Techniques d'essai de dureté : méthodes Rockwell et Brinell

OBJECTIFS

À la fin de cette unité, vous serez capable de :

• Réaliser un essai Rockwell
• Réaliser un essai Brinell

Au-delà de la vérification de nos traitements thermiques en atelier, les essais de dureté sont parfois nécessaires en production. Même si c'est une mauvaise planification, il arrive qu'une pièce arrive avec un alliage inconnu, ou dont la composition est connue mais pas la dureté. On peut tester grossièrement l'usinabilité à la lime, mais la vraie mesure de dureté est le meilleur moyen de choisir types d'outils, vitesses et avances.

Brinell : Essai de dureté par lecture du diamètre de l'empreinte d'un pénétrateur bille.

Rockwell : Essai de dureté par lecture de la profondeur de pénétration d'un pénétrateur.

L'ESSAI DE DURETÉ ROCKWELL

Le Rockwell est une méthode largement acceptée pour métaux tendres et durs. Ce système évalue la malléabilité en mesurant la profondeur de pénétration d'un pénétrateur conique (diamant) de forme et dimensions connues, sous une force précise. Par sa gamme étendue, c'est l'essai le plus utilisé en outillage, petite production et laboratoires de formation.

Échelles Rockwell

Plusieurs échelles existent dans le système Rockwell. Nous utiliserons l'échelle C (Rockwell C), adaptée aux aciers trempés. L'échelle C va de 0 (acier recuit) à 68 (plus dur qu'un outil HSS, proche du carbure). Symbole : HRC (ou R_C).

L'essai Rockwell en deux étapes

Étape 1. Charge de précharge (Minor Load)

La pièce est posée sur l'enclume inférieure, stable. Le pénétrateur conique en diamant est mis en contact puis enfoncé sous une force prédéterminée de 90 N (10 kgf / 20 lbs). La pointe s'enfonce de 0,076 à 0,15 mm (0,003-0,006"). C'est la précharge initiale. À ce moment, le grand cadran indicateur est mis à zéro.

Étape 2. Charge principale (Major Load)

Avec la précharge maintenue et l'indicateur à zéro, une charge additionnelle de 1400 N (150 kgf) est appliquée (charge totale 1500 N). Le diamant s'enfonce davantage ; sa profondeur additionnelle est traduite sur le cadran, mais en relation inverse : plus le diamant pénètre profondément, plus le métal est tendre → nombre plus bas sur le cadran. Inversement, pénétration faible = métal dur → nombre élevé.

LA MÉTHODE ROCKWELL (DÉTAILLÉE)

La méthode Rockwell mesure la profondeur permanente d'empreinte produite par une force sur un pénétrateur.

1. Préparer l'éprouvette.
2. Placer l'éprouvette sur l'enclume.
3. Appliquer une force de précharge (preload/minor load) via un pénétrateur diamant.
4. Cette charge établit la position zéro/référence qui traverse la surface pour réduire l'effet de l'état de surface. Après la précharge, une charge additionnelle (major load) est appliquée pour atteindre la charge totale d'essai.
5. Maintenir cette force pendant un temps prédéfini (temps de repos/dwell : 10-15 s) pour permettre la récupération élastique.
6. Relâcher la charge majeure ; la position finale est mesurée par rapport à la position issue de la précharge. La différence de profondeur d'empreinte entre la valeur de précharge et la valeur de charge majeure est convertie en nombre de dureté.

L'ESSAI DE DURETÉ BRINELL

Le test Brinell est similaire au Rockwell : un pénétrateur est forcé dans l'éprouvette, mais la mesure est le diamètre de l'empreinte laissée par une bille d'acier trempé de taille connue, enfoncée dans la surface de la pièce. Billes d'acier trempé pour matériaux tendres, bille carbure pour métaux durs.

Du fait de la limite supérieure de dureté de la bille Brinell, cet essai convient aux métaux tendres à mi-durs.

Échelle Brinell

L'échelle va de 160 HB (acier recuit) à ~700 HB (acier très dur).

Le test Brinell est une méthode alternative pour tester la dureté des métaux et alliages.

1. Préparer l'éprouvette.
2. Placer l'éprouvette sur l'enclume.
3. Positionner le pénétrateur sur la surface de la pièce.
4. Appliquer une charge mineure et établir une position de référence zéro.
5. Appliquer la charge majeure pendant un temps spécifié (10-15 s) au-delà du zéro.
6. Relâcher la charge majeure, en maintenant la charge mineure.
7. Suivre le processus pour déterminer la dureté Brinell d'un échantillon d'aluminium :
   1. Enfoncer le pénétrateur dans l'éprouvette sous une force d'essai précisément contrôlée.
   2. Maintenir la force pendant un temps de repos spécifique (généralement 10-15 s).
   3. Après le temps de repos, retirer le pénétrateur, laissant une empreinte circulaire.
   4. La taille de l'empreinte est déterminée optiquement en mesurant deux diamètres de l'empreinte circulaire à l'aide d'un microscope portable ou intégré au dispositif d'application de charge.
   5. Le nombre de dureté Brinell (HB) est fonction de la force d'essai divisée par la surface courbe de l'empreinte. L'empreinte est considérée sphérique, de rayon égal à la moitié du diamètre de la bille. La moyenne des deux diamètres est utilisée dans la formule :

HB = 2F / (πD(D - √(D² - d²)))

Où F = force d'essai, D = diamètre de la bille, d = diamètre moyen de l'empreinte.

TEST DE L'UNITÉ

1. Lister 5 règles de sécurité pour le traitement thermique.
2. Quelle est la première chose à savoir pour traiter thermiquement un acier ?
3. Quel est le temps de trempe pour épaisseur 1 à 2 pouces ?
4. Expliquer le temps de trempe (soak time).
5. Après le temps de trempe, quelle est l'étape suivante ?
6. À quelle température placer la pièce pour le revenu ?
7. Expliquer l'austénitisation et trempe.
8. Qu'est-ce qu'un refroidissement à l'air (air-cool) ?
9. Expliquer la méthode Rockwell.
10. Expliquer le test de dureté Brinell.

ATTRIBUTION DU CHAPITRE

Ce chapitre est dérivé des sources suivantes :

• Traitement thermique tiré de Heat Treatment of Plain Carbon and Low Alloy Steels par le MIT, CC:BY-NC-SA 4.0.
• Équation dureté Brinell tiré de Brinell Hardness par CORE-Materials Resource Finder, CC:BY.