Dureté des corps et analyse qualitative

Abstract

L' essai de durete, sous sa forme la plus courante, consiste a enfoncer, avec une force donnee, normalement a la surface d'une piece, un indenteur de faible deformabilite (cone ou sphere en diamant, carbure de tungstene lie cobalt ou acier extra-dur) et a mesurer une longueur caracteristique de la reponse du materiau de la piece: enfoncement de l'indenteur, dimension de l'empreinte residuelle. Il est le plus souvent utilise pour controler l'etat d'une piece metallique apres elaboration, mise en forme, traitement thermique, traitement de surface... Son caractere local en fait par ailleurs un outil irremplacable pour caracteriser les heterogeneites de proprietes mecaniques des pieces massives ou les films minces deposes a leur surface ; par ailleurs, le caractere compressif de l'etat de contrainte engendre permet d'explorer les capacites de deformation plastique de materiaux fragiles comme les materiaux a outils ou les pieces poreuses qui se rompent prematurement dans le domaine elastique en traction. La signification physique des grandeurs mesurees est par contre assez souvent mal connue des praticiens. En fait, correctement mene et interprete, il permet, a l'instar des essais rheologiques du type traction ou torsion (cf. article [M 4 151] ] « Lois de comportement des metaux. Elasticite. Viscoelasticite ») la mesure a l'echelle locale de la courbe d'ecrouissage, du module d'Young du materiau.teste, voire de sa tenacite s'il est fragile et, si l'essai est pratique a chaud, ses proprietes de viscoplasticite et de fluage. En effet, la penetration de l'indenteur produit uen defor'mation plastique dans les materiaux metalliques courants sous un etat de contrainte compressif ; mais l'exterieur de la zone de contact est le siege de constraintes de traction qui peuvent y engendrer un endommagement sous forme de fissures, voir d'enlevement de matiere pour les materiaux fragiles du type materieux a outils. On y voit egalement l'emergence des plans de glissement du materiau. Le but de cette serie d'articles, divisee en deux parties, est de presenter ces divers aspects des essais de durete. La premiere partie est consacree a l'analyse theorique de l'essai d'indentation realise avec diverses formes d'indenteurs. Dans cet article [M 4 154], apres un bref historique mettant bien en evidence les difficultes rencontrees par des scientifiques pour definit precisement une grandeur physique "durete", (1), nous rappelons brievement les caracteristiques du comportement elastoplastique d'un alliage metallique deforme a froid et a chaud et analysons qualitativement l'essai d'indentation (2). Dans un deuxieme marticle [M 4 155], nous presentons les analyses theoriques de l'essai de durete pratique a froid sur un materiau de haut module d'Young avec les formes usuelles d'indenteur. Dans un troisieme article [M 4 156], nous analysons l'effet de l'elasticite des materiaux. Enfin dans un quatrieme article [M 4 157], nous interpretons les resultats de cet essai pratique sur des materiaux viscoplastiques (metal a chaud), a petite echelle par nanoindentation, sur des materiaux fragiles ou anisotropes. La seconde partie est consacree a l'application pratique et a la description et a la mise en oeuvre des essais normalises [M 4 160]. Pour la description de la deformation plastique du metal, le lecteur pourra consulter l'article " Methodes de calcul en plasticite " [M 595].