Les mesures de dureté

FICHE N 13 Les mesures de dureté DEFINITIONS ET UNITES Pour définir la dureté d un matériau, il faut obligatoirement raisonner en procédés de mesure. A chacun correspond une définition spécifique de la dureté. Il s agit en fait de mesurer l aptitude d un matériau à résister à la pénétration ou à la rayure d un indentateur plus dur. La hauteur de rebondissement d une petite masse dure est également un moyen de définition de la dureté. Le pénétrateur ou indentateur, de forme et de résistance appropriées (sphère, pyramide, cône...) est appliqué progressivement sous l action d une force F sur la surface et maintenu pendant un temps précis. Si le matériau est plastiquement déformable, une empreinte de surface latérale S et de profondeur e subsiste après retrait de la charge. La dureté s exprime alors par : F H = S Bien qu homogène à une contrainte de résistance à la pénétration, la dureté doit être exprimée, selon les normes, comme un nombre sans dimension. La dureté Brinell L essai de dureté Brinell fait appel à une bille en acier ou en carbure de tungstène, maintenue pendant un temps bien défini et avec une force bien déterminée. Si F est la charge d essai (exprimée en newtons), D le diamètre (en millimètres) de la sphère (de la bille) et d le diamètre (en millimètres) de l empreinte, la dureté Brinell est donnée par la relation : 2. 0,102 F Dureté Brinell = πd (D D 2 d 2 ) FICHE 13-1

D F d Procédure d un essai de dureté Brinell. Deux symboles sont utilisés pour indiquer une dureté Brinell : HBS pour l essai effectué avec une bille en acier. HBW pour l essai effectué avec une bille en carbure de tungstène. Des chiffres sont placés devant et derrière ces symboles. Le chiffre qui précède donne la valeur de la dureté. Les trois chiffres placés derrière le symbole indiquent les conditions de l essai. Le premier donne le diamètre de la bille (en mm). Le second indique la valeur de la charge (en N) multipliée par le facteur de proportionnalité 0,102 (autrement dit la charge exprimée en kgf). Enfin, le troisième et dernier chiffre donne la durée de maintien de la charge (en s). Par exemple, 350 HBS 5/750/20 correspond à une dureté Brinell de 350 mesurée avec une bille en acier de 5 mm de diamètre, sous une charge de 7355 N (750 kgf) maintenue pendant 20 secondes. Autre exemple, 600 HBW 1/30/20 correspond à une dureté Brinell de 600 mesurée avec une bille en carbure de tungstène de 1 mm de diamètre, sous une charge de 294,2 N (30 kgf) maintenue pendant 20 secondes. Les billes habituellement utilisées pour les essais Brinell ont des diamètres de 1-2 - 2,5-5 et 10 mm. Si aucun chiffre ne figure derrière le symbole HBS ou HBW, cela signifie que l essai a été réalisé dans des conditions normales, c est-à-dire avec une bille de 10 mm de diamètre et sous une charge de 29 430 N appliquée pendant 10 à 15 s. Remarque. Il n y a pas de comparaison universelle valable des valeurs de dureté Brinell avec des valeurs de dureté déterminées selon d autres méthodes de dureté ou à partir des valeurs de résistance à la traction. Il n existe seulement que des relations statistiques dans des cas particuliers pour lesquels des principes fondamentaux sûrs ont été obtenus pour de telles conversions par des essais comparatifs. Lors de la conversion, il faut indiquer dans chaque cas la méthode utilisée lors de l essai et la valeur de dureté évaluée selon cette méthode. Pour réaliser un essai de dureté Brinell, certaines précautions opératoires doivent être prises. La charge doit par exemple être appliquée progressivement de façon à atteindre au bout de 15 secondes la charge fixée. L état de surface doit être de qualité, de façon à pouvoir lire aisément le diamètre de l empreinte. FICHE 13-2

F d = d 1 + d 2 2 d 2 d 1 Procédure d un essai de dureté Vickers. La dureté Vickers Le principe de l essai de dureté Vickers est le même que celui de l essai Brinell, mais le pénétrateur est ici une pyramide en diamant à base carrée d angle au sommet 136, appliquée avec une force F de 49 à 980 N. On mesure la longueur d moyenne des deux diagonales de l empreinte, à l aide d un système optique approprié. La dureté Vickers HV est donnée par la relation suivante : Dureté Vickers = 1,854. 0,102 F où F est exprimée en N, et d en mm. La formulation d une dureté Vickers est assez proche de celle de la dureté Brinell. A gauche du symbole HV se trouve un chiffre donnant la valeur de la dureté. A droite du symbole HV peuvent figurer jusqu à deux chiffres. Le premier donne la valeur de la charge d essai (en newtons) multipliée par 0,102 (c est-à-dire la charge en kgf). Le second donne la durée (en secondes) d application de la charge. Par exemple, l expression 640 HV 50/20 signifie que la dureté Vickers de 640 a été obtenue en appliquant une charge de 490,3 N (50 kgf) pendant 20 secondes. Lorsque la durée d application de la charge est de 10 à 15 secondes, elle n est pas précisée. Par exemple, l expression 640 HV 30 signifie que la dureté Vickers 640 a été déterminée sous une charge de 294,2 N (30 kgf) appliquée pendant 10 à 15 secondes. La dureté Vickers peut être étendue aux faibles charges. Pour une charge de 1,961 à 49,03 N (HV 0,2 à HV 5) on parle d essai de dureté Vickers sous charge réduite. Pour des charges inférieures à 1,961 N (HV 0,2 et en dessous), on parle d essai de microdureté Vickers. Remarque 1. Lorsqu on a affaire à des surfaces cylindriques convexes ou concaves, la valeur de dureté donnée par la formule de l expression de la dureté Vickers doit être cor- d 2 FICHE 13-3

Pénétrateur : bille ou cône diamant Précharge F 0 Charge d'essai Précharge F 0 Surcharge F 1 F 0 e Procédure d un essai de dureté Rockwell. rigée. Le facteur de correction dépend de la taille de l empreinte et du diamètre du cylindre : ce facteur de correction est donné par la norme NF A 03-154. Remarque 2. Après l essai, aucune déformation ne doit être visible sur la face opposée à celle du pénétrateur. l épaisseur de la pièce ou de la couche superficielle à essayer ne doit pas être inférieure à 1,5 fois la diagonale de l empreinte. La dureté Rockwell Simples d utilisation, les duretés Rockwell font appel à deux types de pénétrateurs : Le premier est un cône en diamant d angle au sommet 120, à pointe arrondie sphérique (rayon de 0,2 mm). Le second est une bille en acier trempé, polie, de diamètre 1,587 mm (1/16 de pouce) ou 3,175 mm. L essai se ramène à une mesure de longueur de l enfoncement rémanent e du pénétrateur après application d'une surcharge. La procédure d essai comporte trois étapes. Tout d abord, le pénétrateur est mis en contact avec la surface du matériau à mesurer. Une précharge F 0 de 98 N lui est appliquée et l indicateur d enfoncement est mis à zéro. La deuxième étape consiste à appliquer une surcharge F 1 permettant d atteindre la charge d essai. La dernière étape consiste à retirer la surcharge (mais laisser la précharge) et de lire la valeur de l enfoncement. La combinaison de divers pénétrateurs et de diverses charges conduit à utiliser plusieurs échelles Rockwell, symbolisées par HR suivi d une lettre. Deux sont plus particulièrement utilisées : Echelle Rockwell C (HRC). Le pénétrateur est un cône de diamant auquel est appliqué une charge de 1470 N. Cette échelle est destinée aux métaux durs ayant une résistance supérieure à 1000 N/mm 2. Echelle Rockwell B (HRB). Le pénétrateur est ici une bille d acier de 1,59 mm de dia- FICHE 13-4

D autres méthodes Mohs a mis au point en 1822 une échelle de duretés relatives concernant les minéraux et encore utilisée actuellement. Chaque minéral se voit attribué un indice entre 1 (talc) et 10 (diamant) : chaque minéral de l échelle raye celui qui se trouve immédiatement en dessous de lui dans l échelle (et a fortiori les autres). Autre méthode, la dureté hertzienne (proposée par Hertz) consiste à rechercher la charge limite, appliquée au moyen d une bille, ne provoquant pas de déformation plastique de la surface (on mesure donc la déformation à la limite d élasticité). Citons aussi la dureté Meyer HM, assez proche de la dureté Brinell, qui consiste à mesurer le diamètre d de l enfoncement d une bille soumise à une force F. Plus connue sans doute est la dureté Knoop (HK). Pour l obtenir, le pénétrateur utilisé est une forme de pyramide à base losange très allongée (7/1). L angle au sommet dans le sens de la grandeur diagonale est de 172 30 et l angle transversal de 130. La mesure porte sur la grande diagonale l imprimée (en mm) : HK =14,23.0,102 F/l 2 où F est exprimée en newtons. mètre soumise à une charge de 980 N. Cette échelle est utilisée pour mesurer les aciers dont la résistance est comprise entre 340 et 1000 N/mm 2. Il existe aussi les échelles HRE (bille de 3,175 mm de diamètre, charge de 980 N) et HRF (bille de 1,587 mm de diamètre, charge de 588 N). Si e est l enfoncement en millimètres du pénétrateur, la dureté Rockwell est donnée par les relations : HR = 100 5.10 2 e (Rockwell C) HR = 130 5.10 2 e (Rockwell B, E et F) Une unité Rockwell correspond à un enfoncement de 0,002 mm. La dureté Rockwell est désignée par le symbole HR précédé de la valeur de dureté et suivi de l échelle utilisée. Par exemple, une 85 HRC correspond à une dureté de 85 exprimée dans l échelle C de Rockwell. Pour réaliser un essai Rockwell, il est préférable de travailler sur des surfaces présentant un fini satisfaisant, exemptes de rayures. L épaisseur de la pièce ou de la couche superficielle à essayer ne doit pas être inférieure à 8e. En aucun cas, une déformation ne doit être visible sur la face opposée à celle de la mesure. Remarque 1. Comme pour Vickers, la dureté Rockwell peut être étendue aux faibles charges pour, par exemple, réaliser des essais sur des produits minces. Il existe notamment les échelles HRN et HRTB elles-mêmes divisées en trois sous-échelles précisant la charge appliquée (exprimée en kgf) : Echelle HRN : le pénétrateur est une bille d acier de 1,59 mm de diamètre (comme pour HRB), et la charge appliquée est ici de 147 N (HR15N), 294 N (HR30N) ou 441 N (HR45N). Echelle HRT : le pénétrateur est un cône de diamant (comme pour HRC), et la charge appliquée ici est de 147 N (HR15T), 294 N (HR30T) ou 441 N (HR45T). Pour ces échelles HRN et HRT, la dureté Rockwell est donnée par la relation : HR=100-e où e est bien sûr l enfoncement, exprimé ici en µm. Une unité Rockwell HRN ou HRT correspond donc à un enfoncement de 1 µm. FICHE 13-5

Remarque 2. Lorsqu on a affaire à des surfaces cylindriques, les valeurs mesurées doivent être corrigées (les normes donnent les tables de correction). A chaque méthode ses applications L essai Brinell sous sa forme habituelle (pour les aciers : bille de 10 mm de diamètre - charge de 29 400 N, ou bille de 5 mm - charge de 7 350 N) convient spécialement pour les mesures d atelier. L empreinte ayant des dimensions importantes (de 2,5 à 6 mm de diamètre environ avec la bille de 10 mm, de 1,4 à 3 mm avec la bille de 5 mm), les lectures sont relativement faciles. L état de la surface n a pas besoin d être particulièrement soigné. Un tournage fin ou un meulage avec une meule fine donnent une estimation suffisante. L essai Rockwell, simple et rapide, convient pour les pièces plus petites et pour les hautes duretés (supérieures à 400 Brinell). La dispersion des résultats est nettement plus forte que pour l essai Brinell, et il est généralement nécessaire de prendre la moyenne de deux ou trois mesures. La pièce doit être bien assise sur son support, ce qui pose parfois des problèmes d adaptation, et l état de surface doit être correct. Dans certaines machines, un dispositif de serrage permet de bloquer énergiquement la pièce à essayer. Les résultats sont alors moins dispersés. L essai Vickers convient aussi bien pour les matériaux très durs que pour les matériaux tendres, car, en raison de la constance de l angle de pénétration, la mesure est indépendante de la charge (entre 49 et 980 N). Mais le fini superficiel doit être soigné ; la lecture au microscope est lente ; la pièce ne peut avoir que de faibles dimensions. Ce mode d essai est plutôt du domaine du laboratoire. Les mesures de dureté par rebondissement ou par rayure La plus connue des mesures par rebondissement est la mesure de dureté Shore : une masse de forme sphérique, plus dure que le matériau à tester, tombe d une hauteur déterminée normalement à la surface. La hauteur de rebondissement, exprimée en % de la hauteur de départ, est d autant plus importante que le métal est dur (peu d énergie absorbée par la déformation plastique). Aucune normalisation n existe. Plus proche de la mesure par pénétration, la mesure par rayage fait appel à des appareils appelés scléromètres à rayure, qui mesurent la largeur de la rayure laissée par un diamant ou une roulette, déplacés sous une charge déterminée. Là encore, aucune normalisation internationale n existe. FICHE 13-6