Comment tester la dureté des matériaux de construction ?

La dureté d'un matériau est définie comme la résistance de ce matériau à une indentation ou à une déformation plastique. La dureté est donc une mesure de la résistance du matériau à l'abrasion, aux coupures et aux rayures.

Le test de dureté est couramment utilisé pour déterminer la déformation permanente causée dans le matériau en raison d'une charge concentrée. Plus la dureté du matériau est élevée, plus sa capacité à conserver sa forme sous une charge externe est élevée.

En connaissant le degré de dureté du matériau, il est possible de connaître la facilité avec laquelle le matériau peut être usiné ou son comportement lors de l'application.

Cet article explique cinq tests majeurs utilisés pour déterminer la dureté d'un matériau.

5 tests pour mesurer la dureté des matériaux de construction

Le matériau peut être testé pour la dureté à l'aide de différentes méthodes, dans lesquelles chaque technique exprime sa manière de définir la dureté à son échelle.

Les cinq principaux tests utilisés pour mesurer la dureté du matériau sont :

1. Essai de dureté Brinell
2. Test de dureté Rockwell
3. Essai de dureté Vickers
4. Test de dureté Knoop
5. Test de dureté de Mohs

1. Essai de dureté Brinell

Le test de dureté Brinell mesure la dureté du matériau en termes d'indentation causée par une force concentrée constamment appliquée. La force est appliquée à l'aide d'un pénétrateur sur l'éprouvette. Le pénétrateur utilisé est une boîte sphérique en acier ou en carbure. Le test mesure enfin le diamètre de l'empreinte.

Le pénétrateur à bille d'acier est initialement mis en contact avec le matériau avant l'application d'une force constante. La force appliquée reste sur le matériau pendant une durée de 10 à 15 secondes. Ce temps est appelé temps de séjour. Une fois le temps de séjour terminé, le pénétrateur est retiré, laissant une empreinte sphérique sur le matériau.

La formule détermine la dureté Brinell (HB) :

HB = Force appliquée en (kgF) / Surface d'empreinte (mm 2 )

Parmi les cinq méthodes d'essai de dureté mentionnées dans cet article, l'essai de dureté Brinell fait l'indentation avec une valeur plus élevée de largeur et de profondeur. Par conséquent, cet essai peut être effectué sur un échantillon de matériau avec des surfaces plus grandes. Effectuer le test sur une grande surface permet de prendre en compte les irrégularités de la surface et du grain du métal.

Comparé aux quatre autres méthodes, l'essai de dureté Brinell est lent et laisse une grande impression permanente sur l'éprouvette.

2. Test de dureté Rockwell

Le test de dureté Rockwell mesure la dureté du matériau en termes de profondeur d'indentation permanente due à une application de charge concentrée. La charge est appliquée à l'aide d'un pénétrateur à bille constitué d'une bille en diamant ou en acier. Initialement, une pression préliminaire est appliquée au pénétrateur. La profondeur d'empreinte provoquée par cette précharge est enregistrée et prise comme point de référence.

Une fois la précharge appliquée, une charge majeure est ajoutée au pénétrateur pendant une période de temps de séjour spécifique. Cette charge indente davantage le matériau. La différence entre la position de référence et la profondeur d'empreinte due à une charge importante est considérée comme la profondeur d'empreinte permanente.

Le test est moins destructeur et moins cher que le test Brinell. Comme la dureté est mesurée à différentes profondeurs, les erreurs dues aux imperfections de surface peuvent être évitées. Aucun équipement supplémentaire n'est nécessaire pour lire la valeur de dureté.

3. Test de dureté Vickers

Le test de dureté Vickers mesure la dureté du matériau en termes de surface de l'empreinte formée sur le matériau par une charge d'essai. Le pénétrateur utilisé est une pyramide carrée à quatre côtés. 

Initialement, l'échantillon est soulevé à l'aide des réglages de l'instrument jusqu'à ce qu'il entre en contact avec l'échantillon. Le pénétrateur applique lentement la force d'essai sur l'échantillon jusqu'à ce qu'il atteigne la valeur de charge spécifiée. La force est maintenue pendant un temps de maintien spécifique. Enfin, l'aire du losange ou de l'empreinte carrée est calculée.

Figure 2.

Image de test de dureté Vickers avec l'aimable autorisation : Guide de fabrication

Alors la dureté Vickers ( HV) est donnée par la formule :

HV = Force appliquée en kilogramme-force (kgF) / Surface de l'empreinte

Comme le test de dureté Vickers utilise une pyramide carrée comme pénétrateur, moins de force avec un niveau de précision élevé est obtenu pour l'indentation que le test Brinell et Rockwell.

Le coût d'un test de dureté Vickers est élevé car il nécessite un équipement optique et de mesure et une préparation pour le test. Le test est également très chronophage.

4. Test de dureté Knoop

Le test de dureté Knoop fonctionne de la même manière que le test de dureté Vickers. Il utilise un pénétrateur en forme de diamant ou de pyramide pour créer une empreinte. Le pénétrateur est conservé pendant un temps de séjour précis. Le pénétrateur Knoop est un diamant allongé utilisé pour tester la dureté des matériaux fragiles et minces sans aucune formation de fissure.

Le pénétrateur Knoop a une diagonale trois fois plus longue que la diagonale Vickers. Cette longueur aide à la pénétration d'environ la moitié de la profondeur du test Vickers. Il est ainsi adapté pour tester des matériaux fragiles comme la céramique. 

L'empreinte créée par un test de dureté Knoop est rhomboédrique. L'une des diagonales de cette empreinte est sept fois plus grande que les autres diagonales.

Cette formule peut être utilisée pour calculer la dureté Knoop HK :

HK = Force d'essai appliquée en kgF / Surface de l'empreinte en mm 2

5. Test de dureté de Mohs

Le test de dureté Mohs mesure la dureté du matériau en déterminant la résistance du matériau aux rayures. Ici, un matériau de dureté connue est rayé sur la surface de l'échantillon, et l'étendue des rayures sur l'échantillon est observée.

Ici, contrairement à d'autres méthodes, aucun pénétrateur n'est utilisé. Les matériaux sont classés en fonction d'une échelle de dureté appelée échelle de Mohs. L'échelle de Mohs se compose de 10 minéraux. Ce test ne mesure que la dureté relative des minéraux et n'est pas utilisé pour vérifier la dureté des métaux.

Il n'y a pas d'échelle ou d'unité de mesure universelle pour définir la dureté du matériau. La compréhension des avantages et des inconvénients de chaque test aide à déterminer la meilleure méthode.

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