Procédé et appareil pour éprouver la dureté des métaux et autres matières. Cette invention est relative à un procédé et à un appareil pour éprouver les métaux et autres matières sous le rapport de la dureté.
Le but de cette invention est de permet tre d'éprouver la dureté relative des matières, et plus particulièrement des matières très dures telles que l'acier trempé, par un pro cédé qui puisse être réalisé d'une façon ra pide, sûre et facile et qui soit exempt des principaux inconvénients que présentent les procédés connus suivant lesquels on mesure la dureté en pratiquant une empreinte dans la matière, notamment la difficulté extrême qu'on éprouve à mesurer directement la pro fondeur ou le diamètre de l'empreinte par des .moyens de mesure microscopiques ou autres, spécialement dans le cas de matières très dures, et le fait qu'aucune des méthodes de mesure de la dureté basées sur le choc ou le rebondissement n'est sûre,
en raison du fait que l'efficacité d'un choc dépend de la masse et de la rigidité de l'objet frappé et de son support.
Dans le procédé suivant l'invention, on fait rouler un organe éprouveur, en subs- tance dure, d'un dispositif éprouveur mobile, sur la surface de la matière à éprouver et on mesure la dureté par l'observation du mouvement libre et sans contrainte du dis positif éprouveur.
L'appareil suivant l'invention pour la mise en- aeuvre dudit procédé comporte un dispositif éprouveur- formant pendule, muni d'un organe éprouveur dur agencé pour rouler sur la surface de la matière à éprouver, et des moyens pour la mesure des mouvements angulaires dudit dispositif. .
L'organe éprouveur peut être, par exemple, sphérique ou cylindrique; il est fixé au peu dule de façon à former son pivot et fait d'une matière dure, par exemple de saphir ou d'acier trempé. L'organe pesant, en forme de pendule, sera de préférence constitué par un corps métallique muni d'au moins une extré mité s'étendant vers le bas.
Des moyens peuvent être prévus pour équilibrer le corps en déplaçant son centre de gravité sur .cha cun de ses trois axes principaux et des moyens peuvent aussi être prévus pour permettre de régler exactement le centre de gravité _ du pendule de façon qu'il coïncide avec le centre de courbure de l'organe éprouveur, afin que lorsqu'on place celui-ci sur une surface horizontale -dure et lisse, il soit à l'état d'équilibre neutre, c'est-à-dire qu'il n'ait aucune tendance à rouler et qu'il sup porte et maintienne la pendule avec ses axes placés dans toutes positions auxquelles ils peuvent avoir été amenés, ces derniers moyens permettant d'abaisser ou d'élever le centre de gravité du corps d'une quantité prédéter minée.
Un inclinomètre est avantageusement prévu pour indiquer la position verticale et pour mesurer l'amplitude des oscillations de part et d'autre de cette- position.
Des formes d'exécution de l'objet de l'in vention . sont représentées à titre d'exemple, dans le dessin annexé lies fig. 1,. 2 et -3 sont respectivement une vue de face, un plan et une vue en bout d'une première forme d'exécution de l'appa- reil-à éprouver la dureté; Les fig.-4, -5 et 6 montrent plusieurs va riantes- de l'organe éprouveur, en coupe, à plus grande échelle; La fig. 7 est une coupe verticale d'une extrémité de l'inclinomètre; La fig. 8 est un plan d'un détail;
Les fig. 9 et 10 sont respectivement une vue de face et un plan d'une autre forme d'exécution.
Dans les fig. 1, 2 et 3, a désigne l'organe éprouveur, b l'organe pesant et c un morceau de la matière dont on veut éprouver la du reté. d désigne un plateau supporté d'une façon réglable par un trépied de support réglable e servant à supporter le dispositif éprouveur. Lorsque l'objet à éprouver est tel qu'il peut aussi être utilisé pour supporter le dispositif, le support e et le plateau d ne sont pas utilisés.
L'organe pesant b présente un élément arqué central et deux éléments extrêmes verticaux, ceux-ci étant munis de prolongements latéraux dont les faces infé rieures sont planes, ces prolongements formant conjointement -4veg lesdites faces planes, des pieds par lesquels ledit organe peut reposer lorsqu'on ne s'en sert pas.
L'organe pesant est établi d'une façon aussi équilibrée que possible mais, dans le but d'assurer un équi libre correct, on le munit de vis réglables b1, b2, b3 qui permettent de l'équilibrer dans trois directions lorsqu'il est supporté par l'organe éprouveur a sur la pièce à éprouver c, le centre de gravité de l'organe pesant, dans la position d'équilibre neutre, coïncidant avec le centre de courbure de l'organe éprouveur a. Un second organe pesant, constitué par un disque métallique 64, est monté sur une tige verticale filetée fixe bl dans un évide ment bO de l'organe pesant b.
Lorsqu'on fait tourner le disque b4, il monte ou descend sur l'axe bb, ce qui permet de déplacer le centre de gravité de l'instrument de façon à le situer soit au-dessous du centre de cour bure, soit en coïncidence avec ce centre, soit au-dessus de ce centre,- suivant. qu'il est dé sirable. La distance dont le centre de gra vité est éloigné du centre de courbure est la longueur du pendule et peut être la même pour les épreuves du temps et les épreuves de l'échelle. La longueur normale du pen dule, lorsque le centre de gravité de l'instru ment est au-dessous du centre de courbure, sera préférablement environ de 0,1 millimètre. Dans le cas de matières très molles, on pourra utiliser un pendule plus long.
Pour faciliter le réglage- çorrect- du disque 64, ce dernier est muni d'une ligne de repère annu laire (fig. 1) et, d'un bord à l'autre de l'ou verture de l'évidement dans lequel est situé le disque, est disposée une plaque graduée relativement fixe b'. Le disque b4 est muni le long de la ligne de repère (fig. 8) de cinq traits verticaux, l'intervalle séparant deux traits consécutifs représentant un dé placement du centre de gravité. de l'instru ment de 0,01 millimètre. Les intervalles sé parant les traits de la graduation de la plaque b' représentent chacun un déplacement de 0,05 millimètre.
Par conséquent, les deux graduations permettent de mesurer les dé placements du centre de gravité en centiémo de millimètre, 'L'organe éprouveur a est préférablement une sphère de saphir ou d'acier trempé com plète et, -pour éprouver, des matières . très dures, son diamètre est préférablement de 1 millimètre. Dans le cas de matières très molles, on peut employer une bille.plus grosse. Une bille en rubis peut être substituée à une bille en saphlir.
L'organe éprouveur a peut être maintenu en position au moyen d'an mandrin qui peut être établi soit comme représenté à la fig. 4, soit comme représenté à la fig. 5. Dans le premier cas (fig.4), la bille de. saphir ou d'acier est maintenue par frottement dans l'ouverture légèrement rétrécie du trou dû mandrin, une vis de pression cal étant prévue pour expulser la bille lorsque cela est néces saire.
Dans le second ras (fig. 5), la bille est maintenue entre la face conique du trou du mandrin et l'extrémité inférieure d'une vis @a2. Dans ces deux dispositions, le mandrin se visse dans_l'organe pesant b.
L'inclinomètrè est monté sur= la face arquée supérieure de l'organe pesant b, et, dans cet exemple, il est du type comportant un niveau constitué par un tube de verre à extrémités fermées - f rempli d'alcool-ou autre liquide à l'exception d'une bulle d'air. Le tube est courbe et maintenu: à chaque-extré- mité par<U>un</U> chapeau métallique faisant partie d'un porte-niveau métallique g fixé --par des vis h. à l'organe pesant b.
Les deux extré mités du tube de verre- sont scellées hermé tiquement, l'une par le verre lui-même, l'autre à l'aide d'un bouchon de. caoutchouc f 1, d'une bille f<B>'</B> et d'an bouchon métallique fileté f 3 (fig. 7). Cette disposition permet de régler la bulle -d'air de façon o à - compenser la variation que.son volume serait susceptible de subir par l'effet des variations de tempé rature.
Au-dessus du tube f est disposée- une plaque à échelle i munie d'une graduation allant préférablement de 0 à 10,0 et cotres pondant à des nombres de dureté - arbitraire. Un second niveau à alcool j plus petit que le niveau f est disposé latéralement et per- pendiculairement à celui-ci (fig.-2) pour 'per mettre de voir :si le plan: principal de l'iris- trument est vertical.'.
-Pour mesurer la dureté par l'épreuve. de. l'échelle ou de l'amplitude, c'est-à-dire -par comparaison des-différentes valeurs dè.'l'am- plitudè de l'oscillation de l'organe .éprouveur pour .des matières -à degrés de duretés diffé- rents, le pendule (comprenant l'organe.éprou- veur a, l'organe pesant b' et l'inclinomètre),
dont le centre # de gravité a préalablement été réglé de façon qu'il soit situé au-dessous du centre de courbure de l'organe .éprouveur .a, est posé do uçement., sur l'éprouvette ou objet de matière à éprouver' (fig. 1) avec' son axe de; gravitation disposé verticalement.. S'il ne reste pas dans cette position (en. raison du fait que la petite surface sur -laquelle la bille repose n'est pas horizontale), on- incline la table d jusqu'au moment- où les bulles d'air arrivent au centre des - niveaux res pectifs.
Sous le poids du pendule, -l'organe éprou- veur effectue une -empreinte ou dépression dans la, pièce éprouvée. L'opérateur incline alors le pendule à partir de la position -ver ticale jusqu'à ce que la bulle id'air arrive au zéro de l'échelle de l'inclinomètre et libère alors ce .pendule.
Le fait d'incliner le , pen dule de la position- verticale "à là ,position zéro. allonge l'empreinte originale et, lorsque le pendule. est libéré, l'organe _ éprouveur revient en roulant le long de l'empreinte ainsi, allongée. - En observant l'amplitude de 1,a- première oscillation du pendule après :
que -celui-ci a été libéré ,à la position zéro, on peut-obtenir une mesure exacte de 1a_ dureté comparative de- la matière en cours. d.'examen. La diffé rence entre le nombre 100 et le nombre lu sur l'échelle dépend de la quantité d'énergie absorbée pour déformer la matière. - .
Si la surface sur laquelle .l'organe -éprou- veur roule est dure, l'empreinte effectuée-par l'organe éprouveur 'sera très-, petite, la résis tance au roulement sera 'faible et<B>-</B>la perte d'amplitude sera faible, .mais si la, surface sur laquelle l'organe éprouveur roule est molle, cet organe s'enfoncera plus -profondément dans la matière, la résistance au roulement augmentera et la perte d'amplitude sera plus grande.
L'épreuve de l'échelle peut être effectuée d'autres manières, L'une d'elles consisterait à placer le pendule sur la pièce à éprouver avec la bulle à zéro et à le libérer alors: et une autre consisterait à placer le pendule sur la pièce à éprouver avec la bulle à 100, à le faire ensuite osciller jusqu'à<I>zéro</I> et à le libérer.
En employant une bille d'acier de 1 mil limètre de diamètre, l'épreuve de l'échelle a donné les résultats typiques suivants
EMI0004.0003
Verre <SEP> 97
<tb> Acier <SEP> au <SEP> carbone <SEP> très <SEP> dur <SEP> 93
<tb> Acier <SEP> au <SEP> carbone <SEP> dur <SEP> 88
<tb> Acier <SEP> rapide <SEP> trempé <SEP> 75
<tb> Acier <SEP> rapide <SEP> recuit <SEP> 54
<tb> Acier <SEP> au <SEP> carbone <SEP> recuit <SEP> 41
<tb> Laiton <SEP> laminé <SEP> 14
<tb> Laiton <SEP> fondu <SEP> (mou) <SEP> 4
<tb> Plomb <SEP> 0 Pour effectuer l'épreuve de durée, on pose le pendule doucement sur l'éprouvette placée dans une position approximativement horizon tale (bulle d'air à ou vers 50) et on le fait os ciller d'un petit angle.
La durée de l'oscillation peut être mesurée commodément à l'aide d'un chronomètre et les nombres de dureté de l'épreuve du "temps" sont commodément exprimés en secondes pour dix oscillations simples, par exemple. Ainsi, en comparant le temps pris pour un nombre d'oscillations donné, on peut déterminer facilement les dif férences de dureté de diverses matières.
La période d'oscillation dépend de l'éten due de l'empreinte, mesuré dans la direction de l'oscillation. Dans l'épreuve de l'échelle, comme dans l'épreuve du temps, les nombres représentant la dureté sont compris entre 0 et 100. Le réglage du pendule sera usuelle ment tel que dix oscillations simples exigent sur une matière très dure telle que le verre exactement 100 secondes, En employant une bille d'acier trempé de 1 millimètre de diamètre.
l'épreuve de durée a donné les résultats typiques suivants
EMI0004.0006
Verre <SEP> 100
<tb> Acier <SEP> au <SEP> carbone <SEP> très <SEP> dur <SEP> 75
<tb> Acier <SEP> au <SEP> carbone <SEP> dur <SEP> 65
<tb> Acier <SEP> rapide <SEP> trempé <SEP> 52
<tb> Acier <SEP> rapide <SEP> recuit <SEP> 26
<tb> Acier <SEP> au <SEP> carbone <SEP> recuit <SEP> 22
<tb> Laiton <SEP> laminé <SEP> 15
<tb> Laiton <SEP> fondu <SEP> (mou) <SEP> 11
<tb> Plomb <SEP> 3 Pour augmenter la sensibilité du pendule dans les épreuves du temps,
on règle le centre de gravité de façon à le situer en un point qui coïncide avec le centre de courbure de l'organe éprouveur ou qui est situé au- dessus dudit centre au lieu d'être situé au- dessous.
La durée de l'oscillation d'un pendule composé du genre décrit est inversement proportionnelle à la racine carrée de la lon gueur du pendule, celle-ci étant très faible. Cette loi n'est correcte, dans le cas de l'ins trument suivant l'invention, que si cet instru ment repose sur une surface assez dure pour qu'elle ne soit soumise à aucune empreinte appréciable. D'une façon générale, lorsqu'on raccourcit le pendule, on augmente la durée de l'oscillation.
Ceci est plus marqué dans le cas de substances dures, mais, dans le cas de substances très molles, la durée de l'oscil lation du pendule est approximativement la même, que ce pendule soit long ou court, ou que son centre de gravité soit situé au-dessous du centre de l'organe éprouveur, qu'il- coïn cide avec ce centre, ou qu'il soit situé au- dessus de lui.
Dans le cas des substances dures telles que l'acier trempé, les effets résultant du raccourcissement du pendule jusqu'à zéro et de son renversement sont progressivement 1 D'augmenter la durée de l'oscillation, c'est-à-dire d'augmenterlenombre représentant la dureté de l'épreuve du temps.
2 De rendre le pendule beaucoup plus sensible aux petites différences de dureté, 3 D'augmenter la différence numérique entre les nombres représentant les duretés d'éprouvettes de duretés presque égales.
Par exemple, en éprouvant trois échantil lons d'acier rapide A, B et C, supposés trempés ou durcis de la même façon, on obtint les résultats suivants:
EMI0005.0003
A <SEP> B <SEP> C
<tb> Longueur <SEP> du <SEP> pendule <SEP> 0,1 <SEP> mm <SEP> 57 <SEP> 58. <SEP> 62
<tb> " <SEP> " <SEP> " <SEP> 0 <SEP> mm
<tb> (neutre) <SEP> 66 <SEP> 70 <SEP> 75
<tb> " <SEP> 0,1 <SEP> mm
<tb> (inversé) <SEP> 77 <SEP> 85 <SEP> 102 Ainsi, la différence entre les nombres représentant la dureté de A et' de C fut amplifiée de 5 avec. le pendule de 0,1 à 25 avec le pendule inversé.
Le pendule inversé exige une manipulation soigneuse et des éprouvettes parfaitement préparées, mais constitue un procédé ex ceptionnellement sensible permettant d'étudier des différences de dureté très minimes.
Il ressort de ce qui précède que les épreuves de l'échelle et du temps constituent deux épreuves de dureté entièrement différentes, et . qu'en outre, le nombre représentant la dureté d'une matière n'est pas le même pour une épreuve que pour l'autre. Toutefois, d'une façon générale, les substances sont placées par les deux épreuves dans le même ordre de dureté. Cependant, dans certains cas, une éprouvette qui a été trouvée plus dure qu'une autre par une des épreuves peut être trouvée plus molle que cette autre par la seconde épreuve.
Les nombres de dureté obtenus suivant l'invention, selon l'épreuve au temps, corres pondent aux nombres de dureté de l'échelle Brinell et peuvent être convertis en ceux-ci. En outre, cette épreuve s'applique à de zones de dureté pour lesquelles "l'épreuve Brinell n'est pas applicable.
Pour convertir les duretés obtenues sui vant l'invention par l'épreuve du temps en duretés Brinell pour la même matière; on applique les règles suivantes Les duretés au temps supérieures à 33'/.3, multipliées par 10, donnent les duretés tri nell B = 10 T lorsque T > 331/s.
Les duretés au temps inférieures à 33's, élevées au carré et multipliées par 0,3 don rient les duretés Brinell: B = 0,3T 2 lorsque T C 33 1/3- On admet généralement que' l'épreuve Brinell n'est pas sûre au-dessus d'une dureté Brinell égale à 600. Les épreuves au temps effectuées suivant l'invention sur de l'acier trempé donnent des lectures jusqu'à 85 (850 Brinell) et ces épreuves effectuées sur des substances plus - dures que l'acier donnent des lectures jusqu'à 110 (1100 Brinell).
L'épreuve de l'échelle ne correspond pas' à l'échelle de dureté Brinell, étant donné qu'elle mesure une sorte de dureté différente. L'organe éprouveur,. en roulant le long de l'empreinte allongée effectuée en inclinant le pendule, pousse une onde de matière de vant lui jusqu'au moment où le pendule a épuisé son énergie et arrive au repos. Ceci. peut être appelé "dureté de txavail".
L'épreuve du temps (comme l'épreuve\ Brinel) mesure la dureté par l'empreinte. T1 se produit une empreinte plus ou moins allongée dans laquelle la bille roule. alterna tivement dans un sens et dans l'autre (sans glissement) et la durée de l'oscillation mesure- l'étendue de l'empreinte.
Le rapport entre la dureté par l'épreuve de l'échelle et la- dureté par l'épreuve du temps est probablement une mesure de la facilité avec laquelle la matière éprouvée se laisse travailler et des exemples de rapports de ce genre -sont:
EMI0005.0025
Etain <SEP> pur <SEP> 0,166
<tb> Cuivre <SEP> fondu <SEP> 0;285
<tb> Bronze. <SEP> de <SEP> la <SEP> marine <SEP> anglaise <SEP> 1,26
<tb> Fonte <SEP> de <SEP> fer <SEP> (douce) <SEP> 1,34
<tb> Acier <SEP> doux <SEP> 1,36.
<tb> Acier <SEP> rapide <SEP> recuit <SEP> 1,45
<tb> Fer <SEP> inoxydable <SEP> 1,72
<tb> Acier <SEP> à- <SEP> bandage <SEP> 1,9
<tb> Acier <SEP> au <SEP> manganèse <SEP> 2;
0 - Quoique l'action de l'instrument soit de former une empreinte dans la matière k- <B>l</B> # & ouver et d'allonger cette empreinte, l'em- UT preinte est à peine visible (à supposer qu'elle le soit) à l'eeil nu et l'on peut dire par con séquent que les épreuves peuvent être effec tuées. sans abîmer les objets à éprouver. En outre, comme il n'y a pas de choc, l'épreuve peut être effectuée sur des objets fragiles et sur des objets très minces.
Dans une forme commode de l'appareil suivant l'invention, l'organe pesant b aura environ 305 millimètres de longueur et pèsera de 2 à 4 kilogs. Les dimensions et le poids de l'appareil peuvent évidemment varier.
Pour faciliter l'opération qui consiste à incliner et libérer le pendule, on prévoit des petites poignées k.
Dans une variante (fig. 6), on peut prévoir deux organes éprouveurs disposés côte à côte et ayant un axe de rotation commun. Dans cette disposition, le pendule ne pourra osciller que dans un seul plan. Toutefois, cette dis position peut être moins sensible.que l'organe éprouveur simple, ou exiger une longueur de pendule plus petite pour donner la même sensibilité de mouvement que le pendule à organe éprouveur unique.
Quoique l'inventeur préfère donner à l'or gane pesant b la forme représentée, cet organe pourrait recevoir d'autres formes et l'abaisse ment et l'élévation du centre de gravité pourraient être réalisés autrement qu'à l'aide du disque b. Par exemple, l'organe pesant peut être constitué par une barre droite mu nie à chaque extrémité d'une colonne s'éten dant vers le bas et à laquelle peut être figé un poids réglable. L'inclinomètre peut aussi recevoir la forme d'un plateau semi- circulaire calibré sur son bord courbe, muni d'un index, supporté par des couteaux et équilibré sur l'organe pesant.
L'-instrument représenté dans les fig. 1, 2 et 3 est approprié à l'épreuve des objets capables d'être embrassés par l'organe pesant b. Dans les fig. 9 et 10, on a représenté une forme d'exécution appropriée à l'épreuve des objets qui ne se prêtent pas à leur envelop pement. Dans cette forme d'exécution, l'orzane pesant est établi de façon à comporter une partie de sa longueur disposée angulairecnent par rapport à l'autre, les proportions des deux parties étant établies de façon que le dispo sitif soit en équilibre dans sa position sur la matière â éprouver représentée à la fig. 9.
L'inclinomètre est placé près de la jonction des deux éléments et est préférablement logé dans un évidement pratiqué latéralement dans l'organe pesant de façon que lorsqu'on emploie l'appareil pour éprouver la dureté; par exemple de la face interne d'un tube de canon ou objet analogue, la position de l'inclinomètre permette de déterminer les duretés sans ce pendant gêner les opérations de l'organe pe sant. L'organe pesant sera préférablement constitué par une pièce creuse en fonte d'a luminium biseautée à chaque extrémité pour former des portées ou pieds et munie de plaques d'acier fixées à ces extrémités pour assurer le contrepoids nécessaire.
On avait déjà proposé de mesurer la dureté en formant une empreinte allongée ou une rayure dans la matière. à éprouver mais, à cet effet, l'empreinte étant formée par le mouvement latéral d'une pointe de diamant chargée d'un poids, la mesure de la dureté étant le poids nécessaire pour produire la rayure. On avait aussi déjà proposé de former une empreinte à l'aide d'une bille dure et d'estimer la dureté par l'effort né cessaire pour tirer'la bille hors de l'empreinte en antagonisme à la résistance d'un ressort léger maintenant cette bille en position. L'organe éprouveur ne possède de mouvement de roulement dans aucune de ces deux dispo sitions.