PROPRIEDADES MECÂNICAS V

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA PROGRAMA DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS V Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima, D. C. SUMÁRIO Dureza Fatores de projeto/segurança Durômetro Rockwell Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 2 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 1 de 17

Definição A dureza é a propriedade mecânica de medida da resistência de um material ao risco ou à uma deformação permanente É o ensaio mais utilizado principalmente pela simplicidade, baixo custo e possibilidade de determinação de outras propriedades Pode ser dividido em: Ensaio por risco Ensaio por penetração Ensaio por choque Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 3 de 33 Definição É o mais largamente usado e citado em normas técnicas e consiste em forçar um penetrador contra uma superfície sob condições controladas de tempo, carga e taxa A medida da profundidade de penetração ou da área impressa são relacionadas com um número índice de dureza e pela escala e/ou tipo de dureza Durômetro Rockwell Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 4 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 2 de 17

Classificação São 4 os principais ensaios dureza por penetração: Rockwell Brinell Vickers Knoop Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 5 de 33 Dureza Rockwell Foi proposta pelas indústrias Rockwell, dos EUA, em 1922 e também é de ampla utilização Este ensaio é baseado na profundidade de penetração Esta medida é correlacionada pela máquina a um número de dureza, cuja leitura é realizada diretamente em um mostrador Indentação Rockwell Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 6 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 3 de 17

Dureza Rockwell É um ensaio rápido e assim pode ser utilizado em linhas de produção Por utilizar penetradores pequenos, pode ser empregado em peças de dimensões reduzidas ou tratadas termicamente Também é possível a medição de durezas superficiais Os indentadores pedem ser cônicos, com cone de diamante ou esféricos, de aço endurecido Indentador cônico Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 7 de 33 Dureza Rockwell Este ensaio emprega diversas escalas, que dependem do penetrador e da carga aplicada, abrangendo uma ampla faixa de valores É simbolizado por HR seguido pela letra da escala empregada Normalmente, a pré-carga é de 10 kgf nos ensaios de dureza como cargas principais de 60, 100 e 150 kgf Durômetro de bancada Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 8 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 4 de 17

Dureza Rockwell Nos ensaios de dureza superficial, a précarga é de 3 kgf e as cargas principais são de 15, 30 e 45 kgf A superfície da amostra deve ser lixada para eliminar irregularidades Durômetro de bancada Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 9 de 33 Rockwell e Rockwell superficial INDENTADOR Cone de diamante ou esfera de aço IMPRESSÃO FÓRMULA HR = Lida diretamente na máquina de ensaio Rápido; linhas de produção; superfície limpa e plana Cargas de 3 a 45 kg e 10 a 150 kgf Uso de escalas pela combinação de penetradores e cargas Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 10 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 5 de 17

Dureza Brinell Criado em 1900 por J. A. Brinell, foi o primeiro ensaio de penetração padronizado e reconhecido industrialmente e é um dos mais utilizados na Engenharia Consiste em comprimir uma esfera de aço endurecido, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, limpa e polida por meio de uma carga Q durante um tempo t Johan August Brinell Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 11 de 33 Dureza Brinell Esta compressão provoca uma impressão no formato de uma calota esférica, com diâmetro d, medida por um microscópio óptico após a remoção da carga A medida d é tomada pela média de duas leituras a 90º uma da outra A dureza HB é definida pelo quociente entre Q e a área da calota esférica S HB = Q S = πd D 2Q 2 2 ( D d ) Indentação Brinell Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 12 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 6 de 17

Dureza Brinell Na prática utilizam-se tabelas que fornecem o valor de dureza a partir do diâmetro medido para cada par de Q e D utilizados A maioria das tabelas utiliza os valores de Q e D inicialmente propostos por Brinell, de 3000 kgf e 10 mm para metais dureza até 500 HB Embora teoricamente qualquer carga possa ser utilizada, as cargas padrão variam de 500 a 3000 kgf, com incrementos de 500 kgf Metais dúcteis (Al, Cu) utilizam cargas menores e os menos dúcteis (aços e ferros fundidos), cargas maiores Durômetro Brinell Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 13 de 33 Dureza Brinell Metais com dureza superior a 500 HB utilizam esferas de WC e possuem a denominação HBw (contra HBs da tradicional) O tempo de aplicação da carga varia de 10 a 60 s Outros valores de Q e D podem ser utilizados, desde que satisfeita a condição: Q 2 = D cte Durômetro Brinell hidráulico portátil Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 14 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 7 de 17

Dureza Brinell Esta relação é determinada empiricamente para cada tipo de material Assim, esferas entre 1 e 7 mm também podem ser utilizadas Este ensaio não é adequado para peças pequenas ou tratadas superficialmente É indicado para materiais com estrutura interna não uniforme Sistema de análise de imagens para medida Brinell Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 15 de 33 Brinell INDENTADOR IMPRESSÃO FÓRMULA Esfera de aço ou WC D d d 2P HB = πd D D 2 d 2 Superfície lisa e plana HB (N/mm 2 ou kgf/mm 2 ) Inadequada para materiais muito duros Cargas (P) de 500 a 3000 kgf Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 16 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 8 de 17

Dureza Vickers Desenvolvido em 1925 por R. Smith e G. Sandland, este ensaio tornou-se conhecido pelo nome do fabricante das primeiras máquinas produzidas É similar ao princípio da dureza Brinell, no qual um indentador é comprimido contra o material e a indentação resultante é medida É simbolizada por HV Fábrica da Vickers- Armstrong, Inglaterra Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 17 de 33 Dureza Vickers O indentador é uma pirâmide de diamante de base quadrada que possui um ângulo de 136º entre as faces opostas A impressão é um losango de formato regular, cujas diagonais são medidas por meio de um microscópio acoplado à máquina de teste devido às suas dimensões reduzidas, muitas vezes abaixo de 1mm Indentador Vickers Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 18 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 9 de 17

Dureza Vickers A média de ambas as medidas são utilizadas para o cálculo de dureza pelas seguintes fórmulas: - Dureza Vickers, em GPa (P em N e d em mm): 2Psen(136 / 2) P HV = = 0, 0018544 2 2 d d - Número de Dureza Vickers, adimensional (P em kgf e d em mm): P HV = 1,8544 2 d A carga varia de 1 a 120 kgf e tempo de aplicação da carga, normalmente, de 10 a 15s Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 19 de 33 Dureza Vickers Existem tabelas que fornecem os valores de dureza para a diagonal medida e a carga utilizada Além disto, diversos equipamentos fornecem a dureza calculada a partir da entrada dos valores medidos Este ensaio fornece uma escala contínua e pode ser empregado numa larga faixa A medida é de grande precisão e as impressões não inutilizam os materiais dúcteis Tela de projeção óptica para medida de diagonal Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 20 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 10 de 17

Dureza Vickers É muito utilizado para a medição de durezas superficiais e para a confecção de curvas de profundidade de têmpera e de cementação Como o penetrador é indeformável, a dureza obtida independe da carga, para as cargas acima de 5 kgf Contudo, este ensaio é relativamente demorado e exige uma preparação superficial mais cuidadosa Sistema de processamento digital de imagem Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 21 de 33 Dureza Knoop Desenvolvida por Frederick Knoop nos EUA, em 1939, nos laboratórios da NIST (National Institute of Standards and Technology), utiliza um penetrador de base piramidal alongada Possui uma relação de 7:1 entre as diagonais de impressão Indentador Knoop Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 22 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 11 de 17

Dureza Knoop A medida da diagonal maior é utilizada para o cálculo de dureza pelas seguintes fórmulas: - Dureza Knoop, em GPa (P em N e d em mm): 0,014229P HK = 2 d - Número de Dureza Knoop, adimensional (P em kgf e d em mm): 14,229P HK = 2 d A carga varia de 1 a 120 kgf e tempo de aplicação da carga, normalmente, de 10 a 15s Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 23 de 33 Dureza por microindentação Este ensaio produz uma impressão microscópica e utiliza cargas de aplicação abaixo de 1000 gf (até 1 gf) A denominação microdureza, apesar de extensivamente utilizada, não é a correta, pois sugere medidas de baixos valores de dureza ou invés de indentações micrométricas São dois os tipos de penetradores utilizados, que podem ser empregados no mesmo equipamento: - Vickers - Knoop Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 24 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 12 de 17

Dureza por microindentação - Vickers Foi realizada inicialmente no Laboratório Nacional de Física da Inglaterra, em 1932 e utiliza o mesmo penetrador da dureza Vickers, com a mesma técnica descrita anteriormente Microdurômetro Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 25 de 33 Dureza por microindentação - Vickers Apropriado para a determinação de dureza de microconstituintes, de materiais frágeis, de peças diminutas ou extremamente finas Liga de Cu-Be Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 26 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 13 de 17

Dureza por microindentação - Knoop Com uma área 15% menor, mais rasa (cerca de 50%) e estreita do que a Vickers com a mesma carga, oferece algumas possibilidades adicionais: - Medida de altos gradientes de dureza - Indentações menos espaçadas - Medidas em materiais muito frágeis - Ensaios em recobrimentos Indentação Knoop em aço alto C (500 a 10 gf) Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 27 de 33 Dureza por microindentação - Knoop Ambas as durezas podem variar com a carga O seu resultado possui maior dificuldade de conversão para outras escalas Indentação Knoop em bronze Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 28 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 14 de 17

Dureza por indentação instrumentada Emprega equipamentos de alta resolução e pode utilizar cargas de 1 nn e medir dimensões de 0,1 nm Pode ser usado também para medir E e limite de escoamento Pode avaliar filmes finos, microcircuitos e recobrimentos Nanoindentação em microcircuito eletrônico Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 29 de 33 Conversão de dureza Deve ser realizada com critério, com o uso de normas e é válida somente para alguns materiais específicos, tais como aços e algumas ligas ferrosas Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 30 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 15 de 17

Correlação com σ u Ambos são indicadores da resistência à deformação plástica; desta forma, são praticamente proporcionais Para a maioria dos aços: LRT (MPa) = 3,45HB Limite de Resistência à Tração Ferro fundido Aços Número de dureza Brinell Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 31 de 33 FATORES DE PROJETO/SEGURANÇA Incertezas nos níveis de tensão em condições de serviço Variabilidade das medidas Fator de projeto Folgas de projeto Carga máxima estimada Tensão de projeto σ p = N' σ c σ e σ p Tensão de trabalho Fator de segurança σ e σ t = N 1,2 < N ou N < 5,0 Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 32 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 16 de 17

Estudo principal REFERÊNCIAS - Livro texto (7ª Edição) Capítulo 6 Propriedades mecânicas dos metais Itens 6.10 e 6.12 Estudo complementar - Livro texto Itens restantes do Capítulo 6 - A. Garcia, J.A. Spim & C.A. dos Santos, Ensaios dos Materiais, LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro, RJ, 2000 - S.A. de Souza, Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Ed. Edgard Blucher Ltda, São Paulo, SP, 1982 Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima 2011 33 de 33 Ten Cel Sousa Lima 2011 17 de 17