Quelles sont les normes et méthodes d'essai de dureté des pièces de tuyaux en acier de précision

La dureté est l'un des principaux indicateurs de performance mécanique des pièces de tubes en acier de précision , affectant directement leur résistance à l'usure, leur résistance à la compression et leur durée de vie. Les résultats de ses tests constituent une base cruciale pour l’optimisation des processus de production, l’acceptation de la qualité des produits et l’adaptation des applications. Ce qui suit détaille les normes de base et les méthodes pratiques pour les tests de dureté, en tenant compte des applications de haute précision et multi-scénarios des pièces de tuyaux en acier de précision.

Premièrement, les normes de test de base pour les tubes en acier de précision.

Les tests de dureté des pièces de tuyaux en acier de précision doivent suivre les normes internationalement acceptées pour garantir l'exactitude, la comparabilité et l'autorité des résultats des tests. Différentes méthodes de test correspondent à des systèmes standards spécifiques, comme suit :

(I) Normes nationales (GB/T)

GB/T 231.1-2022 : « Matériaux métalliques – Test de dureté Brinell – Partie 1 : Méthodes d'essai », applicable aux essais de dureté macroscopique des tuyaux en acier de précision de dureté moyenne et faible, spécifie le pénétrateur à billes en alliage dur, les spécifications d'application de charge et les méthodes de mesure de l'indentation. Il s'agit de la norme de base pour les tests de dureté Brinell en Chine. GB/T 230.1-2022 : Matériaux métalliques — Tests de dureté Rockwell — Partie 1 : Méthodes d'essai, équivalentes aux normes internationales, spécifie le type de pénétrateur, les paramètres de charge et les règles de lecture pour chaque échelle de dureté Rockwell (HRA, HRB, HRC), applicables au classement rapide de la dureté des tuyaux en acier de précision finis.

GB/T 4340.1-2022 : Matériaux métalliques — Essais de dureté Vickers — Partie 1 : Méthodes d'essai, pour les pièces de tuyaux en acier à paroi mince, de petite section et de haute précision, normalise l'utilisation d'indentateurs à pyramide carrée en diamant et la procédure de mesure diagonale d'indentation, garantissant la précision des essais de dureté microscopique.

GB/T 17394-1998 : Matériaux métalliques – Méthodes de test de dureté Leib, guide l'application des testeurs de dureté Leeb portables dans les tests de pièces de tuyaux en acier sur le terrain et de grande précision, clarifiant les règles de conversion des valeurs de dureté et les exigences d'étalonnage des instruments.

GB/T 3639-2023, « Tubes en acier sans soudure de précision étirés ou laminés à froid », en tant que norme de produit, clarifie la plage d'acceptation des indicateurs de dureté pour les tubes en acier de précision et les exigences correspondantes pour la sélection des méthodes d'essai.

(II) Normes internationales et industrielles

Normes de la série ASTM : ASTM E10-23 (dureté Brinell), ASTM E18-24 (dureté Rockwell), ASTM E384-22 (dureté Vickers) et ASTM A956-22 (dureté Riekel) fournissent des directives d'essai de dureté pour les pièces de tubes en acier de précision circulant sur le marché international, normalisant les conditions d'essai et l'interprétation des résultats dans différents scénarios.

Normes de la série ISO : ISO 6506-1:2023 (Brinell), ISO 6508-1:2023 (Rockwell) et ISO 6507-1:2023 (Vickers) unifient les spécifications techniques pour les essais de dureté des tubes en acier de précision à l'échelle mondiale, améliorant ainsi la comparabilité des données d'essai interrégionales. Les normes industrielles spécialisées, telles que DIN 2391 (norme allemande pour les tubes en acier sans soudure de précision étirés à froid) et ASTM A519 (norme pour les tubes sans soudure en acier au carbone et allié pour machines), fournissent des spécifications supplémentaires pour les exigences de dureté et les méthodes d'essai des tubes en acier de précision pour des applications spécifiques.

Deuxièmement, les méthodes de test générales et les points pratiques pour les tubes en acier de précision.

Les tests de dureté des pièces de tubes en acier de précision nécessitent la sélection d'une méthode appropriée en fonction de la plage de dureté du matériau, de l'épaisseur de paroi, de la finition de surface, du scénario de test et des exigences du lot. Les méthodes de base comprennent Brinell, Rockwell, Vickers et Leeb, avec les caractéristiques spécifiques suivantes :

(I) Test de dureté Brinell (HB)

(a) Scénarios applicables : convient aux tubes en acier de précision en acier doux et en acier faiblement allié d'une épaisseur ≥ 6 mm et d'une dureté ≤ 450HB. Particulièrement adapté pour tester les produits semi-finis avant traitement thermique/après recuit, reflétant les caractéristiques globales de dureté du matériau. Ne convient pas aux pièces à paroi mince, de haute dureté et finies (les grandes empreintes peuvent facilement affecter l'apparence et les performances).

(b) Points opérationnels : utilisez un pénétrateur à bille en carbure cémenté, appliquez une charge de 3 000 kg, maintenez pendant 10 à 30 secondes, puis retirez la charge. Mesurez le diamètre moyen de l'indentation à l'aide d'un microscope et calculez la valeur de dureté Brinell à l'aide d'une table de conversion. Par exemple, 120HBS10/1000130 signifie : en utilisant une bille d'acier de 10 mm de diamètre sous une charge de 1 000 kgf pendant 30 secondes, la valeur de dureté est mesurée à 120 MPa.

(c) Avantages et inconvénients : les avantages incluent des résultats stables, une bonne répétabilité et la capacité de refléter l'uniformité macroscopique de la dureté du matériau ; les inconvénients incluent une grande taille d'indentation (généralement 2 à 6 mm), une faible efficacité de test et des exigences généralement faibles en matière de finition de surface (Ra ≤ 1,6 μm est suffisant).

(II) Essais de dureté Rockwell (HR)

(a) Scénarios applicables : convient aux matériaux de dureté moyenne à élevée tels que les tuyaux en acier de précision finis, l'acier trempé et l'acier allié d'une épaisseur ≥ 1,5 mm. Il s'agit de la méthode de test la plus largement utilisée dans la production de masse (représentant plus de 70 % du total des tests de dureté) et peut rapidement compléter l'évaluation de la dureté.

(b) Points opérationnels : sélectionnez l'échelle appropriée en fonction de la dureté du matériau. Les échelles et paramètres couramment utilisés sont les suivants : HRA (charge de 60 kg + pointe conique en diamant, adaptée aux tuyaux en acier au carbure cémenté), HRB (charge de 100 kg + bille en acier trempé de 1,5875 mm, adaptée aux tuyaux en acier à faible teneur en carbone et en acier recuit), HRC (charge de 150 kg + pointe conique en diamant, adaptée aux tuyaux en acier trempé et durci). Pendant les tests, appliquez d'abord la charge initiale, puis la charge totale. Après avoir retiré la charge principale, mesurez l'incrément de la profondeur d'indentation résiduelle et calculez la valeur de dureté à l'aide de la formule (échelle A/C : HR=100-e ; échelle B : HR=130-e, où e est l'incrément de profondeur en 0,002 mm).

(c) Avantages et inconvénients : Les avantages incluent une petite taille d'indentation (diamètre < 1 mm), un fonctionnement rapide et une lecture directe, ce qui le rend adapté à l'inspection des pièces finies. Les inconvénients incluent la petite taille de l'indentation conduisant à une représentativité plus faible des résultats, des exigences élevées en matière de finition de surface et la nécessité d'éliminer au préalable le tartre d'oxyde et les impuretés.

(III) Test de dureté Vickers (HV)

(a) Scénarios applicables : pièces de tuyaux en acier à paroi mince, de petite section, trempées en surface et de haute précision, telles que les tuyaux en acier de précision pour les systèmes aérospatiaux et hydrauliques. Il peut également être utilisé pour des tests précis en laboratoire et des scénarios de besoins spéciaux.

(b) Points opérationnels : Un pénétrateur à pyramide carrée en diamant est utilisé. Une charge réglable de 1 à 120 kg est appliquée, maintenue pendant une durée spécifiée, puis déchargée. Les longueurs des deux diagonales de l'indentation sont mesurées à l'aide d'un système microscopique. La valeur de dureté est calculée à l'aide de la formule (HV=0,1891×F/d², où F est la charge et d est la longueur moyenne des diagonales). Pendant les tests, la rugosité de la surface doit être approximativement semblable à celle d'un miroir pour éviter d'affecter l'observation de l'indentation.

(c) Avantages et inconvénients : Les avantages incluent une large plage de mesure, une grande précision et une taille d'indentation extrêmement petite, adaptée au test de matériaux mous et durs et de zones microscopiques. Les inconvénients incluent un fonctionnement complexe, une vitesse de test lente et un coût élevé, ce qui le rend impropre aux tests par lots sur site.

(IV) Test de dureté Leeb (HL)

(a) Scénarios applicables : convient aux grandes pièces de tuyaux en acier de précision immobiles, telles que les composants de tuyaux en acier intégrés et l'inspection des pipelines sur site, permettant un contrôle non destructif et rapide.

(b) Points opérationnels : utilisez un testeur de dureté Leeb portable, sélectionnez le réglage « Acier forgé », impactez la surface du tuyau en acier avec un impacteur, mesurez la vitesse de rebond de l'impacteur pour calculer la valeur de dureté Leeb, puis convertissez-la en valeurs HB/HR/HV conformément à la norme GB/T 17394. L'instrument doit être calibré avec un bloc de dureté standard avant le test. La direction de l'impact doit être perpendiculaire à la surface d'essai. Chaque point de mesure doit être testé au moins 3 fois et la dispersion des données ne doit pas dépasser ± 15 HL de la valeur moyenne.

(c) Avantages et inconvénients : les avantages incluent la portabilité, la vitesse, l'absence de dommages à la pièce et une efficacité de test élevée ; les inconvénients incluent une précision légèrement inférieure, une plus grande sensibilité à l'état de surface, aux vibrations et à l'épaisseur de la pièce, et une aptitude uniquement aux tests de sélection et de non-arbitrage.

Troisièmement, procédures opérationnelles générales et précautions pour les tuyaux en acier de précision

(I) Procédures opérationnelles standard pour les tuyaux en acier de précision

(a) Prétraitement de l'échantillon : éliminez le tartre d'oxyde, l'huile et la rouille de la surface du tuyau en acier. Broyer jusqu'à ce que la surface soit lisse et propre, avec une rugosité Ra≤1,6 μm. Pour les tuyaux en acier courbés, meulez pour créer une surface plane de 5 mm × 50 mm ou 20 mm × 50 mm pour éviter d'affecter la précision de l'indentation. N'endommagez pas l'épaisseur de la paroi du tuyau pendant le meulage.

(b) Sélection de la méthode : Déterminez la méthode en fonction de l'épaisseur, de la plage de dureté, de la précision de la surface et du scénario de test du tuyau en acier de précision. Par exemple, le testeur de dureté Vickers est sélectionné pour les pièces de précision à parois minces, le testeur de dureté Rockwell est sélectionné pour les produits finis par lots et le testeur de dureté Leeb est sélectionné pour les grandes pièces sur le terrain.

(c) Calibrage de l'instrument : avant le test, calibrez le testeur de dureté avec le bloc de dureté standard correspondant, vérifiez l'usure du pénétrateur, la précision de la charge et la précision du système de mesure pour vous assurer que l'instrument est dans un état qualifié.

(d) Procédure de test : définissez la charge, le pénétrateur et le temps de maintien en fonction de la méthode sélectionnée. Mesurez aux endroits clés tels que les deux extrémités et le milieu du tuyau en acier, en testant au moins 3 à 5 points à chaque endroit. La distance entre deux indentations doit être ≥3 mm et le centre de l'indentation doit être ≥5 mm du bord de la pièce.

(e) Traitement des données : supprimez les valeurs aberrantes et prenez la moyenne des données restantes comme valeur de dureté finale. Enregistrez la méthode de test, les paramètres de l'instrument, les emplacements de test et les résultats en détail pour générer un rapport de test.

(II) Précautions clés pour les tuyaux en acier de précision

(a) Contrôle de l'état de la surface : évitez les défauts de surface tels que les fissures, les inclusions et les rayures. Un meulage secondaire peut être nécessaire. La surface de test doit être propre et sèche pour éviter que l'huile et la poussière n'affectent le contact du pénétrateur et la précision des mesures.

(b) Correspondance de charge et d'épaisseur de paroi : les essais de charge élevée sont interdits pour les tuyaux en acier avec une épaisseur de paroi ≤ 5 mm afin d'éviter des résultats faussés dus à la déformation élastique de la paroi du tuyau. Les tuyaux en acier de petit diamètre avec un diamètre extérieur <45 mm ne conviennent pas aux testeurs de dureté Brinell portables et nécessitent un échantillonnage et des tests en laboratoire.

(c) Environnement et procédures de fonctionnement : La température des tests en laboratoire doit être maintenue à 20 ± 5 ℃, en évitant les vibrations et les interférences de la poussière. Pendant les tests sur site, assurez-vous que l'instrument est soutenu de manière stable, que la direction de l'impact est perpendiculaire à la surface de test et qu'il n'y a pas de secousses relatives entre l'opérateur et l'instrument.

(d) Entretien et étalonnage des instruments : inspectez régulièrement le pénétrateur, étalonnez périodiquement le système de charge et l'appareil de mesure et conservez les enregistrements d'étalonnage pour référence future.

(e) Jugement des résultats et arbitrage : en cas de litige sur les résultats des tests, le test de dureté Vickers doit être utilisé comme méthode d'arbitrage privilégiée. Pour les tests par lots, le taux d’échantillonnage standard doit être suivi pour garantir la représentativité de l’échantillon.

En résumé, les tests de dureté des pièces de tuyaux en acier de précision doivent strictement respecter les normes correspondantes, sélectionner scientifiquement les méthodes de test en fonction des caractéristiques des pièces, normaliser les procédures d'exploitation et contrôler les détails clés pour garantir des résultats de test précis et fiables, fournissant une garantie pour le contrôle de la qualité des produits et la sécurité des applications.