La dureté est une propriété matérielle essentielle, en particulier dans les applications liées à la résistance à l'usure. Par exemple, dans les tours, les outils de coupe sont fabriqués à partir de matériaux présentant une dureté suffisante pour venir à bout de matériaux plus résistants, tels que les aciers rapides. Les soupapes, les roulements et les engrenages utilisés dans les secteurs automobile et aérospatial sont fabriqués à partir de matériaux trempés en raison des frottements importants et des charges élevées auxquels ils sont soumis. Grâce à leur dureté, les meules et les disques abrasifs permettent un enlèvement de matière efficace tout en offrant une grande durabilité. Mais qu'est-ce que la dureté ?
La dureté est la mesure de la résistance d’un matériau à une déformation permanente localisée. Alors que certains matériaux sont naturellement durs, comme le tungstène, d’autres acquièrent leur dureté grâce à des procédés tels que le traitement thermique. Ces matériaux ne peuvent pas être utilisés directement dans un contexte d’ingénierie sans avoir été soumis à des essais appropriés. Les ingénieurs disposent de différentes méthodes pour évaluer cette dureté. Dans ce guide, nous abordons les trois méthodes courantes d’essai de dureté : les échelles de dureté Shore, Rockwell et Brinell. Ce guide aide également à comprendre les critères de sélection liés à ces trois échelles de dureté. Avant d’approfondir ces trois types d’échelles de dureté, il est essentiel d’aborder brièvement la notion de dureté.
Quels sont les différents types de dureté des matériaux ?
Différents matériaux présentent des comportements différents sous des charges différentes, même s’ils peuvent tous être classés parmi les matériaux durs. Par exemple, un métal peut résister à un choc ponctuel très violent sans se rompre. En revanche, ce même matériau peut ne pas supporter une charge continue et finir par céder. C’est pourquoi les ingénieurs doivent réaliser des essais de dureté afin de faire un choix éclairé lors de la sélection des matériaux. Les trois essais de dureté couramment utilisés dans les applications d’ingénierie sont la dureté par indentation, la dureté par rayure et la dureté au rebond.
Dureté par indentation
Lorsque les ingénieurs et les métallurgistes parlent de dureté, ils font en réalité référence à la dureté par indentation. En effet, la plupart des applications de charge en ingénierie sont continues. La dureté par indentation correspond à la résistance d'un matériau à la déformation permanente lorsqu'il est soumis à une charge continue. Les techniciens s'intéressent davantage à la mesure de ce type de dureté, car elle est largement utilisée dans la conception technique.
Résistance aux rayures
Certains matériaux d'ingénierie, comme la céramique, ne subissent pas de déformation plastique et sont considérés comme fragiles. Lorsqu'ils sont soumis à certaines forces, leur surface se raye. Techniquement, les rayures sont des indentations étroites et continues dans la couche supérieure qui se forment lorsqu'un matériau entre en contact avec des matériaux plus pointus et plus durs. La capacité d'un matériau à résister aux rayures sur sa surface est appelée « dureté aux rayures ». Les essais de résistance aux rayures sont essentiels, en particulier lors du choix de matériaux destinés à des applications soumises à des frottements, comme les chemises de cylindre de moteur. Une chemise doit présenter une dureté supérieure à celle du matériau avec lequel elle est en contact.
Dureté au rebond ou dureté dynamique
La dureté au rebond est un cas particulier de dureté élastique. Dans le cas de la dureté par indentation ou par rayure, un matériau réagit en opposant une résistance à la déformation plastique. Dans le cas de la dureté au rebond ou dynamique, un matériau absorbe l'énergie de l'impact et la renvoie vers le pénétrateur. Le pénétrateur est la source de l'impact.
Chacun de ces types de dureté nécessite des outils de mesure différents. Abordons maintenant les différentes échelles de dureté utilisées pour mesurer ces types de dureté.
Qu'est-ce que l'échelle de dureté Shore ?
L'échelle de dureté Shore est une méthode spécifique de mesure de la dureté permettant d'évaluer la résistance des matériaux élastomères, des plastiques et d'autres polymères. [1]. Cette mesure permet de déterminer le degré de souplesse, de rigidité et de résistance d'un matériau avant de le choisir pour des applications spécifiques. Cette méthode de mesure est réalisée à l'aide d'un duromètre.
Comment fonctionne un duromètre ?
Un duromètre Shore utilise une pointe ou un cône en acier muni d’un ressort pour exercer une pression sur les matériaux. L’appareil affiche des valeurs comprises entre 0 et 100, qui permettent d’évaluer la dureté du matériau. Pour les matériaux plus durs, la valeur mesurée est plus élevée, ce qui signifie que la tige ne parvient pas à pénétrer dans le matériau. Si l'échelle indique des valeurs relativement plus faibles, cela signifie que la tige s'enfonce plus profondément dans le matériau. Le matériau est alors considéré comme tendre. Les mesures relevées sur l'échelle du duromètre sont relatives, et les unités physiques ne sont pas absolues.
Types d'échelles de Shore
Nous proposons différents types de balances, avec des plages de mesure variées adaptées à de nombreux matériaux. Le tableau ci-dessous présente un aperçu de ces types de balances.
| Type de rivage | Application |
|---|---|
| A | Utilisé pour les matériaux souples tels que les élastomères, le silicone, le TPU et certains types de plastique. |
| D | Utilisé pour les matériaux plus rigides tels que les plastiques durs, le nylon, le polypropylène et certains types de caoutchouc. |
| B | Utilisé pour les matériaux intermédiaires entre les échelles A et D, tels que le caoutchouc naturel, le néoprène et l'EPDM. |
| 00 | Utilisé pour les matériaux très mous, tels que les gels. |
| E | Utilisé pour la mousse à faible densité et les matériaux souples. |
Les indices Shore A et Shore D sont les deux indices les plus couramment utilisés. La plage typique pour l'indice Shore A est comprise entre 20 et 95A, tandis que celle de l'indice Shore B est comprise entre 30 et 90B.
La dureté d'un matériau dépend de plusieurs facteurs. Parmi ceux-ci figurent la composition chimique et la structure moléculaire. Les composants présentant des liaisons covalentes fortes sont généralement durs. La dureté Shore varie également en fonction de la température : plus la température est élevée, plus la dureté est faible.
Avantages et inconvénients des essais selon l'échelle de dureté Shore
Le tableau suivant résume les avantages et les limites des essais selon l'échelle de dureté Shore.
Avantages
- Test très rapide (généralement moins de 2 secondes)
- Équipements portables
- Préparation minimale des échantillons
- Idéal pour les matériaux souples
- Faible coût des tests
Limites
- Ne convient pas aux métaux
- Sensible à l'épaisseur de l'échantillon
- La technique de l'opérateur influe sur la répétabilité
- La température influe sur les résultats
Qu'est-ce que la dureté Rockwell ?
La dureté Rockwell consiste à enfoncer un pénétrateur trempé dans un échantillon du matériau à tester. Cet essai comprend deux étapes de chargement : une charge principale et des charges secondaires. Le déroulement de l'essai et la courbe obtenue dépendent du type d'échelle utilisé.
Comment se déroule l'essai de dureté Rockwell ?
Cet essai consiste à enfoncer un cône en diamant ou une bille en acier trempé dans le matériau à tester. [2]. À chaque essai, deux charges sont appliquées à l'éprouvette. L'indenteur est d'abord enfoncé dans le matériau sous l'effet d'une charge mineure. La profondeur initiale obtenue sous cette charge mineure est alors enregistrée. La charge mineure étant toujours appliquée, une charge supplémentaire, appelée charge majeure, est ajoutée. Cette charge majeure augmente la profondeur de pénétration dans le matériau. La charge principale est ensuite supprimée, ce qui ramène la force exercée au niveau de la charge mineure.
La valeur de dureté Rockwell est calculée à partir de l'augmentation de la profondeur de pénétration résultant de l'application et du retrait de la charge principale.
Types d'échelles de Rockwell
Le tableau ci-dessous présente les cinq principales échelles de Rockwell ainsi que leurs applications. Il existe au total 17 échelles, chacune ayant une application spécifique.
| Échelle | Abréviation | Charge maximale (kgf) | Pénétrateur | Utilisation |
|---|---|---|---|---|
| A | HRA | 60 | Diamant conique Sphero† | Carbures cémentés, acier mince, acier cémenté superficiellement |
| B | HRB | 100 | Bille de 1/16 pouce (1,59 mm) | Alliages de cuivre, aciers doux, alliages d'aluminium, fonte malléable |
| C | HRC | 150 | Diamant conique Sphero† | Acier, aciers inoxydables, fontes dures, fonte malléable perlitique, titane, alliages de titane, acier cémenté en profondeur, autres matériaux d'une dureté supérieure à 100 HRB |
| D | RH | 100 | Diamant conique Sphero† | Acier mince, acier cémenté à dureté moyenne et fonte malléable perlitique |
| E | HRE | 100 | Bille de 1/8 pouce (3,18 mm) | Fonte, alliages d'aluminium et de magnésium, métaux pour roulements, plastiques thermodurcissables |
Avantages et limites de l'échelle de dureté Rockwell
Le tableau ci-dessous résume les avantages et les limites de l'échelle de Rockwell.
Avantages
- Haute répétabilité
- Adapté à la production
- Influence minimale de l'opérateur
- Idéal pour les métaux traités thermiquement
- Temps de cycle courts
Limites
- La finition de la surface influe sur les résultats
- Les matériaux fins nécessitent des balances spéciales
- Ne convient pas au caoutchouc très souple
Qu'est-ce que la dureté Brinell ?
La dureté Brinell est une mesure de la résistance d'un matériau à l'indentation, déterminée à l'aide de l'essai de dureté Brinell. Lors de cet essai, une bille en acier dur ou en carbure est enfoncée dans la surface du matériau sous une charge spécifique, puis le diamètre de l'indentation ainsi formée est mesuré. [3]. L'indice de dureté Brinell (BHN) est calculé en divisant la force appliquée par la surface de l'empreinte. Cette méthode est couramment utilisée pour tester les métaux et fournit des informations précieuses sur la résistance d'un matériau et son adéquation à diverses applications.
Types d'échelles pour l'échelle de dureté Brinell
L'essai de dureté Brinell utilise une échelle unique et continue, désignée par HB ou HBW pour les billes en carbure de tungstène. Il fait appel à environ 25 combinaisons standard de diamètres de billes, notamment 1, 2,5, 5 ou 10 mm. L'essai utilise une force d'essai comprise entre 1 kgf et 3 000 kgf, regroupée selon les rapports force/diamètre F/D².
F/D² est simplement appelé « rapport ». Par exemple, un rapport de 30 signifie que F/D² = 30 mm, tandis qu'un rapport de 2,5 signifie que F/D² = 2,5 mm. Le tableau ci-dessous présente les rapports couramment utilisés pour la dureté Brinell ainsi que leurs applications.
| Ratio (F/D²) | Utilisations |
|---|---|
| 30 | Utilisé pour les métaux durs tels que l'acier et la fonte. La force d'essai standard est généralement de 3 000 kgf avec une bille de 10 mm (HBW 10/3 000). |
| 10 | Utilisé pour les alliages de cuivre (comme le laiton et le bronze), les aciers de dureté moyenne et les fers. La charge habituelle est de 1 000 kgf avec une bille de 10 mm (HBW 10/1 000). |
| 5 | Utilisé pour les alliages de cuivre plus tendres et les alliages d'aluminium plus durs |
| 2.5 | Utilisé pour les alliages tendres d'aluminium et de magnésium. |
| 1 | Utilisé pour les métaux extrêmement mous tels que le plomb, l'étain et les métaux blancs mous. |
Avantages et limites de la dureté Brinell
Avantages
- Idéal pour les matériaux hétérogènes
- Bon effet de lissage grâce à une forte indentation
- Idéal pour les pièces moulées
- Largement adopté dans l'industrie lourde
Limites
- Les entailles importantes endommagent les surfaces finies
- Lenteur du processus de test
- Nécessite une mesure optique
- Ne convient pas aux coupes minces
Comment comparer et choisir l'échelle de dureté adaptée ?
Ces trois méthodes sont toutes pertinentes, et aucune n’est supérieure aux autres. Toutefois, en supposant que toutes soient applicables en fonction du matériau à tester, vous pouvez opter pour une méthode rapide et économique. La dureté Shore offre le temps de test le plus court (1 à 2 secondes), suivie par la dureté Rockwell (5 à 15 secondes). L’essai de dureté Brinell dure quant à lui entre 30 et 60 secondes. En termes d’utilisation en production, les duretés Shore et Rockwell donnent d’excellents résultats, tandis que la dureté Brinell offre une protection modérée. La dureté Shore convient aux caoutchoucs, aux élastomères et aux matériaux dérivés du plastique. La méthode Rockwell est privilégiée pour les plastiques techniques. En revanche, vous pouvez opter pour la dureté Brinell si vous travaillez avec des pièces moulées, des pièces forgées et des métaux à grain grossier.
Références
[1] TWI Global. (s.d.). Qu'est-ce que les essais mécaniques ? (Guide complet). FAQ sur les connaissances techniques mondiales de TWI. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-mechanical-testing
[2] ASTM International. (2024). ASTM E18-22 : Méthodes d'essai normalisées pour la détermination de la dureté Rockwell des matériaux métalliques. Normes ASTM. https://www.astm.org/e0018-22.html
[3] TWI Global. (s.d.). Essais de dureté – 1re partie. Connaissances professionnelles TWI Global. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-part-1-074
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