Material para Produção Industrial Ensaio de Dureza

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1 Material para Produção Industrial Ensaio de Dureza Prof.: Sidney Melo 8 Período 1

2 O que é Dureza Dureza é a propriedade de um material que permite a ele resistir à deformação plástica, usualmente por penetração. O termo dureza também pode ser associado à resistência à flexão, risco, abrasão ou corte. 2

3 Medição da 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. 3

4 Originalmente a avaliação da dureza de um material estava associada a sua resistência ao risco ou corte. Como exemplo ilustrativo pode-se tomar um material B que risca o material C mas não risca o material A. Alternativamente, o material A risca o material B levemente e risca fortemente o material C. A dureza relativa de minerais pode ser avaliada em referência a escala Mohs ( a escala mais antiga que se tem conhecimento- 1822), que classifica a habilidade de um material em resistir a riscos provocados por outro material. 4

5 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. 5

6 Princípios usados atualmente para medição da Dureza Os testes de dureza relativa são limitados e não fornecem escalas ou dados numéricos precisos para os metais e materiais mais modernos. 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. É a determinação da dureza por penetração. 6

7 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. Os principais métodos padronizados de medição são: Brinell, Vickers, e Rockwell. 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. 7

8 Os métodos de medição de dureza mais utilizados são listados abaixo. 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 8

9 Teste de Dureza Rockwell 9

10 O teste de dureza Rockwell consiste em endentar o material sob teste com um cone de diamante ou endentador de esfera de aço endurecido. O endentador é pressionado contra a superfície do corpo de prova com uma pré-carga F0, usualmente de 10kgf. Quando o equilíbrio é atingido, um dispositivo indicativo que segue os movimentos do endentador e responde às variações da profundidade de penetração é ajustado para a posição zero. 10

11 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. 11

12 Fonte: 12

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15 onde, e = aumento permanente da profundidade de penetração devido à carga maior F1 medido em unidades de 0,002 mm E = constante que depende do formato do endentador: 100 para endentador de diamante, 130 para endentador de esfera de aço HR = valor da dureza Rockwell F0 = pré-carga em kgf F1= carga em kgf F = carga total em kgf 15

16 Escalas de dureza Rockwel Existem várias escalas de dureza Rockwell, estabelecidas de acordo com os tipos de material a testar. Abaixo são mostradas as características de cada uma das referidas escalas, para pré-carga Fo de 10 kgf. 16

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18 Cuidados especiais As peças do material testado devem estar limpas e a área da região do ponto de medida deve ser lisa. Vantagens e Desvantagens As Vantagens do teste Rockwell incluem a medida direta do valor da dureza e a rapidez do teste. Além disto o teste não é destrutivo, isto é, em geral a peça pode ser utilizada depois da medida. Entre as desvantagens estão a multiplicidade de escalas não relacionadas e os possíveis efeitos da mesa usada para suporte do corpo de prova (experimente colocar uma folha de papel fino sob um bloco de teste e observe o efeito na medição da dureza). Os testes de Vickers e Brinell não são sensíveis a este efeito. 18

19 Principais Normas para o teste ABNT NBRNM146-1 (1998) Materiais metálicos - Dureza Rockwell - Medição da dureza Rockwell (escalas A, B, C, D, E, F, G, H e K) e Rockwell superfícial (escalas 15N, 30N, 45N, 15T, 30 T e 45 T) e calibração de equipamento ASTM E18-05e1 Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials 19

20 ISO ISO :1999Metallic materials - Rockwell hardness test - Part 1: Test method (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) ISO :1999Metallic materials -Rockwell hardness test - Part 2: Verification and calibration of testing machines (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) ISO :1999Metallic materials -Rockwell hardness test - Part 3: Calibration of reference blocks (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) ISO and 2:1982Hardmetals -Rockwell hardness test (scale A) -Part 1: Test method Preparation and calibration of standard test blocks ; Part2 -Preparation and calibration of standard test blocks 20

21 Teste de dureza Superficial Rockwell 21

22 Descrição O método de teste de dureza superficial Rockwell consiste em endentar o material com um cone de diamante (escala N) ou endentador de esfera de aço endurecido. O endentador é forçado contra o material sob teste com uma pré-carga F0, usualmente de 3 kgf. Quando o equilíbrio é atingido, um dispositivo que segue os movimento do endentador e responde às mudanças na profundidade de penetração do endentador é ajustado para uma posição de zeragem. 22

23 Mantida a pré-carga, uma carga F1 é adicionada, aumentando a profundidade de penetração. Quando o equilíbrio é novamente atingido, a carga é removida e mantida a pré-carga. A remoção da carga ocasiona uma recuperação parcial, reduzindo a profundidade de penetração. O aumento permanente da profundidade de penetração e, resultante da aplicação e remoção da carga é utilizado para o cálculo do valor da dureza Rockwell Superficial. 23

24 onde: F0= pré-carga em kgf F1 = carga em kgf F = carga total em kgf e = aumento permanente da profundidade de penetração devido à carga F, medida em unidades de mm E = constante de 100 unidades para endentadores de diamante e esfera HR = valor da dureza Rockwell D = diâmetro da esfera de aço 24

25 Escalas de dureza superficial Rockwell Existem várias escalas para a dureza superficial Rockwell, estabelecidas de acordo com os tipos de material a testar. Abaixo são mostradas as características de cada uma das referidas escalas, para pré-carga Fo de 3 kgf, com as respectivas recomendações de aplicação. 25

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27 Teste de dureza Brinell 27

28 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. 28

29 Fonte: 29

30 30

31 31

32 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. O uso de uma tabela de Número de Dureza Brinell (HBN) pode simplificar a determinação da dureza. 32

33 Um número Brinell revela as condições de teste e tem um formato como "75 HB 10/500/30", significando que o valor 75 foi obtido para a dureza (HB= Hardness Brinell), usando uma esfera de aço de 10mm de diâmetro, com um carga de 500 kgf, aplicados durante 30 segundos. Em testes com metais muito duros, a esfera de aço é substituída por uma esfera de carboneto de tungstênio. 33

34 Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza Brinell no qual se usou uma esfera de 2,5 mm de diâmetro e aplicou-se uma carga de 187,5 kgf. As medidas dos diâmetros de impressão foram de 1 mm. Qual a dureza do material ensaiado? 34

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36 Exercícios Num ensaio de dureza Brinell com esfera de 2,5 mm e aplicação de uma carga de 62,5 kgf por 30 segundos, o diâmetro da calota esférica impressa no material foi de 1,05 mm e a dureza HB de 69. Represente este resultado, a seguir. Uma liga dura de alumínio passou pelo ensaio de dureza Brinell pelo tempo padrão e o diâmetro de impressão produzido pela esfera de 2,5 mm foi de 0,85 mm. Qual o valor da dureza Brinell? 36

37 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. 37

38 Princiopais Normas para o teste ABNT NBRNM187 (05/1999) Materiais metálicos - Dureza Brinell - Parte 1: Medição da dureza Brinell - Parte 2: Calibração de máquinas de medir dureza Brinell - Parte 3: Calibração de blocos padrão a serem usados na calibração de máquinas de medir dureza Brinell 38

39 ASTM E10-01e1 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials WK3044 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials ISO ISO 6506:1999Metallic materials -Brinell hardness test - Part 1: Test method -Part 2: Verification and calibration of testing machines- Part 3: Calibration of reference blocks 39

40 Teste de Dureza Vickers 40

41 Descrição O teste de dureza Vickers consiste em endentar o material sob teste com um endentador de diamante, na forma de uma pirâmide reta de base quadrada e um ângulo de 1360 entre as faces opostas, utilizando uma carga de 1 a 100 kgf. 41

42 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 um microscópio. Com os valores lidos calcula-se a média aritmética. A seguir calcula-se a area da superfície inclinada da endentação. A dureza Vickers é o quociente obtido dividindo a carga (em kgf) pela área da endentação 42

43 Fonte: 43

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45 onde F= é a carga em kgf d = é a média aritmética entre as duas diagonais, d1 e d2 em mm HV = é a dureza Vickers Calculada a média das diagonais da endentação, a dureza Vickers pode ser calculada pela fórmula acima. O uso de tabelas de cálculo também é comum. A dureza Vickers deve ser representada na seguinte forma: 800HV/10. O formato significa que foi obtido um valor de dureza de 800 através do método Vickers (HV), usando uma carga de 10 kgf. 45

46 Vantagens e Desvantagens Diferentes ajustes de cargas resultam praticamente no mesmo valor de dureza para materiais uniformes. Isto é muito conveniente pois evita a mudança arbitrária de escala com outros métodos de medição de dureza. Leituras extremamente precisas podem ser obtidas no teste Vickers, além da vantagem de utilizar apenas um tipo de endentador para todos os tipos de metais e superfícies. O teste é aplicável a uma grande gama de materiais, dos mais moles aos mais duros, com ampla faixa de ajuste de cargas. A única desvantagem do teste é a máquina de medição, que é de maior porte e mais cara que as correspondentes para os teste Brinell e Rockwell. 46

47 NOTA : existe uma forte tendência de representar a dureza Vickers em unidades SI (MPa ou GPa), especialmente em trabalhos acadêmicos. Esta tendência pode ser uma fonte de confusão, pois a apresentação formal da dureza não é acompanhada explicitamente das unidades (e.g. HV30). A maioria das máquinas de teste Vickers usa forças de 1, 2, 5, 10, 30, 50 e 100 kgf e tabelas para o cálculo do HV. Para o SI as forças devem ser especificadas em N. Então a alternativa de usar o SI altera a forma de apresentação do valor da dureza. Por exemplo: O valor usual 700HV30 seria representado por : 6.87 HV294 para HV em GPa e a força em N. A força em kgf foi convertida para N e a área de mm2 para m2 para resultados em Pascal. Para a conversão da dureza, pode-se usar os valores: Para converter HV para MPa multiplicar por Para converter HV para GPa multiplicar por

48 Principais Normas para o teste ABNT NBRNM188-(05/1999) Materiais metálicos - Dureza Vickers - Parte 1: Medição da dureza Vickers - Parte 2: Calibração de máquinas de medir dureza Vickers - Parte 3: Calibração de blocos padrão a serem usados na calibração de máquinas de medir dureza Vickers 48

49 ASTM C Standard Test Method for Vickers Indentation Hardness of Advanced Ceramics E92-82(2003)e2 Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials revisão da E92-82(2003)e2 : WK7683 Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials ISO ISO 6507 (1997) Metallic materials - Vickers hardness test - Part 1: Test method - Part 2: Verification of testing machines - Part 3: Calibration of reference blocks 49

50 Teste de Dureza Mohz 50

51 A escala Mohs foi usada pela primeira vez em Ela simplesmente consiste num grupo de 10 minerais, ordenados de 1 a 10. O diamante é classificado como o mais duro e possui o índice 10; o mais mole é o talco, classificado com o índice 1. Cada mineral da escala pode riscar todos aqueles abaixo do seu índice. 51

52 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. 52

53 Alguns exemplos da dureza de metais comuns na escala Mohs são: o cobre, entre 2 e 3 e os aços ferramenta, entre 7 e 8. Este é um teste simples, mas não é quantitativo. Os padrões são simplesmente números arbitrários. Os profissionais de materiais e metalurgia normalmente não utilizam a escala Mohs. Ela é apenas uma indicação qualitativa, quando não se dispõe de aparelhos para os testes convencionais de dureza. 53

54 Seleção do Método do Ensaio 54

55 Alguns fatores devem ser considerados na seleção do melhor método para a medição de dureza de um material. São destacados abaixo os principais fatores a considerar: tipo de material a testar : metal, borracha, aspectos de tamanho de grão, etc. forma: tamanho, espessura do corpo, etc. dureza estimada: aço endurecido, plástico ou borracha, ou seja, a categoria do material; tratamento térmico: profundo, superficial, localizado, recozido,etc. volume de produção: se a medição é por amostragem ou inspeção 55

56 56

57 Conversão de Unidades de Dureza 57

58 A conversão dos valores de Dureza entre diferentes métodos e escalas não é matematicamente exata para uma grande gama de materiais. Cargas diferentes, diferentes formas de endentadores, homogeneidade do espécime, propriedades de trabalho a frio e propriedades elásticas tornam a tarefa complicada. Todas as tabelas e diagramas devem ser encarados como equivalentes aproximados, especialmente quando o teste com determinado material não for fisicamente possível para um método ou escala específicos, e portanto não for passível de verificação. O diagrama seguinte dá uma visão geral das equivalências entre escalas de dureza. 58

59 59

60 Referências bibliográficas VICENTE CHAVERINI, "Aços e Ferros Fundidos", Características gerais, tratamentos térmicos e principais tipos, 4 Edição São Paulo, Associação Brasileira de Metais 1977 Material Didático. Centro de Informação Metal Mecânica, em: <www.cimm.com.br> 60

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