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DIVERSOS CONCEITOS SOBRE ENSAIOS DE DUREZA

 

A dureza é uma propriedade mecânica cujo conceito está ligado à resistência que um material apresenta ao risco ou à formação de uma marca permanente quando pressionado por outro material ou por marcadores padronizados. Os métodos mais aplicados em engenharia, utilizam-se de penetradores de formato padronizado e que são pressionados na superfície do material sob condições especificas de carga, causando inicialmente deformação elástica e em seguida deformação plástica. A área de marca superficial formada ou sua profundidade é medida e correlacionada com um valor numérico que passa a representar a dureza do material.

A dureza dos materiais depende do tipo de forças de ligação entre átomos, íons ou moléculas e aumenta como a resistência mecânica, com a magnitude destas forças. Assim, os sólidos moleculares como os plásticos são relativamente macios, e os sólidos metálicos e iônicos são mais duros, enquanto os sólidos de ligação covalente são os materiais conhecidos de maior dureza. A dureza dos metais pode também ser aumentada, pela adição de soluto, trabalho frio, endurecimento por precipitação ou tratamentos térmicos específicos. Há uma ligação próxima entre o limite de escoamento de materiais e de sua dureza.
Os ensaios de dureza podem ser classificados em ensaios por penetração, choque ou risco.

 

Ensaios de dureza por risco:

Este tipo de ensaio é de pouca utilização para materiais metálicos mas de maior aplicação no campo da mineralogia. A dureza Mohs é a mais conhecida, e consiste em uma escala de 10 minerais padrões organizados de tal forma que o ultimo deles (diamante) risca de todos os outros, o mineral localizado imediatamente abaixo dele risca os que se seguem (safira) e assim sucessivamente terminando por aquele localizado no ponto 1 da escala, que é o talco. Como esta escala localiza os metais entre seus pontos 4 e 8, ela não permite uma definição adequada da dureza dos metais. A figura apresentada no final deste capítulo, mostra a Escala Mohs comparada com diferentes materiais e as durezas obtidas por outros métodos de ensaio.

Ensaios de dureza por choque:

Este ensaio é um dinâmico cuja impressão na superfície do material é causada pela queda livre de um êmbolo com uma ponta padronizada de diamante. Destes métodos destaca-se a dureza Shore, que se utiliza de uma barra de aço com uma ponto arredondada de diamante colocada dentro de um tubo de vidro com uma escala graduada de 0 a 140. Esta barra é liberada de certa altura padrão e a altura do rebote após o choque com a superfície do material, são assumidos como a dureza do material. O equipamento de dureza Shore é leve e portátil, sendo adequado à determinação de durezas de peças grandes como, por exemplo, cilindro de laminadores. Como a marca superficial deixada pelo ensaio é pequena é também indicada no levantamento da dureza de peças acabadas. A figura abaixo mostra uma correlação entre a dureza Shore e o Limite de Resistência à Tração de alguns aços.

 

Dureza por penetração

Dureza Brinell:

Este ensaio consiste em comprimir uma esfera de aço de diâmetro D, através de uma carga P durante um tempo padronizado (geralmente 30 s), gerando uma calota esférica de diâmetro d, na superfície do material ensaiado. Esta superfície deve ser plana e polida e isenta de impurezas. A figura abaixo mostra uma representação esquemática deste ensaio.

A dureza Brinelli é definida cmo a carga aplicada dividida pela área superficial da marca gerada na superfície do material, ou seja:

 

 

Embora a dureza Brinelli expresse unidades de carga/área, é pratica usual a utilização apenas do número representativo da dureza.
Na maioria os ensaios utiliza-se uma carga de 3000 kgf e uma esfera de aço de 10mm de diâmetro, entretanto para metais mais moles utiliza-se uma carga de 500 kgf para evitar a formação de uma impressão muito profunda. No caso de materiais muito duros, utiliza-se uma esfera de carboneto de tungstênio para evitar deformação na esfera padronizada. Pode-se também utilizar outros valores de carga e diâmetro de esfera desde que mantido o ângulo que o centro da esfera faz com a impressão. Esta condição é atendida para d1/D1 = d2/D2. o que observou-se que ocorre desde que:

P = constante

O diâmetro da impresso formada deve ser medido por meio de microscópio ou lupa graduada e através de duas leituras, sendo uma a 90º da outra. Deve-se observar um afastamento mínimo de 2.5d das bordas do corpo de prova, uma espessura mínima de 10d e uma distancia entre impressões de no mínimo 5d.

Características de ensaio de dureza Brinell

• Para metais de grande capacidade de encruamento pode ocorrer um amassamento das bordas da impressão, e a leitura de um diâmetro maior do que o real (d’ > dr). No caso inverso, metais que tenham sido trabalhados a frio a ponto de apresentarem pequena capacidade de encruamento, pode ocorrer uma aderência do metal à esfera de ensaio com as bordas da calota esférica formada projetando-se ligeiramente para fora da superfície do corpo de prova provocando uma leitura de diâmetro menor que o real (d’ > dr).
• Devido ao tamanho da impressão formada o ensaio pode se considerado destrutivo
• 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, como por exemplo, o ferro-fundido cinzento.
• Não é um ensaio de dureza adequada para caracterizar peças que tenham sofrido tratamentos superficiais, como por exemplo, cementação.

Correlação entre dureza Brinell e limite de resistência à tração convencional

A existência de relações que permitam converter dureza em tensão é extremamente útil em situações onde é necessária uma estimativa da resistência de um material e não se dispõe de uma máquina de ensaio de tração, ou quando a situação for inversa. Existem relações experimentais que, embora não sejam necessariamente precisas, constituem ferramentas úteis, neste sentido. Como por exemplo:
su = a.HB

Onde su é expresso em kgf/mm², e a é uma constante experimental cujos valores para alguns materiais são relacionados abaixo:

Material:

• Aço carbono de baixo teor 0,36
• Aço carbono tratado térmica/e 0,34
• Aços liga tratado térmica/e 0,33
• Latão encruado 0,41
• Latão recozido 0,55
• Cobre reduzido 0,52
• Alumínio e suas ligas 0,40

Para durezas Brinell maiores que 380, a relação não deve ser aplicada pois a dureza passa a crescer mais rapidamente que o limite de resistência à tração. De qualquer forma é importante ressaltar que os valores determinados através da relação acima devem ser considerados apenas valores aproximados.
Estimativa de algumas propriedades metálicas de aços carbono em função de propriedades microconstituintes:

Microconstituintes: Dureza Brinell – HB
Ferrita 80
Perlita grosseira 240
Perlita fina 380

Exemplo:

Estimar a Dureza Brinell e o Limite de Resistência à tração de uma peça de aço ABNT 1020 resfriada ao forno.
Microconstituintes: ferrita + perlita grosseira

Aplicando-se a Regra da Alavanca para a composição 0,2% C no diagrama de equilíbrio FeC, tem-se:

75% de ferrita (a)
25% de perlita (P)

HB aço = % a.HB a – % P. HB P
= 0,75.80 + 0,25.240
HB aço = 120

Limite de Resistência à Tração (su):

su ˜ 0,36.HB
su ˜ 43,2 kgf/mm²

Comparação com valores encontrados em manuais técnicos

HB = 115
su = 41,5 kgf/mm²

Dureza Rockwell:

Este tipo de ensaio de dureza utiliza a profundidade de penetração sob ação de uma carga constante como a medida de dureza. Inicialmente é aplicada uma carga de 10kgf que se imcumbe de eliminar a ação de eventuais defeitos superficiais e de ficar o corpo de prova seguia da aplicação da carga total. A profundidade de penetração é correlacionada pela máquina de ensaio a um número arbitrário cuja leitura é feita diretamente na escala da máquina após a retirada da carga total mantendo-se entretanto, a carga inicial. A dureza Rockwell pode ser classificada como comum ou superficial, sendo esta última indicada para camadas endurecidas de pequena espessura ou lâminas (carga inicial de 3 kgf). Os penetradores padronizados consistem ou de pequenas esferas de aço (a mais utilizada tem diâmetro de 1,59mm) ou cone de diamante com ângulo de 120º e ponta ligeiramente arredondada. A tabela que se segue mostra as características de cada escala Rockwell.

 

 

Determinação da profundidade de penetração no ensaio Rockwell

Penteador de diamante:

p = (100-HR). 0,002 (mm)

Penetrador esférico:

p = (130-HR). 0,002 (mm)

Superficial:

p = (100-HR). 0,001 (mm)

Exemplo: corpo de prova com dureza igual a 65 Rc

p = (100-65).0,002 = 0,07mm

Obs: na realização do ensaio recomenda-se que a espessura do corpo de prova seja no mínimo 10 vezes maior que a profundidade da impressão.

Vantagens do método Rockwell em relação ao Brinell:

• Rapidez de execução
• Isenção de erros pessoais, já que não exige leitura do tamanho da impressão
• Possibilidade de maior utilização para materiais duros.

Dureza Vickers:

É um método semelhante ao ensaio de Dureza Brindell, já que também relaciona na carga aplicada com área superficial da impressão. O penetrador padronizado é uma pirâmide de diamante de base quadrada e com um ângulo de 136º entre faces opostas. Este 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. A figura abaixo mostra um esquema de aplicação do método Vickers.

A forma da impressão é a de um losango regular, cujas diagonais devem ser medidas através do microscópio acoplado à máquina de teste, e a média destas duas medidas utilizadas para a determinação da Dureza Vickers, dada pela expressão:

 

 

Onde:
P: carga aplicada [kgf]
L: média das diagonais medidas [mm]
?: 136º

Na utilização corriqueira do ensaio, a aplicação da relação que calcula VHN é desnecessária já que existem tabelas preparadas para fornecer o valor da Dureza Vickers a partir das diagonais da impressão formada. Para este método de ensaio, a carga pode variar de 1 a 200 kgf, sendo escolhida de tal forma que a impressão gerada no ensaio seja eficientemente nítida para permitir uma boa leitura das diagonais. Como o penetrador é indeformável a dureza obtida independe da carga utilizada, devendo apresentar o mesmo número representativo da dureza se o material for homogêneo.

Características do ensaio de Dureza Vickers:

• Escala contínua de carga
• Impressões extremamente pequenas
• Deformação nula do penetrador
• Escala única de dureza
• Aplicação a um amplo espectro de materiais
• Aplicação a qualquer espessura de corpo de prova
• Exigência de cuidadosa preparação do corpo de prova (polimento eletrolítico)
• Utilização industrial limitada em função da demora do ensaio
• Utilização ampla em pesquisa
• Indicado no levantamento de curvas de profundidade de têmpera e de cementação.

A figura abaixo mostra uma comparação entre tamanhos de impressão das Durezas Brinell e Vickers.



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, a determinação da dureza individual de microconstituintes de uma estrutura metalográfica são alguns exemplos destas situações.

O ensaio de microdureza produz uma impressão microscópica e se utilizam de penetradores de diamante e cargas menores que 1 kgf. A microdureza Vickers utiliza o mesmo procedimento já relatado no item anterior.

Enquanto que a microdureza Knoop utiliza um penetrador de diamante na forma de uma pirâmide alongada que provoca uma impressão na qual a diagonal maior e a diagonal menor apresentam uma relação de 7:1. A profundidade da impressão é cerca de 1/30 da diagonal maior. A microdureza Knoop é calculada por:

HK = P = P = 14,23 P
Lp L²C L²

Onde:
P: carga aplicada [gf]
Ap: área projetada
L: comprimento da diagonal maior [mm]
c: constante do penetrador para relacionar Ap com L

Ao indicar a dureza, o valor calculado deve ser multiplicado por 10³, para compatibilizá-lo com a grandeza das demais durezas que se baseiam em uma relação carga/área. A área da impressão obtida no ensaio Knoop é cerca de 15% da área correspondente ao ensaio Vickers, enquanto que a profundidade da impressão é menor que a metade. O ensaio Knoop permite a determinação da dureza de materiais frágeis como o vidro e de camadas finas como películas de tintas ou camadas eletrodepositadas.

Os ensaios de microdureza requerem uma preparação cuidadosa do corpo de prova sendo recomendável o polimento eletrolítico da superfície de análise e o embutimento da amostra em baquelite.

Hamilton Nunes da Costa
Fonte : Wikipédia – Manual Tratamento Térmico SENAI

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