Qu’est-ce que la dureté et les types de tests de dureté ?

Qu’est-ce que la dureté d’un matériau ?

La dureté est la résistance d’un matériau à une déformation localisée. Le terme peut s’appliquer à la déformation due à l’indentation, aux rayures, à la coupe ou à la flexion. Dans les métaux, les céramiques et la plupart des polymères, la déformation considérée est une déformation plastique de la surface. Pour les élastomères et certains polymères, la dureté est définie à la résistance à la déformation élastique de la surface. L’absence d’une définition fondamentale indique que la dureté n’est pas une propriété de base d’un matériau, mais plutôt une propriété composite avec des contributions de la limite d’élasticité, de l’écrouissage, de la vraie résistance à la traction, du module et d’autres facteurs. Les mesures de dureté sont largement utilisées pour le contrôle qualité des matériaux car elles sont rapides et considérées comme des essais non destructifs lorsque les marques ou empreintes produites par l’essai se situent dans des zones à faible contrainte.

Il existe une grande variété de méthodes utilisées pour déterminer la dureté d’une substance. Quelques-unes des méthodes les plus courantes sont présentées ci-dessous.

Test de dureté de Mohs

L’un des plus anciens moyens de mesurer la dureté a été mis au point par le minéralogiste allemand Friedrich Mohs en 1812. Le test de dureté de Mohs consiste à observer si la surface d’un matériau est rayée par une substance de dureté connue ou définie. Pour donner des valeurs numériques à cette propriété physique, les minéraux sont classés selon l’échelle de Mohs, qui est composée de 10 minéraux auxquels des valeurs de dureté arbitraires ont été attribuées. Le test de dureté Mohs, tout en facilitant grandement l’identification des minéraux sur le terrain, n’est pas adapté pour mesurer avec précision la dureté des matériaux industriels tels que l’acier ou la céramique. Pour les matériaux d’ingénierie, une variété d’instruments ont été développés au fil des ans pour fournir une mesure précise de la dureté. Beaucoup appliquent une charge et mesurent la profondeur ou la taille de l’indentation résultante. La dureté peut être mesurée sur le macro-,à l’échelle micro ou nanométrique.

Essai de dureté Brinell

La plus ancienne des méthodes d’essai de dureté couramment utilisées sur les matériaux d’ingénierie aujourd’hui est l’essai de dureté Brinell. Le Dr JA Brinell a inventé le test Brinell en Suède en 1900. Le test Brinell utilise une machine de bureau pour appliquer une charge spécifiée à une sphère durcie d’un diamètre spécifié. Le nombre de dureté Brinell, ou simplement le nombre Brinell, est obtenu en divisant la charge utilisée, en kilogrammes, par la surface mesurée de l’empreinte, en millimètres carrés, laissée sur la surface d’essai. Le test Brinell est fréquemment utilisé pour déterminer la dureté des pièces forgées et coulées en métal qui ont des structures à gros grains. Le test Brinell fournit une mesure sur une zone assez grande qui est moins affectée par la structure des grains de ces matériaux que ne le sont les tests Rockwell ou Vickers.

Une large gamme de matériaux peut être testée à l’aide d’un test Brinell en faisant simplement varier la charge d’essai et la taille de la bille du pénétrateur. Aux États-Unis, les tests Brinell sont généralement effectués sur des pièces moulées en fer et en acier à l’aide d’une force d’essai de 3000 kg et d’une bille de 10 mm de diamètre. Une charge de 1 500 kilogrammes est généralement utilisée pour les pièces moulées en aluminium. Le cuivre, le laiton et les pièces minces sont fréquemment testés à l’aide d’une force d’essai de 500 kg et d’une bille de 10 ou 5 mm. En Europe, les tests Brinell sont effectués en utilisant une gamme beaucoup plus large de forces et de tailles de billes et il est courant d’effectuer des tests Brinell sur de petites pièces en utilisant une bille en carbure de 1 mm et une force de test aussi faible que 1 kg. Ces tests à faible charge sont communément appelés tests de bébé Brinell. Les conditions d’essai doivent être signalées avec le nombre de dureté Brinell.Une valeur rapportée comme « 60 HB 10/1500/30 » signifie qu’une dureté Brinell de 60 a été obtenue en utilisant une bille de 10 mm de diamètre avec une charge de 1 500 kilogrammes appliquée pendant 30 secondes.

Test de dureté Rockwell

Le test de dureté Rockwell utilise également une machine pour appliquer une charge spécifique, puis mesurer la profondeur de l’empreinte résultante. Le pénétrateur peut être soit une bille d’acier d’un diamètre spécifié, soit un cône sphérique à pointe de diamant d’un angle de 120 ° et d’un rayon de pointe de 0,2 mm, appelé brale. Une charge mineure de 10 kg est d’abord appliquée, ce qui provoque une petite pénétration initiale pour asseoir le pénétrateur et éliminer les effets de toute irrégularité de surface. Ensuite, le cadran est mis à zéro et la charge principale est appliquée. Lors du retrait de la charge principale, la lecture de la profondeur est prise alors que la charge mineure est toujours en marche. Le numéro de dureté peut alors être lu directement sur la balance. Le pénétrateur et la charge d’essai utilisés déterminent l’échelle de dureté utilisée (A, B, C, etc.).

Pour les matériaux tendres tels que les alliages de cuivre, l’acier doux et les alliages d’aluminium, une bille d’acier de 1/16 po de diamètre est utilisée avec une charge de 100 kilogrammes et la dureté est lue sur l’échelle « B ». Pour tester des matériaux plus durs, de la fonte dure et de nombreux alliages d’acier, un cône en diamant à 120 degrés est utilisé avec une charge allant jusqu’à 150 kilogrammes et la dureté est lue sur l’échelle « C ». Il existe plusieurs échelles Rockwell autres que les échelles « B » et « C » (qui sont appelées les échelles communes). Une valeur Rockwell correctement rapportée aura le numéro de dureté suivi de « HR » (Dureté Rockwell) et de la lettre de l’échelle. Par exemple, 50 HRB indique que le matériau a une dureté de 50 sur l’échelle B.

A – Carbures cémentés, acier mince et acier cémenté peu profond

B – Alliages de cuivre, aciers doux, alliages d’aluminium, fonte malléable, etc.

C – Acier, fontes dures, perlites, fonte malléable, titane, acier cémenté et autres matériaux plus durs que B 100

D – Acier fin et acier cémenté moyen et fonte malléable perlitique

E – Fonte, alliages d’aluminium et de magnésium, métaux porteurs

F – Alliages de cuivre recuits, tôles fines et tendres

G – Bronze phosphoreux, cuivre au béryllium, fontes malléables

H – Aluminium, zinc, plomb

K, L, M, P, R, S, V – Métaux de roulement et autres matériaux très mous ou minces, y compris les plastiques.

Test de dureté Vicker

Le test Vickers s’exécute en pressant une petite pyramide en diamant de géométrie connue dans un échantillon avec une charge connue (généralement des grammes ou des kilogrammes de force, oui, ceux-ci ont réellement une utilité), puis en mesurant l’empreinte résultante pour déterminer sa profondeur. Cette profondeur et cette force peuvent être intégrées dans une équation de dureté Vickers pour déterminer la dureté des matériaux. Dans les tests de dureté, plus l’indentation est petite, plus la surface d’un matériau est dure, comme indiqué dans le diagramme ci-dessous. Ici, l’échantillon A a une petite indentation par rapport aux échantillons B et C. Ainsi, l’échantillon A est le plus dur et l’échantillon C est le matériau le plus mou.

Test de dureté superficielle Rockwell

Le testeur de dureté superficielle Rockwell est utilisé pour tester des matériaux minces, des surfaces en acier légèrement carburées ou des pièces susceptibles de se plier ou de s’écraser dans les conditions du test normal. Ce testeur utilise les mêmes pénétrateurs que le testeur Rockwell standard mais les charges sont réduites. Une charge mineure de 3 kilogrammes est utilisée et la charge majeure est de 15 ou 45 kilogrammes selon le pénétrateur utilisé. À l’aide du pénétrateur à bille d’acier de 1/16 po de diamètre, un « T » est ajouté (ce qui signifie un essai de tôle mince) à la désignation de dureté superficielle. Un exemple de dureté Rockwell superficielle est 23 HR15T, qui indique la dureté superficielle 23, avec une charge de 15 kilogrammes utilisant la bille d’acier.

Essais de microdureté Vickers et Knoop

Les tests de dureté Vickers et Knoop sont une modification du test Brinell et sont utilisés pour mesurer la dureté des revêtements en couche mince ou la dureté de surface des pièces cémentées. Avec ces tests, une petite pyramide en diamant est enfoncée dans l’échantillon sous des charges bien inférieures à celles utilisées dans le test Brinell. La différence entre les tests Vickers et Knoop réside simplement dans la forme du pénétrateur pyramidal en diamant. Le test Vickers utilise un pénétrateur pyramidal carré qui a tendance à fissurer les matériaux cassants. Par conséquent, le test de Knoop utilisant un pénétrateur pyramidal à base rhombique (rapport diagonal 7,114:1) a été développé, ce qui produit des empreintes plus longues mais moins profondes. Pour la même charge, les empreintes Knoop sont environ 2,8 fois plus longues que les empreintes Vickers. 

Une charge appliquée allant de 10g à 1000g est utilisée. Cette faible charge crée une petite empreinte qui doit être mesurée au microscope. Les mesures pour les revêtements durs comme le TiN doivent être prises à un grossissement très élevé (c’est-à-dire 1000X), car les empreintes sont si petites. La surface doit généralement être polie. Les diagonales de l’empreinte sont mesurées et ces valeurs sont utilisées pour obtenir un indice de dureté (VHN), généralement à partir d’une table ou d’un graphique de recherche. Le test Vickers peut être utilisé pour caractériser des matériaux très durs mais la dureté est mesurée sur une très petite région.

Les valeurs sont exprimées comme 2500 HK25 (ou HV25) signifiant 2500 dureté Knoop à une charge de force de 25 grammes. Les valeurs de dureté Knoop et Vickers diffèrent légèrement, mais pour les revêtements durs, les valeurs sont suffisamment proches pour se situer dans l’erreur de mesure et peuvent être utilisées de manière interchangeable.

Tests de scléroscope et de dureté de rebond

Le test du scléroscope est un test très ancien qui consiste à laisser tomber un marteau à pointe de diamant, qui tombe à l’intérieur d’un tube de verre sous la force de son propre poids d’une hauteur fixe, sur l’échantillon d’essai. La hauteur de la course de rebond du marteau est mesurée sur une échelle graduée. L’échelle du rebond est choisie arbitrairement et se compose d’unités Shore, divisées en 100 parties, qui représentent le rebond moyen de l’acier pur à haute teneur en carbone trempé. L’échelle est maintenue au-dessus de 100 pour inclure les métaux ayant une plus grande dureté. Le Shore Scleroscope mesure la dureté en termes d’élasticité du matériau et le nombre de dureté dépend de la hauteur à laquelle le marteau rebondit, plus le matériau est dur, plus le rebond est élevé.

La méthode de test de dureté de rebond est une avancée récente qui s’appuie sur le scléroscope. Il existe une variété d’instruments électroniques sur le marché qui mesurent la perte d’énergie du corps d’impact. Ces instruments utilisent généralement un ressort pour accélérer une masse sphérique à pointe de carbure de tungstène vers la surface de l’objet à tester. Lorsque la masse entre en contact avec la surface, elle a une énergie cinétique spécifique et l’impact produit une indentation (déformation plastique) sur la surface qui prend une partie de cette énergie du corps d’impact. Le corps d’impact perdra plus d’énergie et sa vitesse de rebond sera moindre lorsqu’une indentation plus grande est produite sur un matériau plus mou. Les vitesses du corps d’impact avant et après l’impact sont mesurées et la perte de vitesse est liée à Brinell, Rockwell ou à une autre valeur de dureté commune.

Test de dureté au duromètre

Un duromètre est un instrument couramment utilisé pour mesurer la dureté par indentation des caoutchoucs/élastomères et des plastiques souples tels que la polyoléfine, le fluoropolymère et le vinyle. Un duromètre utilise simplement un ressort calibré pour appliquer une pression spécifique à un pied de pénétrateur. Le pied du pénétrateur peut être en forme de cône ou de sphère. Un dispositif indicateur mesure la profondeur d’indentation. Les duromètres sont disponibles dans une variété de modèles et les testeurs les plus populaires sont le modèle A utilisé pour mesurer les matériaux plus mous et le modèle D pour les matériaux plus durs.

Test de dureté Barcol

Le test de dureté Barcol obtient une valeur de dureté en mesurant la pénétration d’une pointe d’acier acérée sous une charge de ressort. L’échantillon est placé sous le pénétrateur du duromètre Barcol et une pression uniforme est appliquée jusqu’à ce que l’indication du cadran atteigne un maximum. La méthode d’essai de dureté Barcol est utilisée pour déterminer la dureté des plastiques rigides renforcés et non renforcés et pour déterminer le degré de durcissement des résines et des plastiques.