Évaluez-le, ne le cassez pas—Tests de dureté et la fonderie

Une étape critique dans la qualification des pièces métalliques par une approche non destructive

Le test de dureté est un test de qualité utilisé dans les fonderies pour mesurer les propriétés des métaux coulés et leur adéquation à différentes applications. Sa popularité est due à la nature non destructive du test et à sa relation avec d'autres propriétés mécaniques. Les fonderies déduisent la contrainte de traction d'un matériau en fonction du résultat du test de dureté.

Les propriétés des métaux coulés varient en fonction de la composition du métal, des conditions de traitement et du traitement thermique. Il est important de certifier que les produits en métal coulé conviennent à l'application finale souhaitée. Quatre grandes catégories de propriétés sont importantes pour les utilisateurs de métal coulé :

• Force
• Impact
• Dureté
• Résistance à la corrosion

Les fonderies jettent parfois un coupon de test parallèlement au moulage du produit. Les résultats des tests de qualité du coupon de test sont supposés être également vrais pour le produit coulé. Certains tests, tels que la contrainte de traction et l'impact, détruisent l'éprouvette au cours du processus. Cependant, les essais non destructifs (END) ne détruisent pas l'échantillon de métal pour obtenir un résultat. L'avantage du CND est que les tests peuvent être effectués sur le produit en métal coulé lui-même, par opposition à une pièce d'essai.

Avantages des tests de dureté :

• Capacité à vérifier le traitement thermique d'une pièce lors d'opérations de traitement thermique et d'analyse de profondeur de cas
• Capacité à déterminer si un matériau possède les propriétés nécessaires pour l'usage auquel il est destiné
• Alternative aux tests non destructifs pour qualifier et libérer efficacement les matériaux ou composants pour les applications cibles
• Faible coût et performances rapides

Qu'est-ce qu'un test de dureté ?

Le terme, dureté , implique typiquement une résistance à la déformation. Pour les métaux, la propriété est une mesure de leur résistance à la déformation permanente ou plastique. Il existe plusieurs tests différents pour mesurer la dureté des métaux et des métaux coulés.

Test de dureté Brinell

Le test de dureté Brinell utilise la méthode ASTM E10—Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials. L'American Society for Testing and Measurement (ASTM) est le dépositaire de cette norme. Il s'agit d'un test de macro-indentation où une charge élevée est utilisée pour obtenir la mesure. Les métaux coulés nécessitent des tests de macro-dureté en raison de la structure du grain grossier et du potentiel d'un matériau inhomogène.

Pour obtenir un indice de dureté Brinell (BHN), une bille de carbure de diamètre fixe s'enfonce dans le métal à une pression fixe pendant un temps déterminé. Au retrait de la charge, l'opérateur mesure le diamètre de l'empreinte laissée et le convertit en BHN à l'aide de la formule suivante :

\(BHN={2PauvretéπD(D-sqrt{D^2-d^2 })}\)

P =force appliquée (kgf)
D =diamètre du pénétrateur (mm)
d =diamètre de l'empreinte (mm)

Aux États-Unis, les charges d'essai pour l'acier et le fer sont généralement fixées à un maximum de 3000 kgf avec une bille de 10 mm. L'aluminium utilise une charge d'essai inférieure de 500 kgf et parfois un pénétrateur plus petit de 5 mm. Un BHN typique varie de 50 à 750 pour les métaux. Le tableau Engineering Toolbox Brinell Hardness ci-dessous répertorie quelques exemples de BHN :

Matériau
Numéro de dureté Brinell

Laiton doux

60

Acier doux

130

Ciseaux en acier recuit

235

Fonte blanche

415

Surface nitrurée

750

La préparation de la surface métallique pour les essais de dureté Brinell est très importante. Une surface irrégulière ou d'autres imperfections influenceront le résultat. Il est conseillé de meuler la surface métallique en préparation du test afin de minimiser la variabilité des résultats.

Les origines de l'essai de dureté Brinell remontent à 1900. Dans les premières années de l'essai, les résultats étaient fortement influencés par la perspective de l'opérateur. Différents opérateurs arriveraient à des résultats différents conduisant à une grande variabilité dans la mesure. Cependant, avec l'introduction d'équipements de mesure électroniques, le niveau de cohérence s'est considérablement amélioré.

Test de dureté Rockwell

Le test de dureté Rockwell utilise la méthode ASTM E18—Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials. Le test Rockwell comporte deux étapes. L'équipement applique une force d'essai préliminaire à l'échantillon à l'aide d'un pénétrateur à diamant ou à bille. Le but de cette étape est de percer la surface du métal et de réduire l'effet de la finition de surface sur le résultat final. L'opérateur mesure une profondeur d'indentation de base à ce stade. Après avoir maintenu la précharge pendant un temps défini, une charge importante est alors appliquée. Encore une fois, la force est maintenue pendant un temps prédéfini, avant de la réduire à nouveau à la force de précharge. Une fois le temps écoulé, l'opérateur prend une mesure de profondeur de l'empreinte. Le nombre de dureté Rockwell est basé sur la différence entre les mesures de profondeur de référence et finales.

Il est important pour la précision du test Rockwell que l'axe de test soit à moins de deux degrés de perpendiculaire. Une échelle de dureté Rockwell accompagne le test.

\(RHN={N-(h/ S ) }\)

N =constante
S =unité d'échelle
h =profondeur d'indentation

Test de dureté de rebond Leeb

Le test Leeb utilise ASTM A956—Méthode de test standard pour le test de dureté Leeb des produits en acier. Le test de Leeb est une mesure du rebond d'un objet à partir de l'échantillon de test. La dureté des métaux affecte l'énergie de rebond - les matériaux plus durs produisent un rebond plus important, tandis que les matériaux plus mous atténuent l'énergie de rebond. La vitesse de l'objet, avant et après qu'il ait heurté l'échantillon, constitue la base de la valeur de rebond. L'équipement de test Leeb contient une bobine qui mesure la tension induite de la bille magnétique utilisée pour le test de rebond. Cette tension induite est directement liée à la vitesse de la bille se déplaçant à travers la bobine de l'équipement de test. La valeur de dureté Leeb est calculée à l'aide de la formule suivante :

\(LHN={Rebond ;Vitesse sur impact;Vélocité}x1000\)

Les avantages de la méthode Leeb incluent le fait que l'indentation laissée sur l'échantillon d'essai est beaucoup plus petite qu'avec d'autres méthodes. Il est également portable, plus facile à utiliser et plus rapide que les testeurs de dureté Brinell et Rockwell. Un inconvénient est qu'il peut donner des résultats variables lorsque la surface de l'échantillon est inégale. L'épaisseur de l'échantillon et la teneur en carbone peuvent également influencer le résultat.

Conversion du nombre de dureté

ASTM E140-12be1 donne des tables de conversion de dureté standard pour les métaux à convertir d'une méthode d'essai de dureté à une autre. Il est important de noter que ces conversions sont approximatives et dépendent de facteurs tels que la composition du matériau, la microstructure et le traitement thermique. Bien que les tableaux soient basés sur un grand nombre de tests dans les différentes méthodes, un résultat de conversion ne peut être considéré que comme une estimation de valeurs comparables.

Numéro de dureté et traitement thermique

Les métaux coulés sont traités thermiquement pour manipuler leurs propriétés. Le traitement thermique consiste à élever la température du matériau à une valeur prédéterminée. Il est ensuite refroidi à une vitesse spécifique en fonction des propriétés souhaitées du produit. La température finale du cycle de chauffage et la vitesse de refroidissement ont un impact direct sur la microstructure du métal.

Les fines microstructures de perlite et de ferrite causées par une vitesse de refroidissement plus rapide ont une valeur de dureté plus élevée. Si le métal est trempé, le refroidissement rapide donne une microstructure de martensite, qui a la plus grande dureté de toutes. En raison de la relation directe entre la microstructure et la dureté, le test de dureté est un indicateur rapide de la réussite ou de l'échec du traitement thermique.

Numéro de dureté et propriétés du métal coulé

Les tableaux montrent comment la résistance à la traction est corrélée à la dureté pour des matériaux spécifiques. Il s'agit d'une corrélation utile car la mesure de la contrainte de traction est un processus destructif, alors que les essais de dureté sont non destructifs. Cependant, il existe des limites à la conversion de la dureté en résistance à la traction et ces tableaux ne sont que des approximations.

La relation entre le nombre de dureté Brinell et la contrainte de traction :

\(TS(MPa)=begin{cases}3.55 cdot HB(HB le 175 )[2ex]3.38 cdot HB(HB>175 )end{cases}\)\(TS(psi)=begin{cases}515 cdot HB (HB le 175 )[2ex]490 cdot HB(HB>175 )end{cas}\)

HB =Dureté Brinell du matériau (mesurée avec un pénétrateur standard et une charge de 3 000 kgf)

Produits moulés et classement

De nombreux facteurs affectent le classement de l'acier moulé. La composition du produit, les propriétés chimiques et mécaniques et les processus de traitement thermique jouent tous un rôle dans la certification de chaque produit coulé par rapport à la norme ASTM applicable.

L'ASTM établit des spécifications standard pour différentes qualités de produits métalliques. Il est important de comprendre ces grades et leurs propriétés afin de sélectionner le bon grade pour chaque application. ASTM A27 est une norme qui couvre les pièces moulées en acier au carbone pour des applications générales.

Essais de dureté dans les fonderies

Le développement du test de dureté a permis aux fonderies de métaux d'estimer plus facilement les propriétés de leurs produits sur la base d'un test simple. Il est non destructif, ce qui signifie qu'il peut être effectué sur des produits finis sans causer de dommages. Il s'agit d'un processus rapide, qui donne aux fonderies un retour d'information rapide sur les produits lorsqu'ils quittent la chaîne de production. La corrélation entre l'indice de dureté et la résistance à la traction est un guide utile pour faire une première évaluation de la qualité du produit. Les fonderies effectuent une série complète de tests de certification avant de livrer les produits aux clients.

Les tests de dureté aident également les fonderies à vérifier leurs processus de traitement thermique. Les résultats montrent si la microstructure du matériau a changé comme prévu. Les essais de dureté sont un élément essentiel du contrôle qualité et du réglage des processus pour les fonderies de métaux.