Material para Produção Industrial
Ensaio de Dureza
Prof.: Sidney Melo
8° Período
1
O que é Dureza
Dureza é a propriedade de um material que permite a ele
resistir à deformação plástica, usualmente por penetração. O
termo dureza também pode ser associado à resistência à
flexão, risco, abrasão ou corte.
2
Medição da Dureza
A dureza não é uma propriedade intrínseca do material, ditada
por definições precisas em termos de unidades fundamentais
de massa, comprimento e tempo. Um valor da propriedade de
dureza é o resultado de um procedimento específico de
medição.
3
Originalmente a avaliação da dureza de
um material estava associada a sua
resistência ao risco ou corte. Como
exemplo ilustrativo pode-se tomar um
material B que risca o material C mas
não risca o material A .
Alternativamente, o material A risca o
material B levemente e risca
fortemente o material C. A dureza
relativa de minerais pode ser avaliada
em referência a escala Mohs ( a
escala mais antiga que se tem
conhecimento- 1822), que classifica a
habilidade de um material em resistir a
riscos provocados por outro material.
4
Métodos similares de avaliação de dureza relativa são ainda utilizados
atualmente. Um exemplo é o teste da lima, onde uma lima temperada
numa dureza desejada é friccionada na superfície do material a testar.
Se a lima desliza sem morder ou marcar a superfície, o material é
considerado mais duro que a lima. Caso contrário, o material é menos
duro que a lima.
5
Princípios usados atualmente para medição da Dureza
Os testes de dureza relativa são limitados e não fornecem escalas ou
dados numéricos precisos para os metais e materiais mais modernos.
O método mais comum de obtenção do valor de dureza é medir a
profundidade ou área deixada por um instrumento de endentação de
formato específico sobre o material, usando-se para tal uma força
definida, aplicada durante um tempo específico. É a determinação da
dureza por penetração.
6
Para materiais mais 'moles' como borrachas e plásticos, a dureza é
usualmente determinada por choque, onde um instrumento causa
impacto sobre a superfície do material. Parte da energia do choque é
usada para a medida da dureza.
Os principais métodos padronizados de medição são: Brinell, Vickers, e
Rockwell.
Por razões práticas e de calibração, cada um dos métodos é divido em
campos de escala, definidos por uma combinação de carga aplicada e
geometria do endentado.
7
Os métodos de medição de dureza mais utilizados são listados abaixo.
Teste de Dureza Rockwell
Teste de Dureza Superficial Rockwell
Teste de Dureza Brinell
Teste de Dureza Vickers
Teste de Microdureza(Knoop/Vickers)
Teste de Dureza Mohs
Teste do Escleroscópio -Escala Shore- Durômetro
8
Teste de Dureza Rockwell
9
O teste de dureza Rockwell consiste em endentar o material sob teste com
um cone de diamante ou endentador de esfera de aço endurecido. O
endentador é pressionado contra a superfície do corpo de prova com
uma pré-carga F0 , usualmente de 10kgf . Quando o equilíbrio é
atingido, um dispositivo indicativo que segue os movimentos do
endentador e responde às variações da profundidade de penetração é
ajustado para a posição zero.
10
Ainda com a pré-carga aplicada, uma segunda carga é introduzida,
aumentando a penetração. Atingido novamente o equilíbrio a carga é
removida, mantendo-se a pré-carga. A remoção da carga provoca uma
recuperação parcial, reduzindo a profundidade da penetração. O
aumento permanente na profundidade da penetração resultante da
aplicação e remoção da carga é usado para calcular o valor da dureza
Rockwell.
11
Fonte: www.cimm.com.br
12
13
14
onde,
e = aumento permanente da profundidade de penetração devido à carga maior F1
medido em unidades de 0,002 mm
E = constante que depende do formato do endentador: 100 para endentador de
diamante, 130 para endentador de esfera de aço
HR = valor da dureza Rockwell
F0 = pré-carga em kgf
F1= carga em kgf
F = carga total em kgf
15
Escalas de dureza Rockwel
Existem várias escalas de dureza Rockwell, estabelecidas de acordo
com os tipos de material a testar . Abaixo são mostradas as
características de cada uma das referidas escalas, para pré-carga
Fo de 10 kgf.
16
17
Cuidados especiais
As peças do material testado devem estar limpas e a área da região do
ponto de medida deve ser lisa.
Vantagens e Desvantagens
As Vantagens do teste Rockwell incluem a medida direta do valor da
dureza e a rapidez do teste. Além disto o teste não é destrutivo, isto é,
em geral a peça pode ser utilizada depois da medida. Entre as
desvantagens estão a multiplicidade de escalas não relacionadas e os
possíveis efeitos da mesa usada para suporte do corpo de prova
(experimente colocar uma folha de papel fino sob um bloco de teste e
observe o efeito na medição da dureza). Os testes de Vickers e Brinell
não são sensíveis a este efeito.
18
Principais Normas para o teste
ABNT
NBRNM146-1 (1998) Materiais metálicos - Dureza Rockwell Medição da dureza Rockwell (escalas A, B, C, D, E, F, G, H e K) e
Rockwell superfícial (escalas 15N, 30N, 45N, 15T, 30 T e 45 T) e
calibração de equipamento
ASTM
E18-05e1 Standard Test Methods for Rockwell Hardness and
Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials
19
ISO
ISO 6508-1:1999Metallic materials - Rockwell hardness test - Part 1:
Test method (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) ISO 65082:1999Metallic materials -Rockwell hardness test - Part 2: Verification
and calibration of testing machines (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K,
N, T)
ISO 6508-3:1999Metallic materials -Rockwell hardness test - Part 3:
Calibration of reference blocks (scales A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T)
ISO 3738-1and 2:1982Hardmetals -Rockwell hardness test (scale A)
-Part 1: Test method Preparation and calibration of standard test
blocks ; Part2 -Preparation and calibration of standard test blocks
20
Teste de dureza Superficial Rockwell
21
Descrição
O método de teste de dureza superficial Rockwell consiste em
endentar o material com um cone de diamante (escala N) ou
endentador de esfera de aço endurecido. O endentador é forçado
contra o material sob teste com uma pré-carga F0 , usualmente de 3
kgf . Quando o equilíbrio é atingido, um dispositivo que segue os
movimento do endentador e responde às mudanças na profundidade
de penetração do endentador é ajustado para uma posição de
zeragem.
22
Mantida a pré-carga, uma carga F1 é adicionada, aumentando a
profundidade de penetração. Quando o equilíbrio é novamente
atingido, a carga é removida e mantida a pré-carga. A remoção da
carga ocasiona uma recuperação parcial, reduzindo a profundidade
de penetração. O aumento permanente da profundidade de
penetração e, resultante da aplicação e remoção da carga é utilizado
para o cálculo do valor da dureza Rockwell Superficial.
23
onde:
F0= pré-carga em kgf
F1 = carga em kgf
F = carga total em kgf
e = aumento permanente da profundidade de penetração devido à carga F, medida em
unidades de 0.001 mm
E = constante de 100 unidades para endentadores de diamante e esfera
HR = valor da dureza Rockwell
D = diâmetro da esfera de aço
24
Escalas de dureza superficial Rockwell
Existem várias escalas para a dureza superficial Rockwell,
estabelecidas de acordo com os tipos de material a testar . Abaixo
são mostradas as características de cada uma das referidas escalas,
para pré-carga Fo de 3 kgf, com as respectivas recomendações de
aplicação.
25
26
Teste de dureza Brinell
27
Descrição
O método de teste de dureza Brinell consiste em endentar o material com
uma esfera de aço endurecido ou metal duro com 10 mm de diâmetro
com uma carga de 3000 kg. Para materiais mais moles a carga pode
ser reduzida para 1500 kg ou 500 kg para reduzir endentação
excessiva. A carga total é normalmente aplicada por 10 ou 15
segundos no caso de ferro fundido ou aço , e pelo menos durante 30
segundos para outros metais.
28
Fonte: www.cimm.com.br
29
30
31
onde D é o diâmetro da esfera e Di é o diâmetro da impressão, ou da
endentação
O diâmetro da impressão é a média de duas leituras tomadas em
ângulo reto. O uso de uma tabela de Número de Dureza Brinell
(HBN) pode simplificar a determinação da dureza.
32
Um número Brinell revela as condições de teste e tem um formato como
"75 HB 10/500/30", significando que o valor 75 foi obtido para a
dureza (HB= Hardness Brinell), usando uma esfera de aço de 10mm
de diâmetro, com um carga de 500 kgf, aplicados durante 30
segundos.
Em testes com metais muito duros, a esfera de aço é substituída por
uma esfera de carboneto de tungstênio.
33
Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza Brinell no qual se
usou uma esfera de 2,5 mm de diâmetro e aplicou-se uma carga de
187,5 kgf. As medidas dos diâmetros de impressão foram de 1 mm.
Qual a dureza do material ensaiado?
34
35
Exercícios
Num ensaio de dureza Brinell com esfera de 2,5 mm e aplicação de
uma carga de 62,5 kgf por 30 segundos, o diâmetro da calota
esférica impressa no material foi de 1,05 mm e a dureza HB de 69.
Represente este resultado, a seguir.
Uma liga dura de alumínio passou pelo ensaio de dureza Brinell pelo
tempo padrão e o diâmetro de impressão produzido pela esfera de
2,5 mm foi de 0,85 mm. Qual o valor da dureza Brinell?
36
Vantagens e Desvantagens
Comparada a outros métodos, a esfera do teste Brinell provoca a
endentação mais profunda e mais larga . Com isto a dureza medida
no teste abrange uma porção maior de material, resultando numa
média de medição mais precisa, tendo em conta possíveis estruturas
policristalinas e heterogeneidades do material.
Este método é o melhor para a medição da dureza macro-dureza de
um material, especialmente para materiais com estruturas
heterogêneas.
37
Princiopais Normas para o teste
ABNT
NBRNM187 (05/1999) Materiais metálicos - Dureza Brinell - Parte 1:
Medição da dureza Brinell - Parte 2: Calibração de máquinas de
medir dureza Brinell - Parte 3: Calibração de blocos padrão a serem
usados na calibração de máquinas de medir dureza Brinell
38
ASTM
E10-01e1 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic
Materials
WK3044 Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic
Materials
ISO
ISO 6506:1999Metallic materials -Brinell hardness test - Part 1: Test
method -Part 2: Verification and calibration of testing machines- Part
3: Calibration of reference blocks
39
Teste de Dureza Vickers
40
Descrição
O teste de dureza Vickers consiste em endentar o material sob teste
com um endentador de diamante, na forma de uma pirâmide reta de
base quadrada e um ângulo de 1360 entre as faces opostas ,
utilizando uma carga de 1 a 100 kgf.
41
A carga plena é aplicada normalmente durante um tempo de 10 a 15
segundos. As duas diagonais da endentação deixadas na superfície
do material depois da remoção da carga são medidas usando-se um
microscópio. Com os valores lidos calcula-se a média aritmética. A
seguir calcula-se a area da superfície inclinada da endentação. A
dureza Vickers é o quociente obtido dividindo a carga (em kgf) pela
área da endentação
42
Fonte: www.cimm.com.br
43
44
onde
F= é a carga em kgf
d = é a média aritmética entre as duas diagonais, d1 e d2 em mm
HV = é a dureza Vickers
Calculada a média das diagonais da endentação, a dureza Vickers pode ser
calculada pela fórmula acima. O uso de tabelas de cálculo também é comum. A
dureza Vickers deve ser representada na seguinte forma: 800HV/10. O formato
significa que foi obtido um valor de dureza de 800 através do método Vickers (HV)
, usando uma carga de 10 kgf.
45
Vantagens e Desvantagens
Diferentes ajustes de cargas resultam praticamente no mesmo valor de
dureza para materiais uniformes. Isto é muito conveniente pois evita a
mudança arbitrária de escala com outros métodos de medição de
dureza. Leituras extremamente precisas podem ser obtidas no teste
Vickers, além da vantagem de utilizar apenas um tipo de endentador
para todos os tipos de metais e superfícies. O teste é aplicável a uma
grande gama de materiais, dos mais moles aos mais duros, com ampla
faixa de ajuste de cargas. A única desvantagem do teste é a máquina de
medição, que é de maior porte e mais cara que as correspondentes para
os teste Brinell e Rockwell.
46
NOTA : existe uma forte tendência de representar a dureza Vickers em unidades SI (MPa
ou GPa), especialmente em trabalhos acadêmicos. Esta tendência pode ser uma fonte
de confusão, pois a apresentação formal da dureza não é acompanhada explicitamente
das unidades (e.g. HV30). A maioria das máquinas de teste Vickers usa forças de 1, 2,
5, 10, 30, 50 e 100 kgf e tabelas para o cálculo do HV.
Para o SI as forças devem ser especificadas em N . Então a alternativa de usar o SI
altera a forma de apresentação do valor da dureza.
Por exemplo:
O valor usual 700HV30 seria representado por : 6.87 HV294 para HV em GPa e a força
em N .
A força em kgf foi convertida para N e a área de mm2 para m2 para resultados em
Pascal.
Para a conversão da dureza , pode-se usar os valores:
Para converter HV para MPa multiplicar por 9.807
Para converter HV para GPa multiplicar por 0.009807
47
Principais Normas para o teste
ABNT
NBRNM188-(05/1999) Materiais metálicos - Dureza Vickers - Parte
1: Medição da dureza Vickers - Parte 2: Calibração de máquinas de
medir dureza Vickers - Parte 3: Calibração de blocos padrão a serem
usados na calibração de máquinas de medir dureza Vickers
48
ASTM
C1327-03 Standard Test Method for Vickers Indentation Hardness of
Advanced Ceramics
E92-82(2003)e2 Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic
Materials
revisão da E92-82(2003)e2 : WK7683 Standard Test Method for
Vickers Hardness of Metallic Materials
ISO
ISO 6507 (1997) Metallic materials - Vickers hardness test - Part 1: Test
method - Part 2: Verification of testing machines - Part 3: Calibration of
reference blocks
49
Teste de Dureza Mohz
50
A escala Mohs foi usada pela primeira
vez em 1822. Ela simplesmente
consiste num grupo de 10 minerais,
ordenados de 1 a 10. O diamante é
classificado como o mais duro e
possui o índice 10; o mais mole é o
talco, classificado com o índice 1.
Cada mineral da escala pode riscar
todos aqueles abaixo do seu índice.
51
Os intervalos da escala não são de mesmo valor, isto é, o intervalo
entre 9 e 10 é muito maior do que entre 1 e 2. A dureza é
determinada pela pesquisa de qual mineral da escala padrão o
material de teste risca ou não risca. A dureza do material de teste
fica entre os dois pontos da escala, sendo o primeiro o mineral
riscado pelo material de teste e o segundo o mineral não arranhado
pelo material de teste.
52
Alguns exemplos da dureza de metais comuns na escala Mohs são: o
cobre, entre 2 e 3 e os aços ferramenta, entre 7 e 8.
Este é um teste simples, mas não é quantitativo. Os padrões são
simplesmente números arbitrários.
Os profissionais de materiais e metalurgia normalmente não utilizam a
escala Mohs. Ela é apenas uma indicação qualitativa, quando não se
dispõe de aparelhos para os testes convencionais de dureza.
53
Seleção do Método do Ensaio
54
Alguns fatores devem ser considerados na seleção do melhor método para
a medição de dureza de um material. São destacados abaixo os
principais fatores a considerar:
tipo de material a testar : metal, borracha, aspectos de tamanho de
grão, etc.
forma: tamanho, espessura do corpo, etc.
dureza estimada: aço endurecido, plástico ou borracha, ou seja, a
categoria do material;
tratamento térmico: profundo, superficial, localizado, recozido,etc.
volume de produção: se a medição é por amostragem ou inspeção
55
56
Conversão de Unidades de Dureza
57
A conversão dos valores de Dureza entre diferentes métodos e escalas
não é matematicamente exata para uma grande gama de materiais.
Cargas diferentes, diferentes formas de endentadores,
homogeneidade do espécime, propriedades de trabalho a frio e
propriedades elásticas tornam a tarefa complicada. Todas as tabelas
e diagramas devem ser encarados como equivalentes aproximados,
especialmente quando o teste com determinado material não for
fisicamente possível para um método ou escala específicos, e
portanto não for passível de verificação.
O diagrama seguinte dá uma visão geral das equivalências entre
escalas de dureza.
58
59
Referências bibliográficas
VICENTE CHAVERINI, "Aços e Ferros Fundidos", Características gerais, tratamentos térmicos e
principais tipos, 4 Edição São Paulo, Associação Brasileira de Metais 1977
Material Didático. Centro de Informação Metal Mecânica, em: <www.cimm.com.br>
60