Ensaios Mecânicos de
Materiais
Aula 3 – Ensaio de Dureza
Prof. MSc. Luiz Eduardo Miranda J. Rodrigues
Aula 3
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Tópicos Abordados Nesta Aula
Ensaio de Dureza.
Dureza Brinell.
Dureza Rockwell.
Dureza Vickers.
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Definições de Dureza
Dureza - propriedade mecânica muito utilizada na
especificação de materiais, nos estudos e pesquisa
mecânicas e metalúrgicas e na comparação de materiais
diversos.
Outros significados conforme a área de aplicação:
Mecânica - resistência à penetração de um material em
outro.
Usinagem - resistência ao corte de um metal.
Mineralogia - resistência ao risco de um material sobre o
outro.
Metalurgia - resistência à deformação plástica permanente.
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Definições de Dureza
Dureza - Propriedade de um material que permite a ele
resistir à deformação plástica (permanente), usualmente
por penetração.
O termo dureza também pode ser associado à resistência
à flexão, risco, abrasão ou corte.
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Definições de Dureza
Ensaios de Dureza – A maioria dos ensaios de dureza
estáticos consiste na impressão de uma pequena marca
feita na superfície da peça, pela aplicação de pressão, com
uma ponta de penetração.
A medida da dureza do material é dada em função das
características da marca de impressão e da carga
aplicada.
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Objetivos dos Ensaios de Dureza
Conhecimento da resistência ao desgaste
desgaste..
Conhecimento aproximado da resistência mecânica através
do uso de tabelas de correlação
correlação..
Controle de qualidade de tratamentos térmicos
térmicos..
Controle de qualidade em processos de conformação
plástica e em processos de ligação
ligação..
Pesquisa e desenvolvimento de novas ligas e materiais
materiais..
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Principais Tipos dos Ensaios de Dureza
Por risco → Dureza Mohs
Por choque ou ressalto → Dureza Shore
Por penetração → Dureza Brinell
→ Dureza Meyer
→ Dureza Vickers
→ Dureza Rockwell
O ensaio de dureza é considerado não destrutivo; deixa
uma pequena marca no material, não comprometendo a
utilização da peça ou corpo de prova.
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Dureza de Risco
Mohs - Primeiro método padronizado de ensaio de dureza
baseado no processo de riscagem de minerais padrões,
desenvolvido por Mohs, em 1822.
Consiste de uma escala
de10 minerais, organizados
de tal forma que o
diamante, material mais
duro, risca todos os outros.
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Dureza de Risco
Mohs – É um método pouco utilizado nos materiais
metálicos, pois, a maioria dos metais apresenta durezas
Mohs entre 4 e 8, e pequenas diferenças de dureza não
são acusadas por este método.
Exemplo: Aço dúctil corresponde a uma dureza de 6 Mohs,
a mesma dureza Mohs de um aço temperado.
Mais aplicado na mineralogia.
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Dureza de Risco
Bierbaum - Microdureza Bierbaum - Consiste na aplicação
de uma força de 3gf, por meio de um diamante
padronizado, com formato igual a um canto de cubo com
ângulo de contato de 35°, sobre uma superfície previamente
preparada por polimento e ataque químico.
A dureza Bierbaum é determinada a partir da medição da
largura do risco, realizada por meio de um microscópio
(quanto menor essa medida maior é a dureza).
Também é um método pouco utilizado.
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Dureza por choque ou ressalto
Shore – Ensaio Dinâmico - A impressão é causada pela
queda livre de um êmbolo. Utiliza uma barra de aço
(êmbolo) de peso 2,5 N, com uma ponta padronizada
(arredondada) de diamante colocada dentro de um tubo de
vidro com um escala graduada de 0 a 140, tal barra é
liberada de uma altura padrão (256 mm),
O valor da dureza é proporcional à energia consumida
para formar a marca no corpo de prova e representada pela
altura alcançada no rebote do êmbolo. Materiais dúcteis
consomem mais energia na deformação do corpo e o
êmbolo alcança uma altura menor no retorno, indicando
uma dureza mais baixa.
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Dureza por choque ou ressalto
O Escleroscópio é um
dos
mais
antigos
dispositivos de medição
de dureza. Foi criado
em 1905 pela Shore
Instrument Mfg Co.
a) Original, com tubo
graduado.
b) Com escala.
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Dureza por choque ou ressalto
O Escleroscópio
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Dureza por choque ou ressalto
Cuidados no Teste
O material a ser testado deve ser firmemente apoiado
para evitar vibrações que podem alterar a leitura;
O êmbolo deve cair e retornar na direção vertical, portanto
a superfície a testar deve estar exatamente na direção
horizontal.
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Dureza por choque ou ressalto
Cuidados no Teste
A superfície a medir deve ser lisa. Superfície rugosa pode
absorver o impacto do êmbolo e fornecer um valor menor
do que o real;
O impacto sobre a peça causa endurecimento localizado
sobre a área de contato. O impacto só deve ser feito uma
vez sobre um mesmo ponto.
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Dureza por choque ou ressalto
Vantagens
Possibilidade de medir dureza de peças de
grandes dimensões que não podem ser
colocadas e maquinas de dureza por
penetração;
Vantagens
Equipamento portátil e de fácil utilização;
A impressão Shore é pequena e pode ser
utilizada para medir durezas de peças já
acabadas.
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Dureza por choque ou ressalto
Deve ser executado com o tubo perfeitamente
na vertical;
Muito sensível ao acabamento superficial;
Medições em peças pouco espessas são
sensíveis ao tipo de apoio;
Desvantagens
Desvantagens
Peças pouco espessas ou de baixa rigidez
podem entrar em vibração com o impacto.
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Dureza por choque ou ressalto
Durômetro Shore
É uma evolução do antigo
escleroscópio - O princípio de
medição de queda de peso foi
substituido por um sistema de
medição por mola.
Utilizado para medir a dureza
de endentação de borrachas,
plásticos e materiais com
comportamento similar.
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Dureza por choque ou ressalto
Durômetro Shore
O material é submetido a uma pressão aplicada através de
uma mola calibrada que atua sobre o endentador, que
pode ser esférico ou cônico. Um dispositivo de indicação
fornece a profundidade de endentação. O valor da dureza
é dado pela profundidade da penetração.
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Dureza por choque ou ressalto
Durômetro Shore – Escalas Shore
As diferentes escalas Shore foram criadas utilizando:
7 diferentes de endentadores
5 diferentes molas
2 diferentes extensões do endentador
2 diferentes especificações dos suportes
As escalas A e D são as mais utilizadas. Como os
materiais respondem de forma diferente às diferentes
escalas, não há correlação entre escalas.
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Dureza por choque ou ressalto
Durômetro Shore - Características do Processo
Os resultados obtidos são medidas úteis de resistência
relativa à endentação para várias gamas de polímeros.
Não serve para prever outras
resistência a abrasão ou desgaste.
propriedades
como
Não deve ser usado sozinho para especificação de projeto
do produto.
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Dureza por choque ou ressalto
Durômetro Shore
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Dureza por penetração
Os ensaios de penetração baseiam-se em produzir uma
deformação permanente na superfície de um material pela
aplicação de uma carga, durante um determinado intervalo
de tempo, através de um penetrador.
São os ensaios mais utilizados atualmente.
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Dureza por Penetração
Dureza Brinell
Proposta por Brinell em 1900, leva o seu nome e é
simbolizada por HB ( Hardness Brinell), é o tipo mais usado
na engenharia. É definida por N/mm² ou kgf/mm².
Exemplo de representação: 360 HBS 5 / 750 / 10.
360 é a dureza obtida,
HBS é o material da esfera (HBS=Aço e HBW=Tunstênio),
5 é diâmetro da esfera,
750 é a força utilizada no ensaio,
10 duração da aplicação da força.
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Dureza por Penetração
Dureza Brinell
Consiste em fazer penetrar lentamente a
superfície do material com uma esfera de
aço endurecido ou metal duro com 10mm
de diâmetro “D”, sob a ação de uma força
“F”de 3000 kgf.
Em materiais mais moles, para reduzir
endentação excessiva, pode-se reduzir a
força para 1500 ou 500 kgf.
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Dureza por Penetração
Dureza Brinell
Ac = π.D. p
Muito pequeno,
difícil medição
A carga é aplicada
por
10
ou
15
segundos no caso de
FoFo ou aço , e pelo
menos 30 segundos
para outros metais.
Quanto
menor
a
impressão
(calote
esférico) de diâmetro
“d” maior é a dureza
do material.
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Dureza por Penetração
Dureza Brinell
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Dureza por Penetração
Dureza Brinell
Impressão normal.
Defeito – Aderência
do
material
à
esfera
durante
a
aplicação da carga.
Defeito
bordas
estão
abauladas,
dificultando a leitura
do diâmetro.
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Dureza por Penetração
Drureza Brinell – Correlação de dureza e resistência a
tração
Para alguns materiais, a resistência à tração pode ser
estimada a partir da dureza Brinell com a relação:
(Kgf / mm²)
A tabela abaixo dá alguns valores de k.
Material
Aço-carbono Aço-liga
Cobre, latão
Bronze
laminado
Bronze
fundido
k
0,36
0,34
0,40
0,22
0,23
Material
Liga Al Cu
Mg
Liga Al Mg
Outras ligas
Mg
Alumínio
fundido
-
k
0,35
0,44
0,43
0,26
-
Onde k é um valor tabelado para cada material
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Dureza por Penetração
Dureza Brinell – Vantagens
Baixo tempo de preparação das superfícies;
Único possível para materiais pouco homogêneos.
Vantagens
Baixo custo de equipamentos;
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Dureza por Penetração
Não linearidade carga-impressão;
Dureza máxima admissível baixa (500HB);
Necessário um acabamento superficial mínimo;
Sujeito a erro de medição pelo operador;
Desvantagens
Dureza Brinell – Desvantagens
Impressões grandes, podem inutilizar a peça.
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Formulação Matemática
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Exemplo de Cálculo
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Tabela de Dureza Brinell
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Condições para Realização do Ensaio
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Valores dos Fatores de Carga
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Diâmetro da Esfera
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Exemplo de Cálculo
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Solução do Exemplo
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Solução do Exemplo
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Representação dos Resultados
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Tempo de Realização do Ensaio
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Vantagens e Limitações do Ensaio
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Dureza por Penetração
Dureza Meyer
Apresenta um número de dureza que representa uma
aproximação muito melhor que o método de Brinell (as
forças laterais na superfície inclinada da calota tendem a se
anular.
Lei de Meyer; para uma dada esfera de diamante “D”, existe
uma relação entre carga aplicada e o diâmetro da
impressão. F = kdⁿ
K = Constante do material que indica a resistência do metal.
N = Índice de Meyers e se relaciona com o grau do encruamento
do material
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Dureza por Penetração
Dureza Meyer
Idêntica a dureza Brinell, mas em vez da área da calota
impressa usa a área da calota projetada no plano da
superfície.
HM = F
Ac
Ac = πd²
4
HM = 4F
πd²
HM é definida como pressão media na área projetada.
Método pouco utilizado nos metais.
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Dureza Rockwell
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Ensaio Rockwell
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Penetradores de Dureza Rockwell
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Descrição do Ensaio
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Dureza por penetração
Dureza Rockwell
Método mais utilizado internacionalmente.
A denominação deve-se de sua proposta ter sido feita pela
indústria Rockwell, dos Estados Unidos, em 1922.
Não apresenta relação com a área da impressão.
O número de dureza é sempre citado com o símbolo HR,
seguido da escala utilizada (A, B, C, D, E...).
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Dureza por penetração
Dureza Rockwell
Uma segunda carga (100 kg) é introduzida, aumentando a
penetração (c).
Atingido novamente o equilíbrio a carga é removida,
mantendo-se a pré-carga (d). A remoção da carga provoca
uma recuperação parcial, reduzindo a profundidade da
penetração (HR = E – e).
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Dureza por penetração
Dureza Rockwell
O ensaio consiste em endentar o material com um cone de
diamante, com ângulo de 120o e ponta arredondada
(r = 2mm), ou de esfera de aço endurecido (a).
O endentador é pressionado contra a superfície do corpo de
prova com uma pré-carga F0 , usualmente de 10kgf .
Quando o equilíbrio é atingido a profundidade de
penetração é ajustada para a posição zero (b).
F0 aplicada pelo
ajuste da alavanca
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Dureza por penetração
Dureza Rockwell
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Dureza por penetração
Dureza Rockwell
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Dureza por penetração
Dureza Rockwell
Marcação da posição de
equilíbrio - zeragem
Remoção da carga maior recuperação
Aproximação do endentador
Adição da força maior
Posição final de leitura –
profundidade e
Introdução da carga menor
Marcação da segunda
posição de equilíbrio
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Dureza por penetração
Dureza Rockwell - Vantagens
Isenção de erros humanos;
Pequeno tamanho de impressão;
As superfícies não necessitam de polimento;
Pequenas irregularidades são eliminadas
pela pré-carga;
Vantagens
Rapidez;
Não necessita de sistema óptico;
Equipamento mais simples.
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Dureza por penetração
Escala C só para aços temperados;
Necessidade de usar muitas escalas e esferas
diferentes para abranger toda a gama de
materiais possíveis.
Não é uma escala contínua de dureza.
Funciona para faixas de dureza.
Desvantagens
Dureza Rockwell – Desvantagens
O valor de HR não tem relação com a
resistência à tração dos materiais ensaiados.
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Modelo do Penetrador de Diamante
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Equipamento para Ensaio Rockwell
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Leitura do Resultado
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Ensaio de Dureza Vickers
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Dureza por penetração
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 136o entre as faces
opostas, utilizando carga de 1 a 100 kgf.
A carga é aplicada durante um tempo de 10 a 15
segundos.
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Dureza por penetração
Dureza Vickers
Aproximação do endentador
Aplicação da carga
Aspecto da impressão e posição das medidas
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Dureza por penetração
Dureza Vickers
As duas diagonais da endentação deixadas na superfície
do material são medidas usando-se um microscópio. Com
os valores lidos calcula-se a média aritmética. A seguir
calcula-se a área da superfície inclinada da endentação.
A dureza Vickers é o quociente obtido dividindo a carga
(em kgf) pela área da endentação.
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Dureza por penetração
Dureza Vickers
HV = F
A
HV =
d²
A=
2 sen
F x 2 sen 68º
HV =
d²
136º
2
1,8544 x F
d²
F = carga em kgf
d = média entre as duas diagonais, d1 e d2 em mm
HV = dureza Vickers
Exemplo de medida:
540 HV 20/20
Valor da dureza;
Valor da força;
Duração da aplicação da força.
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Dureza por penetração
Dureza Vickers
Durômetro Portátil Vickers
Durômetro Brinell e Vickers
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Dureza por penetração
Dureza Vickers
A Microdureza Vickers
envolve o mesmo
procedimento, só que utiliza
cargas menores que 1 kgf
Pode ter valores tão pequenos
como 10 gf.
Microdureza Vickers
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Dureza por penetração
Dureza Vickers
A máquina que faz o ensaio Vickers não fornece o valor da área de
impressão da pirâmide, mas permite obter, por meio de um microscópio
acoplado, as medidas das diagonais “d1” e “d2”. Conhecendo as
medidas das diagonais e a sua média “d”, é possível calcular a dureza
Vickers através da equação.
HV =
1,8544 x F
d²
Uma grande desvantagem do método de microdureza Vickers é fato de
que seus resultados vêm influenciados pela medição do operador do
microdurômetro, que é responsável por ler as medidas deixadas pela
impressão do penetrador.
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Dureza por penetração
Dureza Vickers
O método de microdureza automatizada é independente do operador e
tem dado bons resultados com grande confiabilidade além de permitir
uma analise mais completa do material, adicionando mais recursos ao
ensaio.
Suwanprateeb (1998), realizou uma análise geométrica do penetrador
Vickers e encontrou a fórmula em função da profundidade “h” da
penetração no material. Como demonstra a equação, o que facilitou a
automatização do ensaio.
1,8544 x F cos² 74º
HV =
4 x h² x cos² 16º
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Dureza por penetração
Dureza Vickers
Passos do ensaio automatizado de microdureza Vickers
1. Contato: o programa busca um contato com o material. Ele verifica o
valor da carga exercida a cada passo executado pelo motor, até que o
valor da carga saia de zero;
2. Carga: O programa executa passos no motor, aplicando uma carga
crescente sobre o material, verificando o valor da carga a cada passo
executado, até atingir a carga pré-determinada;
3. Fase de fluência: O programa mantém o processo inerte por um
intervalo de tempo previamente estabelecido;
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Dureza por penetração
Dureza Vickers
4. Descarga: O programa executa passos no motor na direção inversa até
atingir a carga inicial, verificando o valor da carga a cada passo;
5. Cálculo da dureza: O programa desliga o motor, conta o número de
passos executados e traça uma curva de todo o processo. Nessa
curva, observa-se a diferença entre o número de passos executados
na fase de carga e descarga, e a partir desse valor calcula a dureza do
material, onde cada passo representa o deslocamento vertical do
penetrador em aproximadamente 21 nm.
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Dureza por penetração
Dureza Vickers
Além de fornecer a dureza, pode;
Disponibilizar os valores do módulo de elasticidade do
material;
Fornece também os dados da curva de carga versus
profundidade (tensão x deformação);
Podendo ainda, em alguns equipamentos, captar imagens
das impressões deixadas pelo penetrador, mesmo que essa
possua escala nanométrica.
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Dureza por penetração
Dureza Vickers - Vantagens
Grande precisão de medida (deformação nula do
penetrador);
Possibilidade de fazer impressões muito
pequenas;
Vantagens
Escala contínua;
Possibilidade de medir durezas em todos
os materiais.
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Dureza por penetração
Regulagem de velocidade mais crítica
(mais moroso);
Superfície muito mais cuidada
(maiores ampliações);
Ensaio globalmente menos econômico.
Desvantagens
Dureza Vickers - Desvantagens
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Cálculo da Dureza Vickers
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Cálculo da Área de Impressão
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Aplicação da Equação
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Exemplo de Cálculo
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Representação do Resultado do Ensaio
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Cargas Utilizadas no Ensaio
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Defeitos de Impressão
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Próxima Aula
Ensaio de Dobramento.
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