Download - Aula 3 - Ensaio de Dureza
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Flvia Spitale Jacques [email protected]
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A palavra dureza pode ter vrios significados:
na Metalurgia considera-se dureza como a resistncia deformao plstica permanente; na Mecnica a resistncia penetrao de um material duro no outro.
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A dureza uma propriedade mecnica que consiste em uma medida da resistncia de uma material a uma deformao plstica localizada.
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A dureza a capacidade do material de: resistir ao risco; ser deformado plasticamente; ser cortado; absorver energia no impacto; resistir ao desgaste.
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O Ensaio de Dureza pode ser dividido em:
por risco (Mohs);penetrao (Brinell, Rockwell, Vickers, Knoop);
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O primeiro mtodo padronizado de ensaio de dureza foi baseado no processo de riscagem de minerais padres, desenvolvido por Mohs, em 1822.
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1: talco 6: feldspato2: gipsita 7: quartzo3: calcita 8: topzio4: fluorita 9: safira5: apatita 10: diamante
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A maioria dos metais apresenta durezas Mohs 4 e 8, e pequenas diferenas de dureza no so acusadas por este mtodo. Por exemplo, um ao dctil corresponde a uma dureza de 6 Mohs, a mesma dureza Mohs de um ao temperado.
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Consiste em comprimir lentamente uma esfera de ao temperado, de dimetro D, sobre uma superfcie plana, polida e limpa de um metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esfrica de dimetro d.
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d
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A superfcie da amostra em que ser feita a medida da dureza deve estar plana, limpa e paralela base de apoio da mquina de ensaio.
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Os penetradores so esferas de ao ou de carboneto de tungstnio com diferentes dimetros.
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Carga aplicada (Q em kgf ou N) rea da impresso (Sc) Dimetro da esfera (D) e da impresso (d)
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EXEMPLO: Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza Brinell no qual se usou uma esfera de 2,5 mm de dimetro e aplicou-se uma carga de 187,5 kgf. As medidas dos dimetros de impresso foram de 1 mm. Qual a dureza do material ensaiado?
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O ensaio padronizado, proposto por Brinell, realizado com carga de 3.000 kgf e esfera de 10 mm de dimetro, de ao temperado. Porm, usando cargas e esferas diferentes, possvel chegar ao mesmo valor de dureza, desde que se observem algumas condies:
F (carga) 0,25.D < d < 0,5.D , ideal d = 0,375.D
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Para obter o dimetro de impresso dentro do intervalo anterior, deve-se manter constante a relao entre a carga (F) e o dimetro ao quadrado da esfera do penetrador (D2), ou seja, a relao:
Fator de carga
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Para padronizar o ensaio, fatores de carga foram fixados. O quadro a seguir mostra os principais fatores de carga utilizados e as respectivas faixas de dureza e indicaes do material.
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O dimetro da esfera determinado em funo da espessura do corpo de prova ensaiado. No caso da norma brasileira, a espessura mnima do material ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade da calota.
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O quadro a seguir mostra os dimetros de esfera mais usados e os valores de carga para cada caso, em funo do fator de carga escolhido.
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Uma empresa comprou um lote de chapas de ao carbonocom a seguinte especificao: espessura: 4 mm, dureza Brinell (HB): 180. Essas chapas devem ser submetidas ao ensaio de dureza Brinell para confirmar se esto de acordo com as especificaes.Essas chapas podem ser ensaiadas com a esfera de 10 mm?
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A espessura do material ensaiado (no mnimo) = 17.p De acordo com a tabela F/D2 = 30 (ao-carbono) F = 3000 kgf 180 = 3000 / .10.p p = 0,53 mm
Espessura mnima = 17 . 0,53 = 9,01 mmResposta: As chapas de 4 mm no podem ser ensaiadas com esfera de 10 mm.
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A execuo do ensaio de dureza Brinell consiste em:
Preparar uma superfcie plana na amostra;Colocar e fixar a amostra na mesa da mquina;Aplicar manualmente a pr-carga;Acionar o dispositivo para liberao da carga principal;
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Retirar a carga;Ler o tamanho da impresso;Usar a tabela para converter os dados dos ensaios para dureza Brinell.
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Representao da dureza Brinell:
XXX HBS D/Q/t ou XXX HBW D/Q/t
XXX: valor da dureza Brinell da amostra;HBS: para ensaio com uma esfera de ao;HBW para esfera de tungstnio;D: dimetro da esfera;Q: carga de compresso da esfera em kgf;t: tempo de aplicao da carga em segundo.
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EXEMPLO: 400 HBS 5/500/30
Dureza Brinell: 400Esfera de aoDimetro 5mmCarga de 500 kgfTempo de 30 s
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Ao: R 0,36HB
Cu-Zn: R 0,41HB
Liga Cu: R 0,52HB
Liga Al: R 0,40HB
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O baixo custo do equipamento para medida de dureza Brinell. usado especialmente para avaliao de dureza de metais no ferrosos, ferro fundido, ao, produtos siderrgicos em geral e de peas no temperadas; o nico ensaio utilizado e aceito para ensaios em metais que no tenham estrutura interna uniforme (materiais heterogneos); feito em equipamento de fcil operao.
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A possibilidade de se cometer erro no momento da medida dos dimetros das impresses.
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A impresso da esfera na amostra maior que a dos outros mtodos de ensaio de dureza, por isso a mais adequada para medir materiais heterogneos, que tm a estrutura formada por duas ou mais fases de dureza muito discrepantes (ferros fundidos, bronzes etc);
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O uso deste ensaio limitado pela esfera empregada. Usando-se esferas de ao temperado s possvel medir dureza at 500 HB, pois durezas maiores danificariam a esfera.
A recuperao elstica uma fonte de erros, pois o dimetro da impresso no o mesmo quando a esfera est em contato com o metal e depois de aliviada a carga. Isto mais sensvel quanto mais duro for o metal, Fig. 1.
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O ensaio no deve ser realizado em superfcies cilndricas com raio de curvatura menor que 5 vezes o dimetro da esfera, pode haver escoamento lateral do material e a dureza medida ser menor que a real, Fig. 2.
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rDFigura 1 Recuperao elsticaFigura 2 Escoamento lateral (r < 5.D)
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Proposto em 1922, levando o nome do seu criador, o processo mais utilizado no mundo, devido rapidez, facilidade de execuo, iseno de erros humanos, facilidade em detectar pequenas diferenas de durezas e pequeno tamanho da impresso.
Este mtodo apresenta algumas vantagens em relao ao ensaio Brinell, pois permite avaliar a dureza de metais diversos, desde os mais moles at os mais duros.
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Ao temperadoCone de diamante
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Penetrador de diamante:
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Neste mtodo, a carga do ensaio aplicada em etapas, ou seja, primeiro se aplica uma pr-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o material ensaiado, e depois aplica-se a carga do ensaio propriamente dita.
A leitura do grau de dureza feita diretamente num mostrador acoplado mquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada faixa de dureza do material.
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Cone de diamanteAo temperado
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1 Passo Aproximar a superfcie do corpo de prova do penetrador.
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2 Passo Submeter o corpo de prova a Uma pr- carga (carga menor).
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3 Passo Aplicar a carga maior at o ponteiro parar.
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4 Passo Retirar a carga maior e fazer aleitura do valor indicado no mostrador, na escala apropriada.
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A superfcie da amostra deve ser lixada para eliminar alguma irregularidade que possa ocasionar erros; A primeira leitura do ensaio de dureza Rockwell deve ser desprezada, porque a primeira impresso serve apenas para ajustar bem o penetrador na mquina;
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Se a superfcie da amostra no for plana, deve-se fazer uma correo no valor de dureza encontrado. A dureza Rockwell baseada na profundidade e no na rea;A espessura mnima da amostra para o ensaio de dureza Rockwell dez vezes a profundidade da impresso.
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A execuo do ensaio de dureza Rockwell consiste em:
Aplicao da pr-carga;Aplicao da carga principal;Retirada da carga;Leitura da dureza.
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Representao da dureza Rockwell:
64 HRC: dureza Rockwell de 64 na escala C
50 HR15N: dureza Rockwell superficial de 50 na escala 15 N
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A profundidade que o penetrador vai atingir durante o ensaio importante para definir a espessura mnima do corpo de prova. De modo geral, a espessura mnima do corpo de prova deve ser 17 vezes a profundidade atingida pelo penetrador.
Penetrador de diamante:HR normal: P = 0,002 x (100 - HR)HR superficial: P = 0,001 x (100 - HR)Penetrador esfrico:HR normal: P = 0,002 x (130 - HR)HR superficial: P = 0,001 x (100 - HR)
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Ensaio de dureza Rockwell avano em relao ao ensaio Brinell, j que possibilitou avaliar a dureza de vrios metais, que antes no podiam ser ensaiados quanto dureza.
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Suas escalas no tm continuidade. Por isso, materiais que apresentam dureza no limite de uma escala e no incio de outra no podem ser comparados entre si quanto dureza; No tem relao com o valor de resistncia trao, como acontece no ensaio Brinell.
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Este mtodo leva em conta a relao ideal entre o dimetro da esfera do penetrador Brinell e o dimetro da calota esfrica obtida, e vai alm porque utiliza outro tipo de penetrador, que possibilita medir qualquer valor de dureza, incluindo desde os materiais mais duros at os mais moles.
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A dureza Vickers se baseia na resistncia que o material oferece penetrao de uma pirmide de diamante de base quadrada e ngulo entre faces de 136, sob uma determinada carga.
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A mquina que faz o ensaio Vickers no fornece o valor da rea de impresso da pirmide, mas permite obter, por meio de um microscpio acoplado, as medidas das diagonais (d1 e d2) formadas pelos vrtices opostos da base da pirmide.
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[mm]F [kgf]
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Representao da dureza Vickers:
XXX HV Q/t
XXX: valor da dureza Vickers da amostra;HV: dureza Vickers;Q: carga de compresso da esfera em kgf;t: tempo de aplicao da carga em segundo.
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Polimento at a lixa 1.000 ou com alumina; Fixao da amostra na mquina de ensaio;Seleo da carga a ser aplicada;Seleo do tempo de aplicao.
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Acionamento do dispositivo para aplicar a carga;Medida das diagonais do quadrado impresso;Clculo da mdia das diagonais da impresso;Tabelas de converso do tamanho da impresso na dureza.
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Escala contnua de dureza, medindo todas as gamas de valores de dureza numa nica escala;Impresses extremamente pequenas que no inutilizam a pea;Possibilita grande preciso de medida;O penetrador, por ser de diamante, praticamente indeformvel;
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Utiliza apenas uma escala de dureza;Possvel a medida de todos os valores de dureza encontrados nos diversos materiais; Este ensaio aplica-se a materiais de qualquer espessura, e pode tambm ser usado para medir durezas superficiais;
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Por outro lado, devem-se tomar cuidados especiais para evitar erros de medida ou de aplicao de carga, que alteram muito os valores reais de dureza. A preparao do corpo de prova para microdureza deve ser feita, obrigatoriamente, por metalografia, utilizando-se, de preferncia, o polimento eletroltico, para evitar o encruamento superficial;
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Quando se usam cargas menores do que 300 gf, pode haver recuperao elstica, dificultando a medida das diagonais;
A mquina de dureza Vickers requer aferio constante, pois qualquer erro na velocidade de aplicao da carga traz grandes diferenas nos valores de dureza.
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A diferena entre o ensaio de dureza convencional e o de microdureza est na intensidade da carga usada para comprimir o penetrador.A marca deixada na superfcie da amostra pelo penetrador da mquina de ensaio de microdureza somente visvel no microscpio.
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Determinao da dureza das camadas finas de revestimento;Determinao da dureza de constituintes individuais de uma microestrutura, de materiais frgeis, de peas pequenssimas ou extremamente finas; aplicvel a todos os tipos de materiais e no apenas aos metais.
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Utiliza o mesmo mtodo de ensaio da dureza Vickers convencional.
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Penetrador na forma de pirmide alongada.
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A amostra deve ter uma superfcie plana e polida para permitir a visualizao da marca; Qualquer movimento da amostra durante a aplicao da carga pode danificar o penetrador;Quanto melhor o polimento da amostra mais fcil a leitura das dimenses da impresso por meio de um microscpio acoplado ao equipamento.
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Para o clculo da dureza Knoop (HK) usa-se as expresses abaixo:
onde Ap a rea da indentao projetada (mm2), Q a carga aplicada em gf, Lm a diagonal maior da impresso em micrmetro, c uma constante do penetrador que relaciona a rea da deformao com o comprimento diagonal maior do penetrador.
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Emprega-se a mesma equao usada na dureza Vickers e o resultado obtido na expresso abaixo tambm deve ser multiplicado por 1.000, pois a carga Q tambm em gramas-fora e o valor do comprimento da marca ( L ) em micrometro.
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O esclermetro mede a dureza superficial do concreto e a correlaciona com a resistncia compresso desse concreto. muito usado em obras em execuo, para avaliar a resistncia de concretos cujos corpos de prova padro deram resultado abaixo do esperado.Tambm usado para estimar a resistncia do concreto de obras antigas .