Comprendre la dureté des matériaux : guide pour comparer les matériaux d'ingénierie

Le processus de développement de produit englobe plusieurs sous-processus, et la sélection des matériaux est le plus essentiel parmi eux.

Chaque matériau a des propriétés mécaniques et capacités différentes. Pour faire le bon choix, il faut déterminer le type de conditions de chargement que votre pièce subira. Par exemple, si vous concevez une pièce (ou assemblage) qui entrera en contact avec d'autres composants ou subira des chocs, vous voudrez choisir un matériau avec une dureté suffisante.

Mais qu'est-ce exactement que la dureté des matériaux, et comment la mesurer ? Cet article répond à ces questions et plus.

Qu'est-ce que la dureté des matériaux ?

La dureté des matériaux est la capacité d'un matériau à résister à la déformation plastique localisée due à des charges concentrées appliquées.

Regardons cela ainsi : quand on dit qu'un matériau a un haut degré de dureté, cela signifie qu'il peut conserver sa forme en présence de forces externes comme le rayage, l'indentation et l'abrasion. Ainsi, des matériaux comme le titane et le diamant ont un degré de dureté plus élevé que le plastique.

En comparant le diamant et les plastiques, vous savez probablement intuitivement lequel est plus dur. Mais pour choisir entre métaux (ou alliés) proches, il est presque impossible de deviner correctement sans effectuer un test de dureté.

Il existe plusieurs méthodes pour tester la dureté. Mais avant d'en discuter, il est essentiel de comprendre les types de dureté.

Types de dureté des matériaux

Voici les trois types de dureté :

1. Dureté à l'indentation
2. Dureté au rayage
3. Dureté au rebond

La dureté à l'indentation fait référence à la résistance d'un matériau à la déformation permanente sous charge continue. En revanche, la dureté au rayage décrit la capacité d'un matériau à résister au rayage de sa surface par contact avec un autre métal. Enfin, la dureté au rebond est liée à l'élasticité du matériau ; elle décrit la capacité d'un matériau à absorber l'énergie d'impact.

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

Comment tester la dureté des matériaux : 4 méthodes de test

Méthode #1 Le test de Brinell

Testeur de dureté Brinell de Wikimedia Commons.

Le test de Brinell mesure la dureté à l'indentation d'un matériau. Cette méthode utilise un pénétrateur (généralement une bille d'acier trempé) pour créer une empreinte sur une pièce d'essai. On maintient le pénétrateur en place avant d'appliquer une force prédéfinie dans la bille (et la surface du matériau) pendant une période spécifiée.

Ensuite, on attribue un nombre de dureté Brinell selon la taille de l'indentation formée. On mesure l'indentation au microscope et on calcule le nombre de dureté Brinell avec :

Où :
HB = Dureté Brinell (kg/mm²)
P = Force (en Newton)
D = Diamètre du pénétrateur (mm)
d = Diamètre de l'indentation (mm)

Cependant, la force prédéfinie appliquée sur le pénétrateur dépend du matériau testé. Par exemple, les experts en contrôle qualité utilisent généralement une charge standard de 3000 kg (30 000 N) pour les métaux durs comme le fer et l'acier. En revanche, appliquez une charge de 500 kg (5000 N) pour les matériaux plus tendres comme le cuivre et le laiton.

Méthode #2 Test de dureté Rockwell

Opérateur effectuant un test de dureté Rockwell

Comme le test Brinell, le test Rockwell mesure la dureté à l'indentation et utilise généralement un pénétrateur (bille d'acier ou cône diamanté sphérique).

Cependant, dans le test Brinell, on maintient le pénétrateur en place en appliquant une charge mineure (typiquement 10 kg ou 100 N) avant d'appliquer la charge principale. Puis, en enlevant la charge principale, on mesure la profondeur d'indentation tandis que la charge mineure est encore appliquée.

Le nombre de dureté peut alors être lu sur différentes échelles Rockwell (A, B, C, etc.). L'échelle idéale dépend du type de pénétrateur et de la charge appliquée. Par exemple, pour mesurer la dureté d'alliages d'acier, utilisez un pénétrateur à cône diamanté avec jusqu'à 140 kg de charge principale, lisez sur l'échelle « C ». Pour les métaux tendres comme les alliages de cuivre, utilisez une bille d'acier diamanté (jusqu'à 100 kg de charge principale) et lisez sur l'échelle « B ».

Méthode #3 Test de dureté Mohs

Le test de dureté Mohs est idéal pour mesurer la résistance au rayage d'un matériau. On raye la surface du matériau testé avec un matériau de référence à dureté prédéfinie. La valeur de dureté s'exprime sur l'échelle de Mohs, composée de 10 minéraux aux valeurs de dureté arbitraires.

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

Alan's Factory Outlet propose un tableau de dureté Mohs (capture ci-dessus) avec des exemples de résistance au rayage de divers métaux.

Méthode #4 Test de dureté Shore Scleroscope

Le scléroscope Shore est un dispositif mesurant la dureté au rebond. Il comporte un tube de verre gradué monté sur un support. Pour déterminer la dureté au rebond, on laisse tomber un marteau à pointe diamantée à travers le tube sur le matériau.

Représentation schématique du scléroscope Shore sur trépied. De Wikimedia Commons.

La valeur de dureté est proportionnelle à la hauteur de rebond du marteau après impact. Par exemple, un matériau plus dur cause un rebond plus haut qu'un matériau moins dur.

Test de dureté des matériaux et développement produit : Services Gensun Precision Machining

Sans aucun doute, il est essentiel de connaître la dureté des différents matériaux pour déterminer le matériau idéal pour votre conception de produit. Mais même après avoir choisi un matériau approprié, vous devez encore trouver un atelier et un machiniste capables de créer vos pièces avec précision.

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