Qu'est-ce que la dureté du matériau ? Comment comparer différents matériaux d'ingénierie

Le processus de développement de produits englobe plusieurs processus mineurs, et la sélection des matériaux est le plus essentiel d'entre eux.

Chaque matériau a des propriétés et des capacités mécaniques différentes. Et pour faire le bon choix de matériau, vous devez déterminer le type de conditions de charge que votre pièce subira. Par exemple, si vous cherchez à concevoir une pièce (ou un assemblage) qui entrera en contact avec d'autres composants ou subira une charge d'impact, vous devez choisir un matériau avec une dureté de matériau suffisante.

Mais qu'est-ce que la dureté d'un matériau exactement et comment la mesure-t-on ? Cet article répond à ces questions et plus encore.

Qu'est-ce que la dureté du matériau ?

Dureté du matériau est la capacité d'un matériau à résister à une déformation plastique localisée due à des charges appliquées concentrées.

Vois-le de cette façon. Lorsque nous disons qu'un matériau a un degré de dureté élevé, cela signifie simplement que le matériau peut conserver sa forme en présence de forces externes telles que les rayures, les indentations et l'abrasion. Ainsi, des matériaux comme le titane et le diamant auraient un degré de dureté plus élevé que le plastique.

Lorsque vous comparez le diamant et les plastiques, vous savez probablement quel matériau a la plus grande dureté par intuition. Mais lorsque vous voulez choisir entre des métaux (ou alliages) étroitement liés, il est presque toujours impossible de faire une estimation correcte à moins d'effectuer un test de dureté sur eux.

Il existe plusieurs méthodes pour tester la dureté des matériaux. Mais avant de discuter de ces méthodes, il est essentiel que vous compreniez d'abord les types de dureté des matériaux.

Types de dureté des matériaux

Voici les trois types de dureté des matériaux :

1. Dureté d'indentation
2. Dureté aux rayures
3. Dureté de rebond

Dureté d'indentation fait référence à la résistance d'un matériau à la déformation permanente lorsqu'il est soumis à une charge continue. En revanche, la dureté aux rayures décrit la capacité d'un matériau à résister aux rayures de sa surface dues au contact avec un autre métal. Enfin, dureté de rebond est lié à l'élasticité du matériau; il décrit la capacité d'un matériau à absorber l'énergie d'impact.

Une fois que vous connaissez le type de conditions de charge (ou environnementales) que votre pièce subira, vous pouvez alors envisager l'une des méthodes de test de dureté suivantes pour comparer vos options de matériaux. Si vous avez l'équipement nécessaire, vous pouvez effectuer ces tests. Ou vous pouvez vous fier aux informations de vos fournisseurs et à des ressources en ligne comme Matweb qui répertorient les propriétés de divers matériaux.

Comment tester la dureté des matériaux :4 méthodes de test

Méthode n°1 Le test Brinell

Un testeur de dureté Brinell de Wikimedia Commons.

Le test Brinell mesure la dureté d'indentation d'un matériau . Cette méthode d'essai utilise un pénétrateur (généralement une bille en acier trempé) pour créer une empreinte sur une éprouvette. Dans cette méthode de test, vous tiendrez le pénétrateur en place avant d'appliquer une force prédéfinie dans la bille (et la surface du matériau) pendant une période spécifiée.

Ensuite, attribuez un numéro de dureté Brinell au matériau en fonction de la taille de l'indentation formée dessus. Vous pouvez mesurer l'indentation à l'aide d'un microscope et calculer le nombre de dureté Brinell à l'aide de :

Où :
HB =dureté Brinell (kg/mm2)
P =Force (mesurée en Newton)
D =Diamètre du pénétrateur (mesuré en millimètres)
d =diamètre d'indentation (mesuré en millimètres)

Cependant, gardez à l'esprit que la force prédéfinie que vous appliquerez sur le pénétrateur dépend du matériau que vous cherchez à tester. Par exemple, les experts en contrôle qualité utilisent généralement une charge standard de 3 000 kg (ou 30 000 N) pour les métaux durs comme le fer et l'acier. En revanche, vous devez appliquer une charge de 500 kg (ou 5 000 N) pour les matériaux plus tendres comme le cuivre et le laiton.

Méthode #2 Test de dureté Rockwell

Opérateur réalisant un essai de dureté Rockwell

Comme le test de dureté Brinell, le test de dureté Rockwell est également utilisé pour la dureté par indentation mesure et implique généralement l'utilisation d'un pénétrateur (généralement une bille d'acier ou un cône sphérique à pointe de diamant).

Cependant, dans le test de dureté Brinell, vous maintenez le pénétrateur en place en appliquant une charge mineure (généralement 10 kg ou 100 N) avant d'appliquer la charge de test majeure. Ensuite, après avoir retiré la charge principale, mesurez la profondeur d'indentation pendant que la charge mineure est toujours en place.

Le nombre de dureté peut alors être lu en utilisant différentes échelles de dureté Rockwell (A, B, C, etc.). L'échelle idéale dépend du type de pénétrateur utilisé et de la charge d'essai appliquée au matériau. Par exemple, disons que vous voulez mesurer la dureté des alliages d'acier; vous devrez utiliser un pénétrateur à cône en diamant avec une charge maximale de 140 kg. Dans un tel scénario, vous lirez le numéro de dureté sur l'échelle "C".

Pour les métaux plus tendres comme les alliages de cuivre, les experts en contrôle qualité utilisent une bille en acier diamanté (avec jusqu'à 100 kg de charge majeure) et lisent le numéro de dureté sur l'échelle "B".

Méthode #3 Test de dureté Mohs

Le test de dureté Mohs est idéal pour mesurer la résistance aux rayures d'un matériau. Dans cette méthode de test, vous grattez la surface du matériau à tester en utilisant un matériau de référence avec une dureté prédéfinie. La valeur de dureté est exprimée à l'aide de l'échelle de Mohs, qui est composée de 10 minéraux auxquels ont été attribuées des valeurs de dureté arbitraires.

Voir le tableau complet de dureté Mohs sur Alan's Factory Outlet

Alan's Factory Outlet a un tableau de dureté Mohs (capture d'écran ci-dessus) sur lequel vous pouvez voir des exemples de la résistance aux rayures de divers métaux.

Méthode n° 4 Test de dureté au scléroscope Shore

Le scléroscope de rivage est un appareil utilisé pour mesurer la dureté de rebond d'un matériau . L'appareil comporte un tube de verre gradué monté sur un support. Pour déterminer la dureté de rebond de votre matériau, vous ferez tomber un marteau à pointe de diamant à travers le tube de verre sur le matériau.

Représentation schématique du Shore Scleroscope monté sur un trépied. De Wikimedia Commons.

La valeur de dureté est proportionnelle à la hauteur à laquelle le marteau rebondit après avoir heurté l'éprouvette. Par exemple, un matériau avec une plus grande dureté provoque une plus grande hauteur de rebond qu'un matériau avec un degré de dureté moindre.

Test de dureté des matériaux et développement de produits :services d'usinage de précision Gensun

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