UERJ CRR FAT Disciplina ENSAIOS DE MATERIAIS A. Marinho Jr

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1 Tópico 05 ENSAIOS MECÂNICOS - DUREZA Parte A - Dureza Brinell Introdução A dureza de um material é uma propriedade difícil de definir, que tem diversos significados dependendo da experiência da pessoa envolvida. Em geral, dureza implica em resistência à deformação e, para os metais, esta propriedade é uma medida de sua resistência à deformação plástica, ou permanente. Para alguém preocupado com os mecanismos de teste de materiais, dureza significa geralmente a resistência à indentação, e para o engenheiro de projeto, ela freqüentemente significa uma quantidade fácil de ser medida e especificada, que indica algo a respeito da resistência e do grau de tratamento térmico de um material metálico. Existem três tipos de gerais de medida de dureza, dependendo da maneira pela qual o ensaio é conduzido: (a) dureza ao riscamento; (b) dureza à indentação e, (c) dureza dinâmica ou por rebote. Somente a dureza por indentação, nos materiais metálicos, tem interesse significativo para a engenharia. Dureza Brinell O primeiro ensaio de dureza de aceitação geral e também o primeiro a ser padronizado foi proposto por A. J. Brinell em O ensaio de dureza Brinell consiste em indentar uma superfície metálica com uma esfera de aço de 10 mm de diâmetro sob uma carga de 3000 Kgf. Para metais macios, a carga é reduzida para 500 Kgf para evitar uma impressão muito profunda, e para metais muito duros uma esfera de carbeto de tungstênio é usada para minimizar a distorção do indentador. A carga é aplicada por um tempo padrão, normalmente 30 segundos, e o diâmetro da indentação é medido com um microscópio de baixo aumento após a remoção da carga. Uma medida de duas leituras de diâmetros perpendiculares deve ser feita. A superfície sobre a qual a indentação é feita deve estar relativamente polida, limpa e livre de óxidos. O número de dureza Brinell (BHN) é expresso pela carga P dividida pela área superficial da indentação, o que é expresso pela fórmula: BHN = P / ( D/2)(D - D 2 - d 2 ) onde: P é a carga aplicada, em Kgf, D é o diâmetro da esfera, em mm e d o diâmetro da indentação, em mm. A maior fonte de erros nas medidas de dureza Brinell é o erro de medição no diâmetro da impressão, devido aos fenômenos ilustrados na figura No caso ilustrado em (a) trata-se de um material metálico encruado mas que tem pequena capacidade de encruar. No caso (b), trata-se de um material metálico recozido que possue elevada taxa de encruamento. O verdadeiro diâmetro da indentação às vezes só pode ser obtido cobrindo-se a esfera com um líquido marcador antes da indentação. 1

2 Figura 05.1 Cortes em indentações produzidas no ensaio de dureza Brinell Relação entre dureza e resistência à tração Existe uma relação muito útil em engenharia, entre dureza Brinell e a resistência à tração de aços carbono e de aços de média liga, onde BNH estiver entre 200 e 400. Esta relação é: r = 515 (BHN), se for expressa em psi ou: r = 0,35 (BHN), se for expressa em Kgf/mm2 Parte B Durezas Vickers e Rockwell Dureza Vickers O ensaio de dureza Vickers utiliza como penetrador um diamante de base quadrada, sendo o ângulo interno entre as faces opostas da pirâmide igual a 136º. A dureza Vickers (VHN) é definida como a carga dividida pela área superficial da indentação. Na prática, esta área é calculada a partir de medições ao microscópio dos comprimentos das diagonais das impressões. O numero de dureza Vickers pode ser determinado pela seguinte equação: VHN = 2P sen ( /2) / L 2 = 1,854P/L 2 onde P é a carga aplicada em Kgf, L é o comprimento médio das diagonais em mm e faces opostas do diamante, 136º. é o ângulo entre as 2

3 O ensaio de dureza Vickers sempre foi muito aceito em trabalhos de pesquisa porque ele fornece uma escala continua de durezas, desde metais muito macios, com um VHN de 5 até materiais extremamente duros com VHN de Com o ensaio de dureza Rockwell, que será visto a seguir, ou com o Brinell, é normalmente necessário trocar-se ou a carga ou o penetrador em algum ponto da escala, de modo que medidas em um extremo da escala não podem ser rigorosamente comparadas com as de outro extremo. Devido ao fato de que as impressões feitas pelo penetrador de diamante são geometricamente similares, independentemente de seu tamanho, o VHN deveria ser independente da carga. Isto vale na maioria dos casos, exceto para cargas muito leves. As cargas variam de 1 a 120 Kgf, dependendo da dureza do metal a ser testado. A despeito de suas vantagens, o ensaio Vickers não é largamente aceito em ensaios de rotina, uma vez que é lento, requer cuidadoso preparo da superfície e dá margem a erros pessoais na determinação do comprimento da diagonal. A figura 05.2 mostra os aspectos de indentações Vickers que podem ocorrer na prática: Figura 05.2 Tipos de indentações Vickers: (a) Perfeita; (b) metais recozidos e ( c) metais encruados. Dureza Rockwell Um dos ensaios de dureza mais populares é o ensaio Rockwell, devido à sua rapidez, imunidade a erros pessoais, capacidade de distinguir pequenas diferenças de durezas e o pequeno tamanho da indentação, de modo que peças podem ser ensaiadas sem dano. Este ensaio utiliza a profundidade de penetração, sob carga constante, como uma medida de dureza. Uma pequena carga de 10 Kgf é aplicada inicialmente para preparar o corpo de prova. Isto minimiza o trabalho de preparo da superficie e reduz a tendência para distorções como as que foram vistas nas indentações do ensaio Brinell. Uma carga maior é então aplicada e a profundidade de penetração é registrada automaticamente num mostrador, em termos de números de dureza arbitrários, denominados HR. Um cone de diamante, de 120º, com ponta arredondada e esferas de aço de 1/16 e 1/8 são usados geralmente como penetradores, assim como cargas de 60, 100 e 150 Kgf. Uma vez que a dureza Rockwell é dependente da carga e do penetrador, é necessário especificar a 3

4 combinação que for usada. Isto é feito prefixando o número de dureza com uma letra indicando a combinação particular que foi utilizada. Aços duros são ensaiados na escala C, com penetrador de diamante e carga de 150 Kgf. A faixa útil para esta escala vai de 20 HRC até 70 HRC. Materiais mais macios são normalmente testados na escala B, com um penetrador de esfera de aço de 1/16 de diâmetro e carga de 100 Kgf, variando esta escala de 0 a 100 HRB. Muitas outras escalas estão disponíveis para finalidades especiais. Microdureza Muitos problemas metalúrgicos requerem a determinação de dureza sobre áreas muito pequenas. A medida do gradiente de dureza numa superfície cementada (carbonetada) de um aço, a determinação de durezas de constituintes individuais de microestruturas, ou a verificação da dureza de delicados componentes de relojoaria são alguns problemas típicos. Usa-se um penetrador Knoop, constituido por um diamante de forma piramidal, sendo a profundidade de penetração igual a 1/30 do comprimento da diagonal maior. O número de dureza Knoop é dado por: KHN = P/A p = P/L 2 C onde: P é a carga aplicada em Kgf, A p é a área de indentação projetada, em mm2, L é o comprimento da diagonal em mm e C uma constante para cada penetrador. Relações de conversão de durezas Sob um ponto de vista prático, é importante poder-se converter os resultados de um tipo de dureza para os de outro tipo. Existem tabelas que permitem tais conversões mas elas só são confiáveis para cada material particular e devem ser usadas com muito cuidado, pois podem conduzir a erros grosseiros. Apenas a título de ilustração, parte de uma dessas tabelas, publicada pela ASM (American Society for Metals), é mostrada na tabela 05.1 a seguir: 4

5 Tabela 05.1 Parte de uma tabela da ASM de conversão de durezas para aços 5 Revisão: 00 Março de 2009