Les essais de dureté

La dureté est une mesure de la résistance à la déformation d’un matériau. La valeur exprimée par un nombre sans dimension est reliée directement ou indirectement dans les essais les plus fréquents à la plus ou moins grande facilité d’enfoncer un pénétrateur à la surface du corps étudié.

L’intérêt réside dans la facilité et le caractère peu destructif de l’essai qui renseigne sur l’état d’un métal à l’état final ou lors des procédés de production (notamment à l’étape des traitements thermiques). Elle peut dans certains cas être mise en relation avec les caractéristiques de traction. Une autre utilisation pratique importante concerne les soudures.

Quels sont les différents facteurs des essais par pénétration ?

• Type de pénétrateur (forme et dimensions),
• Valeur de la force d’essai appliquée,
• Dimension choisie pour caractériser l’empreinte obtenue.

Quels sont les principaux types d’essais par pénétration ?

• Brinell
• Le pénétrateur est en forme de bille polie en acier trempé ou en composite de carbure de tungstène (10 -5 – 2,5 ou 1 mm de diamètre),
• La force est de 29 400 newtons pour une bille de diamètre 10 mm ou de 7 350 newtons pour une bille de diamètre 5 mm,
• La dimension choisie est le diamètre de l’empreinte,
• Le symbole est HBW (HBW =2* 0,102*F (exprimé en newtons)/πD ()) avec D : diamètre de la bille en mm et d : diamètre de l’empreinte en mm,
• L’essai est limité aux produits avec HBW≤650,
• L’essai est adapté aux mesures d’atelier,
• Précautions : la surface doit être plane, l’essai n’est pas adapté à la mesure de dureté des couches superficielles (cémentées) ou des tôles minces ;  e>8h (e : épaisseur de la pièce h : hauteur d’empreinte).
• Vickers
• Le pénétrateur est en diamant, en forme de pyramide à base carrée (angle au sommet 136° entre faces opposées),
• La force courante est de 294 newtons mais la loi de similitude est respectée,
• La dimension choisie est la diagonale de l’empreinte qui est carrée,
• Le symbole est HV (HV=1,8544*0,102 F (newtons)/d²) avec d : moyenne des 2 diagonales ou encore HV+valeur numérique de la charge en kgf),
• L’essai convient aussi bien aux matériaux très durs que « tendres » mais la pièce ne peut avoir que de faibles dimensions,
• Il s’agit plutôt d’une mesure de laboratoire,
• Précautions : rectification et polissage préalable.
• Rockwell
• Le pénétrateur est en forme de bille en carbure ou en acier trempé de diamètre 1,59 mm (1/16 de pouce) ou 3,175 mm (1/8 de pouce) pour les produits ayant 340 N/mm²≤Rm ≤ 1000 N/mm² (HRB) ou de cône en diamant de 120° d’angle au sommet pour les produits dont Rm ≥1000 N/mm² (HRC),
• La force préliminaire est de 98 newtons et la force totale de 588/980 newtons pour une bille ou de 588/980/1471 newtons pour un cône,
• La dimension choisie est la profondeur de l’empreinte,
• Le symbole est HRB = 130-e où e est l’accroissement de profondeur en multiples de 0,002 mm ou HRC=100-e,
• Essai adapté aux pièces plus petites et aux hautes duretés. Essai adapté aux mesures d’atelier,
• Précaution : compte tenu de la dispersion des résultats, il est nécessaire d’effectuer une moyenne de deux ou trois mesures.
• Quels sont les autres types d’essais par pénétration?
  • Knoop
  • Pénétrateur en forme de pyramide en diamant à base en forme de losange,
  • Les forces peuvent être réduites,
  • La dimension choisie est la plus grande diagonale imprimée,
  • Le symbole est HK=14.23*0.102* F (newtons)/l² avec l : longueur de la plus grande diagonale imprimée.
  • Essais particuliers
  • Essais sous force réduite
  • Pour produits minces (cas du fer blanc : HRB’, HR 30T (cône), HR 30N (bille))
  • Petites empreintes avec essais Vickers pour les observations de duretés locales (zones soudées ou traitées par cémentation ou carbonitruration)
  • Dureté à chaud pour les aciers pour travail à chaud (nuances peu ductiles : aciers à outils, aciers rapides ou alliages durs ; il est possible de faire un lien entre dureté et durée de vie); on peut mettre la valeur en relation avec les caractéristiques de traction à la même température ainsi qu’avec les données concernant le fluage. L’essai permet l’obtention rapide d’indications sur des caractéristiques longues à mesurer (Rm en fonction de la température ; vieillissement ; durcissement ; fluage).
  • Microdureté pour les duretés sur phases microscopiques ; on détermine des caractéristiques locales.
  • Essai de pénétration instrumenté et nanodureté (Martens HM ; dureté de pénétration H_IT) avec pénétrateur Vickers ou Berkovich.

   Quels sont les autres types d’essais?

  • Essais par rebondissement (Shore, Equotip) pour les pièces massives comme les grosses pièces de forge ou les cylindres de laminoirs, essai Leeb.
  • Essais non destructifs : mesures ultrasoniques, magnétiques ou électriques liées aux propriétés microstructurales qui jouent sur la dureté mécanique (taille des grains, atomes interstitiels, précipités, texture etc). Ils sont utilisés dans les contrôles industriels en ligne et hors ligne.
  • Essai par rayage (scléromètre à rayures) dans le domaine de la recherche.
  • Essais pendulaires.

  Quelles sont les correspondances entre mesures de dureté ?

  Les valeurs se ressemblent sur une partie de l’échelle pour les essais Brinell et Vickers mais divergent quand la nature du pénétrateur prend de l’importance. (voir NF EN ISO 18265 sur la conversion des valeurs de dureté).

  Quelles sont les correspondances entre dureté et résultats de l’essai de traction ?

  La comparaison avec R_e et R_m nécessite des hypothèses sur la loi de comportement de l’acier. Sur la courbe de traction le point représentatif d’un essai de dureté a une déformation de 8-10 %. En termes de contrainte, la dureté est corrélée à la moyenne R_e+R_m/2. On retient en pratique HB ≈ 3*R_m. Cependant ces relations sont impactées par le prélèvement d’échantillon et l’influence de la plasticité du métal (Voir NF EN ISO 18265 sur la conversion des valeurs de dureté).

  Pour aller plus loin

  Pour approfondir le sujet, vous pouvez consulter :

  • Le dossier sur le site Techniques de l’ingénieur  ;
  • Le Livre de l’Acier – Lavoisier TEC&DOC – Editeurs scientifiques : Gérard Béranger, Guy Henry, Germain Sanz (Partie 3 : Propriétés d’usage pages 208-218) ;
  • Le livre « l’Acier » de l’OTUA (référence 14.002) commercialisé par ConstruirAcier p 94. Le dossier téléchargeable sur l’essai de dureté sur le site de ConstruirAcier ;
  • La collection de normes en vigueur dédiées aux essais de dureté (NF EN ISO 6506-1 à 4 (Brinell) ; NF EN ISO 6507-1 à 4 (Vickers) ; NF EN ISO 6508-1 à 4 (Rockwell) ; NF EN ISO 4545-1 à 4 (Knoop)) ; NF EN ISO 16859-1 à 3 (essai Leeb) à paraître ; NF EN ISO 14577-1 à 4 (Essai de pénétration instrumenté)).

 

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