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1 - DURETÉ DES CORPS : ÉVOLUTION HISTORIQUE DES CONCEPTS ET DES MOYENS D’ESSAIS

2 - ANALYSE QUALITATIVE DE L’INDENTATION NORMALE ÉLASTOPLASTIQUE

Article de référence | Réf : M4154 v1

Dureté des corps : évolution historique des concepts et des moyens d’essais
Dureté des corps et analyse qualitative

Auteur(s) : Eric FELDER

Relu et validé le 17 mars 2021

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RÉSUMÉ

L’essai de dureté consiste à mesurer les dimensions d’une empreinte résiduelle laissée par un indenteur à la surface d’une pièce. Cet essai permet notamment de contrôler l’état d’une pièce métallique après élaboration : ses capacités de déformation plastique, mais également les hétérogénéités de ses propriétés mécaniques. L’article présente l’évolution historique des concepts de dureté, des moyens d’essais et de leurs limites. Ensuite, il propose une analyse qualitative de l’indentation normale élastoplastique.

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Auteur(s)

  • Eric FELDER : Ingénieur civil des Mines de Paris - Docteur es Sciences - Maître de Recherches à l’École des Mines de Paris

INTRODUCTION

L’essai de dureté, sous sa forme la plus courante, consiste à enfoncer, avec une force donnée, normalement à la surface d’une pièce, un indenteur de faible déformabilité (cône ou sphère en diamant, carbure de tungstène lié cobalt ou acier extra-dur) et à mesurer une longueur caractéristique de la réponse du matériau de la pièce : enfoncement de l’indenteur, dimension de l’empreinte résiduelle. Il est le plus souvent utilisé pour contrôler l’état d’une pièce métallique après élaboration, mise en forme, traitement thermique, traitement de surface... Son caractère local en fait par ailleurs un outil irremplaçable pour caractériser les hétérogénéités de propriétés mécaniques des pièces massives ou les films minces déposés à leur surface ; par ailleurs, le caractère compressif de l’état de contrainte engendré permet d’explorer les capacités de déformation plastique de matériaux fragiles comme les matériaux à outils ou les pièces poreuses qui se rompent prématurément dans le domaine élastique en traction. La signification physique des grandeurs mesurées est par contre assez souvent mal connue des praticiens. En fait, correctement mené et interprété, il permet, à l’instar des essais rhéologiques du type traction ou torsion (cf. article [M 4 151] « Lois de comportement des métaux. Élasticité. Viscoélasticité ») la mesure à l’échelle locale de la courbe d’écrouissage, du module d’Young du matériau testé, voire de sa ténacité s’il est fragile et, si l’essai est pratiqué à chaud, ses propriétés de viscoplasticité et de fluage. En effet, la pénétration de l’indenteur produit une déformation plastique dans les matériaux métalliques courants sous un état de contrainte compressif ; mais l’extérieur de la zone de contact est le siège de contraintes de traction qui peuvent y engendrer un endommagement sous forme de fissures, voire d’enlèvement de matière pour les matériaux fragiles du type matériaux à outils. On y voit également l’émergence des plans de glissement du matériau.

Le but de cette série d’articles, divisée en deux parties, est de présenter ces divers aspects des essais de dureté. La première partie est consacrée à l’analyse théorique de l’essai d’indentation réalisé avec diverses formes d’indenteurs. Dans cet article [M 4 154], après un bref historique mettant bien en évidence les difficultés rencontrées par des scientifiques pour définir précisément une grandeur physique « dureté » (§ 1), nous rappelons brièvement les caractéristiques du comportement élastoplastique d’un alliage métallique déformé à froid et à chaud et analysons qualitativement l’essai d’indentation (§ 2). Dans un deuxième article [M 4 155], nous présentons les analyses théoriques de l’essai de dureté pratiqué à froid sur un matériau de haut module d’Young avec les formes usuelles d’indenteur. Dans un troisième article [M 4 156], nous analysons l’effet de l’élasticité des matériaux. Enfin dans un quatrième article [M 4 157], nous interprétons les résultats de cet essai pratiqué sur des matériaux viscoplastiques (métal à chaud), à petite échelle par nanoindentation, sur des matériaux fragiles ou anisotropes. La seconde partie est consacrée à l’application pratique et à la description et à la mise en œuvre des essais normalisés [M 4 160].

Pour la description de la déformation plastique du métal, le lecteur pourra consulter l’article « Méthodes de calcul en plasticité » [M 595].

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-m4154


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1. Dureté des corps : évolution historique des concepts et des moyens d’essais

La notion de dureté d’un corps correspond à la résistance à la pénétration locale de ce corps par un objet pointu. Cette notion a été perçue intuitivement très vite, mais il a été difficile de définir une méthode d’essai simple permettant de lui associer une grandeur mesurable malgré l’intérêt manifesté en ce sens par de nombreux scientifiques. Seules, les expériences les plus simples ont donné naissance à des méthodes d’essais normalisées, mais chacune des tentatives les plus marquantes conserve tout son intérêt pour l’étude du comportement mécanique des matériaux. Leur champ d’application reste donc pour l’instant le laboratoire, avec à terme la perspective de passer dans le domaine industriel grâce au développement de techniques expérimentales ; la commercialisation relativement récente d’appareils de rayure, puis de microrayure de matériaux revêtus et d’appareils de nanoindentation, de nanorayure et d’ultramicrodureté l’a bien montré.

1.1 Rayabilité relative des matériaux

Dès 1722, Réaumur a développé divers essais de dureté, d’abord par indentation mutuelle de barres de section triangulaire, puis par rayure d’une barre d’acier trempée à l’une de ses extrémités. Toutefois, la première tentative fructueuse pour préciser la notion de dureté est due au minéralogiste autrichien Mohs (1822) (cf. [K 160] Minéraux naturels). Elle repose sur l’observation suivante, déjà exploitée auparavant, mais avec moins de succès, par Réaumur : si le glissement sur la surface d’une matière B d’une pointe d’une matière A y produit un sillon apparent, ou rayure, généralement le glissement d’une pointe de matière B ne produit pas de sillon sur A. Dans l’optique d’une mesure sur le terrain, Mohs a donc choisi de manière empirique une série de 10 minéraux étalons numérotés de 1 à 10 (tableau ...

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