Brevet FR2558594A1 — publié le 19850726

PROCEDE DE MESURE DE LA DURETE D'UN MATERIAU ET DISPOSITIF POUR LA HISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE La présente invention concerne un procédé de mesure de la dureté d'un matériau tel que par exemple un métal, un alliage métallique, une matière synthétique ou d'un revêtement de surface. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé comportant un bati fixe, un support pour l'échantillon de matériau à tester, un organe pour réaliser une empreinte à la surface de cet échantillon et un dispositif pour mesurer l'empreinte. La mesure de la dureté du matériau dans les domaines de la métallurgie et des matières synthétiques, n'est actuellement effectuée que par des méthodes statiques ponctuelles ne permettant pas un relevé continu de la variation de cette dureté. Or, une mesure continue pourrait être utilisée avec grand profit aussi bien pour des études théoriques que pour des essais pratiques, notamment pour déterminer la filiation de dureté dans les traitements thermochimiques de surface, la détermination de la profondeur de couches et de revêtements, la mesure de la profondeur de pénétration d'une trempe, l'examen de l'hétérogénéité des matérlaux etc... La présente invention se propose de développer un tel procédé de mesure en continu ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans ce but, le procédé de mesure selon l'invention est caractérisé en ce que l'on réalise en continu, à la surface d'un échantillon de ce matériau, une empreinte linéaire sous forme d'une gorge rectiligne, en ce que l'on mesure par une méthode optique au moins une dimension de cette empreinte, et en ce que l'on détermine la dureté du matériau en fonction des résultat de la mesure de cette dimension. Selon un mode de réalisation préféré, on réalise l'empreinte en effee- tuant un déplacement relatif de l'échantillon de matériau et d'une roulette en rotation autour d'un axe perpendiculaire à la direction du déplacement, et en exerçant une force prédéterminée sur la roulette dans une direction sensiblement perpendiculaire à la surface de l'- chantillon. On éclaire l'empreinte linéaire formée à la surface de l'échantillon au moyen d'au moins un faisceau lumineux, on forme l'image de cette empreinte réflechie par ses parois sur au moins un organe détecteur et on mesure la largeur de cette image. Selon un premier mode de mise en oeuvre, l'on éclaire la surface du matériau portant l'empreinte à travers un objectif dont l'axe optique est perpendiculaire à cette surface, de manière à former une image de l'empreinte apparaissant en noir sur un fond éclairé. Selon un autre mode de mise en oeuvre, l'on éclaire la surface du matériau portant l'empreinte au moyen de deux faisceaux latéraux inclinés par rapport à la perpendiculaire à cette surface et l'on forme une image de l'empreinte apparaissant en clair sur un fond noir. Selon un mode de réalisation préféré on réalise l'empreinte linéaire au moyen d'une roulette dont la surface pérIphérique présente une section droite en forme de dièdre, de manière à réaliser une empreinte ayant la forme d'une gorge en V. Pour que la methode se rapproche le plus possible de la méthode Vickers, l'angle d'ouverture du dièdre est au moins approximativement égal à 136 degrés. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour engendrer un déplacement relatif de l'échantillon de matériau et dudit organe, des moyens pour réaliser une empreinte linéaire continue sous forme d'une gorge rectiligne à la surface de l'échantillon, au moins un système optique pour éclairer l'empreinte et pour former une image de cette empreinte sur un organe detecteur, des moyens pour mesurer la largeur de ladite image et des moyens pour déterminer et afficher la dureté du matériau de l'échantillon en fonction de la largeur mesurée de cette image. Ce dispositif comporte avantageusement des moyens pour engendrer un déplacement linéaire de l'echantillon-et des moyens pour exercer une pression déterminée sur l'organe destiné à réaliser l'empreinte à la surface de cet échantillon, cet organe étant mobile selon un axe sensiblement perpendiculaire à la surface de l'échantillon. L'organe destiné à réaliser l'empreinte à la surface de l'échantillon comporte de préference une roulette rotative autour d'un axe parallèle à la surface de l'échantillon et perpendiculaire à la direction de son déplacement. La roulette rotative comporte avantageusement une surface périphérique présentant une section droite en forme de dièdre de manière à réaliser une empreinte ayant la forme d'une gorge en V. L'angle d'ouverture du diedre est de préférence égal ou voisin de 136 degrés. Le système optique peut comporter deux sources de lumière disposées de part et d'autre de l'empreinte, de telle manière qu'elles envoient des faisceaux incidents tels que les faisceaux réfléchis respectivement par les parois de la gorge en V forment une image sur un détecteur disposé sensiblement à la verticale de l'empreinte. Le système optique peut également ne comporter qu'une seule source de lumière et des moyens pour éclairer la surface du matériau portant l'empreinte à travers un système optique dont l'axe optique est perpendiculaire à cette surface. Selon une forme de réalisation préférée, le détecteur comporte au moins une barrette de microcellules photodétectrices disposées selon une ligne sensiblement perpendiculaire à la direction de l'empreinte. Dans certains cas, pour augmenter la dynamique du système de mesure de la largeur de l'empreinte, la barrette de détecteurs peut être disposée selon une ligne Formant un angle différent de 90 degrés avec la direction de cette empreinte. La mesure de la largeur de l'empreinte , plutôt que sa profondeur, permet d'obtenir un résultat qui est, dans une certaine mesure, insensible à la dégradation de la géométrie de l'arête de la roulette engendrant cette empreinte. En effet, si l'arête, qui constitue la partie la plus fragile de la roulette, s'émousse ou se casse à certains endroits, la profondeur de l'empreinte s'en trouve affectée alors que sa largeur n'est pratiquement pas modifiée. En outre, en raison de l'ouverture angulaire du dièdre formé par l'arete, la largeur de l'empreinte est un multiple supérieur à 1 de la profondeur, ce qui permet d'augmenter la résolution de la mesure proportionnellement à ce multiple. Enfin, la mesure de la largeur de l'empreinte constitue une adaptation à un procéde en continu de la méthode utilisée dans l'essai Vickers, consistant à mesurer des diagonales de l'empreinte statique et qui est considére actuellement comme le procédé le plus précis et le plus fiable pour determiner la dureté d'un matériau. La presente invention et ses principaux avantages seront mieux compris en référence à la description d'un exemple de réalisation et du dessin annexé dans lequel La fig. 1 représente une vue schématique illustrant le dispositif de mesure de la dureté d'un échantillon de matériau selon l'invention, La fig. 2 représente une vue en coupe agrandie de la roulette destinée à former l'empreinte linéaire, La fig. 3 représente une vue en coupe à travers l'échantillon selon un plan perpendiculaire à la direction de l'empreinte rectiligne, et La fig. 4 représente une vue schématique illustrant un autre mode de mise en oeuvre du dispositif de mesure de la largeur de l'empreinte. Le dispositif de mesure de la dureté, tel que décrit, comporte un organe 10 agencé pour engendrer une empreinte continue rectiligne il sous l'effet d'une charge P, dans un échantillon d'un matériau à tester 12, qui est par exemple entraîné en continu dans le sens de la flèche A par deux rouleaux d'entrainement 13 et 14 prenant respective ment appui sur les deux surfaces opposées 15 et 16 de l'échantillon 12. L'empreinte 11, qui se présente sous la forme d'une gorge en V est formée a la surface supérieure 15 de l'échantillon 12 par une roulette 17, rotative portée par un support 18 susceptible d'être soumis à l'action d'une force d'appui réglable P, qui s'exerce dans le sens de la flèche B, par un organe d'appui schématisé par un ressort 19. La roulette 17 sera décrite plus en détail en référence à la Fig. 2. Le dispositif de mesure comporte par ailleurs un montage optique permettant de mesurer la largeur de l'empreinte il et des moyens pour en déduire la dureté de l'échantillon. Les procédés utilisés consis- tent a former de l'empreinte 11 une image 20 sur un détecteur 21, composé de préférence d'au moins une matrice linéaire de microcellules photodétect@ices. La barrette peut être disposée dans un plan parailèle à la aurface du matériau portant l'empreinte. Toutefois, elle peut égalesent être disposée selon une direction formant un angle différent de 90 degrés par rapport à l'empreinte. Ceoi est utilisé lorsque l'on m@@ure des hautes duretés, pour lesquelles la largeur de l'empreinte diminue fortement.Etant donnè que le pouvoir de rèsolu iion du aystème reste constant, la précision relative de la mesure de la largeur de l'empreinte diminue. Le fait d'incliner l'axe de la barreste détectrice permet, d'augmenter la dynamique du système. Cette image est obtenue en éclairant l'empreinte 11 au moyen de deux sources de lumière 22 et 23, eventuellement cohérentes, disposées symétriquement de part ec d'autre de l'empreinte, de telle manière que les faiscea@ incidents 24 et 25 respectivement émis par ces sources sont réfléchis par les parois inclinées de l'empreinte, dans une direction perpendiculaire a la surace 15 de l'échantillon 12.Les faisceaux réfléchis 26 sont focalisés par un objectif 27 sur un prisme diviseur 28 ou eJl une lame semi-trangparonte qui renvoi t une partie de ces fais- eaux sur an oculaire de visée 29 et la partie restante sur un objec- tif de projection 30 qui ?orme l'image 20 de l'empreinte il sur le détecteur 21. L'organe de traitement de données tel que par exemple un microproces seur 31, est conçu pour enregistrer les informations transmises en continu par le détecteur, en deduisant les valeurs instantanées de la dureté du matériau testé et pour enregistrer ces valeurs, et/ou les afficher sur un écran de visualisation. Ce procédé et le dispositif correspondant décrits ci-dessus, permettent par conséquent de déterminer de façon quasi instantanée et en continu, la dureté des matériaux testés, de comparer les duretés d'échantillons differents ou d'étudier les fluctuations de la dureté pour un même echantillon. Ils permettent également d'étudier une surface et d'en tracer le profil de dureté, sous forme de lignes équl-dureté. La fig. 2 représente une vue en coupe de la roulette 17 et de son support 18. Cette roulette est montée sensiblement au milieu d'un axe 32 dont les tronçons d'extrémité sont respectivement engagés dans deux encoches 33 et 34 en forme de V renversé, ménagées aux extrémités des bras 35 et 36 d'une piece 37, rendue solidaire d'un bloc support 38 en forme de U, par l'intermédiaire d'une vis de tension 39 Deux biles 43 et 44 viennent se loger aux deux extrémités de l'arbre 32 dans des logements coniques et réalisent le guidage axial de la roulette en prenant appui contre les faces 45 et 46 du bloc support 38.La vis 39 permet de guider axialement la roulette en déformant élastiquement le bras droit 47 du bloc support 38 de façon à assurer un jeu sensiblement nul entre les billes 43 et 44 et les faces 45 et 46. Le bras 47 du bloc support 38 est rendu plus flexible par une diminution de section en 48. Le bloc support 38 est lié à une tige coulissante 40 qui permet d'assurer le réglage en hauteur du bloc support 38 par rapport au bati (non repréPsnté) du dispositif Des sabots 41 et 42 servent de butes de retenue destinées à assurer les tronçons d'extro- mité de l'axe 32 dans les encoches 33 et 34. L'empreinte représentée en coupe transversale par la fig. 3, présente la forme d'une gorge en V dont l'angle au sommet, qui correspond a l'angle d'ouverture du diedre défini par la section radiale de la roulette 17, a de préférence une valeur égale ou voisine de 136 de gres. La valeur de la largeur de l'empreinte est de préférence au moins deux à trois fois plus grande que celle de la profondeur, de sorte que la détermination de la largeur permet d'effectuer la mesure de la dureté du matériau avec une résolution au moins 2 a 3 fois plus grande que celle que l'on atteindrait si l'on déduisait la valeur de la dureté d'une mesure de la profondeur de l'empreinte. Le dispositif selon la fig. 4 représente une variante dans laquelle la surface 15 du matériau portant l'empreinte 11, est éclairée par un faisceau lumineux issu d'une source de lumiere unique 22' et réfléchi par un prisme 28' sur un objectif 27. La lumiere réfléchie par la surface 15 traverse l'objectif 27, le prisme 28' puis le prisme 28, l'objectif de proJection 30 pour former une image noire de l'empreinte 11 sur un fond eclairé, sur le détecteur 21. Les deux variantes peuvent être utilises indifféremment bien que la seconde présente l'avantage d'un encombrement réduit. La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus mais peut subir de multiples modifications et se présenter sous diverses variantes équivalentes, évidentes pour l'homme de l'art. Revendications 1. Procedé de mesure de la dureté d'un matériau, caractérisé en ce que l'on réalise en continu, à la surface (15) d'un échantillon de ce matériau (12), une empreinte linéaire sous forme d'une gorge rectiligne, en ce que l'on mesure par une méthode optique au moins une dimension de cette empreinte, et en ce que l'on determine la durete du matériau en fonction des résultats de la mesure de cette dimension. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que l'on rea- lise l'empreinte linéaire (11) en effectuant en deplacement relatif de l'échantillon de matériau et d'une roulette rotative t17) autour d'un axe perpendiculaire a la direction du déplacement, et en exerçant une force déterminée sur la roulette, dans une direction sensiblement perpendiculaire a la surface de l'échantillon. 3. Procéde selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on éclaire l'empreinte linéaire formée à la surface de l'échantillon au moyen d'au moins un faisceau lumineux (24, 25), en ce que l'on forme l'image (20) de cette empreinte, réfléchie par ses parois, sur su moins un organe détecteur (21) et en ce que l'on mesure la largeur de cette image. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on forme l'empreinte linéaire (11) au moyen d'une roulette (17) dont la surface périphérique présente une section droite en forme de dièdre, de ma niera à réaliser une empreinte ayant la forme d'une gorge en V. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'angle d'ouverture du diedre est au moins approximativement égal à 136 degrés. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on éclaire la surface du matériau portant l'empreinte à travers un obJectif (27) dont l'axe optique est perpendiculaire à cette surface, de manière a former une image de l'empreinte apparaissant en noir sur un fond éclairé. 7. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on éclaire la surface du matériau portant l'empreinte au moyen de deux faisceaux latéraux inclinés (24, 25) par rapport à la perpendiculaire cette surface, et en ce que l'on Forme une image de l'empreinte apparaissant en clair sur un fond noir. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant un bâti fixe, un support pour un échantillon de matériau (12) a tester, un organe pour réaliser une empreinte a la surface de cct échantillon et un dispositif pour mesurer l'empreinte, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (13, 14) pour engendrer un déplacement relatif de l'échantillon de matériau et dudit organe, des moyens (17) pour réaliser une empreinte linéaire continue sous forme d'une gorge rectiligne a la surface de l'échantillon, au moins un système optique pour éclairer l'empreinte et pour former une image (20) de cette empreinte sur un organe détecteur (21), des moyens pour mesurer la largeur de ladite image et des moyens (31) pour déterminer et afficher la durez du matériau de l'échantillon en fonction de la largeur mesurée de cette Image. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il com- porte des moyens (13, 14) pour engendrer un dèplacement linéaire de l'échantillen, et des moyens (11) pour exercer une pression déterminée sur l'crgane (17) destiné à réaliser l'empreinte à la surface de cet échantillon. cet organe étant mobile selon un axe sensiblement perpen circulaire a la surface de l'échantillon. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'or- gane destiné a réaliser l'empreinte de la surface de l'échantillon comporte une roulette (17) rotative autour d'un axe sensiblement parallèle a la surface de l'échantillon et sensiblement perpendiculaire a la direction de son déplacement. il Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la roulette rotative (17) comporte une surface périphérique présentant une section droite en forme de dièdre, de manière à imprimer a la surface de l'échantillon une empreinte ayant la forme d'une gorge en V. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'angle d'ouverture du dièdre est au moins approximativement égal a 136 degres. 13. Dispositif selon la revendication 8,. caractérisé en ce que le système optique comporte deux sources (22, 23) de lumière disposées de part et d'autre de l'empreinte, de telle manière qu'elles envoient des faisceaux incidents tels que les faisceaux réfléchis (26) respectivement par les parois de la gorge en V forment une image (20) sur un detecteur (21) disposé sensiblement a la verticale de l'empreinte (11). 14. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système optique comporte une source lumineuse (22) et des moyens pour éclairer la surface du matériau portant l'empreinte à travers un système optique (28', 27) dont l'axe optique est prpendiculaire & cette surface. 15. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le détecteur (21" comporte au moins une barrette de microcellules photodétectrices disposées selon une ligne sensiblement perpendiculaire a la direction de l'empreinte. 16. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le détecteur (21) comporte au moins une barrette de microcellules photodétectrices disposées selon une ligne sensiblement parallèle 9 la surface portant l'empreinte, mais formant un angle différent de 90 degrés avec la direction de cette empreinte.