Connaissances générales sur l’essai de dureté Brinell
Le pénétrateur dans la méthode d'essai selon Brinell se compose d’une bille de carbure de diamètre D = 10; 5; 2,5 ou 1 mm. Celui-ci est appliqué à la surface de l'échantillon à tester avec une force d'essais (selon norme, de 1 jusqu’à 10 kg) et maintenu conformément au temps de maintien spécifié.
Pour calculer la dureté Brinell, deux diamètres (perpendiculaires entre-eux) de l'empreinte d'essais sont mesurés sur la surface de l'éprouvette à tester. La charge d'essais en N et le diamètre du pénétrateur sphérique sont également requis.
Déroulement de l’essai de dureté Brinell selon ISO 6506
L’essai de dureté selon Brinell est une méthode optique, qui consiste à mesurer la taille de l'empreinte laissée par le pénétrateur. Comparée à la méthode Vickers, également optique, dans laquelle un pénétrateur de forme pyramidale est enfoncée dans une éprouvette, la méthode Brinell utilise un pénétrateur sphérique.
Plus l'empreinte laissée par le pénétrateur Brinell sur la surface d'une pièce (d'une éprouvette) avec un diamètre de bille défini et sous une force d'essais définie est grande, plus le matériau testé est tendre.
Selon l’ISO 6506, pour déterminer la dureté selon Brinell (HBW), le pénétrateur sphérique en métal dur (carbure de tungstène) est enfoncé dans une éprouvette (pièce à usiner) avec une charge d'essais définie (entre 1 kgf et 3000 kgf).
Qu’indique la dureté Brinell?
La dureté Brinell est une unité de mesure qui indique la dureté d'un matériau. Elle est mesurée à l’aide de la méthode de la dureté Brinell, au cours de laquelle une bille de carbure de tungstène est enfoncée dans le matériau. La taille de l'empreinte obtenue est mesurée optiquement afin de déterminer la dureté du matériau.
La dureté Brinell est généralement utilisée pour les matériaux présentant une grande taille de grain, une surface d'essai rugueuse ou des matériaux non homogènes, tels que les pièces moulées, les alliages et pièces forgées. Elle est définie comme rapport entre la force appliquée et la surface de l'empreinte. L'unité de la dureté Brinell est le HBW (dureté selon Brinell avec une bille en carbure de tungstène).
Calcul de la dureté Brinell
La dureté Brinell est le quotient de la force d'essais appliquée F (en newton N) et de la surface de l'empreinte permanente sur l'éprouvette après retrait de la force d’essais (voir formule Brinell). Pour calculer la surface de l'empreinte sphérique permanente, on utilise la moyenne arithmétique d de deux diagonales perpendiculaires d1 et d2 (en mm), car la surface de base des empreintes Brinell est rarement ronde.
Pour déterminer la valeur de dureté, celle-ci n’est toutefois calculée en pratique pour chaque essai individuel. La valeur de dureté peut également être lue dans des tableaux ou dans un logiciel d'essais de dureté spécialement programmé, qui indique la valeur de dureté en fonction du diamètre moyen d'empreinte d pour tous les diamètres de bille et charges d'essais normalisés.
La force d'essais choisie doit permettre d’obtenir un diamètre d'enfoncement moyen compris entre 0,24 D et 0,6 D.
Pour respecter ces limites, il est nécessaire de faire correspondre la force d'essais et le diamètre de la bille. Il en résulte différents degrés de contrainte (également appelés degrés de charge ou facteurs de charge) au sein de la méthode Brinell, pour lesquels le quotient de la force d'essais et du carré du diamètre de la bille est maintenu constant: B = 0,102*F/D2. Les cinq degrés de contrainte courants sont 1, 2.5, 5, 10 et 30. Afin d’obtenir des résultats de mesure directement comparables, l'essai d'un matériau avec différents diamètres de bille et différentes forces d'essais doit être réalisé dans un même degré de contrainte (voir tableau récapitulatif "Méthodes et applications de l’essai de dureté Brinell").
Le diamètre de bille choisi doit permettre de couvrir une plage de matériau aussi large que possible – représentative de l'éprouvette.
Selon la norme (ISO 6506), la charge d'essais doit être augmentée jusqu'à sa valeur maximale en l'espace de deux secondes au minimum et de huit secondes au maximum. La durée d'application de la charge d'essais est en principe de 10 à 15 secondes (s). Lorsque la durée d'application est plus longue, la durée en secondes doit être indiquée en plus dans la valeur de dureté, par exemple: 210 HBW 5/250/30 (durée d’application de 30 s).
Avantages et inconvénients de l’essai de dureté au moyen de la méthode d'essais Brinell
La méthode Brinell présente les avantages suivants:
- La méthode Brinell permet également de tester des matériaux non homogènes (par exemple, les pièces en fonte), car la grande bille rencontre de nombreux cristaux (différents composants structurels du matériau) et forme une moyenne mécanique.
- De nombreux diamètres de bille et forces d’essais sont proposés pour les applications les plus diverses.
- Empreintes d’essais comparativement grandes, plus faciles à mesurer que les empreintes Vickers plutôt petites.
- La surface d’essais peut être rugueuse.
La méthode Brinell possède les inconvénients suivants:
- Un bon état de surface de l’éprouvette est nécessaire à la mesure optique. Cela signifie que l’emplacement d’essai doit être préparé.
- Risque élevé de déformation du matériau à tester lors des essais dans le domaine macro avec une charge d'essais élevée (par exemple, HBW 10/3 000) et donc risque d'erreurs de mesure dues à la formation de parois. Un bon éclairage de l'empreinte de l'essai est par conséquent nécessaire pour permettre une évaluation correcte de cette dernière (par exemple à l'aide d'un éclairage annulaire).
- Limitation de l'utilisation de la méthode pour les matériaux très durs et les éprouvettes fines (voir épaisseur minimale de l'éprouvette Brinell).
- La méthode est lente (comparée à la méthode Rockwell). Le cycle d'essais dure 30 à 60 secondes, compter les temps de préparation de l'éprouvette.
Exemples de méthodes et d'applications des essais de dureté Brinell
La méthode Brinell convient à l’essai de dureté des matériaux métalliques tendres (matériaux métalliques légers, plomb, étain) jusqu'aux matériaux métalliques durs comme l'acier et le fer.
L'essai Brinell d'un matériau avec différents diamètres de bille et différentes forces d'essais doit être effectué dans un même degré de contrainte („déroulement de la méthode d'essai Brinell“), afin de pouvoir comparer directement les valeurs de dureté mesurées.
Vous trouverez ci-dessous un tableau récapitulatif qui présente les méthodes Brinell regroupées par degré de contrainte, la plage de dureté associée et les applications recommandées (matériaux). Plus le niveau de contrainte est élevé, plus les matériaux métalliques qui peuvent ou doivent être testés avec les méthodes de ce degré de contrainte sont durs. Le degré de contrainte (facteur de charge) le plus courant est HBW 30. Les méthodes Brinell, qui font partie de HBW 30, permettent de tester des matériaux métalliques durs, tels que l'acier et le fer.
| Matériau | Méthode | Pénétrateur | Force d'essais F | Degré de charge 0,102 x F/D2 | Plage de dureté HBW* |
|---|---|---|---|---|---|
| Acier / Fer | HBW 1/30 | 1 mm | 294,2 N | 30 | 95,5-653 |
| HBW 2,5/187,5 | 2,5 mm | 1,839 kN | |||
| HBW 5/750 | 5 mm | 7,355 kN | |||
| HBW 10/3000 | 10 mm | 29,42 kN | |||
| Alliage léger Cuivre / Alu Alliage de cuivre Alliage d’aluminium | HBW 1/10 | 1 mm | 98,07 N | 10 | 31,8-218 |
| HBW 2,5/62,5 | 2,5 mm | 612,9 N | |||
| HBW 5/250 | 5 mm | 2,452 kN | |||
| HBW 10/1000 | 10 mm | 9,807 kN | |||
| Alliage léger Cuivre / Alu Alliage de cuivre sans traitement thermique | HBW 1/5 | 1 mm | 49,03 N | 5 | 15,9-109 |
| HBW 2,5/31,25 | 2,5 mm | 306,5 N | |||
| HBW 5/125 | 5 mm | 1,226 kN | |||
| HBW 10/500 | 10 mm | 4,903, kN | |||
| Alliages légers | HBW 1/2,5 | 1 mm | 24,52 N | 2,5 | 7,96-54.5 |
| HBW 2,5/15,625 | 2,5 mm | 153,2 N | |||
| HBW 5/62,5 | 5 mm | 612,9 N | |||
| HBW 10/250 | 10 mm | 2,452 kN | |||
| Alliage léger Plomb / Étain | HBW 1/1 | 1 mm | 9,807 N | 1 | 3,18-21.8 |
| HBW 2,5/6,25 | 2,5 mm | 61,29 N | |||
| HBW 5/25 | 5 mm | 245,2 N | |||
| HBW 10/100 | 10 mm | 980,7 N | |||
* Plage de dureté recommandée selon EN ISO 6506-4, tableau2 | |||||
Distance minimale des empreintes d'essai et épaisseur minimale de l'éprouvette pour Brinell
- Dans la méthode Brinell, les empreintes d'essais doivent être placées de manière à disposer d’une distance suffisante par rapport au bord de l’éprouvette de même qu'entre les différentes empreintes d'essais. Les valeurs minimales à respecter selon la norme sont indiquées dans le graphique.
- L'éprouvette doit être suffisamment épaisse pour empêcher l’empreinte d’essais de provoquer de déformation visible sur la face inférieure de l'éprouvette (surface d'appui). Cela signifie que, selon la norme, l'éprouvette doit être au moins huit fois plus épaisse que la profondeur de pénétration de la bille Brinell. La profondeur de pénétration peut être estimée à partir de la valeur de dureté attendue, qui dépend elle-même du diamètre moyen de l'empreinte. L'épaisseur minimale de l'éprouvette peut être déduite en fonction du diamètre moyen de l'empreinte et du diamètre de la bille de pénétrateur Brinell. Vous trouverez ici un tableau détaillé permettant de déterminer l'épaisseur minimale de l'éprouvette Brinell:
| moyen Diamètre d’empreinte (mm) | Épaisseur minimale de l’éprouvette (mm) | |||
|---|---|---|---|---|
| Diamètre de la bille (mm) | ||||
| 1,0 | 2,5 | 5,0 | 10 | |
| 0,2 | 0,12 | |||
| 0,3 | 0,18 | |||
| 0,4 | 0,33 | |||
| 0,5 | 0,54 | |||
| 0,6 | 0,80 | 0,29 | ||
| 0,7 | 0,40 | |||
| 0,8 | 0,53 | |||
| 0,9 | 0,67 | |||
| 1,0 | 0,83 | |||
| 1,1 | 1,02 | |||
| 1,2 | 1,23 | 0,58 | ||
| 1,3 | 1,46 | 0,69 | ||
| 1,4 | 1,72 | 0,80 | ||
| 1,5 | 2,00 | 0,92 | ||
| 1,6 | 1,05 | |||
| 1,7 | 1,19 | |||
| 1,8 | 1,34 | |||
| 1,9 | 1,50 | |||
| 2,0 | 1,67 | |||
| 2,2 | 2,04 | |||
| 2,4 | 2,45 | 1,17 | ||
| 2,6 | 2,92 | 1,38 | ||
| 2,8 | 3,43 | 1,60 | ||
| 3,0 | 4,00 | 1,84 | ||
| 3,2 | 2,10 | |||
| 3,4 | 2,38 | |||
| 3,6 | 2,68 | |||
| 3,8 | 3,00 | |||
| 4,0 | 3,34 | |||
| 4,2 | 3,70 | |||
| 4,4 | 4,08 | |||
| 4,6 | 4,48 | |||
| 4,8 | 4,91 | |||
| 5,0 | 5,36 | |||
| 5,2 | 5,83 | |||
| 5,4 | 6,33 | |||
| 5,6 | 6,86 | |||
| 5,8 | 7,42 | |||
| 6,0 | 8,00 | |||
