Departamento de Engenharia Mecânica
Área Científica de Mecânica dos Meios Sólidos
Materiais / Materiais I
Guia para Trabalho Laboratorial
ENSAIO DE DUREZA
1.
Introdução
A dureza de um material é uma propriedade mecânica que mede a resistência à deformação
plástica (permanente). A dureza constitui uma manifestação do efeito combinado de várias
propriedades mecânicas, como sejam o ponto de cedência, resistência à tracção, ductilidade,
características de encruamento e características de desgaste1. Esta propriedade pode ser
determinada através de três tipos distintos de ensaio: penetração, ressalto e risco1,2. O ensaio de
dureza por penetração é o mais utilizado para caracterização de materiais. Consiste no
carregamento da amostra em estudo por um penetrador, perpendicularmente à superfície, durante
um intervalo de tempo padrão. Depois de retirado o penetrador, é calculado um número de
dureza empírico a partir da área da secção recta ou da profundidade da impressão.
Os ensaios de dureza por penetração são classificados de acordo com o tipo de penetrador
utilizado, sendo os mais comuns os ensaios Vickers e Rockwell. O número de dureza obtido a
partir de cada um deles depende do material e geometria do penetrador e da força aplicada, sendo
tanto mais elevado quanto menor a penetração sofrida e, portanto, quanto maior a dureza do
material.
1.1. Ensaio de Dureza Rockwell
As condições de realização do ensaio de dureza Rockwell de materiais metálicos encontram-se
descritas na Norma NP 1413, existindo dois tipos de penetradores normalizados: cone de
diamante com ângulo de abertura de 120º ou esfera polida de aço temperado com diâmetro de
1,5875mm ou 3,175mm. Uma vez que são possíveis várias combinações geometria do
penetrador/força aplicada, dependendo a escolha das propriedades do material a analisar, o
número de dureza Rockwell (HR) deve ser seguido da letra correspondente à escala utilizada.
No ensaio Rockwell o provete é submetido a uma pré-carga de 10kgf, seguida de uma segunda
carga de 50, 90 ou 140 kgf. A aplicação da pré-carga visa garantir uma justaposição perfeita do
penetrador à superfície a ensaiar, eliminando o efeito da rugosidade e de defeitos superficiais3. A
aplicação da segunda carga (carga complementar) provoca um acréscimo da profundidade de
penetração. Esta profundidade não pode ser considerada como uma indicação da dureza do
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material uma vez que, além de deformação plástica, inclui deformação elástica1. Assim, numa
terceira etapa do ensaio, a carga complementar é retirada mantendo-se a pré-carga, o que permite
a recuperação elástica do material. O valor lido no mostrador do equipamento corresponde
directamente ao número de dureza Rockwell do material e é calculado a partir do acréscimo
remanescente da profundidade da penetração (e). A relação entre o número de dureza
Rockwell e a profundidade de penetração e depende do tipo da escala de dureza utilizada (Tab. I).
Tabela I. Relação entre o número de dureza Rockwell e a
profundidade de penetração (e)3.
Escala de dureza Rockwell
Número de dureza Rockwell
A, C, D
100-e
B, E, F, G, K
130-e
Na Tabela II apresentam-se as diferentes escalas Rockwell, tipo de penetrador e carga
correspondente e respectivas aplicações.
Tabela II. Escalas de dureza Rockwell, forças correspondentes e campo
de aplicação (adaptado2,3,4). A pré-carga é de 10kgf em todas as escalas.
Escala
Penetrador
Carga
complementar (kgf)
Carga total
(kgf)
Campo de aplicação
A
Cone de
diamante
50
60
Carbonetos, aço de cementação superficial
(20 a 88 HRA)
B
Esfera de aço
1,5875mm
90
100
Ligas de cobre, aço macio, ligas de alumínio, ferro
fundido maleável (20 a 100 HRB)
C
Cone de
diamante
140
150
Aço, ferro fundido branco, titânio
(20 a 70 HRC)
D
Cone de
diamante
90
100
Aço de cementação profunda
(40 a 77 HRD)
E
Esfera de aço 3,
175mm
90
100
Ferro fundido, ligas de alumínio e de magnésio
(70 a 100 HRE)
F
Esfera de aço
1,5875mm
50
60
Ligas de cobre recozidas, metais macios em
chapa (60 a 100 HRF)
G
Esfera de aço
1,5875mm
140
150
Bronzes, ferro fundido maleável, ligas de cobrezinco-níquel e cobre-níquel (30 a 94 HRG)
H
Esfera de aço 3,
175mm
50
60
Alumínio, chumbo, zinco
(80 a 100 HRH)
K
Esfera de aço 3,
175mm
140
140
Metais macios, de modo geral
(40 a 100 HRK)
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1.2. Ensaio de Dureza Vickers
As condições de realização do ensaio de dureza Vickers de materiais metálicos encontram-se
descritas na Norma NP 711-15. O penetrador utilizado é uma pirâmide de diamante com base
quadrada, com ângulo de 136º entre faces opostas (Figura 1). O número de dureza Vickers (HV) é
proporcional ao quociente entre a força aplicada e a área superficial da impressão (calculada a
partir do comprimento das diagonais da penetração):
HV =
2Fsen(136 / 2) 0,1891F
=
d2
d2
onde F é a força aplicada [N] e d o comprimento médio das diagonais de impressão [mm]. É de
referir que o comprimento das diagonais de impressão é medido através de um microscópio
acoplado à máquina de dureza. A força aplicada pode variar entre 10N e 1000N. Obviamente, uma
comparação de valores de dureza Vickers só é rigorosa se tiverem sido obtidos com forças de
ensaio idênticas.
(a)
(b)
Fig.1. Ensaio de dureza Vickers . (a) Geometria do penetrador α=136º. (b) Impressão
5
da penetração (d1 e d2: diagonais de impressão).
A dureza de um metal depende da facilidade com que se deforma plasticamente, pelo que pode
ser relacionada com a sua resistência mecânica. No entanto, uma vez que os ensaios de dureza
não se baseiam todos no mesmo tipo de medida e não medem uma propriedade bem definida do
material, não existe uma relação de conversão universal de durezas. Ou seja, as conversões
dureza-dureza e dureza-resistência mecânica existentes são determinadas empiricamente para
cada material.
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2. Procedimento Experimental
2.1. Objectivo
Compreensão do conceito de dureza de um metal e sua relação com a resistência mecânica do
material. Manipulação de durómetros para determinação da dureza Rockwell B e Vickers do aço
Ck45.
2.2. Material e Equipamento
-
Amostra do aço Ck45 preparada no Trabalho nº3.
-
Durómetro EMCO M4U-025.
-
Durómetro OFFICINE GALILEO.
~
2.3. Método Experimental
A superfície da amostra deve ser cuidadosamente limpa com acetona. A execução experimental
deverá ser feita de acordo com as instruções de utilização de cada um dos durómetros. Efectue 5
ensaios segundo cada um dos métodos em estudo. Na realização de ensaios Rockwell, a força de
ensaio deve ser mantida durante 10 a 15 segundos. A velocidade de aplicação da carga deve
semelhante em todos os ensaios. A obtenção de resultados reprodutíveis implica ainda a
observação dos seguintes cuidados:
-
A superfície da amostra a ensaiar deve ser lisa, plana e perpendicular ao penetrador.
-
A superfície da amostra deve encontrar-se seca e isenta de partículas estranhas,
óxidos e lubrificantes.
-
O equipamento deve encontrar-se protegido contra choques e vibrações.
-
O penetrador e a superfície de suporte devem estar limpos e bem apoiados.
-
A espessura da amostra deve ser pelo menos 10 vezes superior à profundidade de
penetração, de modo a não serem produzidas marcas no reverso da amostra.
-
O espaçamento entre cada impressão deve ser 3 a 5 vezes o diâmetro da penetração.
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3.
Questionário
1. Defina o conceito de dureza de um material.
2. Qual lhe parece ser a vantagem de avaliar a resistência mecânica de uma peça metálica
através de ensaios de dureza em lugar de ensaios de tracção?
3. Compare os ensaios de dureza Vickers e Rockwell quanto às suas vantagens e
desvantagens.
4. Qual a finalidade da aplicação de uma pré-carga no ensaio Rockwell?
5. Calcule o valor médio e o desvio-padrão de HV e HRB do aço Ck45 em estudo.
6. Compare os valores de dureza obtidos através de cada um dos métodos. (Utilize a tabela
do equipamento para converter os números de dureza Vickers em HRB).
7. O fabricantea indica para o aço Ck45 o valor 98 HRB. Compare este valor com o valor
médio obtido. Justifique possíveis discordâncias.
4.
Bibliografia
1. EL WALIL, S. – Materials Science and Engineering Lab Manual. Boston: PWS Publishing
Company, 1994.
2. LIMA, A. V., CASTRO, A. G. – Ensaios e propriedades dos materiais. In Ciência e
Tecnologia dos Materiais. Gondomar: Universidade de Trás-os-Montes e alto Douro, 1988.
3. Norma Portuguesa NP 141 – Materiais Metálicos. Ensaios de dureza. Ensaio Rockwell
(escalas A-B-C-D-E-F-G-H-K). Lisboa: IPQ, 1990.
4. AVNER, S. – Introduction to Physical Metallurgy, 2nd ed. Auckland: McGraw-Hill, 1974.
5. Norma Portuguesa NP 711-1 – Materiais Metálicos. Ensaios de dureza. Ensaio Vickers.
Parte 1: HV5 a HV100. Lisboa: IPQ, 1990.
a
F. RAMADA, Aços e Indústrias, S. A.
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