Dureté (matériau)

À la différence des minéraux dont la dureté est historiquement caractérisée par rayage (cf. Échelle de Mohs), on utilise généralement des essais de rebondissement ou de pénétration pour caractériser la dureté des métaux.

Ces essais ont l'avantage d'être plus simples à réaliser et de donner des résultats mieux reproductibles.

Mesure de dureté par rebondissement : essai Shore

On laisse chuter bien verticalement d'une hauteur fixe une petite masse d'acier terminée par un diamant arrondi. La masse est guidée dans sa chute par un tube lisse. La dureté est évaluée ensuite d'après la hauteur du rebond.

De manière simplifiée, cet essai mesure l'énergie de déformation plastique : si le choc est parfaitement élastique (pas de déformation plastique, pièce à tester très dure), la pointe rebondit théoriquement jusqu'à sa hauteur de lâcher (en négligeant les frottements) ; on peut relier la différence de hauteur h à l'énergie cinétique ΔE_c absorbée lors du choc :

$\Delta E_c=m\cdot g\cdot h$

où m est la masse lâchée et g est l'accélération de la gravité. Dans le cas d'un objet extrêmement mou, la pointe s'enfonce et ne rebondit pas. Les appareils sont en principe étalonnés pour obtenir une dureté de 100 pour un acier trempé à 0,9 % de carbone et d'environ 35 pour les aciers doux.

Notons cependant que les résultats de l'essai Shore dépendent beaucoup de l'état de surface de la pièce testée. L'appareil doit être tenu de manière bien vertical pour éviter d'avoir des frottements qui fausserait la mesure. La masse de la pièce à mesurer doit être beaucoup plus importante que la masse de la masse utilisée dans l'appareil de mesure.

Mesures de dureté par pénétration

Il s'agit des essais les plus couramment pratiqués. Le principe est toujours identique : un pénétrateur indéformable laisse une empreinte dans le matériau à tester. On mesure les dimensions de l'empreinte et on en déduit la dureté.

Dans une première approche, on peut relier de manière assez simple la limite d'élasticité R_e avec la surface de l'empreinte : plus l'objet pénétrant s'enfonce, plus la surface S de pression s'agrandit, donc la force F étant constante, plus la contrainte diminue. Lorsque la contrainte n'est plus suffisante pour déformer plastiquement le solide à tester, l'objet pénétrant s'arrête, et on a donc :

$R_e=\frac{F}{S}\,\!$

Cette approche simplifiée ne prend pas en compte l'écrouissage.

Essai de dureté Brinell

Image manquante
Durete_brinell.png

principe de la dureté Brinell

Principe

L'essai consiste à faire pénétrer en appliquant une force F un pénétrateur ayant un forme de bille dans un métal afin d'en déduire la dureté de ce matériau.

H_B : dureté Brinell

D : diamètre du pénétrateur (mm)

d₁ et d₂ : mesure de l'empreinte réalisée à 90°(mm)

h : profondeur (mm)

F : charge d'essai (N)

g : accélération de la pesanteur

$\begin{matrix} & H_B & = & {\rm Constante} \cdot \frac{\rm ( Charge\ de\ l'essai ) }{\rm (Aire\ de\ l'empreinte) } \\ \\ & & = & 0,102 \cdot \frac{2F}{\pi \cdot D(D-\sqrt{D^2-d^2})} \end{matrix}$

avec

${\rm Constante} = \frac{1}{g}=\frac{1}{9,8066}=0,102$

$d=\frac{d_2+d_1}{2}$

Le pénétrateur

Matière : généralement du carbure poli

Dimension : diamètre D

Le matériau à tester

La surface doit être plane et nettoyée (sans lubrifiant, oxyde ou calamine). Il est nécessaire d'avoir une épaisseur suffisante afin que la pénétration de la bille ne déforme pas le matériau. Dans le cas contraire, la mesure ne serait pas fiable. Il faut une épaisseur de au moins huit fois la profondeur h de l'empreinte.

Mode opératoire

Placer le pénétrateur en contact avec la surface du matériau. Appliquer la force. Maintenir cette charge pendant 10 à 15 secondes.

Mesurer sur l'empreinte deux diamètres à 90° l'un de l'autre. La mesure est effectuée à l'aide d'un dispositif grossissant et d'une règle graduée tenant compte du facteur de grossissement..

Norme

Normes européennes (CEN) et internationales (ISO):

EN ISO 6506-1 : Matériaux métalliques - Essai de dureté Brinell - Partie 1 : Méthode d'essai.
EN ISO 6506-2 : Matériaux métalliques - Essai de dureté Brinell - Partie 2 : Vérification et étalonnage des machines d'essai.
EN ISO 6506-3 : Matériaux métalliques - Essai de dureté Brinell - Partie 3 : Étalonnage des blocs de référence.

Américaine (ASTM)

ASTM E10 : Standard method for Brinell hardness of metallic materials.

Essai de dureté Meyer

Le pénétrateur est identique au pénétrateur de la dureté Brinell. D'une manière plus générale, on utilise le même duromètre que celui utilisé pour la dureté Brinell.

La mesure est effectuée avec les même principes que la dureté Brinell. Les valeurs de dureté Meyer sont calculées avec la formule suivante :

$\begin{matrix} H_M & = & 0,102 \cdot \frac{4F}{\pi \cdot d^2} \end{matrix}$

avec

${\rm Constante} = \frac{1}{g}=\frac{1}{9,8066}=0,102$

$d=\frac{d_2+d_1}{2}$

Essai de dureté Vickers

Image manquante
Durete_vickers.png

principe de la dureté Vickers

Principe

La mesure de dureté Vickers se fait avec une pointe pyramidale normalisée en diamant de base carrée et d'angle au sommet entre face égal à 136°. L'empreinte a donc la forme d'un carré ; on mesure les deux diagonales d₁ et d₂ de ce carré à l'aide d'un appareil optique. On obtient la valeurs d en effectuant la moyenne de d₁ et d₂. C'est d qui sera utilisé pour le calcul de la dureté. La force et la durée de l'appui sont également normalisées.

H_B : dureté Vickers
d₁ et d₂ : mesure de l'empreinte réalisée à 90° (2 diagonales du carrée de l'empreinte)(mm)
F : charge d'essai (N)
g : accélération de la pesanteur

$\begin{matrix} & H_V & = & {\rm Constante} \cdot \frac{\rm ( Charge\ de\ l'essai ) }{\rm (Aire\ de\ l'empreinte) } \\ \\ & & = & 0,102 \cdot \frac{2F \cdot \sin(\frac{136^\circ}{2})}{d^2}\\ \\ & & = & 0,189 \cdot \frac{2F}{d^2}\\ \end{matrix}$ \\

avec

${\rm Constante} = \frac{1}{g}=\frac{1}{9,8066}=0,102$

$d=\frac{d_2+d_1}{2}$

Le degré de dureté, noté Hv, est ensuite lu sur un abaque (une table) ; il y a un abaque par force d'appui.

Normes

Internationale (ISO) et européenne (CEN)

EN ISO 6507-1 : Matériaux métalliques - Essai de dureté Vickers - Partie 1 : méthode d'essai

Américaine (ASTM)

Métaux

E92 : Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials

Céramiques

C1327 : Standard Test Method for VICKERS Indentation Hardness of Advanced Ceramics

Essai de dureté Rockwell

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Durete_rockwell.png

principe de la dureté Rockwell (échelle B, bille en acier)

Principe

Les essais de dureté Rockwell sont des essais de pénétration. Il existe en fait plusieurs type de pénétrateurs qui sont constitués d'un cône en diamant ou d'une bille en acier trempé polie. Pour obtenir une valeur de dureté Rockwell, on mesure une pénétration rémanente du pénétrateur sur lequel on applique une faible charge.

L'essai se déroule en trois phases :

Application sur le pénétrateur d'une charge initiale F₀= 98 N (soit 10 kgf. Le pénétrateur s'enfonce d'une profondeur initiale I. Cette profondeur étant l'origine qui sera utilisée pour mesure la dureté Rockwell.
Application d'une force supplémentaire F₁. Le pénétrateur s'enfonce d'une profondeur de P.
Relachement de la force F₁ et lecture de l'indicateur d'enfoncement.

La valeur de r étant l'enfoncement rémanent obtenu en appliquant puis en relâchant la force F₁.

La valeur de dureté est alors donnée par la formule suivante :

Échelle B, E et F

$HRB = 130 - r\,$

Échelle C

$HRC = 100 - r\,$

Une unité de dureté Rockwell correspondant à une pénétration de 0,002 mm.

Les différentes échelles

Échelle	Symbole	Pénétrateur	Valeur de la force totale F₀ + F₁	Application
A	HRA	Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm	981 N	Carbure, acier en en épaisseur mince
B	HRB	Bille d'acier de 1,588 mm (1/16 de pouce) de diamètre	1471,5 N	Alliage de cuivre, acier doux, alliage d'aluminium Matériaux ayant une résistance à la rupture comprise entre 340 et 1000 MPa
C	HRC	Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm	588,6 N	Acier, fonte, titane Matériau ayant une dureté résistance à la rupture supérieure à 1000 MPa
D	HRD	Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm	981 N
E	HRE	Bille d'acier de 3,175 mm (1/8 pouce) de diamètre	981 N	Fonte, Alliage d'aluminium et de fonte
F	HRF	Bille d'acier de 1,588 mm de diamètre	588,6 N	Alliage de cuivre recuit, fine tôle de métal.
G	HRG	Bille d'acier de 1,588 mm de diamètre	1471,5 N	Cupro-nickel, Alliage cuivre-nickel-zinc

Les deux échelles les plus utilisées sont les échelle B et C.

Dureté Rockwell superficielle

Ces échelles sont utilisées pour des produits très minces et pour la mesure de dureté de revêtements.

Les deux échelles utilisées sont l'échelle N (Cône de diamant) et T (bille en acier). Dans les deux cas, la charge initiale (F₀ est de 29,4 N. Chacune d'entre elle peuvent être utilisé en utilisant une charge total de 147 N, 294 N ou 441 N. On notera qu'il existe également des échelles W (bille de diamètre 3,175 mm), X (bille de diamètre 6,350) et Y (bille de diamètre 12,70 mm).

Dans ce cas une unité de dureté Rockwell correspond à un enfoncement de 0,001 mm.

Pour les échelles N et T la dureté est donnée par la formule :

Echelle	Symbole	Pénétrateur	Valeur de la force totale F₀ + F₁
N	HR15N	Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm	15 N
N	HR30N	Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm	30 N
N	HR45N	Cône de diamant de section circulaire à pointe arrondie sphérique de 0,2 mm	45 N
T	HR15T	Bille d'acier de 1,588 mm de diamètre	15 N
T	HR30T	Bille d'acier de 1,588 mm de diamètre	30 N
T	HR45T	Bille d'acier de 1,588 mm de diamètre	45 N

Normes

Internationale (ISO) et européenne (CEN)

EN ISO 2039-2 : Plastiques - Détermination de la dureté - Partie 2 : dureté Rockwell.
EN 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)

Américaine

ASTM E18 : Standard methods for rockwell hardness and rockwell superficial hardness of metallic materials.

Comparaison entre les méthodes par pénétration

Type d'essai	Préparation de la pièce	Utilisation principale	Commentaire
Brinell	La surface de la pièce ne nécessite pas une préparation extrêmement soignée (tournage ou meulage)	En atelier	La méthode ayant la mise en œuvre la plus facile des trois méthodes.
Rockwell	Bonne préparation de surface (au papier de verre OO par exemple). La présence de rayures donne des valeurs sous estimée.	En atelier	L'essai est simple et rapide Convient bien pour des dureté plus élevé (supérieure à 400 Brinell). Elle est plutôt utilisée pour les petites pièces (il est nécessaire que la pièce soit parfaitement stable) La dureté Rockwell présente l'inconvénient d'avoir une dispersion relativement importante.
Vickers	État de surface très soigné (on obtient de petites empreintes, la présence d'irrégularité gène la lecture).	En laboratoire	C'est un essai assez polyvalent qui convient au matériau tendres ou très durs. Il est utilisé généralement pour des pièces de petites dimensions. La lecture des longueurs de diagonale est généralement lente.

Mesures de microdureté

Fait sous très faible charge, les essais de microdureté permettent des mesures très localisées (sur env. 100 µm²). À l'aide d'un microduromètre, on peut par exemple déterminer la dureté d'une phase donnée dans un échantillon polyphasé ou celle d'un échantillon très fragile et mince.

Informations complémentaires

ductilité

Dureté (matériau)

Mesure de dureté par rebondissement : essai Shore

Mesures de dureté par pénétration

Essai de dureté Brinell

Principe

Le pénétrateur

Le matériau à tester

Mode opératoire

Norme

Essai de dureté Meyer

Essai de dureté Vickers

Principe

Normes

Essai de dureté Rockwell

Principe

Les différentes échelles

Dureté Rockwell superficielle

Normes

Comparaison entre les méthodes par pénétration

Mesures de microdureté

Informations complémentaires

See also: Dureté (matériau), ASTM International, Acier, Alliage, Aluminium, Carré (géométrie), Comité européen de normalisation, Contrainte, Cuivre, Ductilité