Aula 7 - Ensaios de Materiais

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1 Aula 7 - Ensaios de Materiais Tecnologia dos Materiais II Prof. Lincoln B. L. G. Pinheiro 23 de setembro de Ensaios de Dureza A dureza é uma propriedade mecânica que mede a resistência do material à deformação plástica localizada, normalmente causada por penetração de um indentador (uma ponta) [1]. A dureza não é uma grandeza física, é somente uma propriedade mecânica do material. Cada tipo de ensaio retorna um valor diferente de dureza, em função da geometria do identador e de outras características do ensaio, e por isso não é uma propriedade física. Os ensaios de dureza são feitos com equipamentos chamados durômetros. Uma foto de um durômetro Rockwell pode ser vista na Figura 1. Figura 1: Fotografia de um durômetro Rockwell [2]. 1.1 Tipos de Dureza Dureza Mohs É a escala mais antiga utilizada (data de 1822). É uma escala comparativa, que registra quem risca quem, entre os materiais. Nessa escala, a maior dureza é a do diamante, que risca todos os outros materiais e não é riscado por nenhum 1. É uma escala pouco utilizada na indústria, uma vez que é qualitativa, enquanto as demais são quantitavivas. A tabela a seguir mostra alguns valores principais [1]: 1 Se o diamante não é riscado por nenhum outro material, como é possível lapidar (esculpir com perfeição) um diamante? 1

2 1.1.2 Dureza Rockwell (HR) O ensaio de dureza Rockwell consiste na penetração de um indentador no material. O indentador pode ser um pequeno cone de diamante ou uma pequena esfera de aço endurecido. Primeiramente, o indentador é pressionado contra o material com uma carga de 10 kgf, a chamada pré-carga (F 0 ), e o operador espera o sistema entrar em equilíbrio, ou seja, espera o indentador parar de penetrar no material. Depois de alguns instantes, ainda com a pré-carga aplicada, a atual posição do indentador é marcada como zero, e a carga de ensaio é aplicada, o que faz com que o indentador entre ainda mais no material. A carga de ensaio (F 1 ) varia entre 50 e 140 kgf, de acordo com o indentador utilizado. A Figura 2 mostra como se determina a dureza Rockwell [1]. Figura 2: Ilustração de um ensaio de dureza Rockwell [1]. Há vários tipos de escala de dureza Rockwell, que são usadas de acordo com o material estudado. Há também o ensaio de dureza Rockwell superficial, que é utilizado com cargas menores. HR = E e (1) Nessa equação, e = aumento permanente da profundidade de penetração devido à carga maior F 1 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. F 0 = pré-carga em kgf. F 1 = carga em kgf. F = carga total em kgf. A tabela a seguir mostra as principais características de cada escala Rockwell. 2

3 Vantagens da HR: Rápido, medida direta (não precisa de técnicas de microscopia); Desvantagens da HR: Muitas escalas, difícil e incompleta correlação entre os valores de dureza, sofre efeitos de apoio da mesa em que fica o corpo-de-prova. No Brasil, a norma para este tipo de ensaio é a 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 Dureza Brinell (HB) Neste ensaio, o indentador é sempre uma esfera, fabricada em aço endurecido ou metal duro, de 10 mm de diâmetro. As cargas utilizadas são bem maiores que no ensaio Rockwell: variam de 500 a 3000 kgf (lembrando que no Rockwell variam de 50 a 140 kgf). Durante o ensaio, a carga é mantida durante 10 a 15 segundos pora fofos e pelo menos 30 s para os outros materiais. A Figura 3 mostra mostra o perfil de uma superfície indentada [1]. Para calcular a dureza Brinell, usamos a relação F HB = π D(D D 2 2 Di 2) (2) Nessa equação, HB é a dureza Brinell, F é a carga utilizada, D é o diâmetro da esfera e D i é o diâmetro da impressão. Normalmente a notação é 75 HB 10/500/30, na qual sabe-se que a dureza é 75 HB, feito com uma esfera de 10 mm e carga de 500 kgf aplicada por 30 s. 3

4 Figura 3: Ilustração da indentação de um ensaio Brinell [1]. Pode ser feito uma correlação entre a tensão des escoamento dos aços e a dureza Brinell: O resultado da equação (3) é em kgf mm 2. σ esc = 0, 36 HB (3) Vantagens da HB: Possui indentação mais larga e profunda que as demais, de modo que a dureza medida reflete o material como um todo. Em medidas cuja impressão é menor, existe a possibilidade de se medir a dureza de uma região rica em fases secundárias, impurezas ou poros. Desvantagens da HB: Necessita que o diâmetro da impressão seja medida; medida indireta Dureza Vickers (HV) Nesse ensaio o indentador é uma pirâmide de base quadrada com ângulo de 136 o entre faces opostas, feita de diamante, que é pressionada contra a superfície do material, deixando uma impressão cujo aspecto está representado na Figura 4 [1]. Figura 4: Ilustração da indentação de um ensaio Brinell ensaio vickers utiliza cargas de 1 a 100 kg. A carga é aplicada e mantida durante um intervalo de tempo (geralmente 10 ou 15s). Depois de retirada a carga, observa-se a impressão deixada no material por técnicas de microscopia. Mede-se as diagonais da indentação, e a dureza vickers e calculada pela equação 4: HV = 1, 854 F D 2, (4) em que HV é a dureza Vickers, F é a força em kgf e D é a diagonal medida. 4

5 1.1.5 Microdureza Vickers (HV) É essencialmente o mesmo ensaio anterior, mas diferencia-se principalmente pela utilização de cargas menores. As cargas utilizadas no ensaio de microdureza Vickers variam de 100 g a 2 kg. É um ensaio amplamente utilizado para avaliação de peças que passaram por tratamentos de endurecimento superficial, como nitretação e cementação, para os aços, ou a anodização, para o alumínio. Essa técnica também é utilizada na pesquisa básica, em materiais caros e de difícil obtenção. A Figura 5 mostra uma micrografia de uma indentação feita em uma amostra supercondutora de (Y Er)Ba 2 Cu 3 O 7 δ. Figura 5: Ilustração de uma indentação feita por um microdurômetro Vickers em uma amostra de YBCO, uma cerâmica supercondutora de alta temperatura crítica [3]. Referências [1] CIMM. Material Didático. URL: didatico. Acesso set [2] MITUTOYO. Linha do Tempo. URL: Acesso set [3] PINHEIRO, L. B. L. G. Processamento, caracterização e estudo de fenômenos críticos do sistema supercondutor (Y Er)Ba 2 Cu 3 O 7 δ. Dissertação (Mestrado) Universidade Estadual de Ponta Grossa,

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