Les bases des tests de dureté

En savoir plus sur les considérations, les dimensions des échantillons, l'épaisseur des échantillons, les échelles et les procédés de tests de dureté dans ce livre blanc sur les bases des tests de dureté.
Les bases des tests de dureté
La dureté est une caractéristique d'un matériau, et non une propriété physique fondamentale. Elle est définie comme la résistance à l'indentation, et elle est déterminée en mesurant la profondeur permanente de l'indentation. Plus simplement, lorsque vous utilisez une force fixe (charge) et un pénétrateur donné, plus l'indentation est petite, plus le matériau est dur. La valeur de la dureté par pénétration est obtenue en mesurant la profondeur ou la zone de l'empreinte avec l'une des 12 méthodes d'essais différentes. 

Considérations d'essais de dureté
Les caractéristiques suivantes de l'échantillon devraient être considérées avant de choisir la méthode d'essai de dureté à utiliser : 

• La taille de l'échantillon 
• Les échantillons cylindriques 
• L'épaisseur de l'échantillon 
• Les échelles 
• Un calibre R&R

Taille de l'échantillon
Plus la pièce est petite, plus la charge nécessaire pour produire l'empreinte nécessaire est légère. Sur des petites pièces, il est particulièrement important de s'assurer de répondre aux exigences d'épaisseur minimales et d'avoir les empreintes correctement espacées loin des bords intérieurs et extérieurs. Les grandes pièces doivent être correctement manipulées pour assurer le placement sécurisé pendant le processus d'essai sans aucun risque de mouvement ou de glissement. Les pièces qui soit surplombent l'enclume ou qui ne sont pas facilement prises en charge sur l'enclume doivent être fixées ou correctement prises en charge. 

Les échantillons cylindriques
Une correction à un résultat d'essai est nécessaire lors de l'essai d'une forme cylindrique à petit diamètre en raison d'une différence entre les flux de matière axial et radial. Des facteurs de correction arrondis sont ajoutés aux résultats des essais basés sur le diamètre des surfaces cylindriques convexes. En outre, il est important de maintenir un espace minimal égal à 2~1/2 fois le diamètre de l'empreinte à partir d'un bord ou d'une autre empreinte. 

Épaisseur de l'échantillon
Un échantillon doit avoir une épaisseur minimale qui est au moins dix fois la profondeur que l'empreinte doit atteindre. Il y a des recommandations concernant l'épaisseur minimum pour les méthodes Rockwell régulières et superficielles.

Echelles
Parfois, il est nécessaire de tester sur une échelle et de la rapporter à une autre échelle. Des conversions ayant une certaine validité ont été établies, mais il est important de noter que, sauf si une corrélation réelle a été complétée par des essais de différentes échelles, les conversions établies peuvent ou ne peuvent pas fournir des informations fiables. 

Calibre R&R 
Des études de répétabilité et de reproductibilité des calibres ont été développées pour calculer la capacité des opérateurs et leurs instruments à tester en conséquence dans les tolérances d'une éprouvette donnée. Dans les essais de dureté, il y a des variables inhérentes qui empêchent l'utilisation des procédures et des formules de calibre R&R standard avec des éprouvettes réelles. La variation matérielle et l'incapacité de re-tester la même zone sur les testeurs de mesure de profondeur sont deux facteurs importants qui influent sur les résultats de calibre R&R. Afin de minimiser ces effets, il est préférable de faire l'étude sur des blocs d'essais très cohérents afin de minimiser ces variations intégrées. 


Méthodes d'essai de dureté

Méthode d'essai Rockwell, tel que défini dans la norme ASTM E-18, c'est la méthode d'essai de dureté la plus couramment utilisée. L'essai Rockwell est généralement plus facile à réaliser, et plus précis que d'autres types de méthodes d'essai de dureté. La méthode d'essai Rockwell est utilisée sur tous les métaux, sauf dans un état où la structure métallique d'essai ou les conditions de surface introduirait trop de variations ; où les empreintes seraient trop grandes pour l'application ; ou lorsque la taille ou la forme de l'échantillon interdit son utilisation. 
La méthode Rockwell mesure la profondeur permanente de l'empreinte produite par une force/charge sur un pénétrateur. Tout d'abord, une force d'essai préliminaire (communément appelée précharge ou faible charge) est appliquée à un échantillon en utilisant un pénétrateur en diamant. Cette charge représente la position zéro ou de référence qui perce à travers la surface afin de réduire les effets de l'état de surface.

Après la précharge, une charge supplémentaire, appelée la charge principale est appliquée pour atteindre la charge d'essai totale nécessaire. Cette force est maintenue pendant un laps de temps prédéterminé (durée de maintien de la pression) pour permettre une récupération élastique. Cette charge principale est ensuite libérée et la position finale est mesurée par rapport à la position dérivée de la précharge, la variance de la profondeur d'empreinte entre la valeur de la précharge et la valeur de la charge majeure. Cette distance est convertie en un nombre de dureté.

La méthode d'essai Brinell est définie dans la norme ASTM E10. Le plus souvent elle est utilisée pour tester les matériaux qui ont une structure trop grossière ou une surface trop rugueuse pour être testée en utilisant une autre méthode d'essai, par exemple, les pièces moulées et forgées. Les essais Brinell utilisent souvent une charge d'essai très élevée (3000 kgf) et un pénétrateur large de 10 mm de sorte que les résultats d'empreintes font la moyenne de la plupart des surfaces et sous-surface incohérences. 

La méthode Brinell applique une charge d'essai prédéterminée (F) à une boule de carbure d'un diamètre fixe (D) qui est maintenue pendant une période de temps prédéterminée et ensuite retirée. L'impression résultante est mesurée à travers au moins deux diamètres - généralement à angle droit par rapport à l'autre et il en résulte une moyenne (d). Un tableau est ensuite utilisé pour transformer la mesure du diamètre moyen en un nombre de dureté Brinell. La gamme des forces d'essai va de 500 à 3000 kgf. 

Typiquement, une empreinte est réalisée avec une machine d'essai de dureté Brinell, et ensuite mesurée pour le diamètre d'empreinte avec un microscope Brinell ou un système optique spécialement conçu. La mesure obtenue est convertie en une valeur Brinell en utilisant la formule Brinell ou une table de conversion basée sur la formule.

Les diamètres d'empreinte de balle peuvent varier de 10 mm à 1 mm. En général, les charges et les diamètres des balles plus faibles sont utilisés pour plus de commodité dans les testeurs de « combinaison », comme les unités Rockwell, qui ont une faible capacité de charge. 

Méthode d'essai Vickers, aussi appelée méthode d'essai de microdureté, est surtout utilisée pour les petites pièces, des sections minces, ou dans des cas de travail en profondeur. La méthode Vickers est basée sur un système de mesure optique. La procédure d'essai de microdureté, ASTM E-384, spécifie une plage de faibles charges en utilisant un pénétrateur en diamant pour faire une empreinte qui est mesurée et convertie en une valeur de dureté. 

Elle est très utile pour des essais sur un large type de matériaux aussi longtemps que les échantillons d'essai sont préparés avec soin. Un diamant en forme de pyramide de base carrée est utilisé pour les essais dans l'échelle Vickers. Typiquement les charges sont très légères, allant de quelques grammes à un ou plusieurs kilogrammes, bien que des charges Vickers « Macro » peuvent aller jusqu'à 30 kg ou plus. Les méthodes de microdureté sont utilisées pour tester les métaux, les céramiques, les composites - presque n'importe quel type de matériaux.

Étant donné que l'empreinte de l'essai est très faible dans un essai Vickers, il est utile pour une variété d'applications : tester des matériaux très minces comme des feuilles ou mesurer les surfaces d'une pièce, les petites pièces ou les petites surfaces, des mesures de microstructures individuelles, ou la mesure de la profondeur de cémentation en sectionnant une pièce et en faisant une série d'empreintes pour décrire un profil du changement de dureté. 

La méthode d'essai knoop, aussi appelée une méthode d'essai de microdureté, est surtout utilisée pour des petites pièces, des sections minces, ou des cas de travail en profondeur. La méthode Vickers est basée sur un système de mesure optique. La procédure d'essai de microdureté, ASTM E-384, spécifie une plage de faibles charges en utilisant un pénétrateur en diamant pour faire une empreinte qui est mesurée et convertie en une valeur de dureté. 

Elle est très utile pour des essais sur un large type de matériau aussi longtemps que les échantillons d'essai sont préparés avec soin. Un diamant en forme de pyramide est utilisé pour les essais dans l'échelle Knoop. Ce pénétrateur diffère du pénétrateur pyramidal utilisé sur un essai Vickers. Le pénétrateur Knoop est plus allongée ou de forme rectangulaire. 

La méthode Knoop est couramment utilisée lorsque des empreintes sont étroitement espacées ou très près du bord de l'échantillon. La largeur de l'empreinte Knoop peut fournir plus de résolution pour la mesure et l'empreinte est également moins profonde. Par conséquent, elle peut être utilisée sur des matériaux très minces. 

Dans un essai Knoop, une force d'essai prédéterminée est appliquée avec un pénétrateur diamant en forme de pyramide pendant une durée de maintien de la pression déterminée. Le pénétrateur utilisé sur un essai Knoop est en forme de pyramide, mais plus allongé que le pénétrateur utilisé sur un essai Vickers. Après cette période de maintien, la force cesse. Contrairement à l'essai Vickers où les longueurs de l'empreinte sur les axes verticaux et horizontaux sont mesurées et la moyenne calculée, la méthode Knoop n'utilise que le grand axe. Cette mesure est ensuite convertie en un nombre de dureté Knoop à l'aide d'un diagramme. 

Étant donné que l'empreinte de l'essai est très faible dans un essai Knoop, il est utile pour une variété d'applications telles que les essais de matériaux très fins, comme des feuilles ou la mesure de la surface d'une pièce, les petites pièces ou des petites surfaces, des mesures de microstructures individuelles, ou la mesure de la profondeur de cémentation en sectionnant une pièce et en faisant une série d'empreintes pour décrire un profil de la modification de dureté.  

La profondeur de cémentation est l'épaisseur de la couche durcie sur une éprouvette. Le durcissement superficiel améliore à la fois la résistance à l'usure et la résistance à la fatigue des pièces sous des contraintes dynamiques et/ou thermiques. Des pièces en acier trempé sont généralement utilisées dans des applications rotatives où une résistance à l'usure élevée et une force de rotation sont requises. Les caractéristiques de durcissement superficiel sont principalement déterminées par la dureté de surface, la profondeur de dureté efficace et le profil de profondeur de la contrainte résiduelle. Des pièces de moteur et d'engrenage sont des exemples où le durcissement est utilisé. 

L'essai de profondeur de cémentation implique souvent la réalisation d'une série d'impressions de dureté à partir du bord de l'échantillon vers le centre. La progression de la dureté est représentée sur un graphe et la distance de la surface à la limite de dureté est calculée.

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