cap08_-_Ensaios_de_dureza

Prévia do material em texto

DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
CAPÍTULO 8 ENSAIOS DE DUREZA
Distinguir o que está por trás do conceito de dureza não é uma tarefa das mais 
fáceis. Quando um torneiro mecânico afirma que o aço 1045 é mais duro do que o 1020, 
ele está se fundamentando na maior resistência ao corte exibida pelo primeiro em 
relação ao último. Na Fórmula 1, os pneus ditos duros são aqueles que apresentam maior 
resistência do desgaste promovido pelo asfalto. Como será discutido mais adiante, 
podemos também definir dureza como a resistência ao risco de um material por outro, 
sua resistência à penetração, ou ainda, sua resistência à deformação plástica 
localizada.
Uma das pioneiras escalas de dureza é a escala Mohs, criada pelo mineralogista 
alemão Friedrich Mohs. Ela consiste em uma tabela com dez minerais-padrão arranjados 
em ordem crescente de resistência ao risco, conforme a Figura 8.1.
10 – diamante
09 – safira
08 – topázio
07 – quartzo
06 – ortoclásio
05 – apatita
04 – fluorita
03 – calcita
02 – gipsita
01 – talco
Figura 8.1 - Escala Mohs
47
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
Desta forma, o diamante (Mohs 10), material mais duro de que se tem notícia, é 
capaz de riscar todos os outros e, por outro lado, o talco (Mohs 1) é riscado por todos 
eles. Entre estes extremos estão a safira (Mohs 9), o topázio (Mohs 8), o quartzo (Mohs 
7), o ortoclásio (Mohs 6), a apatita (Mohs 5), fluorita (Mohs 4), calcita (Mohs 3) e gipsita 
(Mohs 2). Um material que, por exemplo, seja capaz de riscar o ortoclásio, mas não 
topázio, deve ter dureza Mohs 7, como o quartzo.
Trata-se de uma escala muito utilizada em mineralogia por ser conveniente na 
comparação de materiais com grandes diferenças de dureza. É, porém, pouco útil na 
classificação de ligas metálicas, por exemplo, que costumam exibir dureza na faixa de 4 a 
8 Mohs, já que o método não permite uma medição muito precisa e exibe baixa 
reprodutibilidade. Isto porque a escala é qualitativa, ou seja, os números da mesma são 
meramente uma referência de ordem: o diamante, por exemplo, é, em termos absolutos, 
cerca de 1500 vezes mais duro do que o talco.
Para a maioria dos materiais de interesse nestas disciplinas, são mais adequados 
os ensaios de dureza por penetração, nos quais se avalia a resistência à deformação 
plástica localizada apresentada pela amostra ensaiada. Neste contexto destacam-se a 
escalas Shore, Brinell, Vickers e Rockwell.
O ensaio Shore tem sua origem atrelada ao escleroscópio Shore, um instrumento 
criado no início do século XIX pela Shore Instrument & Mfg. Co. para medir dureza por 
rebote. Como se vê na Figura 8.2, este equipamento é composto por um martelo que, 
abandonado de uma altura fixa, sob ação de seu próprio peso, choca-se com o corpo-de-
prova e, então, retorna. A altura deste rebote, medida no próprio tubo guia graduado, ou 
em uma escala, é o valor de dureza Shore. Ou seja, quanto mais duro o material, maior é 
a altura do rebote, o que é bastante óbvio, pois quanto menor for a energia gasta durante 
a deformação da amostra, maior será a energia cinética resultante para fazer o caminho 
de volta.
Com o passar dos anos, os escleroscópios caíram em desuso, dando lugar ao 
durômetro Shore (Figura 8.3), uma evolução dos primeiros. A medição de dureza, antes 
pautada na altura do rebote e, portanto, na energia potencial gravitacional, foi substituída 
por um sistema de mola, atrelado, pois, à energia potencial elástica. A leitura da dureza é 
feita no relógio da escala.
48
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
Este é o ensaio que melhor se aplica à medição de dureza em polímeros. As 
principais normas que se referem a ele são a ABNT NBR 7456 e a ASTM D2244.
Figura 8.2 - Escleroscópio Shore
No ensaio de dureza Shore, podem ser utilizadas diversas escalas distintas, a 
saber: A, B, C, D, DO, M, O e OO. As mais utilizadas são a escala A, para elastômeros 
macios e polímeros flexíveis de uma maneira geral, e a escala D, para polímeros mais 
rígidos.
49
Figura 8.3 - Durômetro Shore
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
Como pode ser visto na Figura 8.4, há uma variação em relação à ponta do 
penetrador para estas duas escalas. Outro detalhe que as difere é a massa utilizada para 
garantir o contato da base com a amostra: 1 e 5 kg para as escalas Shore A e D, 
respectivamente. Entretanto, a grande diferença entre elas reside na rigidez de cada uma 
das molas, adequada à dureza do grupo de polímeros para o qual é utilizada a escala.
Figura 8.4 - Endentadores Shore A e Shore D
A relação entre a força exercida sobre a mola (F), em gf, e a medição de dureza 
correspondente é dada na Equação 8.1 para a escala Shore A (HA), e na Equação 8.2 
para a escala Shore D (HD).
F=567,66.HA Equação 8.1
F=45,36.HD Equação 8.2
O valor de dureza está obviamente relacionado com a profundidade de 
penetração do endentador na amostra (Δp na Figura 8.4), conforme segue na Equação
8.3, válida para tanto para a escala A quanto para a escala D, para Δp em μm.
50
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
HA=100−p25
HD=100−p
25
Equação 8.3
A norma recomenda que seja empregada a escala Shore D sempre que medições 
de dureza Shore A superiores a 90 forem obtidas. Da mesma maneira, deve-se empregar 
a escala Shore A sempre que medições inferiores a 20 forem obtidas na escala Shore D.
A leitura do valor de dureza deve ser feita após 15 s do início da endentação, já 
que os polímeros exibem um comportamento mecânico viscoplástico. As amostras devem 
ter espessura de, no mínimo, 6 mm e apresentar superfície plana. A dureza corresponderá 
à média do valores obtidos em ao menos cinco endentações, realizadas a mais de 6 mm 
uma da outra e a pelo menos 12 mm da borda da amostra.
Um método muito útil na medição de dureza de metais, especialmente ferros 
fundidos, é o ensaio Brinell. Neste, um penetrador de formato esférico é pressionado 
contra a superfície da amostra utilizando-se uma carga conhecida, e o valor de dureza 
corresponde à razão entre esta carga, em kgf, e a área da calota esférica impressa no 
material, em mm2. O equipamento utilizado para esta medição é o durômetro Brinell e 
Vickers (Figura 8.5).
Figura 8.5 - Durômetro Brinell e Vickers
51
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
Muito embora a impressão seja esférica, sua projeção, visualizada pelo sistema 
óptico do durômetro Brinell, é circular. O diâmetro “d” desta circunferência, calculado a 
partir da média entre duas medições ortogonais entre si, é utilizado no cálculo da área da 
calota impressa, assim como a profundidade de penetração “p” (Figura 8.6). Contudo, é 
possível exprimir a mesma em termos do diâmetro da impressão e do diâmetro do 
endentador (D), de maneira que o valor de dureza Brinell (HB) seja dado pela Equação
8.4, em que “F” é a carga, em kgf, e “D” e “d” estão em mm.
Figura 8.6 - Ensaio Brinell
HB= 2F
 .DD−D2−d2 Equação 8.4
Tabela 8.1 - Dureza Brinell em função do diâmetro da impressão
52
D = 10 mm ; F = 3000 kgf
d (mm) HB d (mm) HB d (mm) HB d (mm) HB d (mm) HB
2,50 601 3,00 415 3,50 302 4,00 229 4,50 179
2,55 578 3,05 401 3,55 293 4,05 223 4,55 174
2,60 555 3,10 388 3,60 285 4,10 217 4,60 170
2,65 534 3,15 375 3,65 277 4,15 212 4,65 167
2,70 514 3,20 363 3,70 269 4,20 207 4,70 163
2,75 495 3,25 352 3,75 262 4,25 201 4,75 159
2,80 477 3,30 341 3,80 255 4,30 197 4,80 156
2,85 461 3,35 331 3,85 248 4,35 192 4,85 152
2,90 444 3,40 321 3,90 241 4,40 187 4,90 149
2,95 429 3,45 311 3,95 235 4,45 183 4,95 146
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
No ensaio inicial, proposto por Johan August Brinell, o materialera submetido a 
uma carga de 3000 kgf por meio de um endentador de aço endurecido de 10 mm de 
diâmetro durante 15 s, fornecendo valores de dureza em função do diâmetro da 
impressão como segue na Tabela 8.1. Embora estes parâmetros de ensaio funcionassem 
bem com os ferros fundidos, algumas adaptações foram necessárias para que esta 
técnica fosse aplicada a outros materiais.
Para metais de elevada dureza, acima de 500 HB, por exemplo, a utilização de 
um penetrador esférico de aço endurecido é pouco conveniente, pois existe o risco de que 
o mesmo se deforme durante a aplicação da carga. Nestes casos, adota-se um 
endentador esférico de carboneto de tungstênio.
Em metais mais moles, por outro lado, a utilização da carga de 3000 kgf produz 
uma impressão exageradamente grande e profunda, o que prejudica a reprodutibilidade 
do ensaio, como será visto adiante. Nestes casos, pode-se optar por cargas menores 
como 1000, 500, 250, 125 kgf, ou menos, conforme necessário. Para o caso de amostras 
menores, endentadores de 5, 2,5 ou 1 mm podem ser empregados, de forma que a 
impressão não fique demasiadamente próxima das bordas da mesma.
Para garantir que a medição de dureza Brinell não seja influenciada pelas 
condições de ensaio (em outras palavras, que amostras de um mesmo material, 
submetidas a diferentes cargas e diâmetros de penetrador, exibam o mesmo valor de 
dureza), é necessário que a Equação 8.5 seja respeitada: deve-se manter a razão entre a 
carga (em kgf) e o quadrado do diâmetro do endentador (em mm2), denominada grau de 
carga (G), constante. A Tabela 8.2 contém graus de carga para certos metais de interesse.
G= F
D2
=constante Equação 8.5
Tabela 8.2 - Graus de carga para certos grupos de materiais metálicos
G (kgf/mm2) aplicações
30 aços, ferros fundidos e ligas de titânio, níquel e cobalto
10 níquel e ligas de alumínio, cobre, magnésio e zinco
5 alumínio, cobre, magnésio e zinco
2,5 ligas de estanho e chumbo
1,25 ligas de estanho e chumbo
53
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
O tempo de aplicação da carga durante o ensaio, originalmente 15 s, pode ser 
estendido para 30 ou 60 s no teste de metais de baixo ponto de fusão, como as ligas de 
chumbo-estanho, casos em que pode ocorrer fluência; portanto, um tempo mais curto 
poderia fornecer informações incorretas sobre a real deformação do material.
As normas que regem este ensaio são a ABNT NBR 6394 e a ASTM E10. A 
principal restrição que elas contemplam diz respeito ao diâmetro da impressão, que deve 
estar restrito ao intervalo disposto na Equação 8.6, ou o ensaio terá sua reprodutibilidade 
comprometida. Ainda, para um correto aproveitamento do sistema óptico de medição, 
deve-se respeitar a Equação 8.7, em que “A” é a ampliação total utilizada. É importante 
também que a diferença entre as medições não exceda 0,06 mm, de maneira que se 
garanta que a impressão não seja ovalada.
0,25D  d  0,50D Equação 8.6
50  A.d 150 Equação 8.7
Em relação ao corpo-de-prova, deve-se garantir planeza e acabamento razoável 
da superfície de medição e, ainda, uma espessura de, pelo menos 17 vezes maior do que 
a profundidade da penetração (“p”, na Figura 8.6). Também deve-se garantir que a 
distância entre as impressões seja de ao menos 6 vezes o diâmetro das mesmas, e que a 
distância até as bordas seja de, no mínimo, 3 vezes.
Muitos trabalhos exibem relações empíricas entre a dureza Brinell e o limite de 
resistência à tração característico do material. Trata-se de uma informação bastante útil, 
visto que, ao contrário do ensaio de tração, não é necessária a confecção de corpos-de-
prova para a realização do ensaio Brinell. Para aços baixo carbono (Equação 8.8), aços-
carbono endurecidos (Equação 8.9), aços-liga endurecidos (Equação 8.10), níquel 
(Equação 8.11), cobre (Equação 8.12), latão (Equação 8.13) e alumínio (Equação 8.14), 
valem as respectivas relações com limites de resistência à tração em MPa.
O ensaio Brinell é o mais recomendado para materiais heterogêneos, como os 
ferros fundidos, por sua impressão abranger uma área maior do que outros testes de 
dureza. Por um lado é uma vantagem, por outro é prejudicial: componentes submetidos 
ao ensaio Brinell podem ser rejeitados em função do tamanho da impressão. Pelo mesmo 
motivo, ele não é recomendado para materiais que sofreram tratamento superficial.
54
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
Sr=3,53.HB Equação 8.8
Sr=3,34.HB Equação 8.9
Sr=3,24.HB Equação 8.10
Sr=4,81.HB Equação 8.11
Sr=5,10.HB Equação 8.12
Sr=5,40.HB Equação 8.13
Sr=3,92.HB Equação 8.14
Desenvolvido pela Vickers-Armstrong Limited, o ensaio Vickers é, 
conceitualmente, bastante semelhante ao ensaio Brinell, tanto que é possível fazer 
medições nas duas escalas utilizando o mesmo o durômetro (Figura 8.5). A principal 
diferença é que a escala Vickers emprega um penetrador de diamante piramidal de base 
quadrada e ângulo de 136 ° entre as faces opostas, ângulo que corresponde à relação 
ideal d = 0,375.D entre os diâmetros da impressão (d) e do penetrador (D) no ensaio 
Brinell, conforme a Figura 8.7.
Embora a impressão característica do ensaio Vickers seja uma superfície 
piramidal, sua projeção, visualizada pelo sistema óptico do durômetro, é um losango 
idealmente regular, ou seja, um quadrado. Assim como a dureza Brinell, a dureza Vickers 
(HV) corresponde à razão entre a carga aplicada (F, em kgf) e a área da superfície 
piramidal impressa, a qual é uma função da média das diagonais da impressão (d, em 
mm) e do ângulo de ponta do endentador, resultando na Equação 8.15.
55
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
Figura 8.7 - Ensaio Vickers
HV=2Fsen136
o/2
d2
=1,8544 F
d2
Equação 8.15
O ensaio Vickers é regulamentado pelas normas ABNT NBR 6672 e ASTM E92, 
que agrupam em três conjuntos as cargas padronizadas utilizadas no ensaio:
• normal: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50 e 100 kgf
• pequena: 0,20, 0,25, 0,30, 0,50, 1,00, 2,00, 2,50, 3,00 e 5,00 kgf
• microcarga: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 50, 100 e 200 gf
As microcargas são empregadas especialmente em ensaios os quais se costuma 
denominar de microdureza, em que a impressão exibe dimensões microscópicas. Estes 
testes são fundamentais na caracterização da profundidade de superfícies temperadas, 
carbonetadas ou nitretadas, bem como na determinação da dureza de materiais frágeis, 
como os cerâmicos, ou no exame de componentes de espessura extremamente fina.
Para o bom aproveitamento do sistema óptico de medição, deve-se respeitar a 
Equação 8.7, como no ensaio Brinell. É importante também que a diferença entre as 
medidas das diagonais não exceda 0,5 % e que a superfície da amostra esteja 
razoavelmente plana e polida.
No caso de testes com materiais sujeitos à fluência, deve-se estender o tempo de 
aplicação da carga para até 30 s. Para outras ligas, mais resistentes, este tempo fica 
mesmo entre 15 e 20 s. Outros cuidados a serem tomados incluem a exigência de uma 
56
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
distância mínima de 2,5 vezes a diagonal da endentação entre as impressões e entre 
cada impressão e as bordas da amostra, que não deve ter espessura inferior a 1,5 vezes 
o valor de “d”.
O ensaio Rockwell, que também leva o nome de seu criador, introduz a principal 
escala de dureza utilizada no ensaio de materiais metálicos, pois elimina o tempo 
necessário à medição das dimensões da impressão, indicando o resultado de forma 
direta. Desta maneira, tem-se um ensaio mais rápido e livre de eventuais erros humanos. 
O equipamento utilizadoé o durômetro Rockwell, que segue na Figura 8.8. As normas 
que regem este ensaio são a ABNT NBR 6671 e ASTM E18.
Figura 8.8 - Durômetro Rockwell
Ao contrário dos ensaios Brinell e Vickers, a dureza Rockwell está associada à 
profundidade de penetração do endentador no corpo de prova, e não à área da 
impressão. Neste teste, é aplicada, primeiramente, uma carga menor (F0), que leva o 
endentador até uma certa profundidade de referência; posteriormente, aplica-se uma 
carga complementar (Fc) para totalizar a carga do ensaio (F), aumentando a profundidade 
atingida; a carga complementar é, então, retirada, e o endentador retorna alguns 
micrometros. A profundidade de penetração (Δp) é dada pela diferença entre esta posição 
final e a profundidade de referência quando da aplicação da carga menor no princípio do 
57
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
ensaio, como pode ser visto na Figura 8.9. A partir desta medida, o valor de dureza é 
dado diretamente no mostrador do durômetro.
Figura 8.9 - Ensaio Rockwell com penetrador cônico
Como visto na Figura 8.9, um dos penetradores utilizados no ensaio Rockwell 
exibe geometria cônica com um ângulo de 120 ° e é feito de diamante. Neste caso, a 
dureza Rockwell (HR) é determinada pela Equação 8.16, desde que a profundidade de 
penetração (Δp) seja dada em μm.
HR=100−p2 Equação 8.16
Outra peculiaridade apresentada pelo ensaio Rockwell é a existência de múltiplas 
escalas, de maneira que a “resolução” da medida é expandida, sendo possível obter 
razoáveis diferenças numéricas mesmo para diferenças sutis de dureza.
Tabela 8.3 - Escalas de dureza Rockwell com penetrador cônico
escala F (kgf) aplicações
HRA 60 aços endurecidos
HRC 150 aços, ferros fundidos, e ligas de titânio
HRD 100 ferros fundidos maleáveis
As principais escalas em que se emprega o penetrador cônico de diamante são 
Rockwell A (HRA) e Rockwell C (HRC), ainda que não sejam raras as aplicações da 
58
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
escala Rockwell D (HRD). O detalhe que as diferencia é a carga total do ensaio, embora a 
carga inicial seja sempre de 10 kgf, de maneira que diferentes grupos de materiais 
possam ser testados com precisão, conforme a Tabela 8.3.
O ensaio Rockwell pode utilizar também penetradores esféricos de aço 
endurecido para medir a dureza de materiais menos duros do que aqueles que costumam 
ser testados com o penetrador cônico de diamante. Como pode ser visto na Figura 8.10, a 
técnica de ensaio é idêntica, mas a relação entre a profundidade de penetração (Δp, em 
μm) e o valor de dureza (HR) é distinta, conforme a Equação 8.9.
Figura 8.10 - Ensaio Rockwell com penetrador esférico
HR=130−p2 Equação 8.17
As principais escalas em que se emprega o penetrador esférico de aço 
endurecido são Rockwell B (HRB) e Rockwell F (HRF), ainda que também sejam 
utilizadas as escalas Rockwell E (HRE), G (HRG) e H (HRH). Novamente, a diferença 
entre as escalas se dá pelo valor da carga total aplicada, adequada para determinadas 
ligas, mas também pelo diâmetro da esfera (D, em in), conforme a Tabela 8.4. Em todas 
elas, a carga inicial é também de 10 kgf.
A leitura de durezas nas quais se emprega o penetrador cônico de diamante deve 
ser feita na escala de cor preta, enquanto a leitura daquelas em que se utilizam as esferas 
de aço endurecido, na escala vermelha. Nos dois caos, as endentações devem ser 
59
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
realizadas a pelo menos 4 mm das bordas da amostra e entre uma e outra.
Tabela 8.4 - Escalas de dureza Rockwell com penetrador esférico
escala F (kgf) D (in) aplicações
HRB 100 1/16 ligas de cobre e alumínio
HRE 100 1/8 ferros fundidos e ligas de alumínio e magnésio
HRF 60 1/16 ligas de cobre recozidas
HRG 150 1/16 ferro fundido maleável e ligas Cu-Ni-Zn
HRH 60 1/8 alumínio, zinco e chumbo
Durômetros Rockwell mais precisos podem ser utilizados para o emprego das 
escalas de dureza Rockwell superficial, que são especialmente adequadas no teste de 
corpos-de-prova de pequena espessura ou de ligas metálicas que foram submetidas a 
algum tratamento superficial.
A relação entre profundidade de penetração (Δp, em μm) e o valor de dureza (HR) 
é distinta daquelas que valem para as escalas Rockwell comum, como exposto na 
Equação 8.18.
HR=100−p Equação 8.18
Tabela 8.5 - Escalas de dureza Rockwell superficial
escala penetrador F (kgf) aplicações
15 N cônico 120 ° 15 aços endurecidos
30 N cônico 120 ° 30 ferros fundidos maleáveis
45 N cônico 120 ° 45 aços, ferros fundidos, e ligas de titânio
15 T esférico 1/16 in 15 ligas de cobre recozidas
30 T esférico 1/16 in 30 ligas de cobre e alumínio
45 T esférico 1/16 in 45 ferro fundido maleável e ligas Cu-Ni-Zn
A denominação das escalas de dureza Rockwell superficial é feita pelo valor da 
carga aplicada (em kgf) seguido de uma letra, que representa o tipo de endentador 
utilizado, por exemplo, “N” para penetrador de diamante cônico de 120 °, e “T” para 
esférico de aço endurecido e 1/16 in de diâmetro. A Tabela 8.5 contém as principais 
60
DEMa/CCET/UFSCar 030708/035823 Capítulo 8
escalas de dureza Rockwell superficial e, como pode ser notado, suas aplicações 
coincidem com algumas das escalas Rockwell comum.
Em todos os ensaios Rockwell comum ou superficial exigem-se razoáveis 
acabamento e planeza da superfície de teste e, ainda, uma amostra de espessura de, no 
mínimo, 10 vezes a profundidade de penetração.
É importante ressaltar que cada ensaio envolve uma técnica distinta e, portanto, 
não é possível converter diretamente um valor de dureza obtido de um determinado teste 
para outro. O mesmo vale para as diversas escalas possíveis no ensaio Rockwell. Só se 
permitem comparar medidas de durezas de diferentes ensaios em se tratando de um 
mesmo grupo de materiais. Para tanto, a norma ASTM E140 contém tabelas de 
conversão de dureza para aços-carbono, aços inoxidáveis, latões, ligas de níquel e 
alumínio.
61
	Capítulo 8 Ensaios de Dureza