Ensaios Mecânicos de Materiais. Aula 3 Ensaio de Dureza. Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues

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1 Ensaios Mecânicos de Materiais Aula 3 Ensaio de Dureza

2 Tópicos Abordados Nesta Aula Ensaio de Dureza. Dureza Brinell. Dureza Rockwell. Dureza Vickers.

3 Definições de Dureza Dureza - propriedade mecânica muito utilizada na especificação de materiais, nos estudos e pesquisa mecânicas e metalúrgicas e na comparação de materiais diversos. Outros significados conforme a área de aplicação: Mecânica - resistência à penetração de um material em outro. Usinagem - resistência ao corte de um metal. Mineralogia - resistência ao risco de um material sobre o outro. Metalurgia - resistência à deformação plástica permanente.

4 Definições de Dureza Dureza - Propriedade de um material que permite a ele resistir à deformação plástica (permanente), usualmente por penetração. O termo dureza também pode ser associado à resistência à flexão, risco, abrasão ou corte.

5 Definições de Dureza Ensaios de Dureza A maioria dos ensaios de dureza estáticos consiste na impressão de uma pequena marca feita na superfície da peça, pela aplicação de pressão, com uma ponta de penetração. A medida da dureza do material é dada em função das características da marca de impressão e da carga aplicada.

6 Objetivos dos Ensaios de Dureza Conhecimento da resistência ao desgaste. Conhecimento aproximado da resistência mecânica através do uso de tabelas de correlação. Controle de qualidade de tratamentos térmicos. Controle de qualidade em processos de conformação plástica e em processos de ligação. Pesquisa e desenvolvimento de novas ligas e materiais.

7 Principais Tipos dos Ensaios de Dureza Por risco Dureza Mohs Por choque ou ressalto Dureza Shore Por penetração Dureza Brinell Dureza Meyer Dureza Vickers Dureza Rockwell O ensaio de dureza é considerado não destrutivo; deixa uma pequena marca no material, não comprometendo a utilização da peça ou corpo de prova.

8 Dureza de Risco Mohs - Primeiro método padronizado de ensaio de dureza baseado no processo de riscagem de minerais padrões, desenvolvido por Mohs, em Consiste de uma escala de10 minerais, organizados de tal forma que o diamante, material mais duro, risca todos os outros.

9 Dureza de Risco Mohs É um método pouco utilizado nos materiais metálicos, pois, a maioria dos metais apresenta durezas Mohs entre 4 e 8, e pequenas diferenças de dureza não são acusadas por este método. Exemplo: Aço dúctil corresponde a uma dureza de 6 Mohs, a mesma dureza Mohs de um aço temperado. Mais aplicado na mineralogia.

10 Dureza de Risco Bierbaum - Microdureza Bierbaum - Consiste na aplicação de uma força de 3gf, por meio de um diamante padronizado, com formato igual a um canto de cubo com ângulo de contato de 35, sobre uma superfície previamente preparada por polimento e ataque químico. A dureza Bierbaum é determinada a partir da medição da largura do risco, realizada por meio de um microscópio (quanto menor essa medida maior é a dureza). Também é um método pouco utilizado.

11 Dureza por choque ou ressalto Shore Ensaio Dinâmico - A impressão é causada pela queda livre de um êmbolo. Utiliza uma barra de aço (êmbolo) de peso 2,5 N, com uma ponta padronizada (arredondada) de diamante colocada dentro de um tubo de vidro com um escala graduada de 0 a 140, tal barra é liberada de uma altura padrão (256 mm), O valor da dureza é proporcional à energia consumida para formar a marca no corpo de prova e representada pela altura alcançada no rebote do êmbolo. Materiais dúcteis consomem mais energia na deformação do corpo e o êmbolo alcança uma altura menor no retorno, indicando uma dureza mais baixa.

12 Dureza por choque ou ressalto O Escleroscópio é um dos mais antigos dispositivos de medição de dureza. Foi criado em 1905 pela Shore Instrument Mfg Co. a) Original, com tubo graduado. b) Com escala.

13 Dureza por choque ou ressalto O Escleroscópio

14 Dureza por choque ou ressalto Cuidados no Teste O material a ser testado deve ser firmemente apoiado para evitar vibrações que podem alterar a leitura; O êmbolo deve cair e retornar na direção vertical, portanto a superfície a testar deve estar exatamente na direção horizontal.

15 Dureza por choque ou ressalto Cuidados no Teste A superfície a medir deve ser lisa. Superfície rugosa pode absorver o impacto do êmbolo e fornecer um valor menor do que o real; O impacto sobre a peça causa endurecimento localizado sobre a área de contato. O impacto só deve ser feito uma vez sobre um mesmo ponto.

16 Dureza por choque ou ressalto Vantagens Equipamento portátil e de fácil utilização; Possibilidade de medir dureza de peças de grandes dimensões que não podem ser colocadas e maquinas de dureza por penetração; Vantagens A impressão Shore é pequena e pode ser utilizada para medir durezas de peças já acabadas.

17 Dureza por choque ou ressalto Desvantagens Deve ser executado com o tubo perfeitamente na vertical; Muito sensível ao acabamento superficial; Medições em peças pouco espessas são sensíveis ao tipo de apoio; Desvantagens Peças pouco espessas ou de baixa rigidez podem entrar em vibração com o impacto.

18 Dureza por choque ou ressalto Durômetro Shore É uma evolução do antigo escleroscópio - O princípio de medição de queda de peso foi substituido por um sistema de medição por mola. Utilizado para medir a dureza de endentação de borrachas, plásticos e materiais com comportamento similar.

19 Dureza por choque ou ressalto Durômetro Shore O material é submetido a uma pressão aplicada através de uma mola calibrada que atua sobre o endentador, que pode ser esférico ou cônico. Um dispositivo de indicação fornece a profundidade de endentação. O valor da dureza é dado pela profundidade da penetração.

20 Dureza por choque ou ressalto Durômetro Shore Escalas Shore As diferentes escalas Shore foram criadas utilizando: 7 diferentes de endentadores 5 diferentes molas 2 diferentes extensões do endentador 2 diferentes especificações dos suportes As escalas A e D são as mais utilizadas. Como os materiais respondem de forma diferente às diferentes escalas, não há correlação entre escalas.

21 Dureza por choque ou ressalto Durômetro Shore - Características do Processo Os resultados obtidos são medidas úteis de resistência relativa à endentação para várias gamas de polímeros. Não serve para prever outras propriedades como resistência a abrasão ou desgaste. Não deve ser usado sozinho para especificação de projeto do produto.

22 Dureza por choque ou ressalto Durômetro Shore

23 Dureza por penetração Os ensaios de penetração baseiam-se em produzir uma deformação permanente na superfície de um material pela aplicação de uma carga, durante um determinado intervalo de tempo, através de um penetrador. São os ensaios mais utilizados atualmente.

24 Dureza por Penetração Dureza Brinell Proposta por Brinell em 1900, leva o seu nome e é simbolizada por HB ( Hardness Brinell), é o tipo mais usado na engenharia. É definida por N/mm² ou kgf/mm². Exemplo de representação: 360 HBS 5 / 750 / é a dureza obtida, HBS é o material da esfera (HBS=Aço e HBW=Tunstênio), 5 é diâmetro da esfera, 750 é a força utilizada no ensaio, 10 duração da aplicação da força.

25 Dureza por Penetração Dureza Brinell Consiste em fazer penetrar lentamente a superfície do material com uma esfera de aço endurecido ou metal duro com 10mm de diâmetro D, sob a ação de uma força F de 3000 kgf. Em materiais mais moles, para reduzir endentação excessiva, pode-se reduzir a força para 1500 ou 500 kgf.

26 Dureza por Penetração Dureza Brinell A c = π.d. p Muito pequeno, difícil medição A carga é aplicada por 10 ou 15 segundos no caso de FoFo ou aço, e pelo menos 30 segundos para outros metais. Quanto menor a impressão (calote esférico) de diâmetro d maior é a dureza do material.

27 Dureza por Penetração Dureza Brinell

28 Dureza por Penetração Dureza Brinell Impressão normal. Defeito Aderência do material à esfera durante a aplicação da carga. Defeito - bordas estão abauladas, dificultando a leitura do diâmetro.

29 Dureza por Penetração Drureza Brinell Correlação de dureza e resistência a tração Para alguns materiais, a resistência à tração pode ser estimada a partir da dureza Brinell com a relação: (Kgf / mm²) A tabela abaixo dá alguns valores de k. Material Aço-carbono Aço-liga Cobre, latão Bronze laminado Bronze fundido k 0,36 0,34 0,40 0,22 0,23 Material Liga Al Cu Mg Liga Al Mg Outras ligas Mg Alumínio fundido - k 0,35 0,44 0,43 0,26 - Onde k é um valor tabelado para cada material

30 Dureza por Penetração Dureza Brinell Vantagens Baixo custo de equipamentos; Baixo tempo de preparação das superfícies; Único possível para materiais pouco homogêneos. Vantagens

31 Dureza por Penetração Dureza Brinell Desvantagens Não linearidade carga-impressão; Dureza máxima admissível baixa (500HB); Necessário um acabamento superficial mínimo; Sujeito a erro de medição pelo operador; Impressões grandes, podem inutilizar a peça. Desvantagens

32 Formulação Matemática

33 Exemplo de Cálculo

34 Tabela de Dureza Brinell

35 Condições para Realização do Ensaio

36 Valores dos Fatores de Carga

37 Diâmetro da Esfera

38 Exemplo de Cálculo

39 Solução do Exemplo

40 Solução do Exemplo

41 Representação dos Resultados

42 Tempo de Realização do Ensaio

43 Vantagens e Limitações do Ensaio

44 Dureza por Penetração Dureza Meyer Apresenta um número de dureza que representa uma aproximação muito melhor que o método de Brinell (as forças laterais na superfície inclinada da calota tendem a se anular. Lei de Meyer; para uma dada esfera de diamante D, existe uma relação entre carga aplicada e o diâmetro da impressão. F = kdⁿ K = Constante do material que indica a resistência do metal. N = Índice de Meyers e se relaciona com o grau do encruamento do material

45 Dureza por Penetração Dureza Meyer Idêntica a dureza Brinell, mas em vez da área da calota impressa usa a área da calota projetada no plano da superfície. HM = F Ac Ac = πd² 4 HM = 4F πd² HM é definida como pressão media na área projetada. Método pouco utilizado nos metais.

46 Dureza Rockwell

47 Ensaio Rockwell

48 Penetradores de Dureza Rockwell

49 Descrição do Ensaio

50 Dureza por penetração Dureza Rockwell Método mais utilizado internacionalmente. A denominação deve-se de sua proposta ter sido feita pela indústria Rockwell, dos Estados Unidos, em Não apresenta relação com a área da impressão. O número de dureza é sempre citado com o símbolo HR, seguido da escala utilizada (A, B, C, D, E...).

51 Dureza por penetração Dureza Rockwell Uma segunda carga (100 kg) é introduzida, aumentando a penetração (c). Atingido novamente o equilíbrio a carga é removida, mantendo-se a pré-carga (d). A remoção da carga provoca uma recuperação parcial, reduzindo a profundidade da penetração (HR = E e).

52 Dureza por penetração Dureza Rockwell O ensaio consiste em endentar o material com um cone de diamante, com ângulo de 120 o e ponta arredondada (r = 2mm), ou de esfera de aço endurecido (a). O endentador é pressionado contra a superfície do corpo de prova com uma pré-carga F 0, usualmente de 10kgf. Quando o equilíbrio é atingido a profundidade de penetração é ajustada para a posição zero (b). F 0 aplicada pelo ajuste da alavanca

53 Dureza por penetração Dureza Rockwell

54 Dureza por penetração Dureza Rockwell

55 Dureza por penetração Dureza Rockwell Aproximação do endentador Introdução da carga menor Marcação da posição de equilíbrio - zeragem Adição da força maior Marcação da segunda posição de equilíbrio Remoção da carga maior - recuperação Posição final de leitura profundidade e

56 Dureza por penetração Dureza Rockwell - Vantagens Rapidez; Isenção de erros humanos; Pequeno tamanho de impressão; As superfícies não necessitam de polimento; Pequenas irregularidades são eliminadas pela pré-carga; Não necessita de sistema óptico; Equipamento mais simples. Vantagens

57 Dureza por penetração Dureza Rockwell Desvantagens Escala C só para aços temperados; Necessidade de usar muitas escalas e esferas diferentes para abranger toda a gama de materiais possíveis. Não é uma escala contínua de dureza. Funciona para faixas de dureza. Desvantagens O valor de HR não tem relação com a resistência à tração dos materiais ensaiados.

58 Modelo do Penetrador de Diamante

59 Equipamento para Ensaio Rockwell

60 Leitura do Resultado

61 Ensaio de Dureza Vickers

62 Dureza por penetração 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 136 o entre as faces opostas, utilizando carga de 1 a 100 kgf. A carga é aplicada durante um tempo de 10 a 15 segundos.

63 Dureza por penetração Dureza Vickers Aproximação do endentador Aplicação da carga Aspecto da impressão e posição das medidas

64 Dureza por penetração Dureza Vickers As duas diagonais da endentação deixadas na superfície do material são medidas usando-se um microscópio. Com os valores lidos calcula-se a média aritmética. A seguir calcula-se a área da superfície inclinada da endentação. A dureza Vickers é o quociente obtido dividindo a carga (em kgf) pela área da endentação.

65 Dureza por penetração Dureza Vickers HV = F A = d² A 2 sen 136º 2 HV = F x 2 sen 68º HV = 1,8544 x F d² d² F = carga em kgf d = média entre as duas diagonais, d 1 e d 2 em mm HV = dureza Vickers Exemplo de medida: 540 HV 20/20 Valor da dureza; Valor da força; Duração da aplicação da força.

66 Dureza por penetração Dureza Vickers Durômetro Portátil Vickers Durômetro Brinell e Vickers

67 Dureza por penetração Dureza Vickers A Microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento, só que utiliza cargas menores que 1 kgf Pode ter valores tão pequenos como 10 gf. Microdureza Vickers

68 Dureza por penetração Dureza Vickers 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. Conhecendo as medidas das diagonais e a sua média d, é possível calcular a dureza Vickers através da equação. 1,8544 x F HV = d² Uma grande desvantagem do método de microdureza Vickers é fato de que seus resultados vêm influenciados pela medição do operador do microdurômetro, que é responsável por ler as medidas deixadas pela impressão do penetrador.

69 Dureza por penetração Dureza Vickers O método de microdureza automatizada é independente do operador e tem dado bons resultados com grande confiabilidade além de permitir uma analise mais completa do material, adicionando mais recursos ao ensaio. Suwanprateeb (1998), realizou uma análise geométrica do penetrador Vickers e encontrou a fórmula em função da profundidade h da penetração no material. Como demonstra a equação, o que facilitou a automatização do ensaio. 1,8544 x F cos² 74º HV = 4 x h² x cos² 16º

70 Dureza por penetração Dureza Vickers Passos do ensaio automatizado de microdureza Vickers 1. Contato: o programa busca um contato com o material. Ele verifica o valor da carga exercida a cada passo executado pelo motor, até que o valor da carga saia de zero; 2. Carga: O programa executa passos no motor, aplicando uma carga crescente sobre o material, verificando o valor da carga a cada passo executado, até atingir a carga pré-determinada; 3. Fase de fluência: O programa mantém o processo inerte por um intervalo de tempo previamente estabelecido;

71 Dureza por penetração Dureza Vickers 4. Descarga: O programa executa passos no motor na direção inversa até atingir a carga inicial, verificando o valor da carga a cada passo; 5. Cálculo da dureza: O programa desliga o motor, conta o número de passos executados e traça uma curva de todo o processo. Nessa curva, observa-se a diferença entre o número de passos executados na fase de carga e descarga, e a partir desse valor calcula a dureza do material, onde cada passo representa o deslocamento vertical do penetrador em aproximadamente 21 nm.

72 Dureza por penetração Dureza Vickers Além de fornecer a dureza, pode; Disponibilizar os valores do módulo de elasticidade do material; Fornece também os dados da curva de carga versus profundidade (tensão x deformação); Podendo ainda, em alguns equipamentos, captar imagens das impressões deixadas pelo penetrador, mesmo que essa possua escala nanométrica.

73 Dureza por penetração Dureza Vickers - Vantagens Escala contínua; Grande precisão de medida (deformação nula do penetrador); Possibilidade de fazer impressões muito pequenas; Vantagens Possibilidade de medir durezas em todos os materiais.

74 Dureza por penetração Dureza Vickers - Desvantagens Regulagem de velocidade mais crítica (mais moroso); Superfície muito mais cuidada (maiores ampliações); Ensaio globalmente menos econômico. Desvantagens

75 Cálculo da Dureza Vickers

76 Cálculo da Área de Impressão

77 Aplicação da Equação

78 Exemplo de Cálculo

79 Representação do Resultado do Ensaio

80 Cargas Utilizadas no Ensaio

81 Defeitos de Impressão

82 Próxima Aula Ensaio de Dobramento.

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