Aula 4 ensaios de dureza

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Aula 4 ensaios de dureza

  1. 1. Conceito do DurezaDureza é a propriedade de um material (no estadosólido) que permite a ele resistir à deformação plástica,usualmente por penetração.Dureza expressa sua resistência a deformaçõespermanentes e está diretamente relacionada com aforça de ligação dos átomos.O termo dureza também pode ser associado àresistência à flexão, risco, abrasão ou corte.
  2. 2. Por que fazer o Ensaio de Dureza?Interesse do conhecimento da dureza1. Conhecimento da resistência ao desgaste;2. Conhecimento aproximado da resistência mecânica (resistência a tração) através do uso de tabelas de correlação;3 .Controle de qualidade de tratamentos térmicos;4. Controle de qualidade em processos de conformação plástica e em processos de ligação.
  3. 3. Aplicações Esse ensaio é amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, tratamentos superficiais, vidros, e laminados devido à vantagem de fornecer dados quantitativos das características de resistência à deformação permanente das peças produzidas. É utilizado como um ensaio para o controle das especificações da entrada de matéria prima e durante as etapas de fabricação de componentes; Deve-se observar que os resultados fornecidos pela medida de dureza devem variar em função de tratamentos sofridos pela peça ( tratamentos termoquímicos, tratamento térmicos, etc.).
  4. 4. Medição de 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. Durômetro
  5. 5. Medição de Dureza Nos materiais metálicos, a dureza pode ser alterada por tratamentos térmicos especiais, adição de solutos (elementos químicos), trabalho mecânico a frio (encruamento), tratamentos térmicos específicos. Aço temperado → maior dureza Aço encruado maior dureza → maior dureza Aço com maior quantidade de C → maior dureza
  6. 6. Introdução Vantagens Rapidez de execução; Baixo custo dos equipamentos envolvidos. Métodos de medição Risco (escala de dureza de MOHS); Ressalto (método SHORE); Penetração (BRINNEL, VICKERS, ROCKWELL).
  7. 7. Ensaio de Dureza Consiste na impressão de uma pequena marca (endentação), feita na superfície da peça, pela aplicação de pressão com uma ponta de penetração (endentador); A medida da dureza do material ou da dureza superficial é dada como função das características da marca de impressão, e da carga aplicada em cada tipo de ensaio de dureza realizado.
  8. 8. Métodos de Dureza 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. 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.
  9. 9. Métodos de Dureza Os métodos de medição de dureza mais utilizados são 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
  10. 10. Métodos de Dureza Dureza por risco (dureza Mohs) Esse tipo de dureza é pouco utilizado para materiais metálicos, sendo sua maior utilização na área de mineralogia. Entre os ensaios por risco a dureza Mohs é a mais conhecido e consiste numa escala de 10 minerais padrões, onde o mais duro é o diamante e risca todos os demais minerais. O mais mole (dureza 1) é o silicato de magnésio (talco), este não tem condições de riscar nenhum material.
  11. 11. Métodos de Dureza 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.
  12. 12. Métodos de Dureza 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.
  13. 13. Métodos de Dureza Dureza por rebote (Shore) O equipamento de dureza Shore é leve e portátil, sendo adequado à determinação de dureza de peças grandes. Ex.: borrachas, polímeros, elastômeros e para ensaios em campo.
  14. 14. Métodos de Dureza Entre as precauções que devem ser tomadas para a realização do ensaio, é importante que a superfície do material esteja limpa e lisa, e que o aparelho esteja na posição vertical e perpendicular a superfície. Esse ensaio é indicado para materiais macios como borracha. Pode ser utilizado para peças como aço temperado, aços cementados e outros materiais de alta dureza, porém a confiabilidade é baixa.
  15. 15. Métodos de Dureza 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. Esse tipo de ensaio é denominado dureza por penetração.
  16. 16. Métodos de Dureza Dureza por penetração Para os metais, é uma medida da resistência do material à deformação plástica localizada. Neste tipo de dureza, um pequeno endentador é forçado contra a superfície do material a ser testado, sob condições controladas de carga e taxa de carregamento. A profundidade ou tamanho da endentação resultante é medida, que é então relacionada a um número de dureza; quanto mais macio o material, mais larga ou mais profunda é a endentação, e menor o número de dureza.
  17. 17. Ensaio Brinell 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.
  18. 18. Ensaio BrinellEndentador:CW (carboneto detungstênio)
  19. 19. Ensaio Brinell
  20. 20. Ensaio Brinell 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, porém na utilização do ensaio a aplicação da relação que calcula o valor da dureza é desnecessária, já que existem tabelas preparadas para fornecer o mesmo a partir dos diâmetros da impressão formada.
  21. 21. Ensaio Brinell É prática usual (ASTM E10-93) utilizar as denotações HB – no caso de esfera de aço e HBw – no caso de carboneto de tungstênio, sendo que a escolha depende da faixa de dureza do material a submetido a ensaio. O tempo de aplicação da carga é da ordem de 10 a 15 segundos. Tanto a carga quanto o diâmetro da esfera dependem do material, devendo tais parâmetros serem adequados ao tamanho, espessura e estrutura interna do CP. Na prática, utilizam-se com maior freqüência esferas com diâmetro de 10 mm (aços em geral). Endentação (mm) Ferros fundidos: 30 Aços em geral: 10 Ligas de Cu e Al: 5 Ligas de Pb e Sn:2.5
  22. 22. Ensaio BrinellExemplo de microestruturas de materiais típicos utilizados paraensaio HB.
  23. 23. Ensaio Brinell Na maioria dos ensaios (materiais com valores de dureza Brinell até 450 HB), utiliza-se uma carga de 3000 Kgf). Entretanto, para metais mais moles utilizam-se cargas de 1500 Kgf ou 500 Kgf, para evitar a formação de uma impressão muito profunda. Já no caso de materiais muito duros (dureza entre 450 e 650 HB) utiliza-se esfera de carboneto de tungstênio para evitar deformação na esfera padronizada.
  24. 24. Ensaio Brinell O diâmetro da impressão formada deve ser medido por meio de microscópio ou lupa graduada e por duas leituras, sendo uma a 90° da outra, visando minimizar leituras errôneas e resultados imprecisos. Os equipamentos atuais, em geral, são microprocessados e eliminam o passo da leitura da endentação, apresentando o resultado final em display. Endentação
  25. 25. Ensaio BrinellPara se evitar danos ao equipamento e garantir resultados adequados,deve-se sempre observar sistemas de fixação e apoio das peças, garantindoque o endentação penetre perpendicularmente na superfície da peça semque esta sofra movimentos ou deslocamentos durante a penetração.
  26. 26. Ensaio Brinell A norma brasileira para a realização do ensaio é a NBR 6394 e a norma internacional de maior utilização no país é a ASTM E10-93. Devido ao tamanho da impressão formada, o ensaio pode ser considerado destrutivo. O penetrador deve ser polido e isento de defeitos na superfície, e a superfície do CP deve estar liso e isento de substâncias como óxidos, carepas, sujeiras, óleos e DEVE ESTAR PLANA (bem apoiada sobre o suporte).
  27. 27. Ensaio Brinell Como a impressão formada abrange uma área maior do que as dos outros ensaios de dureza, é a única indicada para materiais com estrutura interna não-uniforme (ferro fundido cinzento). Por outro lado, o grande tamanho da impressão pode impedir o uso desse teste com peças pequenas. Não é um ensaio de dureza adequado para caracterizar peças que tenham sofrido tratamentos térmicos superficiais (cementação), pois a penetração pode ultrapassar a camada cementada, e gerar erros nos valores obtidos.
  28. 28. Ensaio Brinell 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.
  29. 29. Ensaio BrinellCorrelação entre dureza Brinell e limite de resistência à tração convencionalA existência de relações que permitamconverter dureza em tensão é útil emsituações onde é necessária uma estimativada resistência de um material e não se dispõede uma maquina de ensaio de tração.Existem relações experimentais que, emboranão sejam necessariamente precisas,constituem ferramentas úteis nesse sentido,como a relação entre dureza Brinell e o limitede resistência a tração: α = 3,60 (para aços ao carbono)
  30. 30. Ensaio Vickers Descrição É um método semelhante ao ensaio de dureza Brinell, já que relaciona carga aplicada com a área superficial da impressão. O penetrador padronizado é uma pirâmide de diamante de base quadrada e com ângulo de 136° entre faces opostas. Esse ângulo foi escolhido em função de sua proximidade com o ângulo formado no ensaio Brinell entre duas linhas tangentes às bordas da impressão e que partem do fundo desta impressão.
  31. 31. Ensaio Vickers Descrição 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 uma régua acoplada ao duromêtro ou um microscópio.
  32. 32. Ensaio Vickers
  33. 33. Ensaio Vickers A escolha da carga aplicada depende da maquina. Sempre se busca uma carga que possa fornecer uma endentação suficiente para que se tenha uma boa leitura da mesma. Pode-se utilizar do mínimo até o máximo que a máquina pode oferecer. O mais comum é utilizar uma carga de 30 Kgf para aços, pois essa é uma carga que, geralmente, obtêm-se boas leituras de endentações.
  34. 34. Ensaio Vickers Onde: F = é a carga em Kgf d = é a medida aritmética entre duas diagonais, d1 e d2 em mm HV = é a dureza Vickers
  35. 35. Ensaio Vickers Calculada a média das diagonais da endentação, a dureza Vickers pode ser calculada pela fórmula anterior. O uso de tabelas de cálculo também é comum. A dureza Vickers deve ser representada na seguinte forma: 400HV/30. O formato significa que foi obtido um valor de dureza de 400 através do método Vickers (HV), usando uma carga de 30 kgf.
  36. 36. Ensaio VickersComo o penetrador éindeformável, a dureza obtidaindepende da carga utilizada,devendo apresentar o mesmonúmero representativo dadureza.A designação da dureza éformada pelo valor da durezaseguida pelo símbolo HV.
  37. 37. Ensaio VickersComparação entre tamanhos de impressões das durezasVickers e Brinell.
  38. 38. MicrodurezaMicrodureza Em algumas situações práticas ocorre a necessidade da determinação da dureza de pequenas áreas do corpo-de- prova. A medida do gradiente de dureza que se verifica em superfícies cementadas e tratadas termicamente (têmpera por indução), a determinação da dureza individual de microconstituintes de uma estrutura metalográfica, são alguns exemplos destas situações.
  39. 39. MicrodurezaO ensaio produz umaimpressão microscópicae se utiliza depenetradores dediamante e cargasmenos que 1 kgf.Existem dois métodos demedida de microdureza:– Knoop– Vickers
  40. 40. MicrodurezaA microdureza Vickers utiliza o mesmo procedimento descritoanteriormente, enquanto que a microdureza Knoop utiliza umpenetrador de diamante na forma de uma pirâmide alongada,que provoca uma impressão onde a diagonal maior e a diagonalmenor apresentam uma relação de 7:1.
  41. 41. Microdureza Impressões feitas cruzando uma camada temperada (endurecida) em uma amostra de aço. Impressões Knoop em camadas de Ni, Cu e no metal base (aço), respectivamente, de cima para baixo.Impressões Vickers emcobre infiltrado em umaço que sofreu processode sinterização pormetalurgia do pó.
  42. 42. Microdureza A área da impressão obtida no ensaio Knoop é cerca de 15% da área correspondente no ensaio Vickers, enquanto que a profundidade da impressão é menor que a metade. O ensaio Knoop permite a determinação de dureza de materiais muito frágeis como vidro, e de camadas finas como películas de tinta ou camadas eletrodepositadas. Os ensaios de microdureza requerem uma preparação cuidadosa do CP, sendo recomendável o polimento com pano de 1 µm e embutimento da amostra em baquelite.
  43. 43. Microdureza Endentação em ferro fundido nodular, 162 HV (fase clara – ferrita), 325 HV (fase escura – perlita).Endentação em aço, 1060 HV (fase clara –carboneto de cromo), 588 HV (faseescura – perlita).
  44. 44. Microdureza Liga de AL-Si Hipoeutético. Fase clara (rica em Al). Fase escura (Eutético). Liga de Al-Si Hipereutético. Fase clara (rica em Si). Fase escura (Eutético) – Destaque a rachadura do bloco de Si após endentação.
  45. 45. Ensaio Vickers Vantagens É aplicável a todos os materiais metálicos, de qualquer dureza, muito finos, pequenos e irregulares; É indicado para o levantamento de curvas de profundidade de tratamentos superficiais como tempera e cementação; A escala de dureza é contínua; As impressões deixadas no material são extremamente pequenas; A deformação do penetrador é nula; Oferece grande precisão de medidas. Desvantagens Regulação de velocidade mais crítica (mais demorado); Superfície muito mais cuidada (maiores ampliações); Ensaio globalmente menos econômico.
  46. 46. Ensaio RockwellConceito O ensaio Rockwell, que leva o nome do seu criador, é hoje o processo mais utilizado no mundo inteiro, devido à rapidez e à facilidade de execução, isenção de erros humanos, facilidade em detectar pequenas diferenças de durezas e pequeno tamanho da impressão. Esse tipo de ensaio de dureza utiliza-se da profundidade da impressão causada por um penetrador sob a ação de uma carga, como indicador da medida de dureza, e não há relação com a área da impressão, como no caso da Brinell.
  47. 47. Ensaio Rockwell A dureza Rockwell pode ser classificada como comum ou superficial, dependendo do penetrador e da pré-carga e cargas aplicadas. Os mais utilizados são o Rockwell A e C (aços temperados).
  48. 48. Ensaio RockwellDescrição Neste método, a carga do ensaio é aplicada em etapas, ou seja, primeiro se aplica uma pré-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 é feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material.
  49. 49. Ensaio RockwellDescrição 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.
  50. 50. Ensaio RockwellDescrição
  51. 51. Ensaio Rockwell Quando se utiliza o penetrador cônico de diamante, deve-se fazer a leitura do resultado na escala externa do mostrador, de cor preta. Ao se usar o penetrador esférico, faz- se a leitura do resultado na escala vermelha. Nos equipamentos com mostrador digital, uma vez fixada a escala a ser usada, o valor é dado diretamente na escala determinada.
  52. 52. Ensaio Rockwell O penetrador tanto pode ser um diamante esferocônico com ângulo de 120° e ponta ligeiramente arredondada, como uma esfera de aço endurecido, geralmente de diâmetro 1,59 mm. Utilizam-se pré-carga de 10 Kgf e força total de 60 Kgf, 100 Kgf e 150 Kgf. A aplicação da pré-carga é necessária para eliminar a ação de eventuais defeitos superficiais, ajudar na fixação do CP no suporte, além de causar pequena deformação permanente, eliminando erros devido à deformação elástica.
  53. 53. Ensaio Rockwell O valor indicado na escala do mostrador é o valor da dureza Rockwell. Este valor corresponde à profundidade alcançada pelo penetrador, subtraídas a recuperação elástica do material, após a retirada da carga maior, e a profundidade decorrente da aplicação da pré-carga. Em outras palavras: a profundidade da impressão produzida pela carga maior é a base de medida do ensaio Rockwell.
  54. 54. Ensaio Rockwell A seguir a representação esquemática da profundidade produzida por um penetrador cônico de diamante.
  55. 55. Ensaio Rockwell Conclusão: A escala do mostrador é construída de tal modo que uma impressão profunda corresponde a um valor baixo na escala e uma impressão rasa corresponde a um valor alto na escala. Desse modo, um valor alto na escala indica que se trata de um material de alta dureza.
  56. 56. Ensaio Rockwell Equipamento para Ensaio de Dureza RockwellPode-se realizar o ensaio de dureza Rockwell em dois tiposde máquinas, ambas com a mesma técnica de operação, quediferem apenas pela precisão de seus componentes.A máquina padrão mede a dureza Rockwell normal e éindicada para avaliação de dureza em geral.A máquina mais precisa mede a dureza Rockwell superficial,e é indicada para avaliação de dureza em folhas finas oulâminas, ou camadas superficiais de materiais.Na máquina Rockwell normal, cada divisão da escala equivalea 0,02 mm; na máquina Rockwell superficial, cada divisãoequivale a 0,01 mm.
  57. 57. Ensaio Rockwell As escalas de dureza Rockwell foram determinadas em função do tipo de penetrador e do valor da carga maior. Nos ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma pré- carga de 10 kgf e a carga maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf. Nos ensaios de dureza Rockwell superficial a pré-carga é de 3 kgf e a carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf.
  58. 58. Ensaio Rockwell
  59. 59. Ensaio Rockwell
  60. 60. Ensaio Rockwell
  61. 61. Ensaio Rockwell O número de dureza Rockwell deve ser seguido pelo símbolo HR, com um sufixo que indique a escala utilizada. Veja, por exemplo, a interpretação do resultado 64HRC: 64 é o valor de dureza obtido no ensaio; HR indica que se trata de ensaio de dureza Rockwell; a última letra, no exemplo C, indica qual a escala empregada.
  62. 62. Ensaio Rockwell Vantagens do método Rockwell em relação ao Brinell Rapidez na execução; Maior exatidão e isenção de erros pessoais, já que não exige leitura do tamanho da impressão; Possibilidade de maior utilização para materiais duros; Pequeno tamanho de impressão (os componentes podem ser testados sem causar danos).

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