Essai de dureté Rockwell et effet du traitement sur l'acier

Source : Roberto Leon, département de génie Civil et environnemental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Essais de dureté est l’un des tests mécaniques plus universellement valables disponibles aux ingénieurs, comme il est simple et relativement peu coûteux pour la richesse des informations et données qu’elle produit. Essais de dureté, généralement sous la forme d’un essai de pénétration de surface, est plus rapide et moins destructrices que les essais de résistance à la traction. Dureté offre une relation linéaire avec la traction sur un large éventail de points forts pour de nombreux matériaux, tels que l’acier. Essais de dureté sont empiriques, plutôt que dérivé de la théorie, comme les résultats confondre les effets de nombreuses propriétés de différents matériaux (module d’Young, limite d’élasticité, etc.).

La dureté est une caractéristique d’un matériau utilisé pour décrire combien plastique déformation (rendement) qui fera l’objet d’un matériau lorsqu’on applique une force connue). On peut qualifier de dureté de trois manières : scratch, indentation et dureté de rebond. Un exemple courant de début d’un essai de dureté (zéro) est l’échelle de Mohs (1820), dérivé des minéraux, et dans quel talc a la valeur 1 et diamant une valeur de 10. Dans indentation tests en utilisant l’approche de Rockwell, petits indenters sont utilisés avec différentes charges. Les plus courantes sont la B de dureté Rockwell (DGRH), qui utilise un 1/16 po durci avec pénétrateur bille d’acier ainsi qu’un poids de 100 kg et le C de dureté Rockwell (HRC), qui utilise un pénétrateur cône de diamant ainsi qu’un poids de 150 kg. HRB essais sont effectuées pour les matériaux avec la dureté du bas de gamme, tels que l’aluminium, le laiton et les aciers douces, tandis que HRC tests sont utilisés pour les matériaux avec la dureté de haut de gamme, tels que les aciers plus difficiles. Poids plus faible (15 à 45 kg) sont utilisés pour l’essai de dureté superficielle Rockwell tels que le HR15W, qui utilise une boule de 1/8 po en acier avec un poids de 15 kg. Avec sa charge inférieure et une impression peu profonde, un essai de dureté Rockwell superficiel est idéal pour les matériaux très minces ou cassants. Un exemple d’un test de rebond est le marteau Schmidt, utilisé pour mesurer la résistance du béton. Dans ce test, une masse d’acier est abattue à la surface avec une force connue et le rebond de la balle est mesuré. Dans tous les types d’essai de dureté, il est impératif de procéder à des étalonnages si des résultats fiables doivent être obtenues.

Pour cette expérience, on examinera l’essai de dureté Rockwell, qui mesure la dureté d’aluminium non traité et traités thermiquement.

Il existe plusieurs méthodes pour mesurer la dureté, incluent Brinell (H_B), Vickers (V), Knoop (K) et les essais de dureté Shore. Chacune de ces méthodes utilise un pénétrateur, soit sous la forme d’une sphère (Brinell), cône (Rockwell), pyramide de diamant (Vickers, Knoop et Rockwell), faire une entaille dans la surface d’un métal, qui est alors mesurée optiquement ou par lecture directe. Le test de dureté Shore mesure habituellement la pénétration dans la surface des matières plastiques ou autres polymères. L’essai de dureté Brinell était le premier test de dureté introduit et est une méthode robuste à cannelure charges utilisant une instrumentation rudimentaire. Essais de dureté Vickers sont bénéfiques que l'on doit se penche sur la dureté sur un large éventail de valeurs, puisqu’il peut mesurer de dureté a enregistré la plus faible au plus élevé. Essais de dureté Knoop sont utiles pour les applications avec des échantillons très petits ou très minces. Néanmoins, l’essai de dureté Rockwell est que le plus populaire, car il est beaucoup plus rapide et peu coûteux, en plus d’être la seule dureté test où l'on peut lire directement la dureté sans l’aide d’un outil optique.

Pour cette étude, nous nous concentrerons sur l’essai de dureté Rockwell, tel qu’il est défini dans la norme ASTM E-18. Le testeur de Rockwell typique est illustré à la Fig. 1 et consiste en une lecture et un système de levier d’appliquer des charges, qui est caché pour le spectateur. Manuel et automatisé des versions de ces machines sont généralement disponibles dans les laboratoires d’essais.

Figure 1 : Rockwell de Machine d’essai.

Plus le matériau est le plus difficile, moins la profondeur de pénétration, donc la valeur de dureté Rockwell correspondante sera plus faible. Le Rockwell B et C dureté sont calculés comme :

Les résultats de tout essai de dureté peuvent être convertis en autres échelles de dureté par l’intermédiaire des équations ajustées aux vastes ensembles de données. Cependant, il n’y a pas une seule conversion discrète, linéaire, et les valeurs qui en résulte seront donc des approximations au lieu de valeurs absolues. Par exemple, pour les matériaux non-écrouissage en déformation plane :

Fig. 2 montre les indentations typiques sur un bloc d’étalonnage, qui est généralement fourni avec la machine d’essai. Ces blocs doivent être utilisée périodiquement pour s’assurer que la machine fonctionne correctement.

Figure 2 : Indentation de bloc d’étalonnage.

En général, la résistance à la traction d’un matériel (σ_u) peut être lié à sa dureté Brinell (H_B) par l’intermédiaire des équations comme :

Une des façons dont la résistance du matériau est modifiée est par traitement thermique ou par laminage à froid. En général, le laminage à froid par l’intermédiaire de rouleaux successivement plus mince se traduira par une plus forte (et matériau plus dur). De manière similaire, dans les aciers, la vitesse de refroidissement affecte de manière significative la formation de structures martensitiques, qui contribuent à l’amélioration des performances mécaniques. Les structures martensitiques présentent la structure du cristal distinct du corps centré tétragonal (BCT), où les cristaux sont tendu à être à angle droit sur les deux extrémités, mais plus longue sur les côtés, comme une lentille, conférant ainsi grande dureté de la matière.

Une façon de caractériser le traitement thermique est à travers un test de fin-quench Jominy (ASTM A225). Dans cet essai un échantillon circulaire, long de 4 po est chauffée uniformément dans le four. Lorsqu’elle a atteint la température souhaitée, telle qu’austenizing complet a été atteint (> 900 ° C), le spécimen est refroidi avec un jet d’eau à une extrémité. Austenization est le processus par lequel en acier est chauffé pour modifier la structure cristalline de ferrite d’austénite, un allotrope métallique, non magnétique de fer appelée gamma-fer.

La fin soumise à du jet d’eau refroidira sensiblement plus vite que l’autre extrémité, ce qui entraîne dans différentes structures martensitiques et par conséquent différente dureté, sur toute la longueur de l’échantillon. À ce stade un plat peu profond est au sol sur toute la longueur de l’échantillon pour essai de dureté sur une surface plane. L’éprouvette Jominy est utile pour démontrer l’essai de dureté Rockwell, mais il faut se garder de confondre les résultats de test de dureté avec l’aptitude à la trempe d’un matériau que le test de fin-quench Jominy est censé pour mesurer. Trempabilité vise à mesurer comment la structure martensitique varie selon la profondeur d’une pièce de matériau ; la dureté est une façon de caractériser cette variation.

Lors de l’essai Rockwell C typique, une charge préliminaire est appliquée sur le pénétrateur, et une profondeur de pénétration initiale est mesurée. Cette première étape consiste à établir un zéro ou la référence de position, afin d’atténuer les conséquences des variations dans la surface du matériau. Ensuite, la charge importante est appliquée sur le pénétrateur. Enfin, la précharge est supprimée, et la profondeur de pénétration finale est mesurée. La différence de cette valeur de la valeur de précharge initiale est ensuite calculée en une valeur de dureté.

La procédure suivante est pour la machine manuelle illustrée à la Fig. 1. La procédure est typique pour les autres machines aussi bien.

1. Obtenir un typique spécimen d’essai Jominy fin-effet d’atténuation qui ont subi un traitement de refroidissement par eau.
2. Fixez le spécimen à la table de la machine d’essai pour qu’il ne bougera pas pendant le test.
3. S’assurer que le levier de sélection est en position de « Déchargement ».
4. À l’aide de la molette de réglage sous le support, relever l’échantillon jusqu'à ce que le contact avec le pénétrateur est établi (lorsque le contact est juste fait, l’aiguille sur la volonté de la molette avant commencent à bouger légèrement).
5. Régler le comparateur, de sorte que la lecture initiale est 0.
6. Appliquer une précharge de continuer lentement tourner le réglage de la table jusqu'à ce que le comparateur est passé par trois tours complets ; arrêter lorsque l’aiguille est à 0.
7. Mettez le levier côté position « Loading ».
8. Attendez que l’aiguille s’immobilise (5 à 10 s) puis replacez levier de « Déchargement ».
9. Enregistrer la dureté Rockwell C de comparateur lecture.
10. Refaites le test sur la longueur. ASTM A255 spécifie qu’il faut lectures à un intervalle de 1/16 po pour la première ½ pouce et à intervalles de 1/8 po pour la prochaine ½.

Un résultat typique de Rockwell essais sur une éprouvette Jominy pour un test de HR C est montré dans la vidéo. La dureté diminue sensiblement comme un s’éloigne de la fin soumis à du jet d’eau. La valeur de test de dureté peut être convertie à une résistance à la traction par l’intermédiaire de cartes fournies par le constructeur de la machine de test. Les résultats montrent que l’acier varie considérablement en dureté et en force comme on s’éloigne de l’extrémité trempée.

Essais de dureté est un des principaux tests pour recueillir des informations techniques importantes concernant un matériau. Essais de dureté Rockwell est la méthode préférée des essais de dureté, car il élimine le besoin d’équipement optique, à la pointe mais plutôt emploie matériel de laboratoire de base à avec précision, économiquement et rapidement mesurer la dureté d’un matériau. Plus important encore, cette méthode est facilement traduites et reproductibles entre les laboratoires et les tests du personnel en raison de sa relative simplicité. La procédure prévoit qu’après avoir pris une lecture initiale en préchargeant les conditions, on applique la charge importante et mesure le changement de position de la valeur initiale. Cette valeur peut ensuite être calculée dans une valeur de dureté, qui peut également être transformée et se rapprochait d’autres échelles de dureté par une série d’équations. L’essai de dureté Rockwell a été utilisé pour montrer comment la vitesse de refroidissement affectent la structure martensitique des aciers, et comment les résultats de la vitesse de refroidissement dans les matériaux avec des forces sensiblement différentes.

Essais de dureté pour nous permettent d’utiliser des matériaux appropriés qui garantiront la qualité de la performance dans leur utilisation. Tous les produits que nous utilisons dans notre vie quotidienne a été testé pour la dureté. Envisagez que le scénario suivant amusant est l’un des nombreux exemples quotidiens quant à comment essais de dureté nous permet d’apprécier les matériaux qui sont utiles et sans danger. Imaginez la pléthore d’utilisations d’essais de dureté afin que vous puissiez jeter un barbecue de jardin pour votre réunion de famille. Les chaises de jardin métal devaient certainement être dureté testée pour s’assurer que le métal était assez fort, de sorte que tante Bessie ne pas aller tumbling au sol quand elle s’assit. Les grilles métalliques sur le gril devaient aussi être dureté testée sur une large plage de températures (étant donné que votre mère aime son steak bien fait à feu vif) pour s’assurer qu’ils n’auraient pas de fracture ou donner quand inévitablement vous avez déposé la pince de cuisson sur le gril. Les couteaux que vous utiliser pour couper la viande sont tous en acier trempé aussi. Enfin, l’échelle métallique dans la piscine avait à dureté testé dans des conditions aquatiques pour s’assurer que lorsque votre jeune cousin a essayé de sortir de la piscine, il n’a pas retomber lorsque le métal a échoué. Il y a beaucoup de hamburgers sauvés, marmots et hot-dogs, pour ne pas mentionner des vies humaines grâce aux essais de dureté.