Méthodes et Échelles pour Tester la Dureté des Métaux

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Crédit d’image:/Thaweesak Thipphamon

Il existe plusieurs méthodes et échelles d’essai différentes qui sont utilisées pour évaluer la dureté relative de matériaux tels que les métaux. Vous trouverez ci-dessous un résumé de la plus courante de ces méthodologies.

Essai de dureté Brinell

L’essai Brinell pour déterminer la dureté des matériaux métalliques consiste à appliquer une charge connue sur la surface du matériau à tester à travers une bille d’acier trempé de diamètre connu. Le diamètre de l’empreinte permanente résultante dans le métal est mesuré et le nombre de dureté Brinell (BHN) est ensuite calculé à partir de la formule suivante dans laquelle D = diamètre de la bille en millimètres, d = diamètre mesuré au bord de l’empreinte en millimètres et P = charge appliquée en kilogrammes.

Si la bille d’acier n’était pas déformée sous la charge appliquée et si l’impression était vraiment sphérique, la formule précédente serait générale et toute combinaison de charge appliquée et de taille de bille pourrait être utilisée. L’empreinte, cependant, n’est pas tout à fait une surface sphérique car il doit toujours y avoir une certaine déformation de la bille d’acier et une certaine récupération de la forme du métal dans l’empreinte; par conséquent, pour un test Brinell standard, la taille et les caractéristiques de la balle et l’ampleur de la charge appliquée doivent être normalisées. Dans le test Brinell standard, une balle de 10 millimètres de diamètre et une charge de 3000, 1500 ou 500 kilogrammes est utilisée. Il est souhaitable, bien que non obligatoire, que la charge d’essai soit telle que le diamètre de l’empreinte soit compris entre 2,50 et 4,75 millimètres. Les charges d’essai suivantes et les nombres Brinell approximatifs pour cette gamme de diamètres d’empreinte sont les suivants: 3000 kg, 160 à 600 BHN; 1500 kg, 80 à 300 BHN; 500 kg, 26 à 100 BHN. Lors d’un test Brinell, la charge doit être appliquée de manière constante et sans secousse pendant au moins 15 secondes pour le fer et l’acier, et au moins 30 secondes pour les autres métaux. Une période minimale de 2 minutes, par exemple, a été recommandée pour le magnésium et les alliages de magnésium. (Pour les métaux plus mous, des charges de 250, 125 ou 100 kg sont parfois utilisées.)

Selon la norme E10-66 de l’American Society for Testing and Materials, une bille d’acier peut être utilisée sur un matériau ayant un BHN n’excédant pas 450, une bille de Hultgren sur un matériau n’excédant pas 500 ou une bille de carbure sur un matériau n’excédant pas 630. L’essai de dureté Brinell n’est pas recommandé pour les matériaux ayant un BHN supérieur à 630.

Essai de dureté Rockwell

Le testeur de dureté Rockwell est essentiellement une machine qui mesure la dureté en déterminant la profondeur de pénétration d’un pénétrateur dans l’échantillon dans certaines conditions d’essai fixes. Le pénétrateur peut être une bille d’acier ou un pénétrateur sphéroconique en diamant. Le nombre de dureté est lié à la profondeur d’indentation, et le nombre est plus élevé plus le matériau est dur. Une charge mineure de 10 kg est d’abord appliquée, provoquant une pénétration initiale; le cadran est mis à zéro sur l’échelle de la figure noire et la charge principale est appliquée. Cette charge majeure est habituellement de 60 ou 100 kg lorsqu’une bille d’acier est utilisée comme pénétrateur, mais d’autres charges peuvent être utilisées si nécessaire. Le pénétrateur à billes mesure normalement 1 pouce de diamètre, mais d’autres pénétrateurs de plus grand diamètre, tels que 18 pouces, peuvent être utilisés pour les métaux mous. Lorsqu’un pénétrateur sphéroconique en diamant est utilisé, la charge est généralement de 150 kg. L’expérience décide de la meilleure combinaison de charge et de pénétrateur à utiliser. Une fois la charge majeure appliquée et retirée, selon la procédure standard, la lecture est effectuée alors que la charge mineure est toujours appliquée.

Les échelles de dureté Rockwell

Les différentes échelles de Rockwell et leurs applications sont présentées dans le tableau suivant. Le type de pénétrateur et la charge utilisée avec chacun sont indiqués dans les tableaux 5 et 6, qui donnent des valeurs de dureté comparatives pour différentes échelles de dureté.

Où une impression peu profonde ou une petite surface est souhaitée pour des matériaux plus mous que l’acier trempé.

Scléroscope de Shore

Le scléroscope est un instrument qui mesure la dureté du travail en termes d’élasticité. Un marteau à pointe de diamant peut tomber d’une hauteur connue sur le métal à tester. Lorsque ce marteau frappe le métal, il rebondit, et plus le métal est dur, plus le rebond est important. La hauteur extrême du rebond est enregistrée, et une moyenne d’un certain nombre de lectures prises sur une seule pièce donnera une bonne indication de la dureté de l’ouvrage. La douceur de surface de l’œuvre affecte la lecture de l’instrument. Les lectures sont également affectées par le contour et la masse de l’ouvrage et la profondeur du boîtier, et, dans le travail cémenté, le noyau mou de la cémentation à faible profondeur, du durcissement par embase ou du durcissement au cyanure, absorbant la force de la chute du marteau et diminuant le rebond. Le marteau pèse environ 40 grains, la hauteur du rebond de l’acier trempé est de l’ordre de 100 sur la balance, soit environ 614 pouces (158,8 mm), et la chute totale est d’environ 10 pouces ou 255 millimètres.

Essai de dureté Vickers

Le test Vickers est similaire en principe au test Brinell. Le pénétrateur Vickers standard est une pyramide de diamants à base carrée ayant un angle de point inclus de 136 degrés. La valeur numérique du nombre de dureté est égale à la charge appliquée en kilogrammes divisée par l’aire de l’empreinte pyramidale. Une surface lisse, fermement soutenue et plane est requise. La charge, qui est généralement appliquée pendant 30 secondes, peut être 5, 10, 20, 30, 50, ou 120 kilogrammes. La charge de 50 kilogrammes est la plus habituelle. Le nombre de dureté est basé sur la longueur diagonale de l’empreinte carrée. Le test Vickers est considéré comme très précis et peut être appliqué à des feuilles minces ainsi qu’à des sections plus grandes avec une régulation de charge appropriée.

Numéros de dureté Knoop

L’essai de dureté Knoop est applicable aux métaux extrêmement minces, aux surfaces plaquées, aux matériaux exceptionnellement durs et cassants, aux surfaces cémentées ou nitrurées très peu profondes, ou lorsque la charge appliquée doit être maintenue en dessous de 3600 grammes. L’indenteur Knoop est un diamant broyé à une forme pyramidale allongée et il produit une indentation ayant des diagonales longues et courtes avec un rapport d’environ 7 à 1. L’angle longitudinal de l’indenteur est de 172 degrés, 30 minutes, et l’angle transversal de 130 degrés. Le testeur Tukon dans lequel l’indenteur Knoop est utilisé est entièrement automatique sous contrôle électronique. Le nombre de dureté Knoop est égal à la charge en kilogrammes divisée par la surface d’indentation projetée en millimètres carrés. Le nombre d’indentation correspondent à la diagonale longue et pour une charge donnée peut être déterminé à partir d’une table calculée pour un indenteur théoriquement parfait. La charge, qui peut varier de 25 à 3600 grammes, est appliquée pendant une période déterminée et toujours normale à la surface testée. Des surfaces planes rodées exemptes de rayures sont nécessaires.

Indicateur de dureté Monotron

Avec cet instrument, un point d’impressor à bille de diamant de 34 mm de diamètre est forcé dans le matériau à une profondeur de 95000 pouces; la pression requise pour produire cette empreinte constante indique la dureté. L’un des deux cadrans montre la pression en kilogrammes et en livres, et l’autre montre la profondeur de l’impression en millimètres et en pouces. Les lectures en nombres Brinell peuvent être obtenues au moyen d’une échelle désignée M-1.

Test de maintien

Avec cet appareil, une perceuse en acier standard effectue un nombre défini de tours lorsqu’elle est pressée avec une force standard contre l’échantillon à tester. La dureté est automatiquement enregistrée sur un diagramme sur lequel un matériau mou mort donne une ligne horizontale, et un matériau aussi dur que le foret lui-même donne une ligne verticale, la dureté intermédiaire étant représentée par l’angle correspondant entre 0 et 90 degrés.

Résumé

Cet article résume les méthodes et échelles courantes pour tester la dureté des métaux, y compris les essais de dureté Brinell, Rockwell et Vickers. En savoir plus sur les propriétés des matériaux à partir du Manuel des machines, 30e édition, qui est publié et disponible auprès de la Presse industrielle sur Amazon.

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