Materiais / Materiais I. Guia para Trabalho Laboratorial
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- Sophia Alcântara Bugalho
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1 Materiais / Materiais I Guia para Trabalho Laboratorial ENSAIO DE DUREZA 1. Introdução A dureza de um material é uma propriedade mecânica que mede a resistência à deformação plástica (permanente). A dureza constitui uma manifestação do efeito combinado de várias propriedades mecânicas, como sejam o ponto de cedência, resistência à tracção, ductilidade, características de encruamento e características de desgaste 1. Esta propriedade pode ser determinada através de três tipos distintos de ensaio: penetração, ressalto e risco 1,. O ensaio de dureza por penetração é o mais utilizado para caracterização de materiais. Consiste no carregamento da amostra em estudo por um penetrador, perpendicularmente à superfície, durante um intervalo de tempo padrão. Depois de retirado o penetrador, é calculado um número de dureza empírico a partir da área da secção recta ou da profundidade da impressão. Os ensaios de dureza por penetração são classificados de acordo com o tipo de penetrador utilizado, sendo os mais comuns os ensaios Vickers e Rockwell. O número de dureza obtido a partir de cada um deles depende do material e geometria do penetrador e da força aplicada, sendo tanto mais elevado quanto menor a penetração sofrida e, portanto, quanto maior a dureza do material Ensaio de Dureza Rockwell As condições de realização do ensaio de dureza Rockwell de materiais metálicos encontram-se descritas na Norma NP 141 3, existindo dois tipos de penetradores normalizados: cone de com ângulo de abertura de 10º ou esfera polida de aço temperado com diâmetro de ou 3,. Uma vez que são possíveis várias combinações geometria do penetrador/força aplicada, dependendo a escolha das propriedades do material a analisar, o número de dureza Rockwell (HR) deve ser seguido da letra correspondente à escala utilizada. No ensaio Rockwell o provete é submetido a uma pré-carga de 10kgf, seguida de uma segunda carga de 50, 90 ou 140 kgf. A aplicação da pré-carga visa garantir uma justaposição perfeita do penetrador à superfície a ensaiar, eliminando o efeito da rugosidade e de defeitos superficiais 3. A aplicação da segunda carga (carga complementar) provoca um acréscimo da profundidade de penetração. Esta profundidade não pode ser considerada como uma indicação da dureza do 1
2 material uma vez que, além de deformação plástica, inclui deformação elástica 1. Assim, numa terceira etapa do ensaio, a carga complementar é retirada mantendo-se a pré-carga, o que permite a recuperação elástica do material. O valor lido no mostrador do equipamento corresponde directamente ao número de dureza Rockwell do material e é calculado a partir do acréscimo remanescente da profundidade da penetração (e). A relação entre o número de dureza Rockwell e a profundidade de penetração e depende do tipo da escala de dureza utilizada (Tab. I). Tabela I. Relação entre o número de dureza Rockwell e a profundidade de penetração (e) 3. Escala de dureza Rockwell Número de dureza Rockwell A, C, D 100-e B, E, F, G, K 130-e Na Tabela II apresentam-se as diferentes escalas Rockwell, tipo de penetrador e carga correspondente e respectivas aplicações. Tabela II. Escalas de dureza Rockwell, forças correspondentes e campo de aplicação (adaptado,3,4 ). A pré-carga é de 10kgf em todas as escalas. Escala Penetrador Carga complementar (kgf) Carga total (kgf) Campo de aplicação A B C D E 3, F G H 3, K 3, Carbonetos, aço de cementação superficial (0 a 88 HRA) Ligas de cobre, aço macio, ligas de alumínio, ferro fundido maleável (0 a 100 HRB) Aço, ferro fundido branco, titânio (0 a 70 HRC) Aço de cementação profunda (40 a 77 HRD) Ferro fundido, ligas de alumínio e de magnésio (70 a 100 HRE) Ligas de cobre recozidas, metais macios em chapa (60 a 100 HRF) Bronzes, ferro fundido maleável, ligas de cobrezinco-níquel e cobre-níquel (30 a 94 HRG) Alumínio, chumbo, zinco (80 a 100 HRH) Metais macios, de modo geral (40 a 100 HRK)
3 1.. Ensaio de Dureza Vickers As condições de realização do ensaio de dureza Vickers de materiais metálicos encontram-se descritas na Norma NP O penetrador utilizado é uma pirâmide de com base quadrada, com ângulo de 136º entre faces opostas (Figura 1). O número de dureza Vickers (HV) é proporcional ao quociente entre a força aplicada e a área superficial da impressão (calculada a partir do comprimento das diagonais da penetração): Fsen(136 / ) HV = = d 0,1891F d onde F é a força aplicada [N] e d o comprimento médio das diagonais de impressão [mm]. É de referir que o comprimento das diagonais de impressão é medido através de um microscópio acoplado à máquina de dureza. A força aplicada pode variar entre 10N e 1000N. Obviamente, uma comparação de valores de dureza Vickers só é rigorosa se tiverem sido obtidos com forças de ensaio idênticas. (a) (b) Fig.1. Ensaio de dureza Vickers 5. (a) Geometria do penetrador α=136º. (b) Impressão da penetração (d 1 e d : diagonais de impressão). A dureza de um metal depende da facilidade com que se deforma plasticamente, pelo que pode ser relacionada com a sua resistência mecânica. No entanto, uma vez que os ensaios de dureza não se baseiam todos no mesmo tipo de medida e não medem uma propriedade bem definida do material, não existe uma relação de conversão universal de durezas. Ou seja, as conversões dureza-dureza e dureza-resistência mecânica existentes são determinadas empiricamente para cada material. 3
4 . Procedimento Experimental.1. Objectivo Compreensão do conceito de dureza de um metal e sua relação com a resistência mecânica do material. Manipulação de durómetros para determinação da dureza Rockwell B e Vickers do aço Ck45... Material e Equipamento - Amostra do aço Ck45 preparada no Trabalho nº3. - Durómetro EMCO M4U Durómetro OFFICINE GALILEO. ~.3. Método Experimental A superfície da amostra deve ser cuidadosamente limpa com acetona. A execução experimental deverá ser feita de acordo com as instruções de utilização de cada um dos durómetros. Efectue 5 ensaios segundo cada um dos métodos em estudo. Na realização de ensaios Rockwell, a força de ensaio deve ser mantida durante 10 a 15 segundos. A velocidade de aplicação da carga deve semelhante em todos os ensaios. A obtenção de resultados reprodutíveis implica ainda a observação dos seguintes cuidados: - A superfície da amostra a ensaiar deve ser lisa, plana e perpendicular ao penetrador. - A superfície da amostra deve encontrar-se seca e isenta de partículas estranhas, óxidos e lubrificantes. - O equipamento deve encontrar-se protegido contra choques e vibrações. - O penetrador e a superfície de suporte devem estar limpos e bem apoiados. - A espessura da amostra deve ser pelo menos 10 vezes superior à profundidade de penetração, de modo a não serem produzidas marcas no reverso da amostra. - O espaçamento entre cada impressão deve ser 3 a 5 vezes o diâmetro da penetração. 4
5 3. Questionário 1. Defina o conceito de dureza de um material.. Qual lhe parece ser a vantagem de avaliar a resistência mecânica de uma peça metálica através de ensaios de dureza em lugar de ensaios de tracção? 3. Compare os ensaios de dureza Vickers e Rockwell quanto às suas vantagens e desvantagens. 4. Qual a finalidade da aplicação de uma pré-carga no ensaio Rockwell? 5. Calcule o valor médio e o desvio-padrão de HV e HRB do aço Ck45 em estudo. 6. Compare os valores de dureza obtidos através de cada um dos métodos. (Utilize a tabela do equipamento para converter os números de dureza Vickers em HRB). 7. O fabricante a indica para o aço Ck45 o valor 98 HRB. Compare este valor com o valor médio obtido. Justifique possíveis discordâncias. 4. Bibliografia 1. EL WALIL, S. Materials Science and Engineering Lab Manual. Boston: PWS Publishing Company, LIMA, A. V., CASTRO, A. G. Ensaios e propriedades dos materiais. In Ciência e Tecnologia dos Materiais. Gondomar: Universidade de Trás-os-Montes e alto Douro, Norma Portuguesa NP 141 Materiais Metálicos. Ensaios de dureza. Ensaio Rockwell (escalas A-B-C-D-E-F-G-H-K). Lisboa: IPQ, AVNER, S. Introduction to Physical Metallurgy, nd ed. Auckland: McGraw-Hill, Norma Portuguesa NP Materiais Metálicos. Ensaios de dureza. Ensaio Vickers. Parte 1: HV5 a HV100. Lisboa: IPQ, a F. RAMADA, Aços e Indústrias, S. A. 5
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