Comprendre les filiations de dureté des matériaux
La dureté est une propriété mécanique fondamentale d’un matériau, définissant sa résistance à la pénétration, au choc et à l’usure.
Aujourd’hui, il ne suffit pas de connaître la dureté d’un matériau de base. Il est essentiel d’évaluer comment cette propriété évolue lorsque la matière subit une transformation, comme le soudage. C’est là qu’intervient la méthode d’analyse de la filiation de dureté.
Qu'est-ce qu'une filiation de dureté ?
La filiation de dureté est une série de mesures ponctuelles réalisées le long d’une ligne précise sur un échantillon.
L’objectif est de cartographier l’évolution de la dureté à travers des zones spécifiques où le matériau a été modifié.
Cette technique est particulièrement intéressante pour évaluer l’impact d’un traitement thermique ou pour analyser la qualité d’un cordon de soudure.
La filiation permet de tracer un « profil » de dureté, révélant les zones où la matière a pu s’adoucir ou, au contraire, se fragiliser en devenant excessivement dure.
La microdureté Vickers (HV) : la méthode de référence pour la filiation de dureté
Pour obtenir une filiation fiable, l’analyse requiert une méthode capable de mesurer la dureté avec une grande précision et une résolution spatiale fine. La technique de choix est souvent la Microdureté Vickers (HV).
Le principe de l'essai de dureté Vickers
L’essai Vickers consiste à enfoncer un pénétrateur en diamant de forme pyramidale dans la surface du matériau sous une charge normalisée.
La force est appliquée (souvent une Microdureté HV 0.3 pour les analyses fines, indiquant une charge très faible),
Une fois la charge retirée, on mesure optiquement les deux diagonales de l’empreinte laissée.
La dureté Vickers (HV) est ensuite calculée à partir de la force appliquée et de la taille moyenne de l’empreinte.
L’utilisation de la microdureté (HV 0.3) est indispensable pour la filiation, car elle permet d’effectuer des mesures très rapprochées sur des zones microscopiques, tout en respectant les distances minimales imposées par les normes comme la NF EN ISO 6507-1:2023.
La filiation de dureté et l'étude des assemblages soudés
L’une des applications les plus vitales de la filiation de dureté est l’étude des assemblages soudés. Lorsqu’on soude deux pièces, la chaleur intense du bain de fusion affecte inévitablement le métal de base adjacent. Cette zone est appelée la Zone Affectée Thermiquement (ZAT).
Dans la ZAT, le métal subit un cycle thermique rapide (chauffage puis refroidissement), entraînant des modifications de sa microstructure et, par conséquent, de ses propriétés mécaniques.
L’enjeu est majeur :
Une ZAT trop dure peut signifier une fragilisation et un risque accru de fissuration à froid.
Une ZAT trop molle peut compromettre la résistance mécanique globale de l’assemblage.
Les modifications chimiques (comme la précipitation de carbures de chrome) peuvent augmenter les risques de corrosion.
La filiation de dureté permet de visualiser avec précision le profil de dureté sur trois zones critiques : le métal de base non affecté, la ZAT et le métal fondu (cordon).
Cas client : la filiation de dureté pour valider un procédé de soudage
- Dans ce cas, le client, spécialisé en métallurgie rencontrait des problèmes récurrents de fragilisation sur une série de pièces soudées critiques. La fabrication utilisait le procédé de soudure à l'arc avec électrode enrobée (SMAW) sur un acier faiblement allié. Bien que le mode opératoire de soudage (DMOS) ait été respecté, des microfissures apparaissaient lors des contrôles qualité ultérieurs. Le risque de défaillance prématurée de l'assemblage était important.
- Le métallurgiste suspectait que l'apport de chaleur et le refroidissement consécutif entraînaient une modification structurelle critique dans la Zone Affectée Thermiquement (ZAT). Il craignait la formation non désirée de martensite, structure extrêmement dure, mais très fragile, directement liée au cycle thermique de la soudure.
- Le métallurgiste a sollicité le laboratoire FILAB pour réaliser une filiation de dureté selon la norme NF EN ISO 6507-1 (Microdureté Vickers, HV 0.3). Cette méthode a consisté à réaliser une série de 100 points de mesure ultra-précis, alignés perpendiculairement au cordon de soudure SMAW. L'objectif était de cartographier le profil de dureté depuis le métal de base, à travers la ZAT, jusqu'au métal fondu.
- Les résultats de la filiation ont clairement mis en évidence un pic de dureté critique au niveau de la ZAT, atteignant +50 HV (unités Vickers) par rapport au métal de base. Ce pic a confirmé l'hypothèse du client : le refroidissement était trop rapide, provoquant la formation de martensite et, par conséquent, un risque élevé de fissuration à froid.
- Le rapport d'expertise a permis au client d'ajuster son mode opératoire de soudage en introduisant une étape de préchauffage et en diminuant l'énergie de soudage pour ralentir le refroidissement. Les nouvelles filiations de dureté ont montré une courbe de dureté lissée et des valeurs désormais conformes aux spécifications requises, validant l'intégrité de ses soudures.