Dureté Brinell selon ISO 6506 & ASTM E10

Q: Pourquoi utilise-t-on une bille en carbure de tungstène (HBW)?

Auparavant, on utilisait des billes en acier trempé (HBS). Cependant, comme celles-ci pouvaient se déformer sur des éprouvettes plus dures, la norme actuelle ISO 6506 impose exclusivement l'utilisation de billes en carbure de tungstène. Le « W » dans la désignation HBW correspond à ce matériau (Wolfram / tungstène) et garantit des résultats de mesure précis jusqu'à une dureté de 650 HBW.

Q: Quels matériaux sont les mieux adaptés à la méthode Brinell?

La méthode Brinell est la méthode de référence pour les matériaux hétérogènes à structure granulaire grossière, tels que la fonte ou les pièces de forge. Le pénétrateur, comparativement large, couvre une zone plus étendue du matériau, ce qui compense les différences structurelles locales et produit une valeur de dureté moyenne représentative.

Q: Quelle doit être la distance entre les empreintes d'essai?

Selon la norme ISO 6506, la distance entre le centre d'une empreinte et le bord de l'éprouvette doit être d'au moins 3 fois le diamètre de l'empreinte (d). La distance entre deux empreintes adjacentes doit également être d'au moins 3 fois d afin d'exclure tout écrouissage mutuel.

Q: Existe-t-il une épaisseur minimale pour l'échantillon?

Oui. L'épaisseur de l'échantillon doit être choisie de manière à ce qu'aucune déformation ne soit visible sur la face arrière. En règle générale, l'épaisseur de l'éprouvette doit être d'au moins 8 fois la profondeur de l'empreinte. Si l'échantillon est trop mince, le résultat de la mesure sera faussé par la dureté du support.

Q: Quelle est la différence entre Brinell et Vickers?

Alors que la méthode Vickers utilise une pyramide de diamant et convient à presque toutes les plages de dureté (en particulier les micro-charges), Brinell utilise une bille. Le principal avantage de Brinell réside dans une meilleure formation de la moyenne sur les matériaux non uniformes, tandis que Vickers est supérieur pour les matériaux très durs ou les couches minces.

Q: Quand faut-il ajuster la durée d'application de la force?

La durée de maintien standard est de 10 à 15 secondes. Pour les matériaux qui ont tendance à fluer sous la charge (par exemple le plomb ou l'étain), la durée doit souvent être prolongée. Dans ce cas, la durée doit impérativement être indiquée dans la valeur de dureté (par ex. 100 HBW 5/250/30 pour 30 secondes).

L'essai de dureté Brinell est une méthode d'essai optique reconnue dans le monde entier pour déterminer la dureté des métaux. Elle consiste à enfoncer une bille de carbure de tungstène de précision dans la surface de la pièce à tester en appliquant une force d'essai définie (F). La valeur de dureté obtenue (HBW) est calculée à partir du rapport entre la force d'essai et la surface de l'empreinte rémanente. Grâce à la grande surface d'empreinte, cette méthode est particulièrement adaptée aux matériaux non homogènes tels que la fonte ou les pièces forgées.

Classification de l'essai de dureté Brinell

L'essai de dureté Brinell est une méthode de détermination de la dureté des matériaux. Il est réalisé à l'aide d'un appareil d'essai de dureté Brinell:

Conformité aux normes : La procédure est normalisée au niveau international selon les normes ISO 6506 et ASTM E10, ce qui garantit une comparabilité mondiale des valeurs de dureté.
Plage de charge d'essai polyvalente : Avec une plage de charge allant de 1 à 3 000 kgf, la méthode Brinell couvre aussi bien la plage des micro-charges que la plage macro (essai de dureté conventionnel).
Principe de mesure optique : En tant que méthode optique, la détermination de la valeur de dureté est basée sur la mesure précise de la taille de l'empreinte laissée par le pénétrateur à la surface de l'échantillon.
Pénétrateur de précision : Une bille en carbure de tungstène (HBW) est utilisée. Selon la méthode choisie, des billes d'un diamètre de 1 mm, 2,5 mm, 5 mm ou 10 mm sont employées.

Déroulement de la méthode d'essai Brinell

Le test de dureté Brinell fait partie des méthodes d'essai optiques classiques pour déterminer la dureté d'un matériau. Il s'agit d'analyser la taille de l'empreinte permanente laissée par un pénétrateur Brinell sphérique sur la surface d'un composant. Contrairement à la méthode Vickers, qui utilise un pénétrateur pyramidal, la méthode Brinell utilise une sphère comme pénétrateur, généralement en métal dur.

La dureté d'un matériau résulte du rapport entre la force d'essai appliquée et le diamètre de l'empreinte. Plus l'empreinte laissée par le pénétrateur Brinell sous une charge constante est grande, plus la dureté du matériau est faible. Cette méthode d'essai est particulièrement adaptée aux matériaux à gros grains ou mous et fournit des résultats fiables pour l'évaluation de la résistance mécanique.

Calcul de la dureté Brinell

La dureté Brinell (HBW) résulte du rapport entre la force d'essai appliquée et la surface d'empreinte projetée qu'un pénétrateur Brinell laisse à la surface du matériau. L'empreinte est déterminée par la moyenne de deux diagonales perpendiculaires, car la forme de l'empreinte est souvent irrégulière. Dans la pratique, la détermination de la dureté s'effectue généralement à l'aide de tableaux ou de logiciels spéciaux de contrôle de la dureté. Pour que l'impression reste significative, le diamètre de la bille et la force d'essai doivent être correctement adaptés l'un à l'autre. La charge est appliquée conformément à la norme ISO 6506 - y compris une durée d'action de 10 à 15 secondes. La comparabilité des résultats de mesure est assurée par l'application d'un degré de sollicitation défini. La méthode Brinell est particulièrement adaptée aux matériaux tendres à moyennement durs et fournit des valeurs fiables sur la dureté du matériau.

Méthodes Brinell et applications

La méthode Brinell est une méthode d'essai de dureté polyvalente qui convient à des matériaux présentant des degrés de dureté très différents - des métaux tendres comme l'aluminium, l'étain ou le plomb aux matériaux plus durs comme l'acier ou la fonte.

Pour obtenir des valeurs de dureté Brinell comparables, la force d'essai et le diamètre de la bille doivent être adaptés l'un à l'autre dans le cadre du même degré de sollicitation. Ainsi, l'essai de dureté Brinell peut être réalisé de manière précise et conforme aux normes, même avec des matériaux et des paramètres d'essai différents.

Dans la pratique, la valeur de dureté n'est pas déterminée par calcul pour chaque mesure individuelle lors de l'essai Brinell. Au lieu de cela, elle est généralement déterminée à l'aide de tableaux ou d'un logiciel d'essai correspondant. Celui-ci représente la valeur de dureté en fonction du diamètre d'empreinte moyen d pour tous les diamètres de bille et charges d'essai normalisés.

Le choix de la charge d'essai doit être effectué de manière à ce que le diamètre d'empreinte moyen d se situe dans la plage de 0,24 D à 0,6 D.

Pour respecter cette plage, il est nécessaire de faire correspondre la charge d'essai et le diamètre de la bille. Il en résulte différents degrés de sollicitation - également appelés degrés de charge ou facteurs de charge - au sein de la méthode Brinell. Le degré de charge résulte du quotient de la force d'essai et du carré du diamètre de la bille (B = 0,102 × F / D²) et reste constant au sein d'un degré de charge. Les degrés de contrainte habituels sont 1, 2,5, 5, 10 et 30. Si un matériau est testé avec différents diamètres de bille et différentes forces, cela doit se faire dans le cadre du même degré de contrainte afin de garantir des résultats comparables.

Groupe de matériaux	Facteur de charge	Exemples de méthodes	Plage de dureté (HBW)
Acier, Fonte, Fer	30	HBW 10/3000, HBW 5/750, HBW 1/30	95,5 – 653
Alliages de cuivre et d'aluminium	10	HBW 10/1000, HBW 5/250, HBW 2,5/62,5	31,8 – 218
Cuivre, Aluminium (non traité)	5	HBW 10/500, HBW 5/125, HBW 1/5	15,9 – 109
Métaux légers (mous)	2,5	HBW 10/250, HBW 5/62,5, HBW 2,5/15,625	7,96 – 54,5
Plomb, Étain	1	HBW 10/100, HBW 5/25, HBW 1/1	3,18 – 21,8

Le diamètre de la bille doit être choisi de manière à ce que l'empreinte d'essai couvre une zone représentative du matériau aussi large que possible.

Selon la norme ISO 6506, la force d'essai doit être appliquée dans un délai de deux secondes au minimum et de huit secondes au maximum. La durée d'application de la force d'essai est généralement de 10 à 15 secondes. Si la durée de la charge est plus longue, elle doit être complétée dans l'indication de la dureté, par exemple : 210 HBW 5/250/30 (durée d'application 30 s).

Comment lire et représenter une valeur de dureté Brinell ?

Une valeur de dureté Brinell comprend les composantes suivantes :

la valeur de dureté numérique ;
les trois lettres majuscules HBW, qui signifient « dureté selon Brinell » (avec bille en carbure de tungstène) ;
le diamètre de la bille en mm ;
la charge d’essai utilisée exprimée en kgf ;
selon ISO 6506 : le temps de maintien de la charge d’essai appliqué, uniquement s’il n’est pas compris entre 10 et 15 secondes (plutôt peu courant dans la pratique) ;

Exemple de présentation de la dureté Brinell :

210 HBW 5/250/30

210 …valeur de dureté
HBW …selon Brinell avec bille en carbure de tungstène
5 …avec un diamètre de bille de 5 mm
250 …avec une charge d'essai de 250 kgf (ou une force d'essai de 2,452 kN)
30 …durée d'application de la force d'essai en dehors de la durée recommandée, dans ce cas : 30 secondes

Exigences relatives à l’échantillon pour la méthode Brinell

L’essai de dureté selon Brinell exige normalement une préparation de la surface de l’échantillon à mesurer, car la qualité de surface doit être suffisamment bonne pour pouvoir procéder à une évaluation optique correcte de l’empreinte de dureté.

Par rapport à l’essai Vickers, qui permet également de réaliser des essais de micro-dureté, les exigences de la méthode Brinell en matière de qualité de surface sont cependant moins strictes ; les essais étant normalement réalisés avec des charges élevées (gamme macro) et avec un pénétrateur de grande taille (bille), la surface peut être brute.

L’échantillon à mesurer doit satisfaire dans le détail les exigences suivantes pour la méthode Brinell :

L’échantillon doit être à faces planes et parallèles (découpage propre de l’échantillon de la pièce requis pour la préparation de l’échantillon).
L’échantillon à tester doit présenter une surface métallique plane, brillante et lisse (meulage et polissage de la surface requis uniquement pour les essais avec de petits diamètres de bille).
L’échantillon doit être serré sur un dispositif de montage fixe de sorte à ne pas pouvoir bouger pendant les essais (conseil pratique : mesurer sous serrage ou enrober et fixer l’échantillon dans un porte-échantillon).

Avantages et inconvénients de la méthode Brinell

La méthode Brinell offre les avantages suivants :

La méthode Brinell est idéale pour tester des matériaux non homogènes comme la fonte, car le grand pénétrateur Brinell détecte simultanément plusieurs composants de la structure et fournit ainsi une valeur moyenne significative.
Grâce au large choix de diamètres de billes et de charges d'essai, l'essai de dureté peut être adapté de manière flexible aux matériaux et aux domaines d'application les plus divers.
L'empreinte relativement grande facilite la mesure optique par rapport aux empreintes fines d'autres méthodes comme Vickers.
Même sur des surfaces rugueuses ou irrégulières, l'essai de dureté Brinell donne des résultats fiables - une préparation de surface coûteuse n'est souvent pas nécessaire.

La méthode Brinell présente les inconvénients suivants :

Pour une évaluation optique précise de l'empreinte d'essai, une surface d'essai propre et bien préparée est nécessaire - les endroits non traités ou fortement contaminés peuvent fausser le résultat de la mesure.
En cas de charges d'essai élevées dans le domaine macro (par ex. HBW 10/3000), il existe un risque de déformation plastique ou de formation d'un mur, ce qui complique l'évaluation. Un éclairage uniforme - par exemple à l'aide d'un éclairage annulaire - est donc essentiel pour évaluer correctement l'impression.
La méthode Brinell n'est pas très adaptée aux matériaux très durs ou aux échantillons particulièrement fins, car il faut respecter des épaisseurs minimales.
Comparé à des méthodes d'essai plus rapides comme Rockwell, l'essai de dureté Brinell prend plus de temps - y compris le temps d'exposition et l'évaluation optique, le processus peut prendre 30 à 60 secondes ou plus.