Analyse qualitative de l’indentation normale élastoplastique
Dureté des corps et analyse qualitative

L’essai de dureté, sous sa forme la plus courante, consiste à enfoncer, avec une force donnée, normalement à la surface d’une pièce, un indenteur de faible déformabilité (cône ou sphère en diamant, carbure de tungstène lié cobalt ou acier extra-dur) et à mesurer une longueur caractéristique de la réponse du matériau de la pièce : enfoncement de l’indenteur, dimension de l’empreinte résiduelle. Il est le plus souvent utilisé pour contrôler l’état d’une pièce métallique après élaboration, mise en forme, traitement thermique, traitement de surface… Son caractère local en fait par ailleurs un outil irremplaçable pour caractériser les hétérogénéités de propriétés mécaniques des pièces massives ou les films minces déposés à leur surface ; par ailleurs, le caractère compressif de l’état de contrainte engendré permet d’explorer les capacités de déformation plastique de matériaux fragiles comme les matériaux à outils ou les pièces poreuses qui se rompent prématurément dans le domaine élastique en traction. La signification physique des grandeurs mesurées est par contre assez souvent mal connue des praticiens. En fait, correctement mené et interprété, il permet, à l’instar des essais rhéologiques du type traction ou torsion (cf. article [M 4 151] « Lois de comportement des métaux. Élasticité. Viscoélasticité ») la mesure à l’échelle locale de la courbe d’écrouissage, du module d’Young du matériau testé, voire de sa ténacité s’il est fragile et, si l’essai est pratiqué à chaud, ses propriétés de viscoplasticité et de fluage. En effet, la pénétration de l’indenteur produit une déformation plastique dans les matériaux métalliques courants sous un état de contrainte compressif ; mais l’extérieur de la zone de contact est le siège de contraintes de traction qui peuvent y engendrer un endommagement sous forme de fissures, voire d’enlèvement de matière pour les matériaux fragiles du type matériaux à outils. On y voit également l’émergence des plans de glissement du matériau.

Le but de cette série d’articles, divisée en deux parties, est de présenter ces divers aspects des essais de dureté. La première partie est consacrée à l’analyse théorique de l’essai d’indentation réalisé avec diverses formes d’indenteurs. Dans cet article [M 4 154], après un bref historique mettant bien en évidence les difficultés rencontrées par des scientifiques pour définir précisément une grandeur physique « dureté » (§ 1), nous rappelons brièvement les caractéristiques du comportement élastoplastique d’un alliage métallique déformé à froid et à chaud et analysons qualitativement l’essai d’indentation (§ 2). Dans un deuxième article [M 4 155], nous présentons les analyses théoriques de l’essai de dureté pratiqué à froid sur un matériau de haut module d’Young avec les formes usuelles d’indenteur. Dans un troisième article [M 4 156], nous analysons l’effet de l’élasticité des matériaux. Enfin dans un quatrième article [M 4 157], nous interprétons les résultats de cet essai pratiqué sur des matériaux viscoplastiques (métal à chaud), à petite échelle par nanoindentation, sur des matériaux fragiles ou anisotropes. La seconde partie est consacrée à l’application pratique et à la description et à la mise en œuvre des essais normalisés [M 4 160].

Pour la description de la déformation plastique du métal, le lecteur pourra consulter l’article « Méthodes de calcul en plasticité » [M 595].