La dureté n'est pas une propriété matérielle fondamentale mais une réponse mesurée à une méthode d'indentation spécifique. La réponse pratique directe est que Rockwell, Brinell et Vickers sont trois tests de dureté par indentation distincts, chacun utilisant un pénétrateur et une charge différents, et produisant des valeurs dans différentes unités ou échelles. . Rockwell utilise une mesure de profondeur et rapporte un nombre sans dimension sur des échelles comme HRC ou HRB. Brinell enfonce une bille de carbure dans la surface et rapporte une valeur en HBW (kgf/mm²) . Vickers utilise une pyramide de diamants et rapporte la dureté comme HT (également en kgf/mm²) , ce qui le rend polyvalent pour tout, des revêtements minces aux matériaux en vrac. Un machine d'essai de dureté universelle intègre ces méthodes dans un seul instrument, en ajoutant souvent une capacité de détection de profondeur Martens. Il n’existe pas d’unité de mesure de dureté unique ; l'« unité de dureté » dépend de l'échelle et le choix entre les tests dépend du type de matériau, de la géométrie de l'échantillon et des informations spécifiques requises.
La machine d'essai de dureté universelle
A testeur de dureté universel est un instrument unique conçu pour effectuer plusieurs méthodes d'essai de dureté standardisées, généralement Rockwell, Brinell et Vickers, en échangeant les pénétrateurs, les lentilles d'objectif et les profils de chargement. Cela élimine le besoin de testeurs dédiés distincts. Au-delà des méthodes optiques traditionnelles, les machines universelles avancées utilisent la technologie de détection de profondeur pour mesurer Dureté Martens (HM) et module d'indentation selon la norme ISO 14577. Ceci est obtenu en enregistrant la courbe force-déplacement continue pendant le cycle d'indentation, fournissant des paramètres de matériau équivalents à un essai de compression à grande vitesse. Une machine universelle moderne, par exemple, peut appliquer des forces d'essai de 1 gf à 3000 kgf , couvrant les gammes micro, faible charge et macro pour les tests Vickers, Brinell, Rockwell et même Bouton et plastiques. Systèmes de contrôle de force en boucle fermée, souvent avec un taux d'échantillonnage de 1 à 2 kHz , assurez-vous que le taux de chargement et le temps de séjour sont strictement conformes aux normes telles que ASTM E92 et ISO 6506.
Principes fondamentaux des tests de dureté Rockwell, Brinell et Vickers
Les trois tests quantifient la résistance d’un matériau à la déformation plastique permanente, mais ils diffèrent fondamentalement par la géométrie du pénétrateur, l’application de la charge et le principe de mesure.
Test de dureté Rockwell
La méthode Rockwell mesure profondeur différentielle de pénétration d'un pénétrateur sous une charge préliminaire mineure suivie d'une charge majeure. La charge mineure (généralement 10 kgf ou 3 kgf) établit une position de référence, absorbant les imperfections de surface et la déformation élastique. La charge majeure (60, 100 ou 150 kgf) est ensuite appliquée et retirée, et l'augmentation permanente de la profondeur de pénétration est mesurée. L'indice de dureté est inversement lié à cette profondeur et est lu directement à partir d'un cadran ou d'un affichage numérique. Un Valeur Rockwell HRC de 60 , par exemple, correspond à une profondeur d'environ 0,080 mm. Les échelles courantes incluent le HRC (cône de diamant, 150 kgf) pour les aciers trempés et le HRB (bille de 1/16 de pouce, 100 kgf) pour les alliages plus tendres. Le principal avantage est la rapidité, car le résultat est obtenu en quelques secondes sans mesure optique.
Test de dureté Brinell
Le test Brinell utilise un pénétrateur à billes en carbure de tungstène , généralement de 10 mm de diamètre, enfoncé dans la surface avec une force d'essai élevée (généralement 3 000 kgf pour les métaux ferreux). Après avoir retiré la charge, le diamètre de l'empreinte permanente est mesuré optiquement. L'indice de dureté Brinell (HBW) est calculé comme la charge appliquée divisée par la surface sphérique de l'indentation. Un résultat typique s’écrit 350 HBW 10/3000 , indiquant une dureté Brinell de 350 en utilisant une bille de 10 mm et une charge de 3000 kgf pour un temps de séjour de 10 à 15 secondes. La grande indentation fait la moyenne des variations microstructurales locales, ce qui rend Brinell idéal pour les pièces moulées, les pièces forgées et les matériaux à structures à grains grossiers. Il ne convient pas aux matériaux très durs (au-dessus de 650 HBW) ou aux sections minces, car la bille pourrait se déformer ou l'échantillon pourrait être endommagé.
Test de dureté Vickers
Le test Vickers utilise un pénétrateur pyramidal à base de diamant avec un angle au sommet de 136 degrés. Le principe est identique sur toute la plage de charge : le pénétrateur est pressé dans l'échantillon sous une force précise et les deux diagonales de l'empreinte carrée résultante sont mesurées optiquement et moyennées. La dureté Vickers est indiquée comme HT , suivi de la force d'essai en kgf, par exemple 640 HT 30 . L'unité de dureté Vickers est techniquement kgf/mm² , mais il est conventionnellement exprimé sous la forme d'un nombre sans dimension. Étant donné que la même forme de pénétrateur est utilisée pour des forces allant de 1 gf à 120 kgf, Vickers est unique en son genre capable de mesurer la dureté sur plusieurs échelles, depuis les feuilles minces et les couches cémentées jusqu'aux matériaux en vrac, et les résultats sont généralement indépendants de la charge au-dessus de quelques centaines de grammes de force.
Unités de mesure de dureté selon les méthodes
Le concept d'« unité de dureté » est spécifique à la méthode. Chaque test a sa propre convention de rapport et les valeurs ne sont pas directement transférables sans les tables de conversion définies par ASTM E140 et ISO 18265. Le tableau ci-dessous clarifie la structure des unités et des échelles pour les principales méthodes de test.
| Méthode d'essai | Symbole | Unité physique | Exemple de désignation |
|---|---|---|---|
| Rockwell | Échelle RH | Sans dimension | 60 HRC |
| Brinell | HBW | kgf/mm² | 350 HBW 10/3000 |
| Vickers | HT | kgf/mm² | 640 HT 30 |
| Knoop | Hong Kong | kgf/mm² | 1000 Hong Kong 0,1 |
| Martres (Universelles) | HM | N/mm² | 4500 ML 0,5/20/15 |
Comparaison complète des trois méthodes
Les différences entre les tests de dureté Brinell, Rockwell et Vickers ne sont pas seulement procédurales ; ils déterminent quelle méthode est appropriée pour une tâche industrielle donnée. Le tableau suivant fournit une comparaison directe orientée application.
| Caractéristique | Rockwell | Brinell | Vickers |
|---|---|---|---|
| Pénétrateur | Cône de diamant ou boule de carbure | Bille carbure 10 mm (ou 5/2,5 mm) | Pyramide de diamants (136 degrés) |
| Mesure | Profondeur de pénétration | Diamètre d'impression | Diagonale d'impression |
| Vitesse | Très rapide (3-5 secondes) | Lent (30 secondes optique) | Modéré à lent |
| Adéquation | Assurance qualité production, aciers trempés, alliages | Pièces moulées, pièces forgées, métaux à gros grains | All materials, coatings, thin layers, R&D |
| Limite clé | Pas pour les couches minces ou cémentées | Pas plus de 650 HBW ; grande zone de dégâts | Lent, état de surface critique |
Qu'est-ce que le Vickers Essai de dureté Utilisé pour
Le test de dureté Vickers est la méthode privilégiée lorsqu’une seule échelle de dureté doit couvrir toute la gamme de dureté du matériau d’un produit. Ses principales applications comprennent analyse en profondeur des aciers cémentés ou nitrurés , où une série de micro-indentations depuis le bord de la surface jusqu'au noyau cartographie le gradient de dureté. Une spécification typique, telle que HT 550 at a case depth of 0.5 mm , ne peut être vérifié qu'avec une traversée de micro-dureté Vickers. Le test est également essentiel pour soudures de qualification , où la zone affectée thermiquement, le métal de base et le métal soudé ont chacun des propriétés différentes, et le petit pénétrateur peut isoler ces régions. En recherche et développement, Vickers est utilisé pour caractériser les céramiques, les composites et les revêtements en couches minces là où d'autres pénétrateurs se briseraient ou nécessiteraient une empreinte trop importante. Par exemple, un revêtement dur TiN de 3 microns d'épaisseur peut être testé de manière fiable à 0,025 kgf (25 gf) , produisant une indentation d'environ 0,5 microns de profondeur, sans influence du substrat.
Dureté Webster vs Rockwell
Le testeur de dureté Webster est un instrument portable à lecture directe qui applique une méthode d'indentation spécifique. Ce n'est pas directement équivalent à une échelle Rockwell spécifique, mais Les valeurs de dureté Webster sont empiriquement corrélées aux échelles Rockwell B et Rockwell H pour les alliages d'aluminium. . L'échelle Webster B, par exemple, couvre approximativement de WB 0 à WB 20 , ce qui correspond à environ 25 à 100 HRB pour extrusions et tôles d'aluminium. L’avantage du testeur Webster réside dans sa portabilité et sa capacité à tester de grands assemblages, échangeurs de chaleur et structures d’avion qui ne peuvent pas être amenés à un banc d’essai Rockwell. Cependant, la corrélation est spécifique au matériau. Un testeur Webster calibré pour l'aluminium 6061-T6 ne fournira pas d'équivalents Rockwell précis pour le 7075 ou pour d'autres métaux. Pour une certification précise des matériaux, un test au banc Rockwell ou Brinell est requis, le Webster servant d'outil de contrôle sur le terrain pratique.
Comment sélectionner le test de dureté approprié pour votre application
Le choix du test dépend du type de matériau, de la géométrie de l'échantillon, du volume de production et des informations requises. La logique de décision suivante, basée sur des scénarios industriels pratiques, fournit un guide constructif.
- Pour les grandes pièces moulées ou forgées avec des microstructures grossières , choisissez le test Brinell. L’indentation de la bille de 10 mm fait la moyenne des variations de limite de grain et de phase, donnant une dureté globale représentative des propriétés mécaniques globales du composant. Un test standard à 3 000 kgf avec une bille de 10 mm est la valeur par défaut pour les pièces moulées en fer et en acier.
- Pour le contrôle qualité de la production en grand volume de pièces usinées , Rockwell est la norme. Un test HRC de 3 secondes peut maintenir l'indice de capacité de processus d'une ligne de traitement thermique sans créer de goulot d'étranglement. Utilisez HRC pour les aciers trempés supérieurs à 20 HRC et HRB pour les alliages non ferreux plus tendres.
- Pour les composants cémentés, fins ou revêtus , le micro-Vickers est le seul choix approprié. Une charge de 500 gf ou 1 kgf et un pénétrateur Knoop ou Vickers peuvent mesurer le gradient noyau-boîtier sans que l'indentation ne s'étende à travers la couche durcie.
- Pour les soudures, les joints et les zones affectées par la chaleur Les tests à faible force (1 à 5 kgf), Vickers ou Knoop peuvent résoudre les variations de dureté sur la bande étroite d'une interface de soudure, ce qui est essentiel pour éviter la fissuration par l'hydrogène ou la formation de phases fragiles.
- Lorsque des propriétés de matériaux dépassant un seul indice de dureté sont nécessaires , un testeur de dureté universel en mode Martens fournit la dureté d'indentation, le module d'élasticité, le fluage et le comportement de relaxation à partir d'un seul test d'indentation instrumenté, ce qui est précieux pour le développement de polymères, de céramiques et de matériaux avancés.
Conversion entre les échelles de dureté
Les conversions d'échelle de dureté sont approximatives et la pratique responsable consiste à utilisez-les uniquement à des fins de comparaison, jamais à des fins de spécification . La relation de conversion entre Brinell, Rockwell et Vickers dépend du comportement d'écrouissage du matériau, de sorte qu'une table de conversion ASTM E140 pour l'acier inoxydable austénitique sera différente de celle pour l'acier au carbone et faiblement allié. À titre d'exemple pratique, un acier au carbone typique avec 640 HT 30 correspond à environ 56 HRC et 600 HBW . Cependant, pour un acier inoxydable austénitique entièrement écroui, le même 56 HRC pourrait correspondre à seulement 250 HBW. Lorsqu'une spécification nécessite un reporting à une échelle spécifique, le test doit être effectué directement à cette échelle. Une machine d'essai de dureté universelle peut minimiser cette incertitude en effectuant l'essai selon la méthode requise sans recourir à la conversion.
