ENSAIO DE DUREZA
DEFINIÇÃO: O ensaio de dureza consiste na aplicação de uma carga na superfície do material empregando um penetrador padronizado, produzindo uma marca superficial ou impressão. É amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos e elétricos, tratamentos superficiais, vidros laminados. Fornece controle das especificações de entrada da matéria-prima e durante as etapas de fabricação de componentes, e em alguns casos em produtos finais. Características da marca de impressão (área ou profundidade) e da carga aplicada dão a medida de dureza (n o ) do material ou da dureza superficial Fornece dados quantitativos quanto a resistência à deformação superficial Sofre influência: tratamentos térmicos, termoquímicos, mecânicos, refusão a laser, etc... Atualidade: hoje encontra vasta aplicação também para materiais poliméricos, cerâmicos, semicondutores e filmes finos
Fatores que influenciam no aumento da dureza e Dureza Adição de soluto Contorno de grão Trabalho a frio (encruamento) Tratamentos térmicos
Tipos de Ensaio de Dureza Dureza por risco Dureza por choque Dureza por penetradores padronizados
Dureza por Risco: mais utilizados em minerais e pouco em metais capacidade de um material riscar o outro Dureza Mohs: é a mais conhecida: escala de 10 minerais padrões (diamante, safira, topázio, quartzo...gesso, talco: silicato de magnésio) Microdureza Bierbaum (K): carga de 3 gf por um diamante igual a um canto de cubo K 10 2 4
Dureza por Rebote: Queda livre de um êmbolo com ponta padronizada Valor de dureza é proporcional à energia de deformação consumida e representada pela altura de rebote Materiais mais dúcteis apresentam menor valor de altura que frágeis Mais conhecida é a Dureza SHORE A leitura é realizada no momento de inversão do êmbolo leve e portátil peças acabadas condições adversas A norma ASTM E 448:2002 padroniza testes realizados em duas escalas para materiais metálicos: C e D A escala Shore C é graduada entre 0 e 140: recomendada para materiais metálicos finos ou com tratamentos superficiais. A escala Shore D, graduada entre 0 e 120: recomendada para metais mais duros.
Brinell (HB) d 2 90º 0º Rockwell(HR) Rockwell (A, C, D) P (60 kgf, 150 kgf, 100 kgf) Rockwell (B, F, G) P (100 kgf, 60 kgf, 150 kgf) P Cone de Diamante P Esfera de aço D = 1/16-1/8 t 120 o t Lateral Impressão Lateral Impressão
VICKERS (HV) 136 o P d 1 d 1 Lateral Pirâmide de Diamante Base quadrada Impressão Microdureza KNOOP (HK) P l/b = 7,11 b/t = 4,00 b t Lateral Pirâmide de Diamante l Impressão
Dureza por Penetração: BRINELL (HB): D P D d Lateral Esfera de Aço (HBs) ou Carbeto de Tungstênio (HBw) (D = 10 mm) d Impressão proposto em 1900 ( 1 o industrialmente ) esfera de aço temperado (HBs) ou carboneto tungstênio (HBw) dureza = P / S (expressa em termos ) Valor numérico seguido do símbolo HB Tempo de aplicação da carga: para materiais duros (10 a 15) s, e de (30 a 60) segundos para materiais mais moles. de HB 0,102 2.P 2.D. D D 2 d ; P [N] Escolha do material da esfera: esfera de AÇO (materiais com dureza < 350 HB); esfera de WC (materiais com dureza < 650 HB); Cargas e diâmetros: relação P / D 2 = cte ou grau de carga garante 136 o entre as tangentes. Pelo menos 2 leituras (90 o ). Validação do resultado: diâmetro de impressão ( 0,24.D a 0,60.D).
CORPO DE PROVA: Parâmetros ABNT ASTM Distância entre centros 4x d para materiais ferrosos HB > 150 6x d para materiais moles HB < 3x d para todos 150 Distância do centro a 2,5x d para materiais HB > 150 borda 3,0x d para materiais HB < 150 2,5x d para todos Espessura mínima 8,0x h - profundidade da calota 10x h - profundidade da 2,0x d - diâmetro da calota calota Superfícies cilíndricas - Diâmetro da peça >= 5x D Fig. Distâncias mínimas que devem ser obedecidas para a realização das medidas.
Correlação entre HB e limite de resistência à tração u.hb [MPa] α = cte experimental Tabela. Valores experimentais de para alguns materiais. Material Aço-carbono 3,60 Aço-carbono tratado termicamente 3,40 Aços-liga tratados termicamente 3,30 Latão encruado 3,45 Cobre recozido 5,20 Alumínio e suas ligas 4,00 Para HB > 380, a relação não deve ser aplicada, pois a dureza passa a crescer mais rapidamente do que o limite de resistência à tração. Tabela. Relação entre fases e microconstituintes e dureza Brinell para aços-carbono. Fases e Microconstituintes Dureza Brinell - HB Ferrita 80 Perlita grosseira 240 Perlita fina 380 Martensita 0,4%C 595 Martensita 0,8%C 735
(a) (b) (c) Fig. Imagens: (a) esferas; (b) penetrador; (c) calota esférica. (a) (b) Fig. (a) Imagem de calotas com diferentes cargas em alumínio puro, (b) exemplo de calotas irregulares.
Exercício 32: Estimar a Dureza Brinell e o limite de resistência à tração de um aço carbono com 1020, e que tenha sido resfriado no forno a partir da região austenítica. Qual seria o aumento percentual no limite de resistência à tração, caso esse aço fosse submetido a um tratamento térmico de normalização. Dados: Fases Dureza Brinell Ferrita 80 Perlita grosseira 240 Perlita fina 380 Martensita 595 100 % F 100 % P 0 Fe 0,2 0,8 CARBONO
Dados: Fases Dureza Brinell Ferrita 80 Perlita grosseira 240 Perlita fina 380 Martensita 595 = 75% = 25% Recozimento HB Aço = %α. HB Ferrita + % p. HB perlita grosseira = 0,75 x 80 + 0,25 x 240 = 120 σ ur = 3,6 x HB = 3,6 x 120 = 432 MPa Normalização HB Aço = = 0,75 x 80 + 0,25 x 380 = 155 σ un = 3,6 x HB = 3,6 x 155 = 558 MPa 100 % F 100 % P Aumento percentual δ = σ un / σ ur = 558/432 = 29,16% 0 Fe 0,2 0,8 CARBONO
ROCKWELL (HR): Indústria Rockwell 1922 ( mais utilizado ) Penetrador diamante cônico 120 o esfera de aço endurecido Aplicação de pré-carga e carga Utiliza a profundidade, e não a área Número seguido HR mais escala Dividida em comum ou superficial comum: pré-carga de 98 N (10 kgf) e força total de 589 N (60 kgf); 981 N (100 kgf) e 1471 N (150 kgf); superficial:pré-carga de 29 N (3 kgf) e forças totais de 147 N (15 kgf), 294 N (30 kgf) e 441 N (45 kgf). Dividida de acordo com as cargas e penetradores Rockwell (A, C, D) P (60 kgf, 150 kgf, 100 kgf) Rockwell (B, F, G) P (100 kgf, 60 kgf, 150 kgf) P Cone de Diamante P Esfera de aço D = 1/16-1/8 t 120 o t Lateral Impressão Lateral Impressão
Escala Penetrador Carga (Kgf) Aplicações B Esfera 1,58 mm 100 FoFo nodular e aços não temperados C Diamante (cone) 150 Aço temperado ou cementado A Diamante (cone) 60 Metal duro, aço fundido/temperado/rápido D Diamante (cone) 100 Aço fundido com reduzida espessura E Esfera 3,175 mm 100 FoFo, ligas de alumínio e magnésio, metal duro F Esfera 1,588 mm 60 Metais moles, ligas de cobre G Esfera 1,588 mm 150 Bronze, fósforo, ligas de berílio, FoFo maleável H Esfera 3,175 mm 60 Alumínio, Zinco, chumbo, abrasivos K Esfera 3,175 mm 150 Metal duro e metais de baixa dureza L Esfera 6,350 mm 60 Mesma Rockwell K, borracha e plásticos M Esfera 6,350 mm 100 Mesma Rockwell K e L, madeira e plásticos P Esfera 6,350 mm 150 Mesma Rockwell K, L e M, plásticos R Esfera 12,700 mm 60 Mesma Rockwell K, L e M, plásticos S Esfera 12,700 mm 100 Mesma Rockwell K, L e M, plásticos V Esfera 12,700 mm 150 Mesma Rockwell K, L, M, P e R ou S
Tabela. Resumo das principais escalas de Dureza Rockwell [Adaptado de ASTM E 18:2007] Rockwell Comum 60 kgf 100 kgf 150 kgf Diamante A D C F ( ) B ( ) G ( ) Esfera de Aço ou Carboneto de Tungstênio H ( ) E ( ) K ( ) L ( ) M ( ) P ( ) R ( ) S ( ) V ( ) Rockwell Superficial 15 kgf 30 kgf 45 kgf Diamante 15N 30N 45N 15T ( ) 30T ( ) 45T ( ) Esfera de Aço ou Carboneto de Tungstênio 15W ( ) 30W ( ) 45W ( ) 15X ( ) 30X ( ) 45X ( ) 15Y ( ) 30Y ( ) 45Y ( )
Determinação da profundidade de impressão: Penetrador de diamante Comum p = (100 HR). 0,002 [mm] Superficial p = (100 HR). 0,001 [mm] Penetrador esférico Comum p = (130 HR). 0,002 [mm] Superficial p = (100 HR). 0,001 [mm] Conversão dureza Rockwell em dureza Brinell DP HR C 1 C2.D (HB) C1 e C2 são constantes tabeladas Dp = p2-p1 (variação na profundidade); p 2 = profundidade de penetração com a carga total; e p 1 = profundidade de penetração com a carga inicial (pré-carga). Escala Rockwell C1 C2 (1/mm) B 130 500 C 100 500 A 100 500 D 100 500 E 130 500 F 130 500 G 130 500 15-N 100 1000 30-N 100 1000 45-N 100 1000 15-T 100 1000 30-T 100 1000 45-T 100 1000
VICKERS (HV): HV P 0,189. ; P [ N ] 2 d Industria Vickers-Armstrong 1925 (similar Brinell) Penetrador pirâmide diamante com ângulo de 136 º (similar ao ângulo da Brinell) Correlaciona carga com a área da impressão Aplicáveis em todos os materiais, inclusive: muito finos, pequenos e irregulares Número seguido HV Tabelas para conversão em função das diagonais Dividida em comum ou superficial cargas de 5 a 100 kgf (49 a 980 N) comum cargas de 2 a 5 kgf (1,96 a 49 N) superficial cargas de 0,001 a 2 kgf (0,0098 a 1,92 N) microdureza Também conhecida como dureza de pirâmide de diamante
INFORMAÇÕES ADICIONAIS: Relação entre dureza Vickers e p Materiais Duros 2 a 3 p Materiais Metálicos 3 a 4 p Material Vickers Limite de Proporcionalidade [MPa] Diamante 84.000 54.100 Alumina 20.000 11.300 Carboneto de Tungstênio 21.000 7.000 Berílio 13.000 7.000 Aço 2.100 700 Cobre Recozido 470 150 Alumínio Recozido 220 60 Chumbo 60 16
(a) (b) Fig. Comparação entre tamanhos de impressão das durezas Brinell e Vickers: (a) imagem metalográfica; (b) representação esquemática. [Segundo Souza, 1989.] Fig. Imagem de uma impressão Vickers em aço ABNT/SAE 1045.
MICRODUREZA KNOOP (HK): Penetrador de pirâmide alongada de diamante Relação das diagonais de 7:1 P Profundidade é 1/30 da diagonal maior Materiais frágeis, vidro e camadas finas Preparação cuidadosa da amostra t Lateral l/b = 7,11 b/t = 4,00 Pirâmide de Diamante l Impressão b Recomendado polimento eletrolítico Área e profundidade menores que a Vickers HK P 14,2. 2 l P = carga aplicada [gf]; l = comprimento da diagonal maior [ m];
Ensaio Jominy - Temperabilidade Temperabilidade: nada mais é que a profundidade de penetração à tempera; é também, a característica que define a variação de dureza desde a superfície até o núcleo da peça quando temperada.
Faça uma previsão da microestrutura presente em um determinado ponto de um corpo de prova submetido ao ensaio jominy, sabendo-se que sua dureza é de 400 Brinell e que o material do corpo de prova é de aço ABNT 1040. Dados: 100% de martensita nesse aço implicaria em uma dureza Brinell de 595 Dureza na Secção A 400 HB Aço 1040 (a) Se o aço não tiver sofrido transformação martensítica será constituído de perlita fina e ferrita: Aço 1040 50% perlita e 50% de ferrita Dureza da secção: 0,5x 380 + 0,5x80 = 230 Como a dureza é maior (400), há martensita presente na secção A. Secção A (b) Martensita + Agregado (Pf + α) 400 = X 595 + (1-X)230 400 = 595X + 230 230X X == 0,465 A seção tem 46,5% de martensita: ou aproximando-se: ½ martensita, ¼ perlita e ¼ ferrita Água
Impressão na camada cementada Impressão na camada não cementada 100 m
Identação em um fofo Cz, na região interna aos veios de grafite. Sem ataque 500x Identação em um fofo Br Hipo, na região da Ledeburita. 750HV (Inter-Ledeburita), 951HV (fase clara Cementita), 534HV (fase escura - Perlita). Ataque Nital, 500x
Identação em um fofo Nodular, 162HV (fase clara Ferrita), 324HV (fase escura Perlita). Ataque Nital, 500x
500x Fase clara (Carboneto de Cromo) 1059.3HV; Fase escura (Perlita) 587.6HV 1000x Destaque no carboneto trincado após a identação.
Liga de Al-Si Hipereutético, 500x Fase clara (fase β - Rica em Si) Fase escura (Eutético) Destaque a rachadura do bloco de Si após a identação Liga de Al-Si Hipoeutético, 500x Fase clara (fase α - Rica em Al) Fase escura (Eutético)
Método de Ensaio de Dureza Brinell (HB) Vickers (HV) Rockwell HRB, HRC, etc. Microdureza Vickers (HV) Microdureza Knoop (HK) Impressão Carga Aplicação Esfera de aço 10, 5 e 1 mm Esfera de carboneto de tungstênio Pirâmide de diamante, base quadrada e 136 Cone de diamante, 120 ou esfera de aço diâmetro d 1/16 d ½ Pirâmide de diamante, base quadrada e 136 Pirâmide de diamante, base rômbica (razão 7:1) Depende da razão P/D 2 Acima de 3000 kgf para aço 1 a 120 kgf Maior que 60 a 150 kgf e menor que 10 kgf 1 a 1000 gf Componentes fundidos, forjados e laminados. Ferrosos e não-ferrosos, esfera de aço para durezas da ordem de 450 HB e esfera de carboneto de tungstênio para durezas da ordem de 650 HB. Todos os aços e ligas não ferrosas. Materiais de alta dureza incluindo carboneto de tungstênio e cerâmicos. Ferrosos e não ferrosos, forjados e fundidos. Camadas superficiais, folhas finas, arames, fases microscópicas, zona termicamente afetada (ZTA) em soldas.
Concurso IFSP 2010 11. A dureza é uma propriedade mecânica cujo conceito se segue à resistência que um material, quando pressionado por outro material ou por penetradores padronizados, apresenta ao risco ou à formação de uma marca permanente. Em relação aos ensaios mecânicos de dureza, pode-se afirmar que: a) O ensaio de dureza Mohs é muito utilizado nos materiais metálicos. b) A medida de dureza obtida no ensaio de dureza Shore corresponde a energia de deformação consumida para formar a marca na peça. c) O ensaio de dureza Vickers é mais rápido que outros ensaios de dureza, sendo muito utilizado pelas indústrias no controle de qualidade. d) O ensaio de dureza Brinell deixa marcas bem menores que o ensaio de dureza Rockwell. e) No ensaio de dureza Rockwell não se aplica pré-carga no material do corpo de prova.