La dureté

Notion fondamentale en mécanique, la dureté. La définition classique (selon Martens) est "La dureté est la résistance d'un matériau à la pénétration d'un autre corps, plus dur". Ok, mais concrètement, qu'est-ce que ça veut dire et surtout pourquoi est-ce si important ?
Comment se mesure la dureté, quelles sont les unités correspondantes ? Comment agir sur la dureté ? Quelques éléments de réponse ci-dessous...

Intérêt de la dureté

Quel est l'intérêt d'avoir un matériau dur ? Il y en a plusieurs... Le tout premier, c'est la résistance à l'usure : en effet, un matériau dur étant moins sensible aux rayures et déformations, sa surface restera la même et sera plus durable. Par exemple, imaginez un roulement dont le chemin de roulement des billes ne serait pas assez dur : les billes "creuseraient" assez rapidement le chemin de roulement, générant du jeu et des vibrations. Bien entendu, ce n'est pas acceptable.
Autre intérêt, également lié à l'usure : on sait que lorsque deux pièces sont en contact, c'est la moins dure qui s'usera le plus vite. En jouant entre autres avec les duretés, on pourra donc choisir parmi les deux pièces laquelle sera durable et laquelle sera une pièce d'usure, à remplacer périodiquement ; cela permet de grosses économies de maintenance et une gestion facilitée de la vie du produit.
Attention, petite précision : on parle ici d'usure relative entre deux pièces. Ce n'est pas parce qu'une pièce est plus dure qu'elle sera forcément plus durable, l'environnement et les contraintes extérieures sont des facteurs très importants!

Un autre intérêt de la dureté, ou du moins des essais de dureté, est de pouvoir déduire facilement d'autres caractéristiques du matériau, notamment la limite d'élasticité R_e et la résistance à la traction R_m.
En effet, les essais de dureté sont assez simples et rapides à mettre en place, donc même si ils ne donnent pas des résultats aussi précis qu'un essai de traction, ils sont très utilisés en première approche.

Principaux essais de dureté

La grande majorité des essais de dureté sont basés sur le même principe : on va enfoncer un poinçon indéformable (une bille, un cône ou une pyramide) dans le matériau à tester avec une force donnée, puis on va mesurer l'empreinte pour en déduire la dureté.
En fonction de la forme du poinçon et du mode de mesure, plusieurs tests normalisés ont été établis :

Brinell

Dès 1900, J. A. Brinell pose les bases d'un essai à pénétration de bille, qui portera son nom.
Le poinçon (pénétrateur) est ici une bille en acier trempé ou en carbure de tungstène, que l'on va appliquer 10 à 15 secondes avec une force normalisée selon le matériau à tester. On va ensuite mesurer le diamètre de l'empreinte et en déduire directement la valeur de dureté Brinell (notée HB).
Norme liée : EN ISO 6506

Rockwell

En 1920, S. R. Rockwell propose son procédé d'essai de dureté, ou plutôt ses procédés. En effet, il existe 7 essais de dureté Rockwell selon le matériau à tester... Les variantes seront le type de pénétrateur (bille ou cône) et la force appliquée.
Le principe de tous ces essais : on va appliquer une précharge de 98N sur la surface, et l'enfoncement correspondant sera le point d'origine de la mesure. On va ensuite appliquer une force supplémentaire (dépendante du type d'essai) puis mesurer le déplacement associé depuis l'origine. De cet enfoncement, nous allons déduire directement la valeur de la dureté.
Parmi les 7 essais (HRA, HRB,... HRG) les deux les plus utilisés sont HRB, pour les matériaux avec R_m < 1000 MPa, et HRC au-delà.
Il existe également des essais pour les produits très minces et les revêtements, HxxN et HxxT, avec xx correspondant au dixième de la force appliquée.
Norme liée : EN ISO 6508-1

Vickers

Créé par R. Smith et G. Sandland en 1925, l'essai de micro-dureté Vickers consiste toujours en l'enfoncement d'un pénétrateur dans la matière à tester. Ici, le pénétrateur est un diamant pyramidal de base carrée et la force appliquée est normalisée. Tout comme pour Brinell, on va mesurer la largeur de l'empreinte (ici, ce sera la moyenne des deux diagonales de l'empreinte carrée) puis en déduire la valeur de la dureté, par calcul ou lecture d'abaque, avec l'unité HV.
La dureté Vickers est la plus précise, convient à tous les matériaux, mais doit être réalisée en laboratoire sur des pièces préparées, ce qui complique son utilisation par rapport aux autres méthodes.
Norme liée : EN ISO 6507

Knoop

En 1939, F. Knoop, C. G. Peters et W. B. E. Emerson conçoivent la méthode Knoop. Le fonctionnement est le même que l'essai Vickers, mais avec une différence de taille : la pyramide du pénétrateur est beaucoup plus aplatie et de forme losange. Cette différence permet d'avoir des empreintes larges, donc mesurables, avec de faibles charges et de faibles pénétrations, ce qui permet de mesurer plus facilement la dureté de matériaux fragiles et/ou les pièces de faible épaisseur. La dureté Knoop est exprimée en HK.
De plus, la mesure de l'écart entre les diagonales permet de tester l'isotropie du matériau en surface...
Norme liée : EN ISO 4545

Autres méthodes

D'autres méthodes de mesure de la dureté existent, citons notamment :

• Echelle de Mohs : créée en 1822, l'échelle de Mohs n'est pas un essai mécanique à proprement parler mais a posé les bases de l'analyse de la dureté. Le principe est de rayer (ou du moins essayer de rayer) le matériau à tester avec différents matériaux servant d'étalon : suivant le résultat, on peut situer la dureté dans une échelle à 10 valeurs (du talc, le moins dur, au diamant, le plus dur).
  Cette technique n'est bien entendu plus utilisée industriellement, et sert aujourd'hui principalement en minéralogie.
• Dureté Shore : cet essai est principalement réservé à la mesure de la dureté des élastomères. Le principe : le pénétrateur (diverses formes existantes) est propulsé par ressort à une force donnée, puis on mesure la longueur de pénétration.
• Dureté Meyer : il s'agit du même essai que Brinell, seule la formule de calcul diffère (on considère la surface de l'empreinte au lieu du diamètre).

Tables de correspondance

Avant tout, un point TRES important : il n'existe pas de table de conversion de dureté réellement fiable! Les tables présentées par les normes sont construites de manière empirique, par comparaison d'échantillons. Cela donne donc une idée, mais la marge d'erreur peut parfois être assez importante.
Pour plus de détails, nous vous invitions à consulter directement la norme NF EN ISO 18265.

A titre d'information, vous trouverez ci-dessous quelques valeurs valables pour l'acier :

Agir sur la dureté

On l'a compris, la dureté c'est important... Mais comment "jouer" avec ? Le plus souvent ce sera par le biais de traitements thermiques, comme la trempe, et de traitements de surface tels que la nitruration. Selon le procédé choisi et la manière dont il sera utilisé, on pourra gérer assez finement le niveau de dureté d'une pièce...
Pour davantage de détails sur ces sujets, vous pouvez consulter les deux articles suivants :

• Les traitements thermiques
• Traitements de surface pour durcissement de l'acier

Inconvénients de la dureté

Bien entendu, l'augmentation de la dureté provoque aussi quelques inconvénients. Pour l'usinage d'abord, des pièces très dures nécessiteront des outils spéciaux (diamant) et seront assez délicates à usiner... Par contre, la rectification est complètement compatible avec les pièces très dures.
Ensuite, une augmentation de la dureté est très souvent synonyme de baisse de la résilience (tenue aux chocs). Une pièce dure sera plus "fragile" en général. D'où l'intérêt, d'ailleurs, de la trempe superficielle sur les pièces en acier : cela crée une peau dure tout en conservant un cœur résilient...