Aula 02 - Ensaio de Dureza

ENSAIO de ENSAIO de

DUREZADUREZA

Conceito de DurezaConceito de Dureza

Dureza é a propriedade de um material 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.

Porque fazer o Ensaio de Dureza?Porque 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.

Etc...

AplicaçõesAplicações

Esse ensaio é amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, tratamentos superficiais 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;

Os resultados fornecidos pela medida de dureza devem variar em função de tratamentos sofridos pela peça (tratamentos superficiais, tratamentos térmicos, etc).

Medição de DurezaMedição 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 Aço com maior quantidade de C → maior dureza

IntroduçãoIntrodução

Vantagens Rapidez de execução; Baixo custo dos equipamentos envolvidos.

Métodos de Medição Risco (escala de dureza de MOHS); Rebote (método SHORE); Penetração (BRINNEL, VICKERS, ROCKWELL).

Dureza por Risco Dureza por Risco Dureza MohsDureza 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 o 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.

Dureza por Risco Dureza por Risco Dureza MohsDureza Mohs

Nessa escala, a maioria dos metais se enquadra entre durezas 4 e 8, e pequenas diferenças de dureza não são acusadas por este método, o que não permite uma definição adequada da sua dureza.

A dureza é determinada pela pesquisa de qual mineral da escala padrão o material de teste risca ou não risca.

Escala Mohs (1822)

1 - Talco2 - Gipsita3 - Calcita4 - Fluorita5 - Apatita6 - Feldspato7 - Quartzo8 - Topázio9 - Safira e corindo10 - Diamante

Dureza por Risco Dureza por Risco Método da LimaMétodo da Lima

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 marcar a superfície, o material é considerado mais duro que a lima. Caso contrário, o material é menos duro que a lima.

Dureza por Rebote Dureza por Rebote Dureza ShoreDureza Shore

É um ensaio dinâmico cuja impressão na superfície do material é causada pela queda livre de um êmbolo com uma ponta padronizada de diamante.

O valor da dureza é proporcional à energia de deformação consumida para formar a marca no corpo de prova e representada pela altura alcançada no rebote do êmbolo.

Desta forma, materiais dúcteis irão consumir mais energia na deformação do corpo de prova e o êmbolo

alcançará uma altura menor no retorno,

indicando uma dureza mais baixa.

Dureza por Penetração Dureza por Penetração Dureza BrinellDureza Brinell

O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço temperado ou carboneto de tungstênio, de diâmetro D, sobre uma superfície plana de um metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d.

A dureza Brinell é representada pelas letras HB.

Esta representação vem do inglês Hardness

Brinell, que quer dizer “dureza Brinell”.

Dureza BrinellDureza Brinell

A dureza Brinell (HB) é a relação entre a carga aplicada (F) e a área da calota esférica impressa no material ensaiado (Ac).

A área da calota esférica é dada pela eq. (Ac = π x D x p), onde (p) é a profundidade da calota.

Substituindo Ac pela fórmula para cálculo da

área da calota, temos:

cA

F = HB

Dp

F = HB


Utiliza-se uma relação matemática entre a profundidade (p) e o diâmetro da calota (d) para chegar à fórmula que permite o cálculo da dureza HB, representada a seguir:

onde D é o diâmetro do penetrador, d é o diâmetro da calota e F é a carga aplicada.

)d - D-D(D

2F = HB

22


O diâmetro da impressão formada deve ser medido por meio de microscópio ou lupa graduada e por 2 leituras, uma a 90º da outra, para minimizar erros de leitura e resultados imprecisos.


Existem tabelas que fornecem o valor da dureza Brinell a partir dos diâmetros da impressão formada.

O valor da dureza Brinell é expresso pela utilização apenas do número representativo da dureza, seguido do símbolo HB.

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. Tais parâmetros devem ser adequados ao tamanho, à espessura e a estrutura interna do material do corpo de prova.


O uso de qualquer carga ou diâmetro de esfera não produz, num mesmo material, valores idênticos de dureza. Porém, é possível chegar ao mesmo valor de dureza, desde que se obser-vem algumas condições:

F/D2 = constante (Fator de Carga)

0,3D < d < 0,6D


Para padronizar o ensaio, foram fixados valores de fatores de carga de acordo com a faixa de dureza e o tipo de material.

O quadro mostra os diâmetros de esfera e os valores de carga para cada caso, em função do fator de carga.

Fator de CargaFator de Carga DurezaDureza MateriaisMateriais

30 90 a 415 HB Aços e ferros fundidos

10 30 a 140 HB Cobre, alumínio e suas ligas mais duras

5 15 a 70 HB Ligas antifricção, cobre, alumínio e suas ligas mais moles

2,5 até 30 HB Chumbo, estanho, antimônio e metais-patente

Diâmetro da esfera(mm)

F (kgf) = 30 D2 F (kgf) = 10 D2 F (kgf) = 5 D2 F (kgf) = 2,5 D2

10 3.000 1.000 500 250

5 750 250 125 62,5

2,5 187.5 62,5 31.25 15.625


Tipo de Esfera (Aço ou Carboneto de Tungstênio)

Depende da faixa de dureza do material. Assim, utiliza-se esfera de:

Carboneto de Tungstênio para dureza entre 450 e 650HB; Aço para durezas menores.

Diâmetro da Esfera e da Carga

Dependem da faixa de dureza do material, dimensões da peça, etc.

Quanto maior a esfera, maior é a área abrangida na medida de dureza (mais representativo é o seu valor), importante para materiais com microestrutura heterogênea.


Correlação entre a Dureza Brinell e Resistência à Tração

A dureza Brinell pode ser correlacionada com o limite de resistência a tração de materiais metálicos.

Apesar de tais relações não serem necessariamente precisas, são importantes para uma estimativa da resistência de um material quando não se dispõe de uma máquina de tração, ou vice-versa.

rt= . HB, onde é o limite de resistência à tração e é uma constante experimental.

= 3,60 (para aços carbono)

Dureza BrinellDureza BrinellVantagens e Limitações

Não é recomendado para peças muito finas e para materiais muito duros, ex. aço temperado (metais de dureza ≥ das esferas dos penetradores)

Não é indicado para materiais que tenham sofrido tratamentos superficiais, pois a penetração pode ultrapassar a camada com tratamento e gerar erros nos valores medidos.

É o único ensaio utilizado e aceito para ensaios em metais que não tenham estrutura interna uniforme.

Dureza RockwellDureza Rockwell

Em 1922, Rockwell desenvolveu um método de ensaio de dureza que utilizava um sistema de pré-carga.

O ensaio Rockwell 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.


A carga do ensaio é aplicada em etapas: primeiro se aplica uma pré-carga e depois se aplica a carga do ensaio.

A pré-carga é necessária para eliminar a ação de eventuais defeitos superficiais, ajudar na fixação do corpo de prova no suporte e causar pequena deformação permanente, eliminando erros causados pela deformação elástica.

Para a realização da leitura é retirada a carga total, mas mantendo-se, entretanto a carga inicial. O número de dureza Rockwell é citado com o símbolo HR, seguido da escala utilizada.


A leitura da dureza é feita diretamente no mostrador do equipamento, na escala adequada à dureza do material.

Se utiliza:

Penetrador cônico de diamante, fazer a leitura do resultado na

escala externa do mostrador (de cor preta).

Penetrador esférico, fazer a leitura na escala vermelha.

O valor indicado na escala é o valor da dureza Rockwell.

Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120º de

conicidade e ponta ligeiramente arredondada

r=0,2mm).

Dureza RockwellDureza RockwellDescrição do ProcessoDescrição do Processo

1o passo: aproximar a superfície do corpo de prova do penetrador.

2o passo: submeter o corpo de prova a uma pré-carga (carga menor).

3o passo: aplicar a carga maior até o ponteiro parar

4o passo: retirar a carga maior e fazer a leitura do valor indicado no mostrador, na escala apropriada.

Dureza RockwellDureza RockwellEquipamento de EnsaioEquipamento de Ensaio

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.

Dureza RockwellDureza RockwellEquipamento de EnsaioEquipamento de Ensaio

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 10kgf 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.

Dureza RockwellDureza RockwellEscalasEscalas

Estas escalas não têm relação entre si.

Por isso, não faz sentido comparar a dureza de materiais submetidos a ensaio de dureza Rockwell utilizando escalas diferentes. Ou seja, um material ensaiado numa escala só pode ser comparado a outro material ensaiado na mesma escala.

O quadro a seguir mostra as escalas mais utilizadas nos processos industriais.

Dureza Rockwell (Escalas)Dureza Rockwell (Escalas)

Escala de dureza Rockwell superficial e aplicações

Escala Cor da escala Carga maior Penetrador Faixa de utilização Campo de aplicação

15N preta 15 diamante cone 120º 65 a 90 HR 15N Uso em aplicações similares às escalas HRC, HRA, HRD

30N preta 30 diamante 40 a 80 HR 30N Uso em aplicações similares às escalas HRC, HRA, HRD

45N preta 45 diamante 35 a 70 HR 45N Uso em aplicações similares às escalas HRC, HRA, HRD

15T vermelha 15 esfera aço 1,5875mm 50 a 94 HR 15T Uso em aplicações similares às escalas HRB, HRF, HRG



Escala de dureza Rockwell normal e aplicações

Escala Cor da escala Carga maior PenetradorFaixa

de utilizaçãoCampo de aplicação

A preta 60diamantecone 120°

20 a 88 HRACarbonetos, folhas de aço com fina camada superficial endurecida

C preta 150diamantecone 120°

20 a 70 HRCAço, titânio, aços com camada endurecida profunda, materiais com HRB>100

D preta 100diamantecone 120°

40 a 77 HRD Chapas finas de aço com média camada endurecida

B vermelha 100esfera aço1,5875mm

20 a 100 HRBLigas de cobre, aços brandos, ligas de alumínio, ferro maleável etc.

E vermelha 100esfera aço3,175mm

70 a 100 HRE Ferro fundido, ligas de alumínio e de magnésio

F vermelha 60esfera aço1,5875mm

60 a 100 HRF Ligas de cobre recozidas, folhas finas de metais moles

G vermelha 150esfera aço1,5875mm

30 a 94 HRGFerro maleável, ligas de cobre-níquel-zinco e de cobre-níquel

H vermelha 60esfera aço3,175mm

80 a 100 HRH Alumínio, zinco, chumbo

K vermelha 150esfera aço3,175mm

40 a 100 HRK Metais de mancais e outros muito moles ou finos


O número de dureza Rockwell deve ser seguido pelo símbolo HR, com um sufixo que indique a escala utilizada.

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.


Vantagens e Limitações As escalas não têm relação entre si, por isso, não se

pode comparar a dureza de materiais submetidos a ensaio de dureza Rockwell utilizando escalas diferentes.

O resultado de dureza no ensaio Rockwell não tem relação com o valor de resistência à tração, como no ensaio Brinell.

Rapidez de execução. Maior exatidão e isenção de erros. Possibilidade de maior utilização para materiais duros. Pequeno tamanho de impressão (não destrutivo).

Dureza VickersDureza Vickers

Método semelhante ao ensaio de dureza Brinell, uma vez que relaciona a carga aplicada com a área superficial da impressão.

Recebeu o nome Vickers devido a Companhia Vickers-Armstrong Ltda. que fabricou as máquinas para operar esse tipo de dureza, sendo o método desenvolvido em 1925.

A dureza Vickers se baseia na resistência que o material oferece à penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma determinada carga.


O valor de dureza Vickers (HV) é o quociente da carga aplicada (F) pela área de impressão (A) deixada no corpo ensaiado.

A máquina que faz o ensaio Vickers não fornece o valor da área de impressão da pirâmide, mas permite obter, por meio de um microscópio acoplado, as medidas das diagonais (d1 e d2) formadas pelos vértices opostos da base da pirâmide.

AF

=HV



Conhecendo as medidas das diagonais, é possível calcular a área da pirâmide de base quadrada (A), utilizando a fórmula:

Voltando à fórmula para cálculo da HV, e substituindo A pela fórmula acima, temos:

Na fórmula anterior, a força deve ser expressa em quilograma-força (kgf) e o “d” corresponde à diagonal média:

Pode-se consultar tabelas para determinar as cargas em função da diagonal média.

2

136 sen 2

d =A

2

2d

1,8544F =HV

2d

68 sen 2 x F =HV

68 sen 2

2d

F =HV

2

d + 21dd


Representação do Resultado do Ensaio

A dureza Vickers é representada pelo valor de dureza, seguido do símbolo HV e de um número que indica o valor da carga aplicada.

Por exemplo: A representação 440 HV 30 indica que o valor da dureza Vickers é 440 e que a carga aplicada foi de 30 kgf.


Cargas Usadas

Neste método, ao contrário do que ocorre no Brinell, as cargas podem ser de qualquer valor, pois as impressões são sempre proporcionais à carga, para um mesmo material.

Deste modo, o valor de dureza será o mesmo, independente da carga utilizada.

Por uma questão de padronização, as cargas recomendadas são: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf.


Vantagens e Limitações Escala contínua de dureza, medindo todas as gamas de

valores de dureza numa única escala.

Impressões extremamente pequenas e não inutilizam as peças, mesmo as acabadas.

O penetrador, por ser de diamante, é praticamente indeformável.

Aplica-se a materiais de qualquer espessura, e pode também ser usado para medir durezas superficiais.


Vantagens e Limitações Cuidados especiais para evitar erros de medida ou de

aplicação de carga, que alteram muito os valores reais de dureza.

Preparação do corpo de prova para evitar o encruamento superficial.

Ensaio com relativa demora o que limitada sua utilização industrial.

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