Ensaios de Dureza

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Conceito do Dureza
Dureza é a propriedade de um material (no estado
sólido) que permite a ele resistir à deformação plástica,
usualmente por penetração.
Dureza expressa sua resistência a deformações
permanentes e está diretamente relacionada com a
força de ligação dos átomos.
O termo dureza também pode ser associado à
resistência à flexão, risco, abrasão ou corte.
Por que fazer o Ensaio de Dureza?
Interesse do conhecimento da dureza
1. Conhecimento da resistência ao desgaste;
2. Conhecimento aproximado da resistência mecânica
(resistência a tração) através do uso de tabelas de correlação;
3 .Controle de qualidade de tratamentos térmicos;
4. Controle de qualidade em processos de conformação plástica
e em processos de ligação.
Aplicações
Esse ensaio é amplamente utilizado na indústria de
componentes mecânicos, tratamentos superficiais, vidros, e
laminados devido à vantagem de fornecer dados quantitativos
das características de resistência à deformação permanente
das peças produzidas.
É utilizado como um ensaio para o controle das especificações
da entrada de matéria prima e durante as etapas de fabricação
de componentes;
Deve-se observar que os resultados fornecidos pela medida de
dureza devem variar em função de tratamentos sofridos pela
peça ( tratamentos termoquímicos, tratamento térmicos, etc.).
Medição de Dureza
A dureza não é uma propriedade intrínseca do material, ditada
por definições precisas em termos de unidades fundamentais
de massa, comprimento e tempo.
Um valor da propriedade de dureza é o resultado de um
procedimento específico de medição.
Durômetro
Medição de Dureza
Nos materiais metálicos, a dureza pode ser alterada por
tratamentos térmicos especiais, adição de solutos
(elementos químicos), trabalho mecânico a frio
(encruamento), tratamentos térmicos específicos.
Aço temperado → maior dureza
Aço encruado maior dureza → maior dureza
Aço com maior quantidade de C → maior dureza
Introdução
Vantagens
Rapidez de execução;
Baixo custo dos equipamentos envolvidos.
Métodos de medição
Risco (escala de dureza de MOHS);
Ressalto (método SHORE);
Penetração (BRINNEL, VICKERS, ROCKWELL).
Ensaio de Dureza
Consiste na impressão de uma pequena marca
(endentação), feita na superfície da peça, pela aplicação
de pressão com uma ponta de penetração (endentador);
A medida da dureza do material ou da dureza superficial é
dada como função das características da marca de
impressão, e da carga aplicada em cada tipo de ensaio de
dureza realizado.
Métodos de Dureza
Para materiais mais 'moles' como borrachas e plásticos, a
dureza é usualmente determinada por choque, onde um
instrumento causa impacto sobre a superfície do
material. Parte da energia do choque é usada para a
medida da dureza.
Por razões práticas e de calibração, cada um dos métodos
é divido em campos de escala, definidos por uma
combinação de carga aplicada e geometria do endentado.
Métodos de Dureza
Os métodos de medição de dureza mais utilizados são
Teste de Dureza Rockwell
Teste de Dureza Superficial Rockwell
Teste de Dureza Brinell
Teste de Dureza Vickers
Teste de Microdureza(Knoop/Vickers)
Teste de Dureza Mohs
Teste do Escleroscópio -Escala Shore- Durômetro
Métodos de Dureza
Dureza por risco (dureza Mohs)
Esse tipo de dureza é pouco utilizado para materiais metálicos,
sendo sua maior utilização na área de mineralogia.
Entre os ensaios por risco a dureza Mohs é a mais conhecido e
consiste numa escala de 10 minerais padrões, onde o mais
duro é o diamante e risca todos os demais minerais.
O mais mole (dureza 1) é o silicato de magnésio (talco), este
não tem condições de riscar nenhum material.
Métodos de Dureza
Os intervalos da escala não são de mesmo
valor, isto é, o intervalo entre 9 e 10 é
muito maior do que entre 1 e 2. A dureza
é determinada pela pesquisa de qual
mineral da escala padrão o material de
teste risca ou não risca. A dureza do
material de teste fica entre os dois pontos
da escala, sendo o primeiro o mineral
riscado pelo material de teste e o segundo
o mineral não arranhado pelo material de
teste.
Métodos de Dureza
Métodos similares de avaliação de dureza relativa são
ainda utilizados atualmente. Um exemplo é o teste da
lima, onde uma lima temperada numa dureza desejada é
friccionada na superfície do material a testar.
Se a lima desliza sem morder ou marcar a superfície, o
material é considerado mais duro que a lima. Caso
contrário, o material é menos duro que a lima.
Métodos de Dureza
Dureza por rebote (Shore)
O equipamento de dureza Shore é leve e portátil, sendo
adequado à determinação de dureza de peças grandes.
Ex.: borrachas, polímeros, elastômeros e para ensaios em
campo.
Métodos de Dureza
Entre as precauções que devem ser tomadas para a
realização do ensaio, é importante que a superfície do
material esteja limpa e lisa, e que o aparelho esteja na
posição vertical e perpendicular a superfície.
Esse ensaio é indicado para materiais macios como
borracha. Pode ser utilizado para peças como aço
temperado, aços cementados e outros materiais de alta
dureza, porém a confiabilidade é baixa.
Métodos de Dureza
O método mais comum de obtenção do valor de
dureza é medir a profundidade ou área deixada por
um instrumento de endentação de formato específico
sobre o material, usando-se para tal uma força
definida, aplicada durante um tempo específico.
Esse tipo de ensaio é denominado dureza por
penetração.
Métodos de Dureza
Dureza por penetração
Para os metais, é uma medida da resistência do material à
deformação plástica localizada.
Neste tipo de dureza, um pequeno endentador é forçado contra a
superfície do material a ser testado, sob condições controladas
de carga e taxa de carregamento.
A profundidade ou tamanho da endentação resultante é medida,
que é então relacionada a um número de dureza; quanto mais
macio o material, mais larga ou mais profunda é a endentação, e
menor o número de dureza.
Ensaio Brinell
Descrição
O método de teste de dureza Brinell consiste em endentar o
material com uma esfera de aço endurecido ou metal duro
com 10 mm de diâmetro com uma carga de 3000 kg.
Para materiais mais moles a carga pode ser reduzida para 1500
kg ou 500 kg para reduzir endentação excessiva.
A carga total é normalmente aplicada por 10 ou 15 segundos
no caso de ferro fundido ou aço, e pelo menos durante 30
segundos para outros metais.
Ensaio Brinell
Endentador:
CW (carboneto de
tungstênio)
Ensaio Brinell
Ensaio Brinell
Onde D é o diâmetro da esfera e Di é o diâmetro da impressão, ou da
endentação.
O diâmetro da impressão é a média de duas leituras tomadas em ângulo
reto, porém na utilização do ensaio a aplicação da relação que calcula o
valor da dureza é desnecessária, já que existem tabelas preparadas para
fornecer o mesmo a partir dos diâmetros da impressão formada.
Ensaio Brinell
É prática usual (ASTM E10-93) utilizar as denotações HB – no caso de esfera
de aço e HBw – no caso de carboneto de tungstênio, sendo que a escolha
depende da faixa de dureza do material a submetido a ensaio.
O tempo de aplicação da carga é da ordem de 10 a 15 segundos. Tanto a
carga quanto o diâmetro da esfera dependem do material, devendo tais
parâmetros serem adequados ao tamanho, espessura e estrutura interna
do CP.
Na prática, utilizam-se com maior freqüência esferas com diâmetro de 10
mm (aços em geral).
Endentação (mm)
Ferros fundidos: 30
Aços em geral: 10
Ligas de Cu e Al: 5
Ligas de Pb e Sn:2.5
Ensaio Brinell
Exemplo de microestruturas de materiais típicos utilizados para
ensaio HB.
Ensaio Brinell
Na maioria dos ensaios (materiais com valores de dureza
Brinell até 450 HB), utiliza-se uma carga de 3000 Kgf).
Entretanto, para metais mais moles utilizam-se cargas de 1500
Kgf ou 500 Kgf, para evitar a formação de uma impressão
muito profunda.
Já no caso de materiais muito duros (dureza entre 450 e 650
HB) utiliza-se esfera de carboneto de tungstênio para evitar
deformação na esfera padronizada.
Ensaio Brinell
O diâmetro da impressão formadadeve ser medido por meio
de microscópio ou lupa graduada e por duas leituras, sendo
uma a 90° da outra, visando minimizar leituras errôneas e
resultados imprecisos.
Endentação
Os equipamentos atuais, em geral,
são microprocessados e eliminam o
passo da leitura da endentação,
apresentando o resultado final em
display.
Ensaio Brinell
Para se evitar danos ao equipamento e garantir resultados adequados,
deve-se sempre observar sistemas de fixação e apoio das peças, garantindo
que o endentação penetre perpendicularmente na superfície da peça sem
que esta sofra movimentos ou deslocamentos durante a penetração.
Ensaio Brinell
A norma brasileira para a realização do ensaio é a NBR 6394 e a
norma internacional de maior utilização no país é a ASTM E10-93.
Devido ao tamanho da impressão formada, o ensaio pode ser
considerado destrutivo.
O penetrador deve ser polido e isento de defeitos na superfície, e a
superfície do CP deve estar liso e isento de substâncias como óxidos,
carepas, sujeiras, óleos e DEVE ESTAR PLANA (bem apoiada sobre o
suporte).
Ensaio Brinell
Como a impressão formada abrange uma área maior do que as
dos outros ensaios de dureza, é a única indicada para
materiais com estrutura interna não-uniforme (ferro fundido
cinzento). Por outro lado, o grande tamanho da impressão
pode impedir o uso desse teste com peças pequenas.
Não é um ensaio de dureza adequado para caracterizar peças
que tenham sofrido tratamentos térmicos superficiais
(cementação), pois a penetração pode ultrapassar a camada
cementada, e gerar erros nos valores obtidos.
Ensaio Brinell
Vantagens e Desvantagens
Comparada a outros métodos, a esfera do teste Brinell provoca a
endentação mais profunda e mais larga.
Com isto a dureza medida no teste abrange uma porção maior de
material, resultando numa média de medição mais precisa, tendo
em conta possíveis estruturas policristalinas e heterogeneidades do
material.
Este método é o melhor para a medição da dureza macro-dureza de
um material, especialmente para materiais com estruturas
heterogêneas.
Ensaio Brinell
Correlação entre dureza Brinell e limite de resistência à tração convencional
A existência de relações que permitam
converter dureza em tensão é útil em
situações onde é necessária uma estimativa
da resistência de um material e não se dispõe
de uma maquina de ensaio de tração.
Existem relações experimentais que, embora
não sejam necessariamente precisas,
constituem ferramentas úteis nesse sentido,
como a relação entre dureza Brinell e o limite
de resistência a tração:
α = 3,60 (para aços ao carbono)
Ensaio Vickers
Descrição
É um método semelhante ao ensaio de
dureza Brinell, já que relaciona carga
aplicada com a área superficial da
impressão.
O penetrador padronizado é uma pirâmide
de diamante de base quadrada e com
ângulo de 136° entre faces opostas.
Esse ângulo foi escolhido em função de sua
proximidade com o ângulo formado no
ensaio Brinell entre duas linhas tangentes
às bordas da impressão e que partem do
fundo desta impressão.
Ensaio Vickers
Descrição
A carga plena é aplicada normalmente
durante um tempo de 10 a 15 segundos.
As duas diagonais da endentação
deixadas na superfície do material depois
da remoção da carga são medidas
usando-se uma régua acoplada ao
duromêtro ou um microscópio.
Ensaio Vickers
Ensaio Vickers
A escolha da carga aplicada depende da maquina.
Sempre se busca uma carga que possa fornecer uma
endentação suficiente para que se tenha uma boa leitura da
mesma.
Pode-se utilizar do mínimo até o máximo que a máquina pode
oferecer.
O mais comum é utilizar uma carga de 30 Kgf para aços, pois
essa é uma carga que, geralmente, obtêm-se boas leituras de
endentações.
Ensaio Vickers
Onde:
F = é a carga em Kgf
d = é a medida aritmética entre duas diagonais, d1 e d2 em mm
HV = é a dureza Vickers
Ensaio Vickers
Calculada a média das diagonais da endentação, a dureza
Vickers pode ser calculada pela fórmula anterior.
O uso de tabelas de cálculo também é comum. A dureza
Vickers deve ser representada na seguinte forma: 400HV/30.
O formato significa que foi obtido um valor de dureza de 400
através do método Vickers (HV), usando uma carga de 30 kgf.
Ensaio Vickers
Como o penetrador é
indeformável, a dureza obtida
independe da carga utilizada,
devendo apresentar o mesmo
número representativo da
dureza.
A designação da dureza é
formada pelo valor da dureza
seguida pelo símbolo HV.
Ensaio Vickers
Comparação entre tamanhos de impressões das durezas
Vickers e Brinell.
Microdureza
Microdureza
Em algumas situações práticas ocorre a necessidade da
determinação da dureza de pequenas áreas do corpo-de-
prova.
A medida do gradiente de dureza que se verifica em
superfícies cementadas e tratadas termicamente (têmpera por
indução), a determinação da dureza individual de
microconstituintes de uma estrutura metalográfica, são alguns
exemplos destas situações.
Microdureza
O ensaio produz uma
impressão microscópica
e se utiliza de
penetradores de
diamante e cargas
menos que 1 kgf.
Existem dois métodos de
medida de microdureza:
– Knoop
– Vickers
Microdureza
A microdureza Vickers utiliza o mesmo procedimento descrito
anteriormente, enquanto que a microdureza Knoop utiliza um
penetrador de diamante na forma de uma pirâmide alongada,
que provoca uma impressão onde a diagonal maior e a diagonal
menor apresentam uma relação de 7:1.
Microdureza
Impressões feitas cruzando uma camada
temperada (endurecida) em uma amostra de
aço.
Impressões Vickers em
cobre infiltrado em um
aço que sofreu processo
de sinterização por
metalurgia do pó.
Impressões Knoop em camadas de Ni, Cu e no
metal base (aço), respectivamente, de cima para
baixo.
Microdureza
A área da impressão obtida no ensaio Knoop é cerca de 15% da área
correspondente no ensaio Vickers, enquanto que a profundidade da
impressão é menor que a metade.
O ensaio Knoop permite a determinação de dureza de materiais
muito frágeis como vidro, e de camadas finas como películas de
tinta ou camadas eletrodepositadas.
Os ensaios de microdureza requerem uma preparação cuidadosa do
CP, sendo recomendável o polimento com pano de 1 µm e
embutimento da amostra em baquelite.
Microdureza
Endentação em ferro fundido nodular,
162 HV (fase clara – ferrita), 325 HV
(fase escura – perlita).
Endentação em aço, 1060 HV (fase clara –
carboneto de cromo), 588 HV (fase
escura – perlita).
Microdureza
Liga de AL-Si Hipoeutético.
Fase clara (rica em Al).
Fase escura (Eutético).
Liga de Al-Si Hipereutético.
Fase clara (rica em Si). Fase
escura (Eutético) – Destaque
a rachadura do bloco de Si
após endentação.
Ensaio Vickers
Vantagens
É aplicável a todos os materiais metálicos, de qualquer dureza, muito
finos, pequenos e irregulares;
É indicado para o levantamento de curvas de profundidade de
tratamentos superficiais como tempera e cementação;
A escala de dureza é contínua;
As impressões deixadas no material são extremamente pequenas;
A deformação do penetrador é nula;
Oferece grande precisão de medidas.
Desvantagens
Regulação de velocidade mais crítica (mais demorado);
Superfície muito mais cuidada (maiores ampliações);
Ensaio globalmente menos econômico.
Ensaio Rockwell
Conceito
O ensaio Rockwell, que leva o nome do seu criador, é hoje o
processo mais utilizado no mundo inteiro, devido à rapidez e à
facilidade de execução, isenção de erros humanos, facilidade em
detectar pequenas diferenças de durezas e pequeno tamanho da
impressão.
Esse tipo de ensaio de dureza utiliza-se da profundidade da
impressão causada por um penetrador sob a ação de uma carga,
como indicador da medida de dureza, e não há relação com a área
da impressão, como no caso da Brinell.
Ensaio Rockwell
A dureza Rockwell pode ser classificada como comum ou superficial,
dependendo do penetrador e da pré-carga e cargas aplicadas.
Os mais utilizados são o Rockwell A e C (aços temperados).
Ensaio Rockwell
Descrição
Neste método, a carga do ensaio é
aplicada em etapas, ou seja, primeiro
se aplica uma pré-carga,para garantir
um contato firme entre o penetrador e
o material ensaiado, e depois aplica-se
a carga do ensaio propriamente dita.
A leitura do grau de dureza é feita
diretamente num mostrador acoplado
à máquina de ensaio, de acordo com
uma escala predeterminada, adequada
à faixa de dureza do material.
Ensaio Rockwell
Descrição
Ainda com a pré-carga aplicada, uma segunda carga é introduzida,
aumentando a penetração.
Atingido novamente o equilíbrio a carga é removida, mantendo-se a
pré-carga.
A remoção da carga provoca uma recuperação parcial, reduzindo a
profundidade da penetração.
O aumento permanente na profundidade da penetração resultante
da aplicação e remoção da carga é usado para calcular o valor da
dureza Rockwell.
Ensaio Rockwell
Descrição
Ensaio Rockwell
Quando se utiliza o penetrador cônico
de diamante, deve-se fazer a leitura
do resultado na escala externa do
mostrador, de cor preta.
Ao se usar o penetrador esférico, faz-
se a leitura do resultado na escala
vermelha.
Nos equipamentos com mostrador
digital, uma vez fixada a escala a ser
usada, o valor é dado diretamente na
escala determinada.
Ensaio Rockwell
O penetrador tanto pode ser um diamante esferocônico com ângulo
de 120° e ponta ligeiramente arredondada, como uma esfera de aço
endurecido, geralmente de diâmetro 1,59 mm.
Utilizam-se pré-carga de 10 Kgf e força total de 60 Kgf, 100 Kgf e 150
Kgf.
A aplicação da pré-carga é necessária para eliminar a ação de
eventuais defeitos superficiais, ajudar na fixação do CP no suporte,
além de causar pequena deformação permanente, eliminando erros
devido à deformação elástica.
Ensaio Rockwell
O valor indicado na escala do mostrador é o valor da dureza
Rockwell.
Este valor corresponde à profundidade alcançada pelo
penetrador, subtraídas a recuperação elástica do material,
após a retirada da carga maior, e a profundidade decorrente
da aplicação da pré-carga.
Em outras palavras: a profundidade da impressão produzida
pela carga maior é a base de medida do ensaio Rockwell.
Ensaio Rockwell
A seguir a representação esquemática da profundidade produzida
por um penetrador cônico de diamante.
Ensaio Rockwell
Conclusão:
A escala do mostrador é construída de tal modo que
uma impressão profunda corresponde a um valor
baixo na escala e uma impressão rasa corresponde
a um valor alto na escala.
Desse modo, um valor alto na escala indica que se
trata de um material de alta dureza.
Ensaio Rockwell
Equipamento para Ensaio de Dureza Rockwell
Pode-se realizar o ensaio de dureza Rockwell em dois tipos
de máquinas, ambas com a mesma técnica de operação, que
diferem apenas pela precisão de seus componentes.
A máquina padrão mede a dureza Rockwell normal e é
indicada para avaliação de dureza em geral.
A máquina mais precisa mede a dureza Rockwell superficial,
e é indicada para avaliação de dureza em folhas finas ou
lâminas, ou camadas superficiais de materiais.
Na máquina Rockwell normal, cada divisão da escala equivale
a 0,02 mm; na máquina Rockwell superficial, cada divisão
equivale a 0,01 mm.
Ensaio Rockwell
As escalas de dureza Rockwell foram determinadas em função
do tipo de penetrador e do valor da carga maior.
Nos ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma pré-
carga de 10 kgf e a carga maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf.
Nos ensaios de dureza Rockwell superficial a pré-carga é de 3
kgf e a carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf.
Ensaio Rockwell
Ensaio Rockwell
Ensaio Rockwell
Ensaio Rockwell
O número de dureza Rockwell deve ser seguido pelo símbolo
HR, com um sufixo que indique a escala utilizada.
Veja, por exemplo, a interpretação do resultado 64HRC:
 64 é o valor de dureza obtido no ensaio;
 HR indica que se trata de ensaio de dureza Rockwell;
 a última letra, no exemplo C, indica qual a escala empregada.
Ensaio Rockwell
Vantagens do método Rockwell em relação ao Brinell
Rapidez na execução;
Maior exatidão e isenção de erros pessoais, já que não exige
leitura do tamanho da impressão;
Possibilidade de maior utilização para materiais duros;
Pequeno tamanho de impressão (os componentes podem ser
testados sem causar danos).