La dureté de la céramique est l'une des propriétés qui rendent les céramiques avancées uniques. Les hautes performances des céramiques fines sont généralement attribuées à leur dureté. Cette dureté leur confère de meilleures performances pour les amortisseurs de carrosserie, les outils de coupe, les composants de pompes, les vannes et les pièces automobiles. Par conséquent, la compréhension de la rigidité est essentielle pour évaluer leur fonction.
Dureté du matériau : un aperçu
La dureté est une propriété qui en dit long sur le comportement d'un matériau soumis à une contrainte. De nombreuses recherches ont été menées par le passé pour déterminer la dureté des matériaux courants. L'une de ces normes est : dureté de Mohs échelle.
Ce qu'il faut savoir sur l'échelle de dureté de Mohs
L'échelle de dureté de Mohs fournit des informations sur la dureté ou la résistance aux rayures de différentes substances étudiées. Il s'agit d'un système de classement complet qui répertorie la plupart des matériaux courants. Les données de dureté sont définies sur une échelle de 1 à 10. L'échelle de dureté de Mohs aide les géologues à identifier les entités les plus performantes.
Comment lire l'échelle de dureté de Mohs
La lecture de l'échelle de dureté de Mohs est relativement simple. D'après l'image ci-dessus, le matériau le plus dur est le diamant. Les céramiques techniques, comme le nitrure de bore, ont une dureté de 10, équivalente à celle du diamant. Les duretés du carbure de tungstène et du carbure de titane sont similaires, comme le montre le graphique.
Dureté de la céramique par rapport à l'acier
Parmi les autres points clés de l'échelle de dureté de Mohs, on peut citer les données de dureté de l'acier et la comparaison avec la céramique. L'acier trempé présente une dureté de Mohs comprise entre 7 et 8. La dureté de Mohs des céramiques telles que le silicium ou le carbure de bore est supérieure à celle de l'acier trempé. L'acier ordinaire est bien inférieur, avec une dureté comprise entre 4 et 5, voire inférieure à celle de l'émail dentaire.
Où se situe la porcelaine sur l'échelle de Mohs ?
La porcelaine est un matériau céramique translucide à grains fins. Ses matières premières, telles que le kaolin, le quartz, le feldspath et le mica, lui confèrent une plus grande dureté. Le traitement à haute température de ce matériau donne naissance à la porcelaine, communément appelée argile chinoise.
Selon l'échelle de dureté de Mohs ci-dessus, la céramique en porcelaine se situe autour de 7. Ce matériau offre une meilleure résistance à l'usure que l'acier ordinaire. Sa dureté, selon l'échelle de Mohs, est équivalente à celle du quartz.
Importance des tests de dureté de la céramique
La dureté d'une céramique désigne sa capacité à résister à la déformation plastique. Cependant, la dureté n'est évidemment pas le seul facteur permettant de mesurer la résistance mécanique. Outre la dureté, des propriétés telles que la ténacité et la résistance à l'usure peuvent également nous aider à mieux comprendre une céramique spécifique.
La dureté de la céramique est essentielle pour définir l'applicabilité d'une céramique particulière dans un domaine d'application donné. De nombreuses exigences actuelles précisent la dureté minimale requise. Par exemple, les implants chirurgicaux nécessitent une dureté de la zircone d'environ 11,8 GPa pour une charge d'environ 9,8 N.
Ci-dessus, un tableau comparatif rapide des différentes céramiques techniques et de leurs valeurs de dureté. À l'instar des données de Mohs, parmi toutes les céramiques disponibles, le carbure de bore présente la dureté la plus élevée, suivi du carbure de silicium.
Comment tester la dureté des matériaux céramiques ?
La dureté des matériaux céramiques dépend des propriétés intrinsèques de la céramique choisie. Ces propriétés incluent la composition, la taille des grains, la porosité et la phase aux joints de grains. Les essais de dureté des céramiques permettent de les caractériser par rapport à l'application négligée. Examinons en détail les différents essais de dureté des céramiques disponibles dans le monde.
Tests d'indentation
La technique d'indentation est relativement simple et directe. Elle consiste à presser un pénétrateur contre la surface d'un matériau céramique, à mesurer l'indentation formée et à appliquer une charge calculée sur le matériau pour former l'indentation. La dureté de la céramique peut ensuite être déterminée à partir des données de charge et de la déformation.
Les pénétrateurs utilisés lors de l'essai sont de tailles et de formes différentes. Certaines de ces formes sont présentées ci-dessous à titre indicatif. Leurs tailles varient de nano, micro et macro, selon le type et les propriétés de la céramique à tester. L'idée générale des essais de dureté des céramiques est la suivante : plus le matériau est dur, moins l'empreinte formée est importante.
Il existe plusieurs types d'essais d'indentation, tels que les méthodes Vickers, Berkovich, Knoop, Brinell et Rockwell. Ces essais sont statiques, car une charge prédéterminée est utilisée pour créer l'indentation. La plupart des essais de dureté des céramiques réalisés dans le monde sont basés sur les méthodes Vickers, Knoop et Berkovich. Les méthodes Rockwell et Brinell sont moins utilisées pour les essais de dureté des céramiques.
Essai de dureté Vickers
Environ 60 % de l'ingénierie et de la caractérisation mondiales suivent l'essai de dureté Vickers. Cet essai utilise généralement une charge de l'ordre de 9,8 N, comme recommandé par la norme C1327. Il utilise également occasionnellement une charge de 98 N, selon la nature de la céramique. Le pénétrateur en diamant est pressé sur la céramique pour la mesure.
Le pénétrateur utilisé pour l'essai de dureté Vickers est une pyramide carrée. Un angle de 136 degrés est maintenu entre les faces opposées du pénétrateur. La force appliquée est d'environ 100 kgf pendant 10 à 15 secondes. L'empreinte formée est ensuite mesurée pour déterminer la dureté de la céramique selon la formule ci-dessous.
H = 1,8544Pd2
Étaient,
H est la dureté céramique Vickers
P est appliqué de force en Kgf
d est la distance diagonale de l'indentation
L'image ci-dessus montre une indentation Vickers sur un roulement à billes en nitrure de silicium utilisé dans les véhicules électriques.
Lacunes des essais de dureté Vickers
L'essai de dureté Vickers présente certains inconvénients. Cette technique génère parfois des lectures erronées en raison de la difficulté de mesure lorsque la taille de l'empreinte est faible. Sous des charges très élevées, des problèmes généraux tels que la fissuration et l'écaillage surviennent également lors de l'essai de dureté Vickers. Cependant, malgré ces inconvénients, cet essai est sans conteste recommandé par la norme pour caractériser toute céramique avancée.
Test de dureté de la céramique de Knoop
L'essai de Knoop, utilisé pour déterminer la dureté des matériaux céramiques, utilise un pénétrateur rhombique. Il est constitué d'un diamant ressemblant à une longue pyramide. L'essai de Knoop permet de mesurer la microdureté des matériaux cassants ou des feuilles minces. Cette technique est recommandée par la norme ASTM E-34.
Lors du test de Knoop, le pénétrateur présente un angle de 172 degrés entre ses faces opposées. Voici une image d'une empreinte de base formée lors du test de dureté céramique de Knoop. L'un des principaux avantages du test de Knoop par rapport au test Vickers réside dans la fonctionnalité des pénétrateurs longs. Ces derniers évitent la fissuration de la céramique pendant le test.
L'étendue de l'indentation provoquée par l'essai Knoop est généralement mesurée au microscope. L'indentation est 2,8 fois plus longue et moins profonde que l'indentation Vickers. L'expression pour calculer la dureté céramique Knoop est la suivante :
HK= PCpL2
Étaient,
P représente la charge
Cp est le facteur de correction du pénétrateur. La valeur généralement utilisée est d'environ 0,070279.
L est la longueur diagonale de l'indentation
Inconvénients du test de dureté Knoop
Théoriquement, la longue empreinte devrait faciliter la mesure lors du test Knoop. Cependant, l'incertitude due aux extrémités effilées complique le test. L'incertitude de la pointe pour le test de dureté céramique Knoop est de l'ordre de 0,5 à 1 mm. Un autre facteur influençant la lecture est la résolution des microscopes commerciaux utilisés pour mesurer l'empreinte.
Test Rockwell de la dureté de la céramique
L'essai Rockwell utilise une charge prédéterminée d'environ 150 kgf. Il utilise un pénétrateur en diamant ou en carbure de tungstène. Ce pénétrateur est sphérique. Une fois l'empreinte réalisée, la profondeur et le point de référence sont comparés pour obtenir la valeur de dureté. La norme ASTM E-18 est le code de conduite général pour l'essai Rockwell.
L'essai de dureté céramique Rockwell est plus simple à réaliser et relativement précis que les autres essais. Une précharge est initialement appliquée à l'aide d'un pénétrateur à bille. Une fois la précharge traversant la surface, l'empreinte est mesurée.
Test de Berkovich pour déterminer la dureté des matériaux céramiques
Le test Berkovich utilise une pyramide plate à pointe acérée pour mesurer la dureté des matériaux, principalement à l'échelle nanométrique. La céramique doit avoir une épaisseur minimale de 100 mm pour réaliser le test Berkovich. Ce test est généralement utilisé pour les études à petite échelle et offre une plus grande précision. Le pénétrateur utilisé pour le test Berkovich de dureté de la céramique présente un angle de 115 degrés.
Ci-dessous, une image représentative du pénétrateur Berkovich.
La formule permettant de déterminer la dureté de la céramique par le test de Berkovich est :
H=1569,7 P d2
Où,
P représente la force d'essai en kgf
D est la mesure diagonale en micromètres de l'empreinte
En résumé
Connaître la dureté d'un matériau céramique est essentiel pour évaluer sa fonctionnalité dans différents contextes. Les méthodes d'essai telles que Vickers, Knoop et Rockwell sont efficaces depuis des années. Conformément aux normes, les essais appropriés doivent être réalisés sur le matériau approprié pour obtenir des données pertinentes.