Ensaio de Dureza: Conceitos, Aplicações e Métodos

ENSAIO de DUREZA Conceito 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 Interesse do conhecimento da dureza 1Conhecimento da resistência ao desgaste 2Conhecimento aproximado da resistência mecânica resistência a tração através do uso de tabelas de correlação 3Controle de qualidade de tratamentos térmicos Etc Aplicações 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 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 Introdução 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 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 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 Talco 2 Gipsita 3 Calcita 4 Fluorita 5 Apatita 6 Feldspato 7 Quartzo 8 Topázio 9 Safira e corindo 10 Diamante Dureza por Risco Método 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 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 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 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 Ac F HB Dp F HB Dureza Brinell Utilizase 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 DD 2F HB 2 2 Dureza Brinell 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 Dureza Brinell 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 Dureza Brinell 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 observem algumas condições FD2 constante Fator de Carga 03D d 06D Dureza Brinell 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 Carga Dureza Materiais 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 25 até 30 HB Chumbo estanho antimônio e metaispatente Diâmetro da esfera mm F kgf 30 D2 F kgf 10 D2 F kgf 5 D2 F kgf 25 D2 10 3000 1000 500 250 5 750 250 125 625 25 1875 625 3125 15625 Dureza Brinell Tipo de Esfera Aço ou Carboneto de Tungstênio Depende da faixa de dureza do material Assim utilizase 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 Dureza Brinell 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 viceversa rt HB onde é o limite de resistência à tração e é uma constante experimental 360 para aços carbono Dureza Brinell Vantagens 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 Rockwell Em 1922 Rockwell desenvolveu um método de ensaio de dureza que utilizava um sistema de précarga 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 Dureza Rockwell A carga do ensaio é aplicada em etapas primeiro se aplica uma précarga e depois se aplica a carga do ensaio A précarga 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 mantendose entretanto a carga inicial O número de dureza Rockwell é citado com o símbolo HR seguido da escala utilizada Dureza Rockwell 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 r02mm Dureza Rockwell Descrição do Processo 1o passo aproximar a superfície do corpo de prova do penetrador 2o passo submeter o corpo de prova a uma précarga 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 Rockwell Equipamento de Ensaio Podese 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 Rockwell Equipamento 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 utilizase uma pré carga de 10kgf e a carga maior pode ser de 60 100 ou 150 kgf Nos ensaios de dureza Rockwell superficial a précarga é de 3 kgf e a carga maior pode ser de 15 30 ou 45 kgf Dureza Rockwell Escalas 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 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 15875mm 50 a 94 HR 15T Uso em aplicações similares às escalas HRB HRF HRG 30T vermelha 30 esfera aço 15875mm 10 a 84 HR 30T Uso em aplicações similares às escalas HRB HRF HRG 45T vermelha 45 esfera aço 15875mm 10 a 75 HR 45T Uso em aplicações similares às escalas HRB HRF HRG Escala de dureza Rockwell normal e aplicações Escala Cor da escala Carga maior Penetrador Faixa de utilização Campo de aplicação A preta 60 diamante cone 120 20 a 88 HRA Carbonetos folhas de aço com fina camada superficial endurecida C preta 150 diamante cone 120 20 a 70 HRC Aço titânio aços com camada endurecida profunda materiais com HRB100 D preta 100 diamante cone 120 40 a 77 HRD Chapas finas de aço com média camada endurecida B vermelha 100 esfera aço 15875mm 20 a 100 HRB Ligas de cobre aços brandos ligas de alumínio ferro maleável etc E vermelha 100 esfera aço 3175mm 70 a 100 HRE Ferro fundido ligas de alumínio e de magnésio F vermelha 60 esfera aço 15875mm 60 a 100 HRF Ligas de cobre recozidas folhas finas de metais moles G vermelha 150 esfera aço 15875mm 30 a 94 HRG Ferro maleável ligas de cobreníquelzinco e de cobre níquel H vermelha 60 esfera aço 3175mm 80 a 100 HRH Alumínio zinco chumbo K vermelha 150 esfera aço 3175mm 40 a 100 HRK Metais de mancais e outros muito moles ou finos Dureza Rockwell 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 Dureza Rockwell 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 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 Dureza Vickers 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 A HV F Dureza Vickers Aspecto da impressão e posição das medidas Dureza Vickers 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 quilogramaforça kgf e o d corresponde à diagonal média Podese consultar tabelas para determinar as cargas em função da diagonal média 2 sen 136 2 d A 2 2 d HV 18544F 2 d HV F x 2 sen 68 sen 68 2 2 d F HV 2 d 2 d d1 Dureza Vickers 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 Dureza Vickers 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 Dureza Vickers 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 Aplicase a materiais de qualquer espessura e pode também ser usado para medir durezas superficiais Dureza Vickers 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