La dureté d’un matériau est une propriété essentielle qui indique dans quelle mesure un matériau peut résister aux forces mécaniques sans subir de déformation importante. Il s'agit d'un attribut essentiel dans la fabrication et l'ingénierie, affectant non seulement les performances et la durée de vie des produits, mais influençant également directement l'efficacité du processus de production et la qualité des produits finaux. Dans cet article, nous examinerons de plus près ce qu'est la dureté d'un matériau et comment elle est mesurée.
Qu'est-ce que la dureté du matériau ?
La dureté d'un matériau fait référence à la capacité d'un matériau à résister à une déformation plastique localisée (déformation permanente). En d’autres termes, il mesure la résistance d’un matériau aux changements de forme en présence de forces externes telles que les rayures, l’indentation et l’abrasion.
Comme le montre le diagramme ci-dessous, la plupart des matériaux plastiques ont une dureté inférieure, alors qu'il est extrêmement difficile de bosseler ou de rayer un diamant. La plupart des autres matériaux se situent quelque part entre les deux.
La dureté peut être facilement confondue avec d’autres propriétés matérielles, telles que la ténacité et la résistance, mais elles appartiennent à trois propriétés différentes d’un matériau. Plus précisément, la dureté désigne la résistance de la surface à la déformation et à l'usure, tandis que la ténacité fait référence à la capacité d'un matériau à absorber de l'énergie et à se déformer plastiquement sans se fracturer, et la résistance concerne la capacité globale du matériau à résister aux forces de traction, de compression et de flexion. Un moyen simple de distinguer ces propriétés est de se rappeler que la dureté concerne la résistance de surface, la ténacité concerne l’absorption d’énergie et la déformation, et la résistance concerne la capacité portante globale.
En même temps, ces propriétés sont interconnectées. Par exemple, les matériaux de dureté élevée ont généralement une meilleure résistance à l’usure, ce qui signifie que l’utilisation de matériaux plus durs peut réduire l’usure des pièces et prolonger considérablement la durée de vie des composants. La dureté est également étroitement liée à la capacité d'un matériau à résister à la déformation et à la fracture. Généralement, les matériaux de dureté élevée ont également des résistances à la traction et à la compression plus élevées, qui sont souvent utilisées dans de nombreuses applications techniques pour garantir la stabilité et la sécurité structurelles. Cependant, il est important de noter que les matériaux à dureté élevée peuvent être plus fragiles et avoir une ténacité plus faible, tandis que les matériaux à ténacité élevée peuvent avoir une dureté plus faible.
Types de dureté
Après avoir compris la définition de la dureté, nous avons hâte de clarifier comment elle entre en jeu. Explorons maintenant les trois types principaux : la dureté par indentation, la dureté par rayure et la dureté par rebond.
Dureté d'indentation
La dureté d'indentation fait référence à la résistance d'un matériau à la déformation permanente lorsqu'il est soumis à une charge continue, qui est la forme de charge la plus courante appliquée aux métaux. Par conséquent, lorsque l’on parle de dureté, cela indique généralement la dureté par indentation.
Elle est généralement évaluée à l'aide de tests qui mesurent la profondeur ou la taille d'une empreinte laissée par un objet dur sous une force spécifique. Les méthodes les plus largement utilisées pour mesurer la dureté par indentation comprennent les tests de dureté Rockwell, Brinell et Vickers.
Dureté aux rayures
La dureté aux rayures décrit la capacité d'un matériau à résister aux rayures de sa surface dues au contact avec un autre métal. Elle est généralement mesurée à l'aide du test de dureté Mohs, principalement utilisé pour tester la dureté des matériaux fragiles tels que les minéraux et les céramiques.
Dureté de rebond
La dureté de rebond, également connue sous le nom de dureté dynamique, concerne l'élasticité d'un matériau et décrit sa capacité à absorber l'énergie lors de l'impact et à la restituer au pénétrateur.
La dureté de rebond est évaluée en mesurant la hauteur à laquelle un marteau standard rebondit sur la surface du matériau. Le duromètre Leeb (dureté Leeb) est un instrument basé sur le principe de la dureté par rebond.
Comment mesurer la dureté d’un matériau ?
Chaque type de dureté offre une perspective différente sur la résistance d'un matériau à la déformation et à l'usure et peut être mesuré à l'aide de diverses méthodes et échelles. Avant d’aborder les méthodes de mesure, commençons par avoir une compréhension générale des unités de dureté.
Différentes unités de dureté
Comme le montre le tableau ci-dessus, nous voyons diverses désignations de dureté telles que « HV », « HB » et « HRB ». Que veulent-ils dire ? Les valeurs de dureté elles-mêmes n'ont pas d'unités physiques traditionnelles comme les newtons ou les pascals. Au lieu de cela, ils reçoivent des désignations de méthodes de test (comme HV ou HB), qui leur servent effectivement d '«unités» dans la pratique. Vous trouverez ci-dessous les unités couramment utilisées pour la mesure de la dureté :
HB : indice de dureté Brinell
HRA, HRB, HRC, etc. : indice de dureté Rockwell
HV : indice de dureté Vickers
HLD, HLS, HLE, etc. : valeur de dureté Leeb
Méthodes courantes pour tester la dureté des matériaux
Comme mentionné précédemment, la dureté reflète la capacité d'un matériau à résister aux rayures, aux coupures ou à l'usure de sa surface. Elle est généralement mesurée en appliquant une charge spécifiée à la surface du matériau. Vous trouverez ci-dessous les méthodes courantes pour tester la dureté. Nous décrivons les principes et les caractéristiques principales de chaque méthode, en soulignant les avantages et les limites de chaque méthode de mesure de la dureté.
Méthode n°1 : Test de dureté Brinell
Le test de dureté Brinell consiste à enfoncer une bille d'acier dur ou de carbure, généralement de 10 mm de diamètre, dans la surface du matériau sous une charge spécifiée, qui varie en fonction du matériau que vous allez tester. La charge standard est de 3 000 kg (ou 29 420 N), généralement appliquée aux métaux durs comme le fer et l'acier. Mais pour les matériaux plus tendres comme le cuivre et le laiton, la charge appliquée est de 500 kg (ou 4 905 N). Cette charge est appliquée pendant une durée prédéterminée puis supprimée. Le diamètre de l'indentation laissée sur la surface du matériau est mesuré à l'aide d'un microscope. L'indice de dureté Brinell (HB) est ensuite calculé à l'aide de la formule suivante :
Où,F – la charge appliquée en kilogrammes-force (kgf). Dans le système SI, les Newtons (N) sont couramment utilisés comme unité de charge. Dans ce cas, HB peut également être noté HBND – le diamètre de la bille, mmd – le diamètre de l'indentation, mm
Le test de dureté Brinell est couramment utilisé pour tester des matériaux grands ou épais de dureté faible à moyenne, tels que la fonte, l'acier, les métaux non ferreux et leurs alliages. Il est particulièrement adapté aux tests de matériaux présentant des structures de grains grossiers ou inégales, car la grande indentation fait la moyenne des incohérences locales. Le test est relativement simple à réaliser et nécessite une préparation minimale de l’échantillon. Cependant, l'équipement d'essai est généralement encombrant et moins portable que d'autres méthodes d'essai de dureté comme les essais de dureté Rockwell ou Vickers.
Méthode n°2 : Test de dureté Rockwell
Cette méthode de test consiste d'abord à enfoncer un pénétrateur dans la surface du matériau sous une précharge (charge mineure), généralement de 10 kgf, ce qui aide à asseoir le pénétrateur et à éliminer toute irrégularité de surface. Ensuite, une charge majeure supplémentaire est appliquée, la charge totale (mineure et majeure) allant de 60 à 150 kgf, selon la balance utilisée. Après un temps de séjour spécifié, la charge principale est supprimée et la profondeur d'indentation est mesurée alors qu'elle est toujours sous la charge mineure.
L'indice de dureté Rockwell peut être lu à l'aide de différentes échelles de dureté Rockwell, les échelles A, B et C (HRA, HRB, HRC) étant les plus couramment utilisées. Différentes échelles conviennent à différents types de matériaux et plages de dureté, chacune utilisant des charges et des types de pénétrateurs différents. Par exemple, pour mesurer la dureté des aciers plus durs et des alliages durs, un pénétrateur à cône en diamant avec une charge importante allant jusqu'à 150 kgf est utilisé, et le numéro de dureté est lu sur l'échelle « C ». Pour les matériaux plus mous comme les alliages de cuivre, l'aluminium et les aciers plus doux, une bille d'acier de 1/16 de pouce de diamètre avec une charge importante allant jusqu'à 100 kgf est généralement utilisée, et la valeur de dureté est lue sur l'échelle « B ».
La formule de la dureté Rockwell est la suivante :
Où，N – facteur d'échelle en fonction de l'échelle utilisées – facteur d'échelle en fonction de l'échelle utiliséed – profondeur d'indentation permanente par rapport à une charge mineure, mm
Cette méthode est rapide et facile à mettre en œuvre, et les résultats de dureté peuvent être directement lus à partir des échelles de dureté Rockwell. Il existe au total 30 échelles disponibles pour tester différents matériaux et plages de dureté. Par conséquent, cette méthode est couramment utilisée dans le contrôle qualité et les tests de matériaux dans diverses industries. Cependant, le test Rockwell peut ne pas être idéal pour les matériaux extrêmement durs (par exemple la céramique) ou les matériaux très mous (par exemple le caoutchouc).
Méthode n°3 : Test de dureté Vickers
Ce test utilise un pénétrateur en forme de pyramide de diamant avec une base carrée et un angle de 136 degrés entre les faces opposées. Le pénétrateur est enfoncé dans le matériau avec une charge spécifique et maintenu pendant une certaine période. Après le déchargement, une empreinte carrée est laissée. Les longueurs des deux diagonales de l'indentation sont mesurées à l'aide d'un microscope ou d'un autre équipement de mesure de précision. Ces mesures sont ensuite utilisées pour calculer l'indice de dureté Vickers (HV) à l'aide de la formule suivante :
Où,F – la charge appliquée, kgfd – la longueur moyenne des diagonales, mm
Le test de dureté Vickers est polyvalent et peut être utilisé pour tester pratiquement tous les matériaux, des métaux très mous aux céramiques extrêmement dures. Il fournit des valeurs de dureté précises et peut être réalisé sur de très petites zones ou sur des couches minces. De plus, le calcul de la valeur de dureté est simple puisque le même pénétrateur diamant est utilisé pour tous les matériaux. Cependant, cette méthode de test nécessite des équipements spécialisés, tels qu'un testeur de microdureté et un microscope de haute qualité, qui sont coûteux. De plus, mesurer les diagonales d’indentation prend du temps, en particulier pour plusieurs tests.
Méthode n°4 : Test de dureté Mohs
Le test de dureté Mohs est un test de rayure. Il s'agit d'une méthode qualitative qui compare la résistance d'un matériau aux rayures causées par des minéraux de dureté connue sur une échelle de 1 (le plus doux) à 10 (le plus dur). Le talc est le plus doux (1) et le diamant est le plus dur (10).
Cette méthode est simple et rapide à réaliser sans nécessiter d’équipement sophistiqué. C’est très utile pour les travaux sur le terrain et l’identification rapide des minéraux et autres matériaux. Cependant, il ne fournit que des valeurs de dureté relatives et repose sur les compétences et l'expérience de l'opérateur.
Les tests de rayures modernes ont évolué du simple test de dureté Mohs vers des méthodes plus sophistiquées qui utilisent souvent des équipements précis, tels que des pénétrateurs diamantés et des mécanismes de chargement contrôlés, pour fournir des mesures plus précises et reproductibles de la dureté des matériaux et de la résistance à l'usure. Ces tests peuvent quantifier la résistance aux rayures des matériaux et sont largement utilisés dans diverses industries, notamment les revêtements, les métaux, les céramiques et les composites.
Méthode n°5 : Test au scléroscope
Le test Scléroscope mesure la dureté de rebond d'un matériau. Il s'agit d'utiliser un marteau à pointe de diamant qui est lancé d'une hauteur fixe sur le matériau et la hauteur de rebond est mesurée. Plus le rebond est élevé, plus le matériau est dur.
Ce test est une mesure traditionnelle mais directe et non destructive, que l'on retrouve désormais souvent dans des contextes plus spécialisés ou historiques. En revanche, l'essai de dureté Leeb, qui est également un essai non destructif basé sur la vitesse de rebond d'une masse d'essai, a largement remplacé l'essai au scléroscope dans les applications modernes. Le test de dureté Leeb est plus largement utilisé, en particulier pour les tests sur le terrain et pour une utilisation industrielle à grande échelle, en raison de sa portabilité, de sa polyvalence et comprend souvent des lectures numériques.
Tableau de dureté des matériaux
Une fois que vous connaissez le type de conditions de charge que la pièce subira, vous pouvez envisager l'une des méthodes d'essai de dureté ci-dessus pour comparer vos options de matériaux. Vous pouvez également vous fier aux informations fournies par les fournisseurs et aux ressources en ligne telles que Matweb. De plus, le tableau de dureté des matériaux constitue également un outil de référence essentiel pour comprendre et comparer la dureté de divers matériaux. Le tableau suivant fournit les valeurs de dureté de ces différents matériaux en utilisant diverses méthodes de mesure.
Travaillez avec Chiggo pour les tests de dureté et la sélection des matériaux
Si vous souhaitez choisir le bon matériau pour votre projet, vous devez comprendre la dureté du matériau. En tant que fabricant d'usinage CNC avec plus de 10 ans d'expérience et la capacité de traiter une large gamme de matériaux, nous pouvons obtenir les données de dureté les plus précises auprès de nos fournisseurs de matières premières fiables. Nous disposons également d'uneusine interne et effectuons régulièrement des tests de dureté dans le cadre de nos procédures de contrôle qualité.
Bien entendu, si vous avez des exigences spécifiques, nous pouvons vous fournir des rapports de tests professionnels et détaillés. Non seulement nous disposons d'une équipe d'experts en contrôle qualité capables de tester la dureté des matériaux, mais nous disposons également d'une équipe professionnelle d'ingénieurs et de machinistes pour garantir que chaque projet répond aux qualité la plus élevée à chaque fois.
FAQ
Comment pouvons-nous sélectionner la méthode d'essai de dureté appropriée ?
Lors de la sélection d'une méthode d'essai de dureté appropriée, nous devons prendre en compte des facteurs tels que le type de matériau, son épaisseur, son état de surface et la précision des essais requise. Les points ci-dessous peuvent constituer une référence importante :
Pour les matériaux épais ou les grands matériaux présentant des microstructures grossières, le test de dureté Brinell convient.
Si vous avez besoin d'une mesure rapide, directe et non destructive pour une variété de matériaux dans un environnement de fabrication, le test de dureté Rockwell convient.
Lorsque vous avez besoin de mesures précises pour des matériaux fins ou de petites pièces, le test de dureté Vickers convient.
Lorsqu'il est nécessaire d'effectuer des tests sur site ou non destructifs, le test de dureté Leeb offre portabilité et commodité.
Quelle est la relation entre l'indice de dureté et la courbe contrainte-déformation ?
L'indice de dureté fournit un indicateur quantitatif de la résistance d'un matériau à l'indentation ou aux rayures, tandis que la courbe contrainte-déformation offre une démonstration complète du comportement de déformation d'un matériau sous différents niveaux de contrainte.
Bien qu'il n'existe pas de corrélation mathématique directe entre la dureté et les paramètres contrainte-déformation, l'indice de dureté peut souvent servir d'indication indirecte du module élastique et de la limite d'élasticité d'un matériau. Un matériau avec un indice de dureté élevé présente généralement une région élastique plus raide et une limite d'élasticité plus élevée sur la courbe contrainte-déformation, indiquant sa limite d'élasticité plus élevée et sa plus grande résistance à la déformation. En revanche, un matériau avec un faible indice de dureté peut présenter un comportement plus ductile avec une région plastique plus longue sur la courbe. Pour évaluer de manière globale les propriétés mécaniques des matériaux, il est nécessaire de comprendre la relation entre ces deux facteurs.
