Brinell - Partie 2 : vérification et étalonnage des machines d'essai
ISO 6506-3: Matériaux métalliques - Essai de dureté Brinell - Partie 3 : étalonnage des blocs de référence
ISO 6506-4: Matériaux métalliques - Essai de dureté Brinell - Partie 4 : tableaux des valeurs de dureté
ASTM E 10: Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials

VICKERS
ISO 6507-1: Matériaux métalliques - Essai de dureté Vickers - Partie 1 : méthode d'essai (en projet)
ISO 6507-2: Matériaux métalliques - Essai de dureté Vickers - Partie 2 : vérification et étalonnage des machines d'essai (en projet)
ISO 6507-3: Matériaux métalliques - Essai de dureté Vickers - Partie 3 : étalonnage des blocs de référence (en projet)
ISO 6507-4: Matériaux métalliques - Essai de dureté Vickers - Partie 4 : tableaux des valeurs de dureté (en projet)
ASTM E92: Standard Test Methods for Vickers Hardness and Knoop Hardness of Metallic Materials
ASTM E 384: Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials

ROCKWELL
ISO 6508-1: Matériaux métalliques - Essai de dureté Rockwell - Partie 1 : méthode d'essai (échelles A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)
ISO 6508-2: Matériaux métalliques - Essai de dureté Rockwell - Partie 2 : vérification et étalonnage des machines d'essai (échelles A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)
ISO 6508-3: Matériaux métalliques - Essai de dureté Rockwell - Partie 3 : étalonnage des blocs de référence (échelles A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)
ASTM E 18: Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials

Normes de conversion:

ASTM E 140: Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship Among Brinell Hardness, Vickers Hardness, Rockwell Hardness, Superficial Hardness, Knoop Hardness, and Scleroscope Hardness
ISO 18265 : Matériaux métalliques - Conversion des valeurs de dureté

Formules de conversion:

Brinell:

Cette formule ne marche que pour les aciers au carbone, si HBW = 180, alors la résistance mécanique ~606 MPa (valeur tableau: 610 MPa).

Vickers:

Cette formule ne marche que pour les aciers au carbone, si HV = 180, alors la résistance mécanique ~606 MPa (valeur tableau: 610 MPa).

Rockwell:

Cette formule ne marche que pour les aciers au carbone, si HRC = 38, alors la résistance mécanique ~1242 MPa (valeur tableau: 1240 MPa).