Essai de dureté

ESSAIS DE DURETÉ

L'essai de dureté est un élément majeur dans de nombreuses procédures de contrôle qualité et les travaux de R&D.

Que sont les essais de dureté ? Comment choisir la meilleure méthode d'essai ? Quelle est la meilleure application pour les essais de dureté ? Que conclure après avoir réalisé des essais de dureté ? Les pages suivantes répondent à ces questions, ainsi qu'à d'autres.

Pour voir la gamme complète de machines d'essai de dureté et leurs accessoires, consultez notre page équipement d'essai de dureté.

Consultez notre note d'application sur les essais de dureté

Consultez notre poster « Testing Conversion » sur les équivalences des essais de dureté

En quoi consiste un essai de dureté ?

L'application d'un essai de dureté permet d'évaluer les propriétés d'un matériau telles que sa résistance, sa ductilité, sa résistance à l'usure et contribue ainsi à déterminer si le matériau ou le traitement de ce matériau convient à l'usage souhaité.

Définition de l'essai de dureté : « essai de détermination de la résistance qu'un matériau offre contre la déformation permanente par pénétration d'un matériau plus dur ». Cependant, la dureté n'est pas une propriété fondamentale d'un matériau. C'est pourquoi lorsque l'on tire les conclusions d'un essai de dureté, il faut toujours faire une évaluation quantitative relative aux facteurs ci-dessous :
  • charge exercée sur le pénétrateur
  • profil de temps de charge spécifique et durée d'application de charge spécifique
  • géométrie de pénétrateur spécifique.

Comment l'essai de dureté fonctionne-t-il ?

L'essai de dureté type consiste à presser un objet spécifiquement dimensionné (pénétrateur)avec une charge donnée dans la surface du matériau à tester. La dureté est déterminée par la mesure de la profondeur de pénétration du pénétrateur ou en mesurant la taille de l'empreinte qu'il laisse.
  • Les essais de dureté qui mesurent la profondeur de pénétration comprennent : essai Rockwell, essai de pénétration instrumentalisé par bille
  • Les essais de dureté qui mesurent la taille de l'empreinte laissée par le pénétrateur sont : Vickers, Knoop, et Brinell

SÉLECTION DE LA MEILLEURE MÉTHODE D'ESSAI

Comment choisir la méthode d’essai ?

Le type d'essai de dureté à utiliser doit être déterminé par la microstructure – c.-à-d. l'homogénéité – du matériau testé ainsi que par le type de matériau, la taille de la pièce et son état.

Dans tous les essais de dureté, le matériau soumis à l'empreinte doit être représentatif de l’intégralité de la microstructure (sauf si l’objectif est d’étudier les différents composants de la microstructure). Par conséquent, si la microstructure est très grossière ou hétérogène, l’empreinte requise devra être plus grande que pour un matériau homogène.

Il y a quatre principaux essais de dureté chacun ayant ses avantages et ses contraintes. Il y a différentes normes pour ces essais qui détaillent les procédures et les applications de l'essai de dureté.

Lors du choix de la méthode d'essais de dureté, les considérations suivantes sont importantes :
  • Le type de matériau à tester en dureté
  • L’exigence de se conformer à une norme
  • La dureté approximative du matériau
  • L'homogénéité/hétérogénéité du matériau
  • La taille de la pièce
  • La nécessité de procéder à un enrobage
  • Le nombre d’échantillons à tester
  • La précision requise du résultat

Les quatre méthodes d'essai de dureté les plus fréquentes

Rockwell

L'essai de dureté Rockwell

La méthode d'essai de dureté Rockwell est rapide ; développée pour le contrôle de production, elle permet la lecture directe des résultats ; surtout utilisée pour les matériaux métalliques. La dureté Rockwell (HR) est calculée en mesurant, à une charge donnée, la profondeur de l’empreinte laissée par l’enfoncement d’un pénétrateur dans le matériau de l’échantillon.

  • Généralement utilisée pour les échantillons de grande taille
  • Un « essai rapide » principalement utilisé pour les matériaux métalliques
  • Est également mise en œuvre pour des essais plus poussés, tels que l’essai Jominy (essai de trempabilité - HRC)

Vickers

Essai de dureté Vickers

L'essai de dureté Vickers convient à tous les matériaux solides y compris métalliques. La dureté Vickers (HV) est calculée en mesurant, à une charge donnée, les longueurs des 2 diagonales d’une empreinte laissée dans le matériau de l'échantillon par l’introduction d’un pénétrateur diamant pyramidal. Les diagonales de l’empreinte sont lues de manière optique afin de déterminer la dureté à partir d'une table ou formule.

  • Utilisé pour les essais de dureté sur tous les matériaux solides y compris métalliques
  • Adapté à une vaste gamme d’applications
  • Comprend un sous-groupe d'essai de dureté des soudures

Knoop

L'essai de dureté Knoop

La méthode Knoop (HK) est une alternative à la méthode Vickers destinée aux essais de microdureté. Elle est principalement utilisée pour éviter les fissures dans les matériaux fragiles ainsi que pour faciliter les essais sur les couches minces. Le pénétrateur est un diamant pyramidal asymétrique. L'empreinte est déterminée par la mesure optique de la grande diagonale.

  • Utilisé pour les matériaux durs et fragiles, telles que les céramiques.
  • Convient pour les petites surfaces allongées comme les revêtements

Brinell

L'essai de dureté Brinell

L'essai de dureté Brinell est utilisé pour les grands échantillons à structure granulaire grossière ou non homogène. L'essai de dureté Brinell (HBW) laisse une empreinte relativement grande faite avec une bille de carbure de tungstène. La taille de l'empreinte est lue par mesure optique.

  • Utilisé pour les matériaux à structure granulaire grossière ou non homogène.
  • Utilisé pour les grands échantillons
  • Convient pour les pièces forgées ou en fonte dont les motifs structurels sont de taille importante

COMMENT S'ASSURER DE LA PRÉCISION ET DE LA RÉPÉTABILITÉ DANS LES ESSAIS DE DURETÉ

L'application correcte des essais de dureté nécessite une préparation et une exécution minutieuses. Cependant, une fois que la méthodologie de base est en place, les essais de dureté offrent une bonne précision et une bonne répétabilité.

Facteurs influençant les essais de dureté

Un certains nombre de facteurs influencent les résultats des essais de dureté. En règle générale, plus la charge utilisée pour procéder à l’essai de dureté est faible, plus le nombre de facteurs à contrôler est important.

Voici quelques-uns des facteurs les plus importants à prendre en compte pour assurer la précision d'un essai de dureté.
  • Il faut entre autres contrôler certains facteurs externes comme la lumière, la poussière, les vibrations, la température et l'humidité
  • L'appareil et la platine doivent être positionnés sur une table robuste et stable et l'échantillon doit être bridé ou maintenu dans un support ou sur une enclume
  • Le pénétrateur doit être positionné perpendiculairement à la surface d’essai.
  • En cours d'essai, les conditions d'éclairage doivent être constantes pour les méthodes Vickers, Knoop ou Brinell.
  • Le testeur doit être recalibré/vérifié à chaque changement de pénétrateur ou d'objectif .
Essais de dureté

Contraintes de préparation de la surface pour les essais de dureté

Avant de faire un essai de dureté sur un matériau métallique ou non, il faut préparer la surface. L'état de surface requis dépend du type d’essai et de la charge utilisée. En général, la qualité de la préparation de la surface a un effet direct sur le résultat de l'essai. Il est donc utile de tenir compte du compromis entre qualité de surface et variation du résultat d’essai avant d’envisager une préparation de surface moins poussée.

Essai de macrodureté
Généralement, une surface meulée est suffisante et parfois aucune préparation n’est nécessaire.

Essai de microdureté
En raison des faibles charges utilisées pour les essais de dureté, les essais de microdureté nécessitent une surface polie ou électropolie. Il est important que les bords/sommets d'une empreinte soient clairement visibles pour le sustème d'anlyse optique. La préparation peut être réalisée de manière mécanique, chimique ou électrochimique. Il est important que l’apport de chaleur ou de froid ne modifie aucunement les propriétés de la surface de l'échantillon.

Déformations

Le tronçonnage et le prépolissage peuvent induire des déformations. Il faut les éliminer par polissage à 6, 3, ou 1, μm, en fonction de la charge utilisée pour l’essai.

Pour les faibles charges (inférieures à 300 gf), la surface ne doit présenter aucune déformation et les échantillons doivent avoir subi un polissage aux oxydes ou un polissage électrolytique afin d'obtenir une surface sans dommage. Il faut également tenir compte du fait que les matériaux mous et/ou ductiles (c’est-à-dire inférieur à 120-150 HV) sont plus sensibles à la formation d’artefacts de préparation.

Le tableau ci-dessous présente les exigences de préparation pour les différents essais de dureté.

Charges de dureté

DÉFINITION DES CHARGES D'ESSAI DE DURETÉ

Officiellement, les charges d'essais de dureté sont exprimées en newtons (N). Cependant, par le passé les charges ont été exprimées en kilogrammes-force (kgf), grammes-force (gf) ou livres en anglais, pond (p). La corrélation entre les unités kgf, kp et N est la suivante : 1,0 kgf = 1000 gf = 1,0 kp = 9,81 N.
  • Le terme « Essai de microdureté » est habituellement utilisé en présence d'une charge inférieure ou égale à 1 kgf
  • Le terme « Essai de macrodureté » est utilisé pour les charges supérieures à 1 kgf.

Si les normes l’autorisent, utiliser la charge/force la plus importante possible pour obtenir l'empreinte la plus grande et assurer des résultats plus précis.

Les charges utilisées pour chacune des quatre méthodes d'essai des matériaux métalliques* satisfont aux différentes normes ISO et ASTM.

HAT
Espacement des empreintes d’essai de dureté

ESPACEMENT DES EMPREINTES

Lors de l’essai de dureté, la pénétration entraînera une déformation du matériau environnant et modifiera ses propriétés. Afin d'éviter les erreurs d'interprétation de la dureté perçue, les normes prescrivent une certaine distance entre les différentes empreintes.

Exemples d'espacement d'empreintes en essai de dureté Vickers avec des matériaux métalliques

  • Pour l'acier, le cuivre et les alliages de cuivre : l'espacement entre les empreintes doit faire au moins trois fois la diagonale de l'empreinte
  • Pour le plomb, le zinc, l'aluminium et l'étain : l'espacement entre les empreintes doit faire au moins six fois la diagonale de l'empreinte

DIAGNOSTIC DES PROBLÈMES DES ESSAIS DE DURETÉ

Problème

Lors de la préparation des essais de dureté, il peut être difficile d'obtenir des surfaces planes parallèles. Le pénétrateur doit être positionné perpendiculairement à la surface d’essai. Pour l'essai de dureté Vickers, les diagonales mesurées ne doivent pas avoir un écart de plus de 5,0 % l’une de l’autre. Pour l'essai de dureté Knoop, les deux moitiés de la longue diagonale ne doivent pas différer de plus de 10 % l'une par rapport à l’autre.

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Solution :

Si la déviation n’est pas imputable à une anisotropie du matériau, la meilleure solution est d'utiliser un maintien plus fort de l’échantillon de sorte à ce que le pénétrateur pénètre dans la surface de manière perpendiculaire. Si aucune fixation n’est disponible, il faut veiller à ce que la préparation mécanique permette d’obtenir des surfaces d’échantillons parallèles.
Si la surface d'un échantillon est trop rugueuse, l’évaluation des sommets d'une empreinte pourrait s’avérer difficile, spécialement lors de l'utilisation d’un équipement automatique. Les rayures résultant de la préparation peuvent être la source d'une erreur de lecture de la taille de l’empreinte lors d'un essai de dureté automatique.
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Solution

Utiliser une surface polie. Les exigences en matière de surface dépendent de la charge appliquée et de la dureté du matériau : plus le matériau est tendre, plus le niveau de polissage doit être élevé. Voir le paragraphe Exigences de préparation dans la partie intitulée Comment procéder à un essai de dureté et chercher la méthode de préparation adaptée au matériau dans l’e-metalog.
Si l’échantillon n’est pas correctement nettoyé après la préparation mécanique et qu’une lecture optique de l'empreinte est réalisée, une lecture automatique pourra entraîner une erreur d'interprétation au niveau des sommets de l’empreinte.
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Solution

Avant d'effectuer un essai de dureté, toujours veiller à ce que les échantillons soient bien nettoyés car les polluants (par ex. saleté ou fibres) peuvent compliquer la lecture.
L'évaluation des sommets d’une empreinte dans un échantillon fortement attaqué pourrait s’avérer difficile, ce qui conduirait à une dureté finale moins précise.
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Solution

Éviter une attaque de l'échantillon autant que possible car elle génère une surface moins réfléchissante. Si une attaque est vraiment nécessaire, une attaque légère est préférable afin de pouvoir distinguer les sommets de l’empreinte. Parfois l’attaque est nécessaire, par exemple pour évaluer une soudure.
La dureté apparaît plus élevée qu’attendue.
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Solution

Vérifier le respect de l’espacement des empreintes dans le cadre de l’essai de dureté choisi. Si les empreintes sont trop proches l'une de l’autre, un durcissement sous tension peut se produire.
Équipement d'essais de dureté

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À propos des essais de dureté

LES ESSAIS DE DURETÉ, UN SUJET À APPROFONDIR

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