Dureté Rockwell, Vickers, Brinell : différences et tableau de correspondance HRC, HV, HB

1. Ce que mesure un essai de dureté

La dureté, au sens des essais métallurgiques, est la résistance d'un matériau à la pénétration d'un corps plus dur. On enfonce un pénétrateur de forme connue sous une force connue, puis on mesure soit la profondeur de l'empreinte (Rockwell), soit sa taille en surface (Vickers, Brinell).

Ce n'est pas une grandeur physique intrinsèque comme la masse volumique. Le résultat dépend de la géométrie du pénétrateur, de la force et de la façon dont le métal se déforme autour de l'empreinte, élastiquement puis plastiquement.

C'est pour cette raison que l'ISO 18265 écrit qu'il n'est pas possible d'établir des relations de conversion universelles entre les méthodes, aussi soigneusement que les essais soient conduits.

Les trois essais ont en revanche un point commun qui explique leur succès en industrie : ils sont rapides et quasi non destructifs. Une empreinte suffit à vérifier un traitement thermique ou à trier un lot, là où un essai de traction exige de prélever et d'usiner une éprouvette.

Reste à voir, pour chacune, ce que la norme impose réellement : forces, pénétrateurs, épaisseur minimale et écriture du résultat.

2. Rockwell (HRC, HRBW) : l'essai de l'atelier

L'essai Rockwell, décrit par l'ISO 6508-1:2023, applique deux niveaux de force. Une force préliminaire F0 met le pénétrateur en contact et fixe une référence de profondeur. Une force additionnelle F1 est appliquée puis retirée, et la machine mesure la profondeur rémanente h sous la force préliminaire.

Le nombre Rockwell se calcule par la formule H = N − h / S, où N vaut 100 ou 130 selon l'échelle et S vaut 0,002 mm (échelles normales) ou 0,001 mm (échelles superficielles). Ainsi, pour l'échelle C, chaque point HRC correspond à 2 µm de profondeur : plus l'empreinte est profonde, plus le nombre baisse.

Aucune mesure optique n'est nécessaire : la lecture est directe. C'est ce qui fait du Rockwell l'essai de contrôle le plus répandu en production et en réception de pièces traitées.

Les échelles les plus utilisées

Force préliminaire : 98,07 N pour les échelles normales (A, B, C…), 29,42 N pour les échelles superficielles (N, T). Extrait des tableaux 1 et 2 de l'ISO 6508-1:2023, qui définit aussi les échelles D, E, F, G, H, K, 15N, 45N, 15T et 45T.

Le W de HRBW indique une bille en carbure de tungstène. C'est désormais le pénétrateur à bille standard : les éditions antérieures de la norme admettaient des billes en acier (suffixe S), qui ne sont plus autorisées que pour les essais spéciaux sur tôles très minces de l'annexe A (HR30TSm, HR15TSm).

Le choix de l'échelle n'est pas libre. L'échelle C n'est applicable qu'entre 20 et 70 HRC : un acier doux se mesure en HRBW ou en Brinell, jamais en « HRC négatif » ou en « 12 HRC ». Deux autres exigences reviennent souvent dans les litiges.

• Épaisseur minimale : au moins 10 fois la profondeur rémanente avec un cône diamant, 15 fois avec une bille (ISO 6508-1, § 7.3 et annexe B).
• Surfaces courbes : sur un cylindre ou une sphère convexes, les corrections des annexes C et D doivent être ajoutées et figurer au rapport (§ 8.11).
• Espacement : au moins 3 diamètres d'empreinte entre deux centres, 2,5 diamètres jusqu'au bord (§ 8.13).

Le Rockwell a une limite : il mesure un volume de matière relativement grand et ne dit rien d'un gradient de dureté sur quelques dixièmes de millimètre. C'est le terrain du Vickers.

3. Vickers (HV) : une seule échelle, de la microdureté aux fortes charges

L'essai Vickers, objet de l'ISO 6507-1:2023, enfonce une pyramide en diamant à base carrée, dont les faces opposées forment un angle nominal de 136°. Après retrait de la force, on mesure les deux diagonales de l'empreinte et on en fait la moyenne d.

La dureté est proportionnelle au rapport entre la force et la surface de l'empreinte. Pour l'angle nominal, la norme donne HV ≈ 0,1891 × F / d², avec F en newtons et d en millimètres.

Son grand atout : la géométrie de l'empreinte ne change pas avec la force. Un même matériau homogène donne donc, en principe, des valeurs Vickers comparables à faible et à forte charge, sur une échelle continue qui couvre des métaux tendres jusqu'aux carbures.

Tableau 1 de l'ISO 6507-1:2023. Le chiffre qui suit « HV » rappelle la force en kgf : HV 10 = 98,07 N, HV 30 = 294,2 N.

La norme encadre la taille de l'empreinte : elle ne s'applique qu'à des diagonales comprises entre 0,020 et 1,400 mm. En dessous, l'incertitude liée à l'optique et aux imperfections de la pointe devient trop forte, et l'on bascule vers l'essai instrumenté de l'ISO 14577-1.

• Épaisseur : au moins 1,5 fois la diagonale de l'empreinte, sans déformation visible au dos (§ 7.3). La profondeur vaut environ 1/7 de la diagonale.
• Préparation : surface lisse, sans oxyde ni lubrifiant ; en microdureté, un polissage adapté est recommandé (§ 7.1 et 7.2).
• Revêtements : l'édition 2023 couvre les revêtements métalliques et inorganiques, à partir de 0,030 mm d'épaisseur en mesure perpendiculaire et 0,100 mm sur coupe.

C'est pour ces raisons que le Vickers sert aux filiations de dureté : une série d'empreintes sur une coupe polie, pour tracer la dureté d'une couche cémentée ou nitrurée en fonction de la profondeur. Les procédés eux-mêmes sont présentés dans notre article sur la différence entre traitement thermique et traitement de surface.

Même logique en soudage : les qualifications de modes opératoires selon l'EN ISO 15614-1 contrôlent la zone affectée thermiquement par des traversées HV10, avec un maximum de 380 HV10 pour les aciers des groupes 1 et 2 de l'ISO/TR 15608.

Le Vickers a son revers : l'empreinte est petite, donc très sensible à l'état de surface et aux hétérogénéités locales. Pour une fonte ou une pièce brute de forge, on préfère une empreinte large.

4. Brinell (HBW) : la bille pour les matériaux hétérogènes

L'essai Brinell, décrit par l'ISO 6506-1:2014, enfonce une bille en carbure de tungstène de diamètre D. Après retrait de la force, on mesure le diamètre de l'empreinte dans deux directions à peu près perpendiculaires et on retient la moyenne d.

La dureté est le rapport entre la force et la surface de la calotte sphérique : HBW = 0,102 × 2F / [πD² (1 − √(1 − d²/D²))]. La constante 0,102 (≈ 1/9,806 65) vient de l'origine historique de l'essai en kilogrammes-force.

L'empreinte est grande, jusqu'à plusieurs millimètres avec une bille de 10 mm : elle moyenne les hétérogénéités de structure. C'est l'essai de référence pour les fontes, les pièces forgées ou moulées et les produits bruts.

Extrait du tableau 2 de l'ISO 6506-1:2014. Le tableau 3 recommande l'indice 30 pour les aciers, les alliages de nickel et de titane.

La force se choisit pour que le diamètre de l'empreinte reste entre 0,24 D et 0,6 D ; hors de ces bornes, le rapport d/D doit figurer au rapport d'essai. L'épaisseur de la pièce doit valoir au moins 8 fois la profondeur de l'empreinte (§ 6.3 et annexe B).

La norme fixe aussi le cycle : montée en force en 2 à 8 s, maintien de 10 à 15 s. Un maintien différent se note dans la désignation, comme dans l'exemple normatif 600 HBW 1/30/20 : 600 HBW, bille de 1 mm, 30 kgf (294,2 N), maintien de 20 s.

Les trois essais côte à côte

Trois essais, trois nombres : il faut donc un pont entre eux. C'est le rôle des tables de correspondance, à condition d'en connaître les limites.

5. Tableau de correspondance HRC, HV, HBW

Le tableau ci-dessous donne les correspondances approximatives entre HRC, HV, HBW et HRA de 20 à 60 HRC. Il vaut pour les aciers non austénitiques : aciers au carbone, faiblement alliés, alliés et à outils. Il ne s'applique ni aux inox austénitiques (304, 316L), ni aux alliages d'aluminium ou de cuivre, ni aux carbures.

Les valeurs sont celles des tables publiées par un fabricant de duromètres, qui les indique cohérentes avec l'ASTM E140. L'annexe A de l'ISO 18265 publie sa propre table pour les aciers non alliés, faiblement alliés et moulés : selon la source, les chiffres peuvent différer de quelques unités.

Aciers non austénitiques. Valeurs approximatives, à usage d'estimation : source Mitutoyo America Corporation, Hardness Conversion Charts (2017), déclarées cohérentes avec ASTM E140 et A370. HBW : bille de 10 mm, 3 000 kgf (29,42 kN).

Une relation qui n'est pas linéaire

Entre 20 et 40 HRC, un point Rockwell vaut environ 5 à 10 HV. Entre 50 et 60 HRC, il en vaut 15 à 23. Le graphique rend visible cette courbure, qui explique pourquoi une règle de trois ou un coefficient unique donne des résultats faux aux fortes duretés.

Convertisseur approximatif

Le petit outil ci-dessous interpole linéairement entre deux lignes de la table (pas de 1 HRC). Il ne sort pas du domaine 20-60 HRC et n'a de sens que pour la même famille d'aciers.

Utile pour se faire une idée, ce type de table devient dangereux quand on lui demande plus qu'une estimation. L'ISO 18265 est très explicite sur ce point.

6. Les règles de conversion de l'ISO 18265

L'ISO 18265:2013 (« Matériaux métalliques — Conversion des valeurs de dureté ») est la norme de référence. Elle regroupe des tables par famille : aciers non alliés, faiblement alliés et moulés (annexe A), aciers de trempe et revenu (B), aciers pour travail à froid (C), aciers rapides (D), carbures (E), métaux non ferreux (F) et aciers à outils (G). Elle reprend aussi, avec autorisation, des sections de l'ASTM E140.

Ses tables sont informatives. Le texte pose des règles d'usage qui méritent d'être connues de tout service qualité.

L'exemple de la norme : 300 ± 30 HV

L'ISO 18265 illustre la non-linéarité avec la table C.2 (aciers pour travail à froid). Une dureté de 300 ± 30 HV donne 26,9 HRC à 270 HV, 31,0 HRC à 300 HV et 34,6 HRC à 330 HV.

L'intervalle converti va donc de −4,1 à +3,6 HRC autour de 31 : la valeur nominale n'est plus au milieu. Une tolérance symétrique en HV devient asymétrique en HRC.

Le même exemple montre la part du matériau : la table C.2 et la table de la section 5 ne donnent pas exactement les mêmes HRC pour les mêmes HV. Ce n'est pas une erreur de l'une ou de l'autre, mais la preuve qu'une conversion dépend de la famille d'acier et de son état de traitement.

La fiabilité dépend enfin de la machine. L'ISO 18265 insiste sur la vérification des duromètres avec des blocs étalonnés, l'erreur systématique d'un appareil pouvant fausser fortement le résultat converti, en Rockwell surtout. Le raccordement et l'incertitude des instruments sont traités dans notre formation métrologie industrielle, et la prise en compte de l'incertitude dans une décision de conformité peut se chiffrer avec l'outil de métrologie industrielle.

7. Cas concrets : visserie, acier S235, inox 316L, soudure

Les questions les plus fréquentes portent sur quelques matériaux courants. Pour chacun, la bonne échelle et la bonne source ne sont pas les mêmes.

Vis 8.8, 10.9 et 12.9

L'ISO 898-1 fixe pour chaque classe une fourchette de dureté exprimée dans plusieurs échelles. En Vickers et en Rockwell C : 250-320 HV et 22-32 HRC pour une 8.8 de diamètre ≤ 16 mm, 320-380 HV et 32-39 HRC pour une 10.9, 385-435 HV et 39-44 HRC pour une 12.9.

Ces bornes recoupent le tableau de la section 5 (22 HRC ≈ 248 HV, 39 HRC ≈ 382 HV, 44 HRC ≈ 434 HV), sans s'y superposer au point près : ce sont des exigences de produit, pas des conversions. Le détail par classe, le maximum de dureté et ses conséquences sur la fragilisation par l'hydrogène sont expliqués dans notre guide sur les classes de vis 8.8, 10.9 et 12.9.

Acier de construction S235, S275, S355

L'EN 10025-2 garantit ces nuances par leur limite d'élasticité, leur résistance à la traction, leur allongement et leur résilience ; la dureté n'est pas leur caractéristique de référence. Pour un S235, Rm est compris entre 360 et 510 MPa jusqu'à 100 mm d'épaisseur.

Or, dans la table de la section 5, le bas de l'échelle C (20 HRC) correspond à une résistance estimée d'environ 110 ksi, soit près de 760 MPa. Un S235 ou un S355 se situe donc nettement sous le domaine HRC : on le mesure en HBW 10/3000 ou en HRBW, jamais en HRC.

Pour la désignation, les tranches d'épaisseur et le choix entre les nuances, voir notre article sur les aciers S235, S275 et S355 selon l'EN 10025.

Inox 304, 304L et 316L

Pour les produits plats, l'ASTM A240 fixe une dureté maximale à l'état recuit : 92 HRBW / 201 HBW pour le 304 et le 304L, 95 HRBW / 217 HBW pour le 316 et le 316L. Ce sont des plafonds, qui vérifient qu'une tôle n'a pas été écrouie au-delà de l'état de livraison.

Attention à la conversion : ces aciers sont austénitiques, et les tables pour aciers non austénitiques (dont celle de la section 5) ne s'y appliquent pas. Les autres différences entre ces nuances sont traitées dans notre comparatif inox 304, 304L et 316L.

Soudures et pièces traitées

Dans une zone affectée thermiquement ou une couche cémentée, la dureté varie sur quelques dixièmes de millimètre. L'ISO 18265 le rappelle : chaque mesure ne vaut que pour la zone de l'empreinte, et des empreintes de géométries différentes réagissent différemment à ces gradients. Sur ces pièces, on mesure en Vickers selon le cahier des charges ; on ne convertit pas.

Côté métiers, ces essais relèvent le plus souvent du laboratoire ou du contrôle qualité, où le technicien en métrologie gère aussi la vérification des duromètres.