Indentation dureté - Indentation hardness

Les tests de dureté par indentation sont utilisés en génie mécanique pour déterminer la dureté d'un matériau à la déformation. Plusieurs tests de ce type existent, dans lesquels le matériau examiné est indenté jusqu'à ce qu'une empreinte soit formée; ces tests peuvent être réalisés à l'échelle macroscopique ou microscopique.

Lors du test des métaux, la dureté par indentation est en corrélation approximativement linéaire avec la résistance à la traction , mais il s'agit d'une corrélation imparfaite souvent limitée à de petites plages de résistance et de dureté pour chaque géométrie d'indentation. Cette relation permet des essais non destructifs économiquement importants de livraisons de métaux en vrac avec des équipements légers, même portables, tels que les testeurs de dureté Rockwell portatifs.

Dureté du matériau

Différentes techniques sont utilisées pour quantifier les caractéristiques des matériaux à des échelles plus petites. La mesure des propriétés mécaniques des matériaux, par exemple des couches minces , ne peut pas être effectuée en utilisant des essais de traction uniaxiaux conventionnels . En conséquence, des techniques de test de la "dureté" du matériau en indentant un matériau avec une très petite impression ont été développées pour tenter d'estimer ces propriétés.

Les mesures de dureté quantifient la résistance d'un matériau à la déformation plastique. Les tests de dureté par indentation constituent la majorité des processus utilisés pour déterminer la dureté des matériaux et peuvent être divisés en trois classes: les tests de macro, micro et nanoindentation . Microindentation essais ont typiquement des forces inférieures à 2 N (0,45 lb _f ). La dureté, cependant, ne peut pas être considérée comme une propriété matérielle fondamentale. Les tests de dureté classiques créent généralement un nombre qui peut être utilisé pour donner une idée relative des propriétés des matériaux. En tant que telle, la dureté ne peut offrir qu'une idée comparative de la résistance du matériau à la déformation plastique puisque différentes techniques de dureté ont des échelles différentes.

La définition de la dureté basée sur l'équation est la pression appliquée sur la zone de contact entre le pénétrateur et le matériau testé. En conséquence, les valeurs de dureté sont typiquement rapportées en unités de pression, bien que ce ne soit une pression «vraie» que si le pénétrateur et l'interface de surface sont parfaitement plats.

Indentation instrumentée

L'indentation instrumentée indente essentiellement une pointe acérée dans la surface d'un matériau pour obtenir une courbe force-déplacement. Les résultats fournissent de nombreuses informations sur le comportement mécanique du matériau, y compris la dureté , par exemple les modules d'élasticité et la déformation plastique . Un facteur clé du test d'indentation instrumenté est que la pointe doit être contrôlée par une force ou un déplacement qui peut être mesuré simultanément tout au long du cycle d'indentation. La technologie actuelle peut réaliser un contrôle précis de la force dans une large gamme. Par conséquent, la dureté peut être caractérisée à de nombreuses échelles de longueur différentes, des matériaux durs comme les céramiques aux matériaux souples comme les polymères.

Les premiers travaux ont été terminés par Bulychev, Alekhin, Shorshorov dans les années 1970, qui ont déterminé que le module de Young d'un matériau peut être déterminé à partir de la pente d'une courbe d'indentation force / déplacement comme:

${\ displaystyle S = {dP \ over d \ delta} = {\ frac {2} {\ sqrt {\ pi}}} E_ {r} {\ sqrt {A}}}$

${\ displaystyle S}$ : rigidité du matériau, qui est la pente de la courbe

${\ displaystyle A}$ : la zone de contact pointe-échantillon

${\ displaystyle E_ {r}}$ : module réduit, défini comme:

${\ displaystyle {\ frac {1} {E_ {r}}} = {\ frac {1- \ nu _ {s} ^ {2}} {E_ {s}}} + {\ frac {1- \ nu _ {i} ^ {2}} {E_ {i}}}}$

Où et sont le module de Young et le coefficient de Poisson de l'échantillon, an et sont ceux du pénétrateur. Puisque généralement,, le deuxième terme peut généralement être ignoré. ${\ displaystyle E_ {s}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {s}}$ ${\ displaystyle E_ {i}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {i}}$ ${\ displaystyle E_ {i} >> E_ {s}}$

Les informations les plus critiques, la dureté, peuvent être calculées par:

${\ displaystyle H = {\ frac {P_ {max}} {A}}}$

Les techniques d'indentation couramment utilisées, ainsi que le calcul détaillé de chaque méthode différente, sont décrits comme suit.

Tests de macroindentation

Le terme «macro-indentation» est appliqué aux essais avec une charge d'essai plus grande, telle que 1 kgf ou plus. Il existe différents tests de macroindentation, notamment:

Test de dureté Vickers (HV), qui possède l'une des échelles les plus larges. Largement utilisé pour tester la dureté de toutes sortes de matériaux métalliques (acier, métaux non ferreux, clinquant, carbure cémenté, tôle, etc.); couche de surface / revêtement (carburation, nitruration, couche de décarburation, couche de durcissement de surface, revêtement galvanisé, etc.).
Test de dureté Brinell (HB) BHN et HBW sont largement utilisés
Test de dureté Knoop (HK), pour la mesure sur de petites surfaces, largement utilisé pour tester le verre ou le matériau céramique.
Test de dureté Janka , pour le bois
Test de dureté Meyer
Test de dureté Rockwell (HR), principalement utilisé aux États-Unis. Les échelles HRA, HRB et HRC sont les plus largement utilisées.
Essai de dureté Shore , pour les polymères, largement utilisé dans l'industrie du caoutchouc.
Test de dureté Barcol , pour les matériaux composites.

Il n'y a, en général, pas de relation simple entre les résultats des différents essais de dureté. Bien qu'il existe des tableaux de conversion pratiques pour les aciers durs, par exemple, certains matériaux présentent des comportements qualitativement différents selon les différentes méthodes de mesure. Les échelles de dureté Vickers et Brinell sont bien corrélées sur une large plage, cependant, Brinell ne produisant que des valeurs surestimées à des charges élevées.

Tests de microindentation

Le terme « microdureté » a été largement utilisé dans la littérature pour décrire les essais de dureté de matériaux avec de faibles charges appliquées. Un terme plus précis est «essai de dureté par micro-indentation». Dans les essais de dureté par micro-indentation, un pénétrateur en diamant de géométrie spécifique est imprimé dans la surface de l'éprouvette d'essai en utilisant une force appliquée connue (communément appelée «charge» ou «charge d'essai») de 1 à 1000 gf . Les tests de micro-indentation ont généralement des forces de 2 N (environ 200 gf) et produisent des indentations d'environ 50 μm . En raison de leur spécificité, les tests de microdureté peuvent être utilisés pour observer les changements de dureté à l'échelle microscopique. Malheureusement, il est difficile de standardiser les mesures de microdureté; il a été constaté que la microdureté de presque tous les matériaux est supérieure à sa macro-dureté. De plus, les valeurs de microdureté varient en fonction de la charge et des effets d'écrouissage des matériaux. Les deux tests de microdureté les plus couramment utilisés sont des tests qui peuvent également être appliqués avec des charges plus lourdes en tant que tests de macro-indentation:

Test de dureté Vickers (HV)
Test de dureté Knoop (HK)

Dans les essais de micro-indentation, l'indice de dureté est basé sur des mesures effectuées sur l'empreinte formée à la surface de l'éprouvette. L'indice de dureté est basé sur la force appliquée divisée par la surface de l'empreinte elle-même, donnant des unités de dureté en kgf / mm². Les tests de dureté de micro-indentation peuvent être effectués en utilisant des pénétrateurs Vickers et Knoop. Pour le test Vickers, les deux diagonales sont mesurées et la valeur moyenne est utilisée pour calculer le nombre de pyramide Vickers. Dans le test Knoop, seule la diagonale la plus longue est mesurée et la dureté Knoop est calculée sur la base de la surface projetée de l'empreinte divisée par la force appliquée, donnant également des unités de test en kgf / mm².

Le test de micro-indentation Vickers est réalisé de manière similaire aux tests de macro-indentation Vickers, en utilisant la même pyramide. Le test Knoop utilise une pyramide allongée pour indenter des échantillons de matériaux. Cette pyramide allongée crée une impression peu profonde, ce qui est bénéfique pour mesurer la dureté des matériaux cassants ou des composants minces. Les pénétrateurs Knoop et Vickers nécessitent un polissage de la surface pour obtenir des résultats précis.

Des tests de rayure à faibles charges, tels que le test de microcaractère de Bierbaum , réalisé avec des charges de 3 gf ou 9 gf, ont précédé le développement de testeurs de microdureté utilisant des pénétrateurs traditionnels. En 1925, Smith et Sandland, du Royaume-Uni, ont mis au point un test d'indentation utilisant un pénétrateur pyramidal à base carrée en diamant. Ils ont choisi la forme pyramidale avec un angle de 136 ° entre les faces opposées afin d'obtenir des valeurs de dureté aussi proches que possible des valeurs de dureté Brinell de l'échantillon. Le test Vickers présente un grand avantage d'utiliser une échelle de dureté pour tester tous les matériaux. La première référence au pénétrateur Vickers à faibles charges a été faite dans le rapport annuel du National Physical Laboratory en 1932. Lips and Sack décrit le premier testeur Vickers utilisant de faibles charges en 1936.

Il y a un certain désaccord dans la littérature concernant la plage de charge applicable aux essais de microdureté. La spécification ASTM E384, par exemple, indique que la plage de charge pour les essais de microdureté est de 1 à 1000 gf. Pour des charges de 1 kgf et moins, la dureté Vickers (HV) est calculée avec une équation, dans laquelle la charge ( L ) est en grammes de force et la moyenne de deux diagonales ( d ) est en millimètres:

${\ displaystyle HV = 0,0018544 \ fois {\ tfrac {L} {d ^ {2}}}}$

Pour une charge donnée, la dureté augmente rapidement à de faibles longueurs diagonales, l'effet devenant plus prononcé à mesure que la charge diminue. Ainsi, à faibles charges, de petites erreurs de mesure produiront de grands écarts de dureté. Ainsi, il faut toujours utiliser la charge la plus élevée possible dans n'importe quel test. De plus, dans la partie verticale des courbes, de petites erreurs de mesure produiront de grands écarts de dureté.

Tests de nanoindentation

Sources d'erreur

Les principales sources d'erreur des tests d'indentation sont une mauvaise technique, un mauvais étalonnage de l'équipement et l' effet d' écrouissage du processus. Cependant, il a été déterminé expérimentalement par des "tests de dureté sans contrainte" que l'effet est minimal avec des indentations plus petites.

L'état de surface de la pièce et le pénétrateur n'ont pas d'effet sur la mesure de la dureté, tant que l'indentation est importante par rapport à la rugosité de surface. Cela s'avère utile pour mesurer la dureté de surfaces pratiques. Il est également utile lorsque vous laissez une indentation peu profonde, car un pénétrateur finement gravé laisse une empreinte beaucoup plus facile à lire qu'un pénétrateur lisse.

On sait que l'indentation qui reste après le retrait du pénétrateur et de la charge se "rétablit" ou rebondit légèrement. Cet effet est correctement connu comme superficiel . Pour les pénétrateurs sphériques, l'indentation est connue pour rester symétrique et sphérique, mais avec un rayon plus grand. Pour les matériaux très durs, le rayon peut être trois fois plus grand que le rayon de l'indenteur. Cet effet est attribué à la libération de contraintes élastiques. En raison de cet effet, le diamètre et la profondeur de l'indentation contiennent des erreurs. On sait que l'erreur du changement de diamètre n'est que de quelques pour cent, l'erreur pour la profondeur étant plus grande.

Un autre effet de la charge sur l'empreinte est l' empilement ou l' enfoncement du matériau environnant. Si le métal est écroui, il a tendance à s'empiler et à former un "cratère". Si le métal est recuit, il s'enfoncera autour de l'empreinte. Ces deux effets s'ajoutent à l'erreur de la mesure de la dureté.

Relation avec la limite d'élasticité

Lorsque la dureté,, est définie comme la pression de contact moyenne (charge / surface de contact projetée), la limite d'élasticité,, de nombreux matériaux est proportionnelle à la dureté par une constante connue sous le nom de facteur de contrainte, C. ${\ displaystyle H}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {y}}$

${\ displaystyle H = C \ sigma _ {y}}$

où:

${\ displaystyle C \ approx {\ begin {cases} 3 & {\ text {large}} E / \ sigma _ {y} {\ text {(ex. métaux)}} \\ 1.5 & {\ text {petit}} E / \ sigma _ {y} {\ text {(ex. Lunettes)}} \ end {cases}}}$

La dureté diffère de la limite d'élasticité en compression uni-axiale du matériau car différents modes de rupture par compression s'appliquent. Un test uni-axial ne contraint le matériau que dans une dimension, ce qui permet au matériau de se rompre en raison du cisaillement . La dureté par indentation, quant à elle, est limitée en trois dimensions, ce qui empêche le cisaillement de dominer la rupture.

Voir également

Les références

Remarques

Liens externes

"Le testeur de flipper révèle la dureté." Popular Mechanics , novembre 1945, p. 75.

Bibliographie

Tabor, David (2000), La dureté des métaux , Oxford University Press, ISBN 0-19-850776-3 .

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