MA41
TP3
Microdureté
Macrodureté
Poulain Hélène
Despicht Charles-Henri 14/01/2009
Objectif du TP :
L ’objectif de ce TP est de se rendre compte de la propriété mécanique qu’est la dureté.
Pour ce faire, nous avons étudié deux types d’essais de dureté, la micro dureté et la macro dureté appliqués à des essais Vickers.
La mesure de dureté Vickers s’effectue à l’aide d’une pointe diamant pyramidale à base carré qui va créer une empreinte sur la surface du matériau sous une charge donnée. On mesure ensuite les diagonales de cette empreinte à l’aide d’un appareil optique afin de déterminer la dureté Vickers.
Pour effectuer un essai Vickers, il faut que la surface du matériau soit soignée car la présence d’irrégularités gêne la lecture. De plus, c’est un essai qui convient à des matériaux tendres ou très durs ainsi qu’à des pièces de petites dimensions.
Cependant, lors de nos manipulations, les échantillons à tester étaient déjà préparés.
Micro dureté
L es mesures de microdureté s’effectuent sous faible charge de pénétration et permettent d’obtenir des mesures très localisées (sur environ 100µm2)
Par ailleurs, ces essais permettent de déterminer la dureté d’une phase donnée au sein d’un matériau polyphasé ou bien d’un échantillon mince et fragile.
Dans cette partie du TP, nous avons réalisé les essais en appliquant une charge de 300kgf soit 3N pendant 15 secondes.
Il faut aussi veiller à éliminer toute vibration lors de la mise en charge qui engendre des empreintes déformées.
Nous avons donc testé 2 échantillons à taux de carbone différent ainsi qu’une dent d’engrenage.
Pour chaque essai, il faut vérifier que l’appareil est bien réglé et mesurer les diagonales des empreintes obtenues. L’appareil se charge de calculer la dureté Vickers.
Tests de dureté
Pour chaque échantillon, nous avons réalisé le premier essai le plus près possible du bord de l’échantillon puis nous nous sommes progressivement rapproché de son coeur.
Acier avec 1% de carbone
Voici les mesures effectuées sur cet échantillon :
Nous obtenons le graphique suivant :
Nous avons constaté que la première mesure était fausse. En effet, cette dernière se situait très près du bord (donc près du coté en silicone) ce qui a influé sur la mesure de dureté.
En revanche, à partir de la troisième mesure, nous avons remarqué une forte valeur de la dureté qui diminue au fur et à mesure que nous nous rapprochons du centre de l’échantillon, se stabilisant au bout de 2150 µm du bord.
On alors peut remarquer que ce matériau a subi un traitement de surface (exemple : un enrichissement en carbone, carbonitruration).
Acier avec 1.8% de carbone (18CD4)
L’acier 18CD4 est un acier allié avec 0.18% de carbone, 1% de chrome et moins de 1% de molybdène.
Dans cet échantillon nous avons constaté que la dureté était aussi plus forte sur les bords que vers le centre. La dureté Vickers au bord de l’échantillon est en moyenne de 900 et au centre de 450. Nous pouvons expliquer ce phénomène car la pièce a du subir un traitement de surface pour obtenir une dureté plus forte. La dureté se stabilise vers les 2750 µm.
Par ailleurs on remarque que cet acier comportant un taux de carbone plus élevé que le précédent, est aussi plus dur. C’est un acier hypereutectoide plus riche en carbone que le précédent. Il est donc plus dur.
Echantillon « Dent d’engrenage »
Comme précédemment, la première mesure ayant été faite trop près du bord, ele s’avère inexploitable.
Nous avons constaté que la dureté se stabilisait aux alentours de 0.8mm pour une valeur de 348 HV.
Commentaires
Avec l’analyse des mesures effectuées ci-dessus, nous pouvons déterminer la profondeur de cémentation. La détermination de la profondeur de cémentation proposée par la norme s’effectue à partir des moyennes des valeurs de dureté mesurée à des distances précises.
Or, nous n’avons pris qu’une seule mesure par distance, il nous est par conséquent impossible d’utiliser cette méthode.
Nous avons donc essayé de déterminer graphiquement la profondeur du traitement de surface.
Matière
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Acier avec 1% de C
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Acier avec 1.8% de C
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Dent d'engrenage
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Profondeur de cémentation (mm)
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2.15
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2.75
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0,8
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Pour ce qui est de la dent d’engrenage, nous avons remarqué que sa profondeur de traitement était nettement moins élevée que pour les 2 échantillons précédents pour une valeur de dureté semblable.
On peut expliquer ceci par le fait qu’une dent d’engrenages doit résister à l’usure due aux frottements mais aussi au choc et a la fatigue.
De ce fait, si la profondeur de cémentation est trop importante, la dureté de la dent sera améliorée mais celle-ci sera alors plus fragile et cassera plus facilement.
Macro dureté
L es essais de macrodureté fonctionnent selon le même principe que la microdureté.
Cependant, cette méthode génère des empreintes plus grandes et s’effectue sous une charge plus élevée, ce qui réserve son utilisation pour de gros échantillons.
Pour cette expérience, nous avions à notre disposition plusieurs métaux :
Les aciers XC10, XC18, XC38 et XC48
Un pion en cuivre
Une plaque de cuivre écroui
un morceau de bielle comportant 3 phases différentes
Nous avons effectué nos essais sous une charge identique appliquée pendant 10 secondes.
Contrairement, aux essais de microdureté effectués précédemment, nous avons dû mesurer les diagonales à l’aide du dispositif de mesures situé sur la machine.
Grâce aux résultats obtenus, nous avons pu déterminer la dureté Vickers de notre matériau à l’aide d’abaque de correspondance fournis en TP.
Influence du facteur temps et charge
Effet du temps de charge
Pour commencer, nous avons testé plusieurs configurations différentes. Pour voir l’effet du temps, nous avons décidés d’appliquer une même force pendant des temps différents, on révélera ainsi l’influence de celui-ci. Par exemple, pour la plaque de cuivre écroui, nous avons appliqué des temps différents lors de nos 4 mesures : 15, 30, 45 et 60 secondes.
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Empreinte 1 (15 sec)
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Empreinte 2 (30 sec)
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Empreinte 3 (45 sec)
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Empreinte 4 (60 sec)
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Diagonale 1
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0,8
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0,78
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0,75
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0,75
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Diagonale 2
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0,78
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0,78
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0,74
|
0,75
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Moyenne
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0,79
|
0,78
|
0,745
|
0,75
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Nous avons remarqué que les valeurs étaient globalement invariantes. On peut donc conclure que le temps n’a pas d’influence sur la mesure dureté du matériau sauf si celui-ci est trop court.
Effet de la charge
Nous avons ensuite effectués la même expérience mais en faisait cette fois ci, varier la charge appliquée.
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20
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30
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40
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Diagonale 1
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0,44
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0,54
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0,64
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Diagonale 2
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0,44
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0,55
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0,63
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Moyenne
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0,44
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0,545
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0,635
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Dureté
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185
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186
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188
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On remarque que la charge n’a que peu d’influence sur la mesure de dureté effectuée.
Par conséquent, nous avons effectués nos essais de dureté en conservant la même valeur de charge et de temps d’application pour chaque essai de macro dureté.
Tests de dureté
Echantillon XC10 (0.10% carbone)
On déduit des abaques que la dureté du matériau XC10 est de 135.75 HV
Echantillon XC18 (0.18% carbone)
La dureté de ce matériau est donc de 167.5 HV
Echantillon XC38 (0.38% carbone)
La dureté de ce matériau est donc de 210 HV
Echantillon XC48 (0.48% carbone)
La dureté de ce matériau est donc de 190 HV
Pion de Cuivre
La dureté de ce matériau est donc de 103.5 HV
Plaque de cuivre écroui
La dureté de ce matériau est donc de 88.525 HV
Pied de bielle
Pour cet échantillon, nous avons procédé à 3 ensembles de mesures différents correspondant aux 3 phases (bague, matrice et revêtement)
Matrice en acier majoritaire
La dureté de ce matériau est donc de 276.25 HV
Bague en acier (transition)
La dureté de ce matériau est donc de 161.25 HV
La dureté de ce matériau est donc de 127.5 HV
L e revêtement en cuivre d’environ 1mm d’épaisseur est un revêtement adapté pour résister à la corrosion. En effet, les pièces en cuivre sont recouvertes d’une couche protectrice d’oxyde de cuivre. Cependant, pour que ce dernier ne s’endommage pas, il faut qu’il soit graissé de façon continue lors de son utilisation.
Le cuivre utilisé pour cette bielle s’approche de la composition du pion de cuivre testé précédemment.
L’acier de transition qui compose la bague se rapproche de la composition de l’échantillon XC18 (environ 0.19% de carbone).
La dureté de la matrice qui est la partie majoritaire de ce pied de bielle se rapproche de celle de l’échantillon XC38 (0.38% de carbone) mais reste tout de même plus élevé. On peut donc penser que sa composition est plus riche en carbone.
Conclusion
La micro dureté nous permet donc de tester des zones localisées et est donc plus adaptée pour déterminer la profondeur d’un traitement de surface.
La macro dureté quand à elle permet de connaître rapidement la dureté globale d’un matériau.
Les deux essais ont donc des utilisations propres. On utilisera l’une ou l’autre selon la pièce à étudier ainsi que l’observation que l’on veut en tirer.
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