Dureté des matériaux : types, échelles de mesure et conseils d’usinage

L'adéquation du matériau est cruciale pour qu'une pièce fonctionne bien dans son environnement. Parmi ses nombreuses propriétés, la dureté joue un rôle clé. Elle détermine si un matériau peut résister à l'indentation ou à l'abrasion sans se déformer. L'utilisation d'un matériau inapproprié peut entraîner une défaillance de la pièce ou des retouches coûteuses. C'est pourquoi il est essentiel d'évaluer la dureté du matériau avant la production pour garantir le succès de la fabrication.

Choisissez des matériaux plus durs lorsque votre projet exige une résistance aux dommages de surface. Cependant, un matériau très dur n'est pas toujours idéal. Consultez toujours un partenaire d'usinage expérimenté pour choisir le matériau adapté à votre pièce.

Qu'est-ce que la dureté ?

La dureté désigne la capacité d'un matériau à résister aux forces externes sans se déformer, se rayer, s'indenter ou pénétrer. En termes simples, il s'agit de la capacité d'un matériau à conserver sa forme sous pression.

Différents matériaux présentent différents niveaux de dureté : l'acier est généralement plus dur que l'étain, tandis que le bois ou le plastique se comportent davantage comme des métaux plus mous en termes de dureté.

De nombreuses propriétés internes influencent la dureté. En voici quelques-unes :

• plasticité — la facilité avec laquelle un matériau se déforme de manière permanente sous l’effet d’une contrainte.

• Rigidité élastique — la résistance au retour à la forme initiale après déformation.

• Ductilité — combien d’allongement un matériau peut supporter avant de se rompre.

• Ténacité — résistance à la rupture sous contrainte ou sous impact.

• Souche — la déformation qu'un matériau subit lorsque des forces agissent sur lui.

• Force — la charge maximale qu’un matériau peut supporter avant de se rompre.

• Viscoélasticité — lorsqu'un matériau présente à la fois un comportement visqueux et élastique sous contrainte.

• Viscosité — résistance à l’écoulement (plus pertinente dans les polymères ou les fluides).

Ces facteurs se combinent pour déterminer la dureté globale d’un matériau.

Dureté des matériaux courants

Vous trouverez ci-dessous un aperçu des exemples courants de dureté des métaux dans la vie quotidienne. Profitez-en pour étudier différents matériaux, analyser leur dureté relative,

Dureté du bronze

En ce qui concerne la dureté des métaux, la dureté bronze, spécifiquement représenté par UNS C95400, est estimé à environ 170 MPa. Il convient de noter que la dureté des bronzes d'aluminium tend à augmenter proportionnellement à l'inclusion de niveaux plus élevés d'aluminium, ainsi que d'autres composants d'alliage. De plus, la dureté est influencée par l'application de forces externes lors des processus de travail à froid. Intéressons-nous au bronze à l'étain, désigné UNS C90500 ou communément appelé bronze à canon, dont la dureté Brinell est d'environ 75 BHN (indice de dureté Brinell). Dans le cas du cuivre-béryllium, identifié UNS C17200, la dureté Rockwell est d'environ 82 HRB (échelle de dureté Rockwell B).

Dureté du titane

La dureté de titane Les alliages peuvent présenter des variations considérables en fonction de facteurs tels que la composition et le traitement thermique. Par exemple, le titane de grade 2 commercialement pur présente généralement une dureté Rockwell d'environ 80 HRB. En revanche, l'alliage de titane Ti-6Al-4V, communément appelé grade 5, affiche généralement une dureté Rockwell d'environ 41 HRC. Ces valeurs de dureté distinctes soulignent l'influence de la composition et du traitement thermique sur les caractéristiques de dureté des alliages de titane.

Dureté du cuivre

En ce qui concerne la dureté du cuivre, selon les données d'Ezoic, il présente une dureté Brinell d'environ 250 MPa. De plus, le test de dureté Vickers révèle que le cuivre possède une dureté Vickers d'environ 350 MPa. En termes de l'échelle de Mohs largement reconnue, qui évalue la dureté relative des minéraux, le cuivre se situe dans la catégorie d'environ 3 sur l'échelle de dureté.

Dureté du laiton

La résistance et la dureté du laiton, en particulier du laiton pour cartouche UNS C26000, peuvent être décrites en termes de résistance à la traction ultime et de dureté Brinell. La résistance à la traction ultime de ce type de laiton est d'environ 315 MPa, ce qui indique la quantité maximale de contrainte de traction qu'il peut supporter avant de se fracturer. D'autre part, lors de la mesure de sa résistance à l'indentation, la dureté du laiton UNS C26000 s'avère être d'environ 100 MPa, ce qui démontre sa capacité à résister aux forces externes sans se déformer facilement.

Dureté de l'acier

La dureté de l'acier peut varier en fonction de facteurs tels que la teneur en carbone. L'acier à haute teneur en carbone, qui contient généralement entre 0.60 % et 1.00 % de carbone, est connu pour sa dureté élevée par rapport aux autres nuances d'acier. Cependant, à mesure que la teneur en carbone augmente, la ductilité de l'acier a tendance à diminuer. La dureté Brinell de l'acier à haute teneur en carbone est généralement mesurée à environ 200 MPa. Cela indique un niveau de dureté substantiel, reflétant la capacité de l'acier à résister à la déformation et aux forces externes.

Dureté du fer

Le fer présente une dureté d'environ 4.5 sur l'échelle de Mohs. La structure cristalline du fer est généralement de nature cubique centrée (BCC). Dans les métaux, y compris le fer, et de nombreux autres matériaux solides, les atomes sont disposés selon des motifs ordonnés appelés cristaux.

Différents types de dureté des matériaux

Les matériaux présentent différents types de dureté selon la contrainte exercée. Les trois principaux types sont :

• Dureté aux rayures
• Dureté de rebond
• Indentation dureté

Dureté aux rayures

Cet indicateur mesure la résistance d'une surface aux rayures causées par un objet plus dur. Il est utile lorsque l'usure ou le frottement de la surface est important. Par exemple, si une pièce est soumise à un contact glissant, une dureté à la rayure plus élevée est plus sûre pour éviter d'endommager la surface. Les céramiques nécessitent souvent des tests de dureté à la rayure.

Dureté de rebond

Également appelée dureté dynamique, la dureté de rebond mesure la capacité d'un matériau à récupérer élastiquement après un impact. On laisse tomber un pénétrateur et on mesure sa hauteur de rebond. Un rebond élevé correspond à un comportement plus dur et plus élastique.

Dureté d'indentation

C'est probablement le type le plus utilisé. On applique une charge à l'aide d'un pénétrateur (bille, cône ou pointe diamant) pour appuyer sur la surface, puis on mesure l'empreinte. Les essais Rockwell et Brinell sont des méthodes standard de dureté par indentation.

Quelle est l’unité de mesure de la dureté du matériau ?

Il existe plusieurs échelles et unités de mesure de la dureté, chacune liée à des méthodes d'essai différentes. Ces échelles ne sont pas directement comparables, mais peuvent être converties approximativement grâce à des tableaux.

Unités de dureté courantes :

• HB — Indice de dureté Brinell

• HRA / HRB / HRC — Échelles de Rockwell

• HV — Dureté Vickers

• HL / HLD / HLS — Dureté Leeb

• SI (N/mm² ou MPa) parfois utilisé pour approximer la dureté en unités de pression

Remarque : la dureté est pas Identique à la pression. La dureté correspond à la résistance à la déformation, tandis que la pression correspond à la force surfacique (N/m²). Soyez prudent lors de vos comparaisons. Utilisez une table de conversion appropriée pour une équivalence approximative.

Tableau de conversion de dureté (extrait)

4 méthodes d'essai pour déterminer la dureté du matériau

Après avoir déterminé les conditions de charge ou environnementales spécifiques auxquelles votre composant sera confronté, vous pouvez procéder à l'évaluation de l'adéquation des différentes options de matériaux à l'aide de diverses méthodes de test de dureté. Si vous avez accès à l'équipement requis, vous pouvez effectuer ces tests pour recueillir des données précieuses et prendre des décisions éclairées.

Le test Brinell

Une bille d'acier trempé (pénétrant) est enfoncée dans le matériau sous une charge connue. Après la charge, le diamètre de l'empreinte est mesuré et l'indice de dureté Brinell (HB) est calculé à l'aide d'une formule.

• Pour les métaux durs comme l’acier, la charge peut être de 3 000 kg (ou 30 000 N).

• Pour les métaux plus tendres comme le cuivre ou le laiton, une charge plus faible comme 500 kg (5 000 N) est utilisée.

La formule:

Symbole:

HB = Dureté Brinell (kg/mm2)

F = Force (mesurée en Newton)

D = Diamètre du pénétrateur (mesuré en millimètres)

d = diamètre d'indentation (mesuré en millimètres)

Test de dureté Rockwell

Cet essai utilise d'abord une charge mineure (par exemple 10 kg) pour enfoncer le pénétrateur, puis une charge majeure. Après avoir retiré la charge majeure, la profondeur d'empreinte est mesurée. La dureté est lue sur l'échelle Rockwell appropriée (A, B, C, etc.), selon le matériau et le type de charge.

Par exemple :

• Les alliages d'acier utilisent souvent un cône en diamant avec une charge de 140 kg sur l'échelle C (HRC).

• Les alliages de cuivre peuvent utiliser une bille d'acier et une charge de 100 kg sur l'échelle B (HRB).

Test de dureté Mohs

Cette méthode mesure la dureté à la rayure. On gratte l'échantillon avec un matériau de référence de dureté connue, ou inversement. L'échelle de Mohs va de 1 (talc) à 10 (diamant). Des adaptations modernes utilisent des pénétrateurs en diamant pour plus de précision. Cette méthode est utile pour les minéraux, les céramiques ou les revêtements.

Test de scléroscope Shore

Également utilisée pour la dureté de rebond, cette méthode consiste à enfoncer un marteau à pointe de diamant dans un tube de verre et à le déposer sur la surface. La hauteur de rebond est mesurée : plus le matériau est dur, plus le rebond est important. Cette méthode, simple et rapide, est souvent utilisée sur le terrain ou pour des essais rapides.

Tableau de dureté des matériaux

Vous trouverez ci-dessous un tableau détaillé répertoriant divers alliages métalliques, leur dureté sur l'échelle Rockwell B, leur limite d'élasticité et leur degré de ductilité :

Pourquoi la dureté est importante dans l'usinage et la conception

La dureté influence la résistance à l'usure, la résistance à la fatigue, l'état de surface, le coût d'usinage et la longévité des pièces. Une pièce trop tendre risque de se rayer, de se tordre ou de se déformer sous la charge. Une pièce trop dure risque de se fissurer ou d'être difficile à usiner.

Par exemple :

• Un engrenage en métal mou peut s'user rapidement sous l'effet du frottement.

• Une surface d’appui très dure peut résister à l’usure, mais si elle est cassante, elle pourrait se fracturer sous l’effet des chocs.

Il est donc essentiel de comprendre ensemble la dureté, la ductilité, la ténacité et la résistance. Adaptez toujours la dureté du matériau à vos conditions d'utilisation.

Nous utilisons des mots-clés tels que dureté des matériaux, essai de dureté, dureté par pénétration, Brinell, Rockwell, Vickers, dureté à la rayure et dureté de rebond. Les mots-clés LSI incluent la mesure de la dureté, l'échelle de dureté, la dureté d'usinage, la sélection des matériaux et la conversion de la dureté.

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Conclusion

Pour une sélection efficace des matériaux dans votre projet, il est essentiel de procéder à un test de dureté approfondi. Il existe plusieurs méthodes pour évaluer la dureté des matériaux. Il est recommandé de faire appel à une entreprise experte pour bénéficier de conseils et d'une expertise professionnelle sur la signification de la dureté des matériaux. Grâce à notre vaste expérience, nous sommes bien préparés à proposer des recommandations techniques adaptées à vos projets spécifiques.

QFP

Quel est le meilleur test de dureté pour les métaux ?
Cela dépend. Pour les pièces métalliques courantes, les tests Rockwell ou Brinell sont les plus courants. Utilisez Rockwell pour les métaux plus durs et Brinell pour les structures plus tendres ou à gros grains.

Les valeurs de dureté de différentes échelles peuvent-elles être directement comparées ?
Non. Vous avez besoin de tables de conversion pour approximer les équivalences, car chaque échelle utilise un mécanisme de test et une charge différents.

Une dureté plus élevée signifie-t-elle toujours de meilleures performances ?
Pas toujours. Une dureté plus élevée s'accompagne souvent d'une ductilité réduite et d'une fragilité accrue. Il est donc essentiel d'équilibrer dureté, ténacité et résistance.

Comment choisir une entreprise d'usinage avec une expertise en dureté ?
Recherchez une entreprise qui propose des services de test de matériaux, un soutien technique et des certifications (par exemple, ISO). Richconn offre ces services et plus encore.

Pouvons-nous tester la dureté en interne ?
Oui, si vous disposez du matériel adéquat (testeur Rockwell, machine Brinell, etc.). Mais pour des résultats précis ou des pièces complexes, il est plus sûr de confier la réalisation à des experts.