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Disciplina
ENSAIOS DE MATERIAIS
Tópico 05
A. Marinho Jr
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 1900. 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 -
D2 - d2) 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 05.1. 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.
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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) / L2 = 1,854P/L2
onde P é a carga aplicada em Kgf, L é o comprimento médio das diagonais em mm e
faces opostas do diamante, 136º.
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é o ângulo entre as
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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 1500. 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
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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/Ap = P/L2C onde:
P é a carga aplicada em Kgf, Ap 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:
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Tabela 05.1
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Parte de uma tabela da ASM de conversão de durezas para aços
Revisão: 00 Março de 2009
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