Comprendre les essais de dureté : Un guide complet

1. Vue d'ensemble

DuretéCapacité à résister à la déformation locale par indentation ou à la rupture par rayage.

Deux types de tableaux séquentiels de dureté Mohs

2. Dureté Brinell

(1) Principe

Pour déterminer la dureté Brinell d'un matériau métallique, il faut appliquer une certaine charge F avec un pénétrateur sphérique de diamètre D sur sa surface et la maintenir pendant une durée déterminée. Ce processus entraîne la formation d'une indentation sphérique, et la valeur de la charge par unité de surface de l'indentation est considérée comme la dureté Brinell du matériau métallique. matériau métallique.

Mesure du diamètre de l'empreinte

Matériau du pénétrateur：

• Alliage dur bille (HBW) HB=450~650
• Bille en acier trempé (HBS) HB<450

(2) Méthode de représentation

Par exemple : 280HBS10/3000/30
1kgf=9,81N

• 280 - Valeur de dureté
• HBS - Symbole de dureté
• 10 - Diamètre de la bille d'acier mm
• 3000 - Taille de la charge kgf
• 30 - Temps de maintien de la charge s

Conditions générales : Diamètre de la bille d'acier de 10 mm ; charge de 3000 kg ; temps de maintien de la pression de 10 secondes, à savoir HB280.

(3) Étapes du test

(4) Sélection de F et D (principe de similitude géométrique de l'indentation)

Lors de la mesure Dureté Brinell avec des pénétrateurs de différents diamètres et des charges de différentes tailles, le principe de similitude géométrique doit être respecté pour obtenir la même valeur HB, c'est-à-dire que l'angle d'ouvertureφ de la pénétration est égal.

Méthode : La même HB est mesurée pour des échantillons de même matériau mais d'épaisseur différente, ou pour des matériaux de dureté et de souplesse différentes.

Lors de la sélection de D et F, F/D² sont les mêmes.

Principe de similitude géométrique de l'indentation :

On constate que tant que F/D reste constant, HB ne dépend que de l'angle de pression φ.

F/D² ratio : 30,15,10,5,2,5,1,25,1

Selon les règles d'ingénierie, le rapport F/D² est de 30, 10 et 2,5, choisis en fonction de la dureté du matériau et de l'épaisseur de l'échantillon.

Pour plus de détails, voir les différentes normes et spécifications d'essai.

Fig. 1-21 Application du principe de similitude

Tableau de sélection de l'essai de dureté Brinell P/D²

L'expérience montre que HB est stable et comparable lorsque 0,25D<d<0,5D.

(5) Temps de maintien de la charge :

S'il a une influence sur l'essai, il doit être effectué en stricte conformité avec la réglementation, en général 10s et 30s.

(6) Caractéristiques et application de la dureté Brinell

Cette méthode est bien adaptée aux matériaux grossiers ou hétérogènes en raison de sa grande surface d'indentation et de sa grande précision de mesure. Toutefois, en raison de la taille importante des empreintes, l'inspection des produits finis peut s'avérer difficile.

Il est principalement utilisé pour inspecter les matières premières, et le matériau du pénétrateur est limité aux matériaux plus tendres (HB450~650). En outre, l'efficacité de la mesure de l'indentation est relativement faible.

3. Dureté Rockwell

La profondeur d'indentation peut être utilisée pour refléter la dureté des matériaux.

Pour s'adapter aux différents matériaux mous et durs, de nombreuses catégories d'appareils d'essai de dureté utilisent des pénétrateurs et des charges différents.

Un grade courant est le C, HRC, qui utilise une charge totale de 150 kgf et un pénétrateur à cône de diamant de 120° qui est chargé deux fois.

Tout d'abord, une charge initiale de P1=10kgf est appliquée pour assurer un contact correct entre le pénétrateur et la surface du matériau. Ensuite, la charge principale P2=140kgf est ajoutée.

Après avoir enlevé P2, la profondeur de l'empreinte est mesurée et utilisée pour déterminer la dureté du matériau.

Fig. 3-17 Schéma du principe et du processus d'essai de dureté Rockwell

(a) Ajouter la précharge (b) Ajouter la charge principale (c) Décharger la charge principale

Pénétrateur : 120 cône de diamant ou bille d'acier trempé

Définition de la dureté Rockwell :

Une profondeur d'indentation résiduelle de 0,002 mm correspond à une unité de dureté Rockwell.

K - constante, 130 pour le pénétrateur à bille d'acier et 100 pour le pénétrateur à diamant

Tableau 3-6 Spécification et application de l'essai de dureté Rockwell

Caractéristiques et application de la dureté Rockwell

(1) Cette méthode permet une lecture directe de la valeur de dureté et est très efficace, ce qui la rend adaptée au contrôle par lots.

(2) L'empreinte est petite et généralement considérée comme "non destructive", ce qui la rend appropriée pour l'inspection des produits finis.

(3) Cependant, la petite taille de l'empreinte peut entraîner une faible représentativité et ne convient donc pas aux matériaux grossiers ou non uniformes.

(4) L'essai de dureté Rockwell est divisé en plusieurs échelles, chacune ayant un large éventail d'applications.

(5) Il est important de noter que les valeurs de dureté Rockwell obtenues à partir de différentes échelles ne sont pas comparables.

4. Dureté Vickers

1. Le principe

Pressez une pyramide de diamants sur la surface du métal avec une certaine charge F pour former une indentation pyramidale.

La valeur de la charge sur la zone d'indentation unitaire est la dureté Vickers de l'échantillon. matériau métallique.

Lorsque l'unité de la force d'essai F est le kgf :

Lorsque l'unité de la force d'essai F est N :

Matériau du pénétrateur : pyramide de diamants avec un angle inclus de 136°.

2. Méthode de représentation

Par exemple : 270HV30/20, si le temps de maintien est de 10-15s, il peut être enregistré comme 270HV.

• 270 - Valeur de dureté
• 30 - Taille de la charge kgf
• 20 - Temps de maintien de la charge s

3. Microdureté

Dureté Vickers avec une très faible charge, la charge est de 5-200gf.

Indiqué par Hm, il peut être utilisé pour tester la dureté d'un seul grain ou d'une phase.

Caractéristiques et application de la dureté Vickers

(1) La forme géométrique de l'empreinte est toujours similaire, alors que la charge peut varier.

(2) Le contour de l'indentation du cône d'angle est distinct, ce qui permet une grande précision de mesure.

(3) Le pénétrateur en diamant a une large gamme d'applications et peut fournir des échelles de dureté cohérentes pour divers matériaux.

(4) L'efficacité de la mesure de l'indentation est faible, ce qui la rend inadaptée à l'inspection des lots sur site.

(5) L'indentation est petite et ne convient pas aux matériaux grossiers ou hétérogènes.

Cependant, les échantillons métallographiques peuvent être utilisés pour mesurer la dureté ou la distribution de la dureté de différentes phases.

5. Amélioration de la relation entre la dureté et la résistance et de la méthode d'essai

(1) Caractéristiques de l'essai de dureté

① L'état de contrainte est très doux (α>2), ce qui est largement applicable ;

Dureté de certains matériaux

Liaison covalente ≥ liaison ionique>liaison métallique>liaison hydrogène>liaison de Van

② La méthode est simple, non destructive et adaptée à l'inspection sur le terrain ;

③ La signification physique n'est pas claire, et il est difficile de concevoir quantitativement.

(2) Relation entre la dureté et la résistance

σb≈KH

Acier : K=0.33~0.36

Alliage de cuivre, acier inoxydable, etc. : K=0,4~0,55

Relation entre dureté et résistance des métaux recuits

Note : Unité de dureté !

(3) Test de nano-indentation

Pendant le processus de chargement, la déformation élastique se produit d'abord à la surface de l'échantillon. Au fur et à mesure que la charge augmente, la déformation plastique apparaît progressivement et augmente également.

Le processus de déchargement est principalement la récupération de la déformation élastique, tandis que la déformation plastique provoque finalement la formation d'une indentation sur la surface de l'échantillon.

Courbe de déplacement de la charge de la nano indentation

Principe du test de nano-indentation

• H - Nano dureté ;
• S - Rigidité de contact ;
• A - Zone de contact ;
• β - Constantes liées à la géométrie du pénétrateur ;
• Er - module équivalent

Il existe des différences importantes entre la nano-dureté et la dureté traditionnelle :

Tout d'abord, les deux définitions sont différentes.

Nanohardness : la force instantanée supportée par une unité de surface sur la projection de la surface de l'empreinte de base pendant le processus d'indentation de l'échantillon, qui est une mesure de la capacité de l'échantillon à résister à la charge de contact ;

Dureté Vickers est définie comme la force moyenne par unité de surface sur la surface de l'empreinte conservée après la décharge du pénétrateur, qui reflète la capacité de l'échantillon à résister à la déformation résiduelle linéaire.

Dans le processus de mesure de la dureté, si la déformation plastique domine le processus, les résultats des deux définitions sont similaires. En revanche, si le processus est dominé par la déformation élastique, les résultats seront différents.

Dans le cas d'un contact élastique pur, la surface de contact résiduelle est très petite. Par conséquent, la définition traditionnelle de la dureté donnera une valeur infinie, ce qui rendra impossible l'obtention de la véritable valeur de dureté de l'échantillon.

En outre, les plages de mesure des deux méthodes sont différentes. La mesure traditionnelle de la dureté ne s'applique qu'aux échantillons de grande taille, non seulement en raison des limites de l'instrument de mesure, mais aussi parce que l'indentation résiduelle ne peut pas refléter avec précision la véritable dureté de l'échantillon aux micro- et nano-échelles.

De nouvelles techniques de mesure et méthodes de calcul sont utilisées pour mesurer la nano-dureté, ce qui permet de refléter plus précisément les caractéristiques de dureté de l'échantillon aux micro- et nano-échelles.

La principale différence entre les deux méthodes est le calcul de la surface d'indentation. La mesure de la nano-dureté consiste à mesurer la profondeur de l'indentation et à calculer ensuite la surface de contact à l'aide d'une formule empirique, tandis que la mesure de la dureté traditionnelle consiste à obtenir la surface de l'indentation à partir de photos prises après le déchargement.

(4) Méthode d'essai par nanoindentation

Les composants de base d'un nano-appareil d'essai de dureté peuvent être divisés en plusieurs parties, notamment le système de contrôle, le système de bobine mobile, le système de chargement et le pénétrateur.

Les pénétrateurs en diamant, qui sont généralement des cônes triangulaires ou des dimensions à quatre bords, sont couramment utilisés.

Pendant le test, les paramètres initiaux sont d'abord saisis, et le processus de détection suivant est entièrement automatisé par le micro-ordinateur.

La manipulation du système de chargement et de l'action du pénétrateur peut être réalisée en modifiant le courant dans le système de bobines mobiles.

La mesure et le contrôle de la charge de pression du pénétrateur sont effectués par la jauge de contrainte, qui fournit également un retour d'information au système de bobine mobile pour un contrôle en boucle fermée, permettant l'achèvement de l'essai en fonction des paramètres d'entrée.