Guide de test de dureté : Vickers, Rockwell, Brinell et préparation d'échantillons

Préparation métallographique des échantillons : pourquoi c'est important avant tout test de dureté

Des tests de dureté précis commencent bien avant que le pénétrateur n’entre en contact avec l’échantillon. Préparation d'échantillons métallographiques — le processus contrôlé de section, de montage, de meulage et de polissage d'un échantillon de métal — détermine directement si une lecture de dureté reflète les véritables propriétés du matériau ou un artefact introduit lors de la manipulation.

Pour les méthodes de micro-dureté en particulier, l’état de surface est critique. Un spécimen mal poli introduit une variation topographique qui dévie le pénétrateur, gonfle la dispersion et produit des lectures qui ne peuvent être corrélées avec aucune table de conversion publiée. L'exigence générale pour les tests de micro-dureté Vickers et Knoop est une finition de surface de 0,1 µm Ra ou mieux – réalisable uniquement grâce à une préparation métallographique systématique.

La séquence de préparation comprend généralement :

1. Sectionnement avec une meule à tronçonner abrasive utilisant un liquide de refroidissement adéquat pour éviter les dommages thermiques
2. Montage à froid ou à chaud dans une résine époxy ou phénolique pour fournir un support de bord et une manipulation sûre
3. Meulage planaire pour éliminer les dommages de section et obtenir un plan de référence plat
4. Meulage séquentiel avec des abrasifs SiC de plus en plus fins (généralement 240 → 400 → 600 → 1 200 grains)
5. Polissage diamant (6 µm, puis 3 µm, puis 1 µm) pour éliminer toutes rayures de meulage
6. Polissage final avec de la silice colloïdale (0,04 à 0,05 µm OPS) pour les surfaces miroir requises par les normes de micro-dureté

Chaque étape doit éliminer complètement les dégâts de la précédente. Sauter des étapes ou accélérer le temps de séjour incruste des couches souterraines déformées – des zones écrouies qui produisent des lectures Vickers faussement élevées dans la plage de 10 à 50 HV, une erreur significative lors des tests de revêtements minces, de zones affectées par la chaleur ou de couches cémentées.

À quoi sert le test de dureté Vickers ?

Le test de dureté Vickers est utilisé pour mesurer la résistance d'un matériau à l'indentation permanente à l'aide d'un pénétrateur pyramidal en diamant à base carrée avec un angle de face de 136°. Il s'agit de la méthode de macro et micro-dureté la plus polyvalente disponible. , applicable à pratiquement tous les matériaux solides, quel que soit le niveau de dureté, et constitue la méthode privilégiée lorsque la précision, la traçabilité ou la résolution microstructurale sont requises.

En pratique, le test Vickers est utilisé pour :

• Mesure de la profondeur du boîtier — profilage des gradients de dureté sur des surfaces cémentées, nitrurées ou durcies par induction en réalisant une série d'indentations à des distances croissantes de la surface
• Évaluation des revêtements minces — évaluation des revêtements durs PVD/CVD, des couches électrodéposées et des traitements de diffusion où la zone affectée peut n'avoir qu'une épaisseur de quelques microns
• Inspection de la qualité des soudures — cartographie de la dureté sur le métal de base, la zone affectée thermiquement et le cordon de soudure pour détecter la susceptibilité au ramollissement, au durcissement excessif ou à la fissuration par l'hydrogène
• Analyse des échecs — identification de la décarburation, de la martensite non revenue, de l'austénite retenue ou des limites de phase grâce à des mesures localisées de dureté
• Certification des matériaux — vérifier les résultats du traitement thermique dans les composants de l'aérospatiale, de l'automobile et de l'outillage selon des spécifications telles que AMS, ISO 6507 et ASTM E92
• Recherche et développement — caractériser les alliages nouvellement développés, les céramiques frittées et les matériaux composites pour lesquels aucune échelle de conversion préexistante n'existe

Étant donné que l'échelle Vickers est continue d'environ 5 HV (alliages de plomb très mous) à plus de 3 000 HV (diamant), aucun changement de plage n'est nécessaire. Une seule méthode couvre le cuivre tendre (40 à 80 HV), l'acier à outils trempé (700 à 900 HV) et le carbure cémenté (1 400 à 1 800 HV). Cette continuité fait de Vickers la base de toutes les tables internationales de conversion de dureté.

Blocs de référence de dureté Rockwell : étalonnage, traçabilité et utilisation appropriée

A Bloc de référence de dureté Rockwell (également appelé bloc de test ou bloc d'étalonnage) est un coupon métallique certifié et rectifié avec précision, utilisé pour vérifier qu'un testeur de dureté Rockwell fonctionne dans les limites de précision indiquées. Ce n'est pas un consommable : un seul bloc certifié prend généralement en charge des centaines de mesures de vérification lorsqu'il est utilisé correctement.

Conformément aux normes ASTM E18 et ISO 6508, les blocs de référence doivent être calibrés sur une machine d'étalonnage primaire traçable à un institut national de métrologie (NIST aux États-Unis, PTB en Allemagne, etc.). Chaque bloc est expédié avec un certificat indiquant la valeur de dureté certifiée, l'incertitude de mesure et le nombre d'emplacements de test valides restant sur la surface du bloc.

Utilisation correcte des blocs de référence

Les erreurs courantes qui invalident les mesures du bloc de référence incluent les tests sur les bords chanfreinés, la réutilisation des sites d'indentation dans une zone d'exclusion de 3 retraits de diamètre et les tests sur la face inférieure (qui a un état de contrainte résiduelle différent de celui de la face supérieure calibrée). Seule la surface supérieure clairement marquée est valable pour les tests de vérification.

La vérification quotidienne doit être effectuée avec des blocs dont la dureté est proche de celle du matériau testé. L'utilisation d'un bloc de 60 HRC pour vérifier une machine qui testera des pièces de 25 HRC est techniquement autorisée mais pratiquement moins sensible aux erreurs systématiques (assise de l'enclume, état du pénétrateur et dérive de la cellule de pesée) qui affectent les lectures de milieu de gamme.

Les blocs doivent être stockés dans un coffret fermé, à l'abri de l'humidité et des vibrations, et manipulés avec des gants en coton pour éviter la corrosion de la surface polie. Un bloc qui est tombé, a rayé sa zone active ou présente une oxydation de surface doit être retiré de l'utilisation de l'étalonnage.

Qu'est-ce que HK en dureté ? Knoop vs Vickers pour les travaux de micro-dureté

HK signifie Dureté Knoop , l'échelle utilisée dans le test de micro-dureté Knoop. Comme Vickers (HV), Knoop utilise un pénétrateur pyramidal en diamant et une mesure optique de l'impression résultante, mais la géométrie diffère fondamentalement. Le pénétrateur Knoop produit une indentation rhomboédrique allongée avec un rapport diagonal de 7,11:1, tandis que Vickers produit une indentation presque carrée.

Cette différence géométrique a deux conséquences pratiques importantes :

• Profondeur de pénétration plus faible — l'indentation Knoop a une profondeur d'environ 1/30e de la longue diagonale, contre 1/7e pour une indentation Vickers de même longueur diagonale. Cela rend Knoop nettement meilleur pour les revêtements très fins, les céramiques cassantes et le verre où une pénétration profonde provoquerait des fissures ou une influence sur le substrat.
• Sensibilité à la directivité — la forme allongée peut révéler une anisotropie cristallographique dans des monocristaux ou des matériaux hautement texturés en faisant tourner l'échantillon par rapport à l'axe du pénétrateur.

Knoop est la méthode privilégiée selon la norme ASTM E384 pour les tests : carbures cémentés, verre trempé, fines couches galvaniques et matériaux pour lesquels des fissures autour de l'empreinte Vickers compromettraient la validité des mesures. Pour la plupart des applications d'acier, d'aluminium et d'alliages de cuivre, la micro-dureté Vickers (HV 0,1 à HV 1) est le choix par défaut en raison de sa géométrie plus simple et de sa convertibilité directe vers d'autres échelles de dureté.

Conversion de la dureté Brinell en résistance à la traction ultime

La dureté Brinell (HBW) est en corrélation linéaire avec la résistance ultime à la traction (UTS) pour une large gamme d'aciers et de fontes. , ce qui en fait l'une des conversions dureté-résistance les plus utiles en pratique en ingénierie. Cette relation est due au fait que les deux propriétés sont régies par la résistance de la microstructure du matériau à l'écoulement plastique sous une charge concentrée.

L’approximation largement appliquée pour les aciers au carbone et faiblement alliés est :

UTS (MPa) ≈ 3,45 × HBW

En unités usuelles américaines : UTS (psi) ≈ 500 × HBW

Ces coefficients sont raisonnablement valables pour les aciers ferritiques, perlitiques et martensitiques compris entre 150 et 400 HBW. La précision se situe généralement dans une plage de ±7 % pour l'acier au carbone normalisé ou trempé et revenu, ce qui est suffisant à des fins de vérification des matériaux et d'inspection à la réception.

La relation se dégrade et ne doit pas être utilisée sans données spécifiques au matériau dans les cas suivants :

• Aciers inoxydables austénitiques — le comportement à l'écrouissage diffère significativement de celui des aciers ferritiques ; le multiplicateur est plus proche de 3,3 à 3,55 et varie selon l'alliage
• Alliages d'aluminium — un multiplicateur proche de 3,6 à 3,8 est souvent cité, mais la dispersion est élevée dans différentes conditions d'humeur
• Fonte — la morphologie du graphite (flocons ou nodulaires) introduit une variable microstructurale secondaire ; les tableaux publiés pour la fonte ductile et la fonte grise doivent être consultés séparément
• HBW > 400 — la relation linéaire s'effondre; La conversion Vickers ou Rockwell C via ASTM E140 est plus fiable à des niveaux de dureté élevés

Les normes ASTM A370 et EN ISO 18265 fournissent toutes deux des données tabulées de conversion dureté-résistance à la traction avec des plages d'applicabilité indiquées et des incertitudes attendues, et devraient constituer les documents de référence pour toute conversion critique pour les spécifications.

Résistance à la traction de la dureté Rockwell : méthodes de conversion et limites

L'estimation de la résistance à la traction à partir de la dureté Rockwell suit un processus en deux étapes : convertissez d'abord Rockwell en Brinell à l'aide des tables de conversion ASTM E140, puis appliquez la relation Brinell-UTS décrite ci-dessus - ou utilisez des tables de corrélation UTS directes qui consolident les deux étapes.

Pour acier trempé dans la gamme HRC 20–65 , les équivalences approximatives suivantes constituent un point de départ pratique :

Au-dessus de HRC 40 (~400 HBW), le test Brinell lui-même n'est plus valable car la bille en carbure de 10 mm se déforme élastiquement sous des charges élevées, produisant des résultats non reproductibles. Dans cette gamme, Vickers ou Rockwell C sont les méthodes de dureté correctes , et l'estimation UTS doit faire référence à des tableaux empiriques directs pour la nuance d'acier spécifique plutôt qu'à la formule linéaire générique.

Pour les décisions techniques impliquant des composants critiques pour la sécurité (appareils sous pression, fixations structurelles, vilebrequins), les valeurs UTS dérivées de la dureté doivent être traitées uniquement comme des données de contrôle. Des essais de traction physique selon ASTM E8 ou ISO 6892 sont requis pour la certification de base de conception.