Ensaio de dureza

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA 
CURSO ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 
 
 
Relatório de Ensaios 
Mecânicos de Dureza 
 
 
 
 
Allan Doring 
Paula Muraro 
Vinicius Alves 
 
 
 
 
BLUMENAU 
2017 
 
 
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SUMÁRIO 
 
 
 
1. RESUMO..................................................................................................3 
2. INTRODUÇÃO..........................................................................................4 
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA......................................................................5 
3.1 TESTE DE DUREZA...........................................................................5 
3.2 TRATAMENTOS TÉRMICOS.............................................................6 
3.3 AÇO 4340............................................................................................7 
4. MÉTODOS................................................................................................8 
4.1 TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS AMOSTRAS................................8 
4.2 METALOGRAFIA................................................................................8 
4.3 TESTE DE DUREZA ROCKWELL A...................................................9 
4.4 TESTEDE DUREZA ROCKWELL C..................................................10 
4.5 TESTE DE DUREZA VICKERS.........................................................11 
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO DE DADOS...........................................12 
6. CONCLUSÃO.........................................................................................14 
7. REFERÊNCIAS.......................................................................................15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1. RESUMO 
Através de uma parceria entre UFSC e CEDUP H.H., ensaiou-se aços 4340 com 
diversos tratamentos térmicos, a fim de analisar as durezas Rockwell A, Rockwell 
C e dureza Vickers. Devido aos tratamentos a microestrutura pode variar para 
cada peça, bem como variar de acordo com a proximidade do centro da peça. 
Os dados obtidos foram comparados e notou-se diferenças notáveis entre as 
durezas devido aos diferentes tratamentos térmicos. 
Palavras - Chave : Tratamentos Térmico, Durezas, Rockwell A, Rockwell C, 
Vickers. 
 
Abstract 
Through a partnership between UFSC and CEDUP H.H., 4340 steels were tested 
with various heat treatments in order to analyze as Rockwell A hardnesses, C 
and Vickers hardness. Due to the treatments, the microstructure can vary for 
each piece as well as vary according to a proximity of the center of the piece. The 
obtained data were compared and there is a notable differences between the 
hardnesses due different thermal treatments 
KeyWords: Heat treatment, Harness, Rockwell A, Rockwell C, Vickers. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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2. INTRODUÇÃO 
Conhecer as propriedades dos materiais é fundamental para destiná-los a 
diversas aplicações. Existem várias propriedades e vários métodos para medi-
las. Neste relatório foram analisadas propriedades de durezas, sendo utilizadas 
ensaios rockwell e vickers de um aço 4340 com diversos tratamentos térmicos. 
Para realização destes testes contou-se com a parceria do colégio estadual 
CEDUP Herman Hering que disponibilizou o laboratório do curso técnico de 
mecânica e um professor para auxiliar nos ensaios. 
A sala foi dividida em grupos de 3 a 4 alunos, sendo cada um dos grupos 
responsabilizado de analisar uma determinada amostra de aço 4340. Diversas 
amostras diferentes tratamentos térmicos foram oferecidas, sendo que o 
presente grupo recebeu uma amostra temperada em água. Com a orientação do 
professor, o grupo foi responsável por lixar e polir a amostra, tanto como analisar 
sua microestrutura e realizar os ensaios de dureza. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
3.1 TESTE DE DUREZA 
A dureza é uma medida da resistência de um material a deformação plástica 
localizada. O princípio do teste de dureza consiste em forçar um penetrador de 
geometria conhecida em uma área específica do corpo de prova durante um 
pequeno intervalo de tempo[1]. Cada teste apresenta diferenciados indentadores 
e métodos de medidas [2]. Por isso, ao expor uma dureza, deve-se especificar 
qual foi o método utilizado para medi-la, pois cada teste tem uma escala própria, 
de forma que, por exemplo 30 Rockwell C (HRC) é diferente de 30 Vickers 
(HV30). 
A dureza Rockwell A e C possuem um indentador de diamante cônico, com 
ângulo de 120° e uma pré-carga estabelecida de 10kgf [3]. A diferença entre 
essas escalas de dureza é a carga aplicada pelo indentador, sendo 60 kgf para 
Rockwell A e 150 kgf para Rockwell C. A medida da dureza é dada 
automaticamente pela máquina, que analisa a profundidade de penetração do 
indentador na amostra. Este teste possui indentador grande quando comparada 
a microestruturas, o que possibilita uma análise mais ampla da dureza geral do 
material, uma vez que este indentador consegue penetrar ao mesmo tempo 
fases microestruturais com durezas diferentes. Por isso este teste pode ser 
usado em materiais heterogêneos. 
Em contrapartida, a dureza Vickers possui um indentador piramidal de 
diamante com base quadrada e ângulos de 136° entre as faces opostas [4]. Uma 
carga entre 1 a 100 kgf é aplicada por 10 a 15 segundos, e então a amostra é 
levada a um microscópio para medir a média das diagonais da indentação. A 
dureza HV é calculada então pela fórmula: 
 
 
onde F é a força aplicada e d é a média das diagonais da indentação. O 
indentador utilizado nestes ensaios é menor do que os utilizados na dureza 
rockwell, de forma que a medida obtida é de menor área, podendo abranger 
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áreas microestruturais de durezas diferentes quando ensaiado em partes 
diferentes, porém próximas da amostra [1]. 
 
 
3.2 TRATAMENTOS TÉRMICOS 
 
Consiste na exposição de peças a diferentes temperaturas buscando 
alterações na estrutura cristalina das peças e portanto alterando da sua 
microestrutura. É possível entender estas mudanças com auxílio de um 
diagrama de equilíbrio de fases ou um diagrama TTT (Temperatura, tempo, 
transição). O diagrama de equilíbrio auxilia no entendimento de solubilidade em 
certas fases e formação em tempos longos de processo, já o TTT apresenta de 
forma completa a estrutura formada a partir de cada temperatura e taxa de 
resfriamento. Vale ressaltar que a taxa de resfriamento na peça varia, sendo 
mais alto nos extremos periféricos e mais baixo do centro volumétrico. 
O recozimento é um tratamento térmico dos aços que visa melhorar sua 
usinabilidade por meio de um aquecimento seguido de um resfriamento lento. O 
tratamento térmico de normalização consiste no aquecimento da peça até a 
temperatura de austenitização, de modo que ocorra a homogeneização da 
microestrutura, seguida de um resfriamento no ar visando refinar os grãos do 
aço. A têmpera visa aumentar a dureza por meio de um aquecimento até a fase 
austenítica e um resfriamento brusco para formar martensita, esse resfriamento 
pode ser feito em água (mais brusco) ou óleo (menos brusco). 
Tais tratamentos são altamente empregados em ligas comerciais, para 
melhorar características mecânicas para certas aplicações, como dureza e 
ductilidade. 
Nestes ensaios utilizou-se corpos de prova de aço 4340, podendo ser 
temperado em água, óleo, ar ou normalizados, recozidos ou não recozidos, e 
uma amostra em “estado de entrega”. Aqueles que foram temperados a água e 
ao óleo, por terem um rápido resfriamento, devem apresentarmaior dureza 
devido a criação um fase não-estável do aço, a martensita, onde há a presença 
de tensões da microestrutura e, portanto, uma fase muito dura e frágil. Por outro 
lado, os aços normalizados e recozidos devem apresentar menores durezas 
pois, através do recozimento, onde se dá temperatura durante certo tempo, a 
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microestrutura pode se estabilizar, formando fases com menores tensões e 
menores durezas. A dureza esperada do estado de entrega se aproxima das 
durezas das amostras recozidas. 
 
3.3 AÇO 4340 
 
São aços com cerca de 0,4% de Carbono e ligados ao níquel (1,5 - 2,1 
%), cromo (0,6 -1,2 %) e molibdênio (0,15 - 0,30 %), podendo ter alguns 
elementos residuais, como silício. Devido a estes elementos de liga, este aço 
apresenta possibilidade de têmpera e transformação martensítica, uma vez que 
estes aumentam o campo austenítico. 
Tais aços são usados em aplicações que necessitem boa combinação 
entre resistência mecânica e resistência à fratura ou fadiga, como engrenagens, 
eixos e cilindros [5]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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4. MÉTODOS 
 
4.1 TRATAMENTOS TÉRMICOS DAS AMOSTRAS 
 
As amostras receberam diferentes tipos de tratamento. Quatro delas delas 
foram retiradas do forno dos laboratórios da UFSC, no qual estava a cerca de 
850°C de acordo com um termopar e a medida do sistema interno do forno, e 
resfriadas de diferentes formas. Uma foi foi rapidamente resfriada em água. A 
peça permaneceu cerca de 15 segundos na água sendo agitada até ser resfriada 
a menos de 100°C. Com auxílio do Professor Dr. Wanderson, notou-se esse 
resfriamento através da mudança do som que o aço quente fez ao entrar em 
contato com a água. No começo, o som foi similar a um chiasso e quando o 
barulho cessou, a temperatura da peça estava abaixo dos 100°C. Outra foi 
resfriada em óleo, processo esse que demorou cerca de 1 minuto para que 
diminuísse o “chiasso” da peça ao contator o meio refrigerante. Uma terceira 
peça foi resfriada ao ar, sendo que esta foi a que demorou mais tempo para 
esfriar; após cerca de 5 minutos pingou-se uma gota de água na peça e pode-se 
ouvir nitidamente o “chiasso” indicado que a peça ainda estava quente. A quarta 
peça deste grupo foi resfriada dentro do forno desligado. 
Um outro grupo de três amostras passou pelos mesmos processos de 
têmperas, porém foram normalizadas. Nas normalizadas esperou-se uma 
reorganização cristalina bem como uma amostra com durezas mais homogêneas 
que as apenas temperadas, isso porque na normalização o aço é aquecido até 
a temperatura de austenitização até que toda a microestrutura esteja 
homogeneizada e depois resfriado a temperatura ambiente 
 
 
4.2 METALOGRAFIA 
 
As amostras foram preparadas no laboratório de caracterização de 
materiais no centro de blumenau da UFSC. As peças foram primeiramente 
lavadas e lixadas com uma lixa de granulação 120 mesh por aproximadamente 
15 segundos. Em seguida, as amostras foram lavadas e lixadas novamente, 
desta vez com uma lixa de granulação de 220 mesh em uma orientação a 90° 
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dos riscos presentes na amostra. Estes passos foram repetidos com lixas de 
320, 600 e 1200 mesh respectivamente, sempre girando 90° em relação ao 
riscamento anterior. Após o lixamento das amostras, estas foram lavadas com 
álcool e polidas com uma solução de alumina de 0,1%, com partículas de 1 
micrômetro. Depois de polidas as amostras são lavadas e posteriormente 
atacadas com ácido nítrico 2% em etanol. Com estas etapas finalizadas as 
amostras foram analisadas no microscópio óptico. 
 
 
Figura 1 - Politriz utilizada no processo de preparação da amostra. 
 
4.3 TESTE DE DUREZA ROCKWELL A 
 
As amostras citadas acima foram ensaiadas no laboratório de mecânica 
do CEDUP H.H., utilizando a máquina “Rockwell Hardness HR150”. Colocou-se 
uma amostra na máquina de forma que o indentador ficasse logo acima de uma 
região da periferia da peça. Adicionou-se uma pré-carga de 10kgf através de um 
torno, zerou-se a escala da máquina e iniciou-se o teste. A aplicação da carga 
é gradual e feita automaticamente pela máquina. Após 10 segundos do 
estabelecimento da carga de 60 kgf, retirou-se a carga e observou-se no visor 
da máquina o valor obtido. Após isto, deslocou-se a amostra de forma a fazer a 
indentador contatar uma região central da peça. Os procedimentos de aplicação 
de cargas na parte central foram repetidos de igual forma ao citado 
anteriormente. Cada grupo realizou as medidas de igual forma. 
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Figura 2 - Amostra após os testes. 
 
4.4 TESTE DE DUREZA ROCKWELL C 
 
Os procedimentos de ensaios da rockwell C foram feitos de igual forma 
aos procedimentos citados na rockwell A, porém a carga estabelecida é de 150 
kgf. 
 
4.5 TESTE DE DUREZA VICKERS 
 
A amostra foi posicionada na máquina de forma que o indentador 
estivesse na sua periferia, e através de uma rosca elevou-se a amostra de forma 
que o indentador encostasse nela. Em seguida acionou-se a máquina que 
aplicou gradualmente uma carga até que chegasse numa carga de 30 kgf que 
foi mantida por 10 segundos. Após isso desligou-se a máquina, soltou-se a 
amostra e esta foi analisada em um microscópio óptico de 250x de aumento, o 
qual estava embutido na máquina. Na lente havia uma marcação móvel ligada a 
um torno para determinar o comprimento das diagonais. O torno tinha uma 
escala de 1 a 100 onde uma rotação inteira do torno, 360°, equivale a 250 
micrômetros, portanto, cada intervalo equivale a 2,5 micrômetros. O torno é 
girado até a marcação atingir a extremidade da indentação e o comprimento é 
relacionado com a rotação do torno. A amostra é então girada 90° para medir a 
diagonal 2 e fazer uma média das duas posteriormente, e então esse valor é 
aplicado na fórmula citada anteriormente. 
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Esse mesmo procedimento foi realizado no centro da amostra também para 
verificar a diferença do módulo da dureza em regiões diferentes. Do mesmo 
modo, todos aços grupos realizaram estes procedimentos. 
 
 
Figura 3- Máquina onde foram realizados os testes 
 
 
 
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5. RESULTADOS E DISCUSSÃO DE DADOS 
 
A microestrutura obtida para a têmpera do aço 4340 em água foi uma 
martensita, com estruturas de cementita e ferrita presentes. É possível perceber 
também as tensões internas na estrutura da amostra, tanto como os defeitos 
presentes no material. Portanto, as características desse material tratado são de 
grande dureza e fragilidade. 
 
 
Figura 4 – Foto da Microestrutura do Aço 4340 temperado em água. 
 
Na amostra foram encontrados alguns defeitos como pontos de corrosão 
e trincas. 
Para os ensaios de dureza obtivemos resultados para o centro e para a 
borda das amostras de aço 4340. Os dados obtidos podem ser vistos na Tabela 
1 abaixo: 
 
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Tabela 1: Dados obtidos nos ensaios de dureza. 
 
A dureza Vickers como dito anteriormente leva em consideração a 
diagonal da indentação, na amostra temperada em água sem revenimento, a 
região foi medida uma diagonal de 350 µm e na região da borda 325 µm. 
Pelos valores obtidos, ficou claro a diferença de dureza entre a região 
central e da borda. Isto acontece pela diferença da taxa de resfriamento nas 
bordas e no centro. No caso das amostras tratadas termicamentes por processos 
mais bruscos como os temperados onde a taxa de resfriamento é muito alta e 
acontece a formação de martensíta, uma fase com eleveda dureza, nota-se que 
as durezas são mais altas em comparação as amostras com tratamentos 
térmicos de revenimento, normalização e recozimento.Nas periferias das amostras há uma maior troca de calor e, portanto, o 
resfriamento acontece mais bruscamente, ocasionando regiões com estruturas 
mais refinadas e duras, enquanto o centro tem grãos mais grosseiros e menos 
duros. 
O aço 4340 é um aço de elevada temperabilidade e boa forjabilidade, 
porém sua usinagem é relativamente pobre. A dureza na condição temperada 
varia de 54 a 59 HRC. Devido à sua alta temperabilidade, não é aconselhável a 
sua aplicação em soldagem por métodos convencionais, somente em processos 
sofisticados. 
 
 
 
 
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6. CONCLUSÃO 
 
Mediante aos resultados obtidos, mostrou-se o tratamento térmico 
influenciou na medida da dureza do material, isto porque a talguns tratamentos 
térmicos causam uma modificação na microestrutura, produzindo granulações 
diferentes e consequentemente durezas diferentes. A têmpera em água, 
particularmente, gerou uma microestrutura martensítica, pelo resfriamento 
brusco, sendo mais refinada nas bordas do que no centro. 
A diferença de refinamento, ocasionou a diferença na medição entre 
borda e centro apresentadas anteriormente, pois regiões mais refinadas 
apresentam maiores durezas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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7. REFERÊNCIAS 
 
1 – Callister, William D., Fundamentos das ciência e engenharia de matérias: 
uma abordagem integrada; 4ª Edição , 2014. 
2 – Olhar tabela do hallidey integrado pagina 199 (referencia de livro antigo 
ingles: The escruture and proprietas of materiais) 
3 – Norma ASTM E 18 
4 – ASTM E 92 
5 – Influência da Temperatura no Revenimento do Aço SAE 4340: 
http://www.inicepg.univap.br/cd/INIC_2009/anais/arquivos/RE_1108_1409_ 
01.pdf – Acesso 29/04/2017. 
6 - Infosolda: http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/ensaios-
nao-destrutivos-e-mecanicos/212-ensaio-mecanico-dureza.html - Acesso em 
13/04/2017. 
7 - Centro e Informação metal Mecânica (CIMM): 
http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6558-teste-de-dureza-
brinell#.WPQxm6K1vIV. - Acesso em 14/04/2017. 
8 - Engenharia Mecânica UFPR: 
http://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/EngMec_NOTURNO/TM336/dureza%20rock
well.pdf. - Acesso em 13/04/2017. 
9 - Catálogo de aços Gerdau 2003. 
10 - Conselho Regional De Quimíca (SP): 
http://www.crq4.org.br/sms/files/file/apostila_polímeros_0910082013_site.pdf 
- Acesso em 13/04/2017.