Tests de dureté en fonderie : Assurance qualité non destructive

Une étape critique pour qualifier les pièces métalliques avec une approche non destructive

Le test de dureté est un test de qualité utilisé en fonderie pour mesurer les propriétés des métaux moulés et leur adéquation pour 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 basée sur le résultat du test de dureté.

Les propriétés des métaux moulés varient selon la composition du métal, les conditions de processus et le traitement thermique. Il est important de certifier les produits en métal moulé comme étant appropriés pour l'application finale désirée. Quatre catégories principales de propriétés sont importantes pour les utilisateurs de métal moulé :

• Résistance
• Impact
• Dureté
• Résistance à la corrosion

Les fonderies moulent parfois un témoin de test (test coupon) aux côtés du moulage du produit. Les résultats des tests de qualité du témoin sont supposés être vrais pour le produit moulé aussi. Certains tests — comme la contrainte de traction et l'impact — détruisent la pièce de test dans le processus. Cependant, les tests non destructifs (TND) ne détruisent pas l'échantillon de métal pour obtenir un résultat. L'avantage des TND est que les tests peuvent être conduits sur le produit en métal moulé lui-même, par opposition à une pièce de test.

Avantages des tests de dureté :

• Capacité de vérifier le traitement thermique d'une pièce dans les opérations de traitement thermique et l'analyse de profondeur de cémentation
• Capacité de déterminer si un matériau a les propriétés nécessaires pour son utilisation prévue
• Alternative de test non destructif pour qualifier et libérer efficacement le matériau ou les composants pour les applications cibles
• Faible coût et exécution rapide

Qu'est-ce qu'un test de dureté ?

Le terme dureté implique généralement une résistance à la déformation. Pour les métaux, la propriété est une mesure de leur résistance à la déformation permanente, ou plastique. Plusieurs tests différents existent pour mesurer la dureté des métaux et métaux moulés.

Test de dureté Brinell

Le test de dureté Brinell utilise la méthode ASTM E10 — Méthode d'essai standard pour la dureté Brinell des matériaux métalliques. La Société américaine pour les essais et mesures (ASTM) est la gardienne de cette norme. C'est un test d'indentation macro où une charge élevée est utilisée pour obtenir la mesure. Les métaux moulés nécessitent des tests de dureté macro en raison de la structure de grain grossière et du potentiel de matériau inhomogène.

Pour obtenir un nombre de dureté Brinell (HBS/BHN), une bille de carbure de diamètre fixe presse 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 derrière et la convertit en HBS en utilisant la formule suivante :

\(BHN={2P \over \pi D(D-\sqrt{D^2-d^2})}\)

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

Aux États-Unis, les charges de test 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 de test plus basse de 500 kgf, et parfois une indenteur plus petit de 5 mm. Un HBS typique varie de 50 à 750 pour les métaux. Le tableau de dureté Brinell de The Engineering Toolbox ci-dessous liste quelques exemples de HBS :

Matériau	Nombre de dureté Brinell
Laiton tendre	60
Acier doux	130
Acier à ciseau recuit	235
Fonte blanche	415
Surface nitrurée	750

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

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

Test de dureté Rockwell

Le test de dureté Rockwell utilise la méthode ASTM E18 — Méthodes d'essai standard pour la dureté Rockwell des matériaux métalliques. Le test Rockwell a deux étapes. L'équipement applique une force de test préliminaire à l'échantillon en utilisant une indenteur en diamant ou bille. Le but de cette étape est de percer la surface du métal et réduire l'effet de la finition de surface sur le résultat final. L'opérateur mesure une profondeur d'empreinte de base à ce point. Après avoir maintenu la précharge pendant un temps déterminé, une charge principale est alors appliquée. À nouveau, la force est maintenue pour un temps préétabli, avant de la réduire 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 base et finale.

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

\(HRN = N - (h / S)\)

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

Test de dureté par rebond Leeb

Le test Leeb utilise ASTM A956 — Méthode d'essai standard pour le test de dureté Leeb des produits en acier. Le test Leeb est une mesure du rebond d'un objet sur l'échantillon de test. La dureté des métaux affecte l'énergie de rebond — les matériaux plus durs produisent un rebond plus grand, tandis que les matériaux plus tendres amortissent l'énergie de rebond. La vitesse de l'objet, avant et après qu'il frappe l'échantillon, forme 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 en utilisant la formule suivante :

\(LHN = (Vitesse_{rebond} / Vitesse_{impact}) \times 1000\)

Avantages de la méthode Leeb incluent le fait que l'empreinte laissée sur l'échantillon de test est beaucoup plus petite qu'avec d'autres méthodes. Elle est aussi portable, plus facile à utiliser, et plus rapide que les testeurs de dureté Brinell et Rockwell. Un inconvénient est qu'elle peut donner des résultats variables où la surface de l'échantillon est inégale. L'épaisseur de l'échantillon et la teneur en carbone peuvent aussi influencer le résultat.

Conversion des nombres de dureté

ASTM E140-12be1 donne des tables de conversion de dureté standard pour les métaux pour convertir d'une méthode de test 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 tables soient basées sur de grands nombres de tests à travers les différentes méthodes, un résultat de conversion ne peut être considéré que comme une estimation de valeurs comparables.

Nombre de dureté et traitement thermique

Les métaux moulés sont traités thermiquement pour manipuler leurs propriétés. Le traitement thermique implique d'élever la température du matériau à une valeur prédéterminée. Il est ensuite refroidi à un taux spécifique selon les propriétés désirées du produit. La température finale du cycle de chauffe et le taux de refroidissement ont un impact direct sur la microstructure du métal.

Les microstructures de perlite fine et ferrite causées par un taux de refroidissement plus rapide ont une valeur de dureté plus grande. Si le métal est trempé, le refroidissement rapide résulte dans une microstructure de martensite, qui a la plus grande dureté de toutes. En raison de la relation directe entre microstructure et dureté, le test de dureté est un indicateur rapide de savoir si le traitement thermique a été réussi ou non.

Nombre de dureté et propriétés des métaux moulés

Les tableaux montrent comment la résistance à la traction corrèle à la dureté pour des matériaux spécifiques. C'est une corrélation utile car mesurer la contrainte de traction est un processus destructif, alors que les tests de dureté sont non destructifs. Cependant, il y a des limitations à la conversion de la dureté à la résistance à la traction et ces tables ne sont que des approximations.

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

\(TS(MPa) = \begin{cases} 3.55 \times HB & (HB \le 175) \\ 3.38 \times HB & (HB > 175) \end{cases}\)

\(TS(psi) = \begin{cases} 515 \times HB & (HB \le 175) \\ 490 \times HB & (HB > 175) \end{cases}\)

HB = dureté Brinell du matériau (mesurée avec une indenteur standard et une charge de 3000 kgf)

Produits moulés et classification

De nombreux facteurs affectent la classification 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 moulé contre la norme ASTM applicable.

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

Tests de dureté en fonderie

Le développement du test de dureté a rendu plus facile pour les fonderies métalliques d'estimer les propriétés de leurs produits basées sur un test simple. Il est non destructif, ce qui signifie qu'il peut être effectué sur des produits finis sans causer de dommages. C'est un processus rapide, donnant aux fonderies un retour rapide sur les produits quand ils quittent la ligne de production. La corrélation entre le nombre de dureté et la résistance à la traction est un guide utile pour faire une évaluation initiale du grade de produit. Les fonderies complètent une suite complète de tests de certification avant de libérer les produits aux clients.

Le test de dureté aide aussi les fonderies à vérifier leurs processus de traitement thermique. Les résultats montrent si la microstructure du matériau a changé comme prévu. Le test de dureté est un composant critique du contrôle qualité et du réglage de processus pour les fonderies métalliques.