Dureté des matériaux : définition, types d'essais et résistance à la déformation

La dureté caractérise l'aptitude d'un matériau à résister à une déformation permanente localisée (indentation). Coupure, abrasion, pénétration, rayure peuvent déformer les matériaux ; la dureté définit donc aussi la résistance à la déformation.

La résistance à la déformation plastique locale est mesurée par la dureté. La déformation plastique = déformation permanente (ne revient pas à la forme initiale), contrairement à la déformation élastique (réversible).

Cet article traite : définition de la dureté, types d'essais de dureté.

Qu'est-ce que la dureté d'un matériau ?

La dureté est une méthode pour évaluer la résistance d'un matériau à la déformation plastique locale causée par indentation mécanique ou abrasion. Elle varie selon les matériaux : métaux durs (titane, béryllium) > métaux tendres (sodium, étain), bois, polymères courants.

Les liaisons intermoléculaires fortes expliquent la dureté macroscopique, mais le comportement des solides sous contrainte est complexe. Dureté à la rayure, à l'indentation, au rebond sont trois métriques distinctes. La dureté dépend de : ductilité, raideur élastique, plasticité, déformation, résistance, ténacité, viscoélasticité, viscosité. Céramiques, béton, certains métaux, matériaux ultra-durs = matière dure vs matière molle.

Certains matériaux sont naturellement très durs. Le tungstène, métal très dur, est élément d'alliage dans les aciers à outils pour résister à l'usure même en coupe à haute température. Fréquent dans les carbures cémentés (plaquettes de fraisage interchangeables) qui prolongent la vie des outils.

À l'inverse, certains métaux sont trop tendres pour de nombreux usages. L'or pur se raye et se plie facilement. Il faut l'allier (argent, cuivre, aluminium) pour augmenter sa dureté.

Le traitement thermique peut augmenter la dureté superficielle en préservant les autres propriétés (ex. : arbres de machines pour longévité accrue). En conception, le rapport de dureté est crucial : dans un palier/arbre, le palier doit être plus tendre (plus facile à remplacer). L'usure doit se concentrer sur une pièce choisie par l'ingénieur.

Quels sont les types d'essais de dureté ?

La résistance à la déformation est testée par un essai standard mesurant la résistance de la surface à l'indentation. La forme/type d'empreinte, sa taille et la charge appliquée définissent les essais courants.

Trois grandes familles : rayure, indentation, rebond. Chaque famille a ses échelles. Des tableaux de conversion permettent de passer d'une échelle à l'autre.

Dureté à la rayure (Scratch hardness)

Résistance à la fracture ou déformation plastique permanente par friction d'un objet pointu. Un matériau plus dur raye un matériau plus tendre.

Pour les revêtements : force pour traverser le film jusqu'au substrat. Échelle de Mohs (minéralogie) = test le plus courant. Scléromètre = instrument de mesure.

Testeur de dureté de poche : bras d'échelle gradué sur chariot 4 roues ; outil de rayure à angle prédéfini. Masse connue sur graduation → pression connue sans machine coûteuse.

Dureté à l'indentation (Indentation hardness)

Résistance à la déformation sous charge compressive constante d'un indenteur pointu dimensionné. Essais les plus utilisés en ingénierie et métallurgie. Principe : mesurer les dimensions critiques de l'empreinte laissée par un indenteur de géométrie et charge définies. Échelles courantes : Rockwell, Vickers, Shore, Brinell.

Dureté au rebond (Rebound hardness / Dynamic hardness)

Hauteur de rebond d'un marteau à pointe diamant tombant d'une hauteur fixe sur le matériau. Liée à l'élasticité. Scléroscope = appareil de mesure.

Échelles : essai de dureté au rebond Leeb, échelle Bennett.

Méthode UCI (Ultrasonic Contact Impedance) : mesure la fréquence d'une tige oscillante. Tige métallique avec élément vibrant et pointe diamant pyramide.

En résumé

La dureté des matériaux est cruciale en conception ingénierie : elle détermine la fiabilité et la fonctionnalité du projet. C'est un facteur clé du design. Cet article a présenté les bases de la dureté des matériaux.

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