Aula Propriedades Mecânicas

Tecnologia dos Materiais

Aula: Propriedades Mecnicas dos Metais

Propriedades Mecnicas

Conceitos de Tenso e Deformao; Ensaio de Trao;

Deformao Elstica; Comportamento Tenso-Deformao; Anelasticidade; Propriedades Elsticas dos Materiais;

Deformao Plstica; Propriedades de Trao;

Dureza; Ensaio de Dureza;

Propriedades Mecnicasdos Metais

obrigao dos engenheiros compreender como as vriaspropriedades mecnicas so medidas e o que essas propriedadesrepresentam;

Necessrias para o projeto de estruturas/componentes queutilizem materiais predeterminados,

a fim de que no ocorram nveis inaceitveis de deformaoe/ou falhas.

Propriedades Mecnicas dos MetaisPor que estudar

No esquema de processamento/estrutura/propriedades/ desempenho, estudamos as propriedades dos metais pelas seguintes razes:

Os componentes feitos a partir de ligas de ao, que so expostos a tenses e foras externas devem ser processados de forma a apresentar nveis apropriados de certas caractersticas mecnicas (isto , rigidez, resistncia, ductilidade e tenacidade).

Dessa forma, essencial que o projetista ou engenheiro compreenda o significado dessas propriedades e, alm disso, desenvolva um senso de perspectiva das magnitudes aceitveis dos valores das propriedades.

Propriedades Mecnicas dos MetaisPor que estudar


Muitos materiais, quando em servio, so submetidos a foras ou cargas; exemplos incluem a liga de alumnio a partir da qual uma asa de avio construda e o ao no eixo de um automvel.

Em tais situaes necessrio conhecer as caractersticas do material e projetar o elemento estrutural a partir do qual ele feito de tal maneira que qualquer deformao resultante no seja excessiva e que no ocorra fratura.

Propriedades Mecnicase Ensaios Mecnicos


O comportamento mecnico de um material reflete a relao entre sua resposta ou deformao a uma carga ou fora aplicada.

Propriedades mecnicas importantes para o projeto so

rigidez, resistncia, dureza, ductilidade e tenacidade.



Propriedades verificadas atravs de ensaios em laboratrio que reproduzam as condies de servio. Deve ser levado em conta:

Natureza da carga aplicada (trao, compresso, cisalhamento); Magnitude constante ou variar continuamente.

Durao da aplicao dessa carga; Tempo de aplicao muito curto ou muito longo.

Condies ambientais. Temperatura.

Tcnicas de ensaio padronizadas (consistncia): p.e. ASTM.



Papel dos engenheiros de estruturas: determinar tenses e distribuio de tenses em elementos que estejam submetidos a cargas bem definidas, por meio de: Tcnicas experimentais de ensaios e/ou; Anlises tericas e matemticas das tenses.

Engenheiros de materiais e metalrgicos: produo e fabricao de materiais para atender as exigncias de servio previstas por essas anlises de tenso. Relao microestrutura x propriedades.



Materiais selecionados devem possuir combinaes desejveis de caractersticas mecnicas.

Veremos para os metais o comportamento tenso-deformao e as propriedades mecnicas relacionadas.


Se uma carga esttica ou se varia de uma maneira relativamentelenta ao longo do tempo, e

aplicada uniformemente sobre uma seo transversal ou nasuperfcie de um membro:

o comportamento mecnico pode ser averiguado atravs deum simples ensaio tenso-deformao.

Tais ensaios so mais comumente realizados para os metais Tambiente.

Conceitos de Tenso e DeformaoIntroduo

Existem trs maneirasprincipais pelas quaisuma carga pode seraplicada, quais sejam: Trao (a); Compresso (b); Cisalhamento (c).

Na prtica daengenharia, muitascargas so de toro, emvez de serem denatureza puramentecisalhante, (d).

Conceitos de Tenso e DeformaoIntroduo

Ensaio de tenso-deformao trao um dos mais comuns.

Usado para averiguar diversas propriedades mecnicas dosmateriais que so importantes para projetos.

Uma amostra deformada, geralmente at a fratura, por uma cargade trao que aumentada gradativamente e que aplicadauniaxialmente ao longo do eixo maior de um corpo-de-prova.

Conceitos de Tenso e DeformaoEnsaio de Trao

Normalmente, a seo transversal circular, mas tambm so utilizadosCPs com seo retangular.

Essa configurao de CP com reduo de seo foi escolhida porque,durante o ensaio,

a deformao fica confinada regio central mais estreita (que possuiuma seo transversal uniforme ao longo do seu comprimento) e,ainda,

para reduzir a probabilidade de fratura nas extremidades do CP.

Dimetro padro: 12,8 mm (0,5 in); Comprimento da seo reduzida deve ser de, pelo menos, quatro vezes

esse dimetro, sendo comum a utilizao de um comprimento de 60 mm (2in).


O comprimento til usado nos clculos da ductilidade. O valor-padro de de 50 mm (2,0 in).


O CP preso pelas suas extremidades nas garras de fixao do dispositivo de testes.

A mquina de ensaios de trao projetada para alongar o CP a uma taxa constante, ao mesmo tempo em que mede contnua e simultaneamente

a carga instantnea que est sendo aplicada (com uma clula de carga) e

Os alongamentos resultantes (usando um extensmetro).

Tipicamente, um ensaio tenso-deformao leva vrios minutos para ser realizado e destrutivo, ou seja, a amostra deformada permanentemente e, frequentemente, fraturada.


O resultado de um ensaio de trao desse tipo registrado (geralmente em um computador) na forma da carga ou fora em funo do alongamento.

Essas caractersticas carga-deformao so dependentes do tamanho do CP.

P.e., ser necessrio duas vezes mais carga para produzir um mesmo alongamento se a rea da seo transversal do CP for dobrada.

Para minimizar esses fatores geomtricos, a carga e o alongamento so normalizados para os seus respectivos parmetros de tenso de engenharia e deformao de engenharia.


A tenso de engenharia definida pela relao

(Mpa 1 MPa = 106 N/m2)

F: carga instantnea aplicada em uma direo perpendicular seo transversal do corpo-de-prova (CP), em unidades de Newton (N) ou libras-fora (lbf), e

A0: a rea original da seo transversal antes da aplicao de qualquer carga (em m2 ou in2).

As unidades para tenso de engenharia (tenso) so Mpa no SI (106

N/m2) e libras-fora por polegada quadrada, psi.


A deformao de engenharia definida de acordo com a expresso

l0: o o comprimento original antes de qualquer carga ser aplicada.

li: o comprimento instantneo. Algumas vezes li - l0 simbolizada por l, e representa o alongamento

de deformao ou a variao no comprimento em um dado instante, em referncia ao comprimento original.

A deformao de engenharia (deformao) adimensional. O valor da deformao , obviamente, independente do sistema de unidades.

A deformao pode ser expressa por porcentagem.


Curva tenso x deformao


Curva tenso x deformao

Deformaes Elsticas Deformaes Plsticas


O grau no qual uma estrutura se alonga ou se deforma depende da magnitude da tenso que lhe imposta.

Para a maioria dos metais que so submetidos a uma tenso de trao em nveis relativamente baixos, a tenso e a deformao so proporcionais entre si, de acordo com a relao

Essa relao conhecida como a lei de Hooke, e a constante de proporcionalidade E (GPa ou psi) o mdulo de elasticidade, ou mdulo de Young.

Varia entre 45 GPa para o magnsio e 407 GPa para o tungstnio.

Deformao ElsticaComportamento Tenso e Deformao

Deformao Elstica: o processo de deformao no qual a tenso e a deformao so proporcionais.

Grfico da tenso (ordenada) em funo deformao (abscissa) resulta em uma relao linear.

A inclinao desse segmento linear corresponde ao mdulo de elasticidade E.

Esse mdulo pode ser considerado como sendo a rigidez ou a resistncia de um material deformao elstica.

Parte elstica da curva tenso-deformao nem sempre linear.


Quanto maior E, mais rgido o material, ou menor ser a deformao elstica que ir resultar da aplicao de uma dada tenso.

E: importante parmetro de projeto usado para calcular deflexes elsticas.

Deformao elstica no permanente.


Em uma escala atmica,

a deformao elstica macroscpica manifestada como pequenas alteraes no espaamento interatmico e no alongamento das ligaes interatmicas.

E proporcional inclinao da curva fora-separao interatmicano ponto do espaamento de equilbrio.


A figura mostra as curvas fora-separao para materiais que possuem tanto ligaes interatmicas fortes quanto fracas; a inclinao da curva em r0 est indicada para cada caso.

Os valores para os mdulos de elasticidade dos cermicos so parecidos com os do metais. Para os polmeros eles so menores. consequncia dos diferentes tipos de ligao atmica.


E diminui com o aumento da temperatura.


At agora deformao elstica independente do tempo uma tenso aplicada produz uma deformao elstica instantnea, que permanece constante durante o perodo de tempo em que a tenso mantida.

Ao se liberar a carga a deformao totalmente recuperada ou seja, a deformao retorna imediatamente a zero.

Para a maioria dos materiais de engenharia existir componente da deformao elstica que dependente do tempo.

Deformao elstica permanecer aps a aplicao da tenso, e, com a liberao da carga, ser necessrio um tempo finito para que ocorra uma completa recuperao.

Anelasticidade comportamento elstico dependente do tempo.

Deformao ElsticaAnelasticidade

Anelasticidade comportamento elstico dependente do tempo.

Esse comportamento devido a processos microscpicos atomsticos dependentes do tempo que acompanham a deformao.

Para os metais, a componente anelstica normalmente pequena, sendo frequentemente desprezada.

Entretanto, para alguns materiais polimricos, a sua magnitude significativa.

Nesse caso, essa componente chamada de comportamento viscoelstico.

Deformao ElsticaAnelasticidade

Quando uma tenso de trao imposta sobre uma amostra de metal, um alongamento elstico e sua deformao correspondente zresultam na direo da tenso aplicada (aqui tomada arbitrariamente como a direo z), como est indicado na Figura.

Deformao ElsticaPropriedades Elsticas dos Materiais

Como resultado desse alongamento, haver constries nas direes laterais (x e y) perpendiculares tenso aplicada;

a partir dessas contraes, as deformaes compressivas x e ypodem ser determinadas.

Se a tenso aplicada for uniaxial (apenas na direo z) e o material for isotrpico, ento x = y.

Um parmetro denominado coeficiente de Poisson definido como a razo entre as deformaes lateral e axial, ou


Para virtualmente todos os materiais estruturais, x e z tero sinais opostos; dessa forma, o sinal de negativo foi includo na expresso anterior para assegurar que o valor de seja positivo.

Teoricamente, o coeficiente de Poisson para os materiais isotrpicos deveria ser 1/4; alm disso, o valor mximo para (ou aquele valor para o qual no existe qualquer alterao resultante no volume) 0,50.

Para muitos metais e outras ligas, os valores para o coeficiente de Poisson variam entre 0,25 e 0,35.


Para a maioria dos materiais metlicos a deformao elstica ocorre apenas at deformaes de aproximadamente 0,005.

Conforme a tenso aumentada o material passa por um ponto onde no responde mais com deformaes elsticas.

Na medida em que o material deformado alm deste ponto e ocorre deformao permanente, no recupervel ou deformao plstica.

Deformao Plstica

A Figura a seguir mostra um grfico esquemtico do comportamento tenso-deformao em trao at a regio plstica para um metal tpico.

A transio do comportamento elstico para o plstico gradual para a maioria dos metais;

ocorre uma curvatura no incio da deformao plstica, que aumenta mais rapidamente com o aumento da tenso.

Deformao Plstica

De uma perspectiva atmica, a deformao plstica corresponde quebra de ligaes entre os tomos vizinhos originais, seguida pela formao de novas ligaes com novos tomos vizinhos, medida que um grande nmero de tomos ou molculas se movem uns em relao aos outros para materiais cristalinos escorregamento (envolve movimento das discordncias).

com a remoo da tenso, eles no retornam s suas posies originais.

O mecanismo dessa deformao diferente para os materiais cristalinos e os materiais amorfos (escoamento viscoso).

Deformao Plstica

Limite de Escoamento (Resistncia);

Limite de Resistncia a Trao;

Ductilidade;

Resilincia;

Tenacidade.

Deformao Plstica

Propriedades de trao

A maioria das estruturas queremos apenas deformao elstica quando uma tenso for aplicada.

Torna-se, portanto, desejvel conhecer o nvel de tenso no qual tem incio a deformao plstica, ou no qual ocorre o fenmeno do escoamento.

Propriedades de traoEscoamento e Limite de Escoamento

Limite de proporcionalidade ponto de escoamento aquele onde ocorre o afastamento inicial da linearidade na curva tenso-deformaco; P na Figura,

e representa o incio da deformao plstica ao nvel microscpico.


A posio desse ponto P difcil de ser medida com preciso.

Conveno linha reta construda paralelamente poro elstica da curva tenso-deformao em alguma pr-deformao especificada, geralmente de 0,002.

Limite de escoamento e tenso correspondente interseco dessa linha com a curva tenso-deformao.

Isso est demonstrado na Figura.

Obviamente, as unidades do limite de escoamento so MPa ou psi.


Fenmeno do limite de escoamento

Alguns aos e outros materiais exibem o comportamento tenso-deformao em trao mostrado na Figura ao lado.

A transio elastoplstica muito bem definida e ocorre de forma abrupta.


A deformao plstica inicia no limite de escoamento superior, havendo uma diminuio aparente na tenso de engenharia.

A deformao a seguir flutua ligeiramente em torno de algum valor de tenso constante, denominado limite de escoamento inferior; subsequentemente, a tenso aumenta com o aumento da deformao.


Para os metais que exibem esse efeito, o limite de escoamento

tomado como a tenso mdia associada ao limite de escoamento inferior, uma vez que esse ponto bem definido e relativamente insensvel ao procedimento de ensaio.

Dessa forma, para esses materiais no necessrio empregar o mtodo da pr-deformao.


A magnitude do limite de escoamento para um metal uma medida da sua resistncia deformao plstica. Os limites de escoamento podem variar desde 35 MPa (5000 psi), para um alumnio de baixa resistncia, at acima de 1400 MPa (200.000 psi), para aos de alta resistncia.


Limite de Escoamento

Aps o escoamento , a tenso necessria para continuar a deformao plstica cresce at um mximo (M), e a seguir decresce at a fratura eventual.


Limite de Resistncia Trao

O limite de resistncia a trao (LRT) o valor de tenso mximo que pode ser atingido pelo grfico.

LRT Corresponde tenso mxima suportada por uma estrutura sob trao Se essa tenso for aplicada e mantida, ocorrer fratura.

At LRT Toda deformao est uniformemente distribuda por toda a regio estreita do corpo de provas de trao.

A partir LRT Formao do pescoo.

Toda deformao subsequente fica confinada nesse pescoo.

Esse fenmeno denominado empescoamento, e a fratura enfim tem lugar nesse pescoo.

A resistncia fratura corresponde tenso no ponto de ruptura.



LRT Desde ao redor de 50 Mpa para um alumnio at 3000 Mpa para aos de alta resistncia.

Parmetro utilizado para a resistncia de um metal para fins de projeto limite de escoamento.

No momento em que a tenso correspondente ao limite de resistncia trao estrutura j sofreu tanta deformao plstica que ela j se tornou imprestvel.

Alm disso, em geral as resistncias fratura no so especificadas para fins de projeto de engenharia.



Ela uma medida do grau de deformao plstica que foi sustentada na fratura.


Ductilidade

Material Frgil Um material que experimenta muito pouca ou nenhuma deformao plstica antes da fratura

(deformao na fratura < ~ 5%).


Ductilidade

Um conhecimento da ductilidade dos materiais importante por pelo menos 2 razes.

Primeiro, ela indica ao projetista o grau at onde uma estrutura se deformar plasticamente antes da fratura.

Segundo, ela especifica o grau de deformao permissvel durante operaes de fabricao.


Ductilidade


Ductilidade


Ductilidade As propriedades da tabela anterior so sensveis a

qualquer deformao anterior, presena de impurezas e/ou a qualquer tratamento trmico ao qual o metal tenha sido

submetido.

E o mdulo de elasticidade?


Ductilidade O mdulo de elasticidade um parmetro mecnico insensvel a

esses tratamentos.

Magnitudes do mdulo de elasticidade, limite de escoamento e limite de resistncia trao diminuem com o aumento da temperatura;

Ductilidade geralmente aumenta com o aumento da temperatura.


Ductilidade

Resilincia a capacidade de um material tem em absorver energia quando ele deformado elasticamente e ento, no descarregamento, ter recuperada esta energia, ou seja, retornar ao estado inicial.


Resilincia

uma medida da capacidade de um material tem em absorver energia e se deformar plasticamente at a fratura.

Tenacidade ao entalhe (ensaio de impacto) e,

A tenacidade pode ser quantificada a partir dos resultados de um teste de trao de tenso deformao (situao esttica) rea sob a curva.


Tenacidade

Material tenaz tanto resistncia quanto ductilidade.

Isso est demonstrado na Figura, onde esto representadas graficamente curvas tenso -deformao para ambos os tipos de metais.


Tenacidade

Metal frgil maiores limite de escoamento e limite de resistncia trao, mas tenacidade menor que o material dctil.


Tenacidade

Pela Figura a diminuio da tenso necessria para continuar a deformao aps LRT (ponto M)

Parece indicar que o metal est se tornando menos resistente.

Na verdade sua resistncia est aumentando.

Deformao Plstica

Tenso e Deformao Verdadeira

rea da seo transversal diminuindo na regio da estrico, onde a deformao est ocorrendo reduo na capacidade da amostra de suportar carga.

Deformao Plstica

Tenso e Deformao Verdadeira A tenso, pela equao original, dada com base na rea da seo

transversal original no leva em considerao essa reduo da rea na regio do pescoo.

Mais significativo usar um procedimento baseado na tenso verdadeira-deformao verdadeira.

A tenso verdadeira V: definida como a carga F dividida pela rea da seo transversal instantnea Ai na qual a deformao est ocorrendo:

Deformao Plstica

Tenso e Deformao Verdadeira

Deformao PlsticaRecuperao Elstica aps Deformao Plstica

Com a liberao da carga durante o desenrolar de um ensaio tenso deformao

uma frao da deformao total recuperada como deformao elstica.


Durante descarregamento

a curva percorre uma trajetria aproximadamente linear a partir do ponto de descarregamento (ponto D),

e sua inclinao virtualmente idntica do mdulo de elasticidade, isto , paralela poro elstica, inicial da curva.

Recuperao da deformao magnitude dessa deformao elstica, que recuperada durante o descarregamento.


Se a carga for reaplicada curva percorrer a mesma poro linear,

porm na direo oposta quela que foi percorrida durante o descarregamento;

O escoamento ocorrer novamente no nvel de tenso de descarregamento em que este teve incio.

Tambm exisNr uma recuperao da deformao elstica associada fratura.

Estamparia principal aplicao.

Processo de estampagem: panela, a lataria dos automveis e outras tantas peas produzidas a partir de chapas metlicas, por processos de estampagem.

A estampagem: o processo de converter finas chapas metlicas em peas ou produtos, sem fratura ou concentrao de microtrincas. As chapas utilizadas neste processo devem ser bastante dcteis.

Ensaio de embutimento em chapas avaliar sua adequao operao de estampagem.

Ensaio de

Embutimento

A operao de estampagem envolve dois tipos de deformaes:

O estiramento, que o afinamento da chapa, e a

Ensaio de Embutimento

Ductilidade de Chapas

Estampagempropriamente dita, que consiste no arrastamento da chapa para dentro da cavidade da matriz por meio de um puno.

Nessa operao, a chapa fica presa por um sujeitador que serve como guia para o arrastamento.

A ductilidade a caracterstica bsica para que o produto possa ser estampado.

Por que fazer um ensaio especfico para avaliar a ductilidade?

Uma chapa pode apresentar diversas pequenas heterogeneidades, que no afetariam o resultado de ductilidade obtido no ensaio de trao.

Mas, ao ser deformada a frio, a chapa pode apresentar pequenas trincas em consequncia dessas heterogeneidades.



Alm de trincas pode apresentar diversos outros problemas enrugamento, distoro, textura superficial rugosa, fazendo lembrar uma casca de laranja etc.

A ocorrncia destes problemas est relacionada com a matria-prima utilizada.

Ensaio de embutimento evitar surpresas indesejveis (s descobrir que a chapa inadequada ao processo de estampagem aps a produo da pea, foi desenvolvido).

O ensaio reproduz, em condies controladas, a estampagem de uma cavidade previamente estabelecida.



Ensaios de embutimento permitem deformar o material quase nas mesmas condies obtidas na operao de produo propriamente dita, s que de maneira controlada, para minimizar a variao nos resultados.

Existem ensaios padronizados para avaliar a capacidade de estampagem de chapas. Os mais usados so os ensaios de embutimento Erichsen e Olsen.

Esses ensaios so qualitativos e, por essa razo, os resultados obtidos constituem apenas uma indicao do comportamento que o material apresentar durante o processo de fabricao.



Dureza

Metalurgia resistncia deformao plstica (permanente). Isso porque uma grande parte da metalurgia consiste em deformar plasticamente os metais.

Mecnica a resistncia penetrao de um material durono outro, pois esta uma caracterstica que pode ser facilmente medida.

Para um projetista uma base de medida, que serve para conhecera resistncia mecnica e o efeito do tratamento trmico ou mecnico em um metal. Alm disso, permite avaliar a resistncia do material ao desgaste.

Dureza

Para um tcnico em usinagem a resistncia ao corte do metal, pois este profissional atua com corte de metais, e a maior ou menor dificuldade de usinar um metal caracterizada como maior ou menor dureza.

Para um mineralogista a resistncia ao risco que um material pode produzir em outro. E esse um dos critrios usados para classificar minerais.

Propriedade MecnicaDureza

Dureza: medida da resistncia de um material a uma deformao plstica localizada (por exemplo, a uma pequena impresso ou a um risco).

A dureza um indicador da capacidade do material de:

resistir ao risco;

ser deformado plasticamente;

resistir ao corte;

absorver energia no impacto;

resistir ao desgaste.


Primeiros ensaios de dureza baseados em minerais naturais.

Escala construda unicamente em funo da habilidade de um material riscar um outro material mais mole.

Sistema qualitativo e arbitrrio de indexao da dureza foi concebido, denominado escala Mohs.

Varia desde 1, para o talco no incio de baixa dureza da escala, at 10, para o diamante.


Ao longo dos anos foram desenvolvidas tcnicas quantitativas de dureza,

nas quais um pequeno penetrador forado contra a superfcie de um material a ser testado,

sob condies controladas de carga e de taxa de aplicao.

A profundidade ou o tamanho da impresso resultante medida, a qual, por sua vez, relacionada a um nmero de dureza.


Quanto mais macio for o material,

maior e mais profunda ser a impresso e menor ser o nmero de ndice de dureza.

As durezas medidas so apenas relativas (ao invs de absolutas), e deve-se tomar cuidado ao comparar valores determinados por diferentes tcnicas.

PORQUE?

Os ensaios de Dureza so realizados mais frequentemente do que qualquer outro ensaio mecnico.

PORQUE?


A dureza no uma propriedade intrnseca do material, ditada por definies precisas em termos de unidades fundamentais de massa, comprimento e tempo.

Um valor da propriedade de dureza o resultado de um procedimento especfico de medio.


So simples e baratos.

Normalmente nenhum corpo de prova especial precisa ser preparado e o equipamento de ensaio relativamente barato.

um ensaio no-destrutivo.

O corpo de prova nem fraturado nem excessivamente deformado. Uma pequena impresso a nica deformao.

Outras propriedades mecnicas podem, com frequncia, ser estimadas a partir dos dados de dureza.

P.e. limite de resistncia trao.


Por que fazer o ensaio de dureza?

Conhecimento da resistncia ao desgaste;

Conhecimento aproximado da resistncia mecnica (resistncia a trao) atravs do uso de tabelas de correlao;

Controle de qualidade de tratamentos trmicos;

Controle de qualidade em processos de conformao plstica e em processos de ligao.


Nos materiais metlicos, a dureza pode ser alterada por tratamentos trmicos especiais, adio de solutos (elementos qumicos), trabalho mecnico a frio (encruamento), tratamentos termoqumicos.

Ao temperado maior dureza Ao encruado maior dureza Ao com maior quantidade de C maior dureza

Maneira de ExecuoDo Ensaio de Dureza

Os ensaios de dureza podem ser realizados por:

Penetrao (Brinell, Rockwell, Knoop, Vickers);

Risco (Mohs);

Choque ou ressalto (Dureza Shore).

No caso dos materiais metlicos, os mtodos mais utilizados so os ensaios de dureza por penetrao.

Ensaio de DurezaDureza Mohs

Esse tipo de dureza pouco utilizado para materiais metlicos, sendo sua maior utilizao na rea de mineralogia.

O primeiro mtodo padronizado de ensaio de dureza foi baseado no processo de riscagem de minerais padres, desenvolvido por Friedrich Mohs, em 1822.

Entre os ensaios por risco a dureza Mohs o mais conhecido e consiste numa escala de 10 minerais padres, onde o mais duro o diamante o qual risca todos os demais minerais.


O mais mole (dureza 1) o silicato de magnsio (talco), este no tem condies de riscar nenhum material.


O mais mole (dureza 1) o silicato de magnsio (talco), este no tem condies de riscar nenhum material.

1: talco 6: feldspato

2: gipsita 7: quartzo

3: calcita 8: topzio

4: fluorita 9: safira

5: apatita 10: diamante

D

U

R

E

Z

A

D

U

R

E

Z

A

Desvantagens

A maioria dos metais apresenta durezas Mohs 4 e 8, e pequenas diferenas de dureza no so acusadas por este mtodo.

Por exemplo, UM AO DCTIL CORRESPONDE A UMA DUREZA DE 6 MOHS, A MESMA DUREZA MOHS DE UM AO TEMPERADO.


Desvantagens

Os intervalos da escala no so de mesmo valor, isto , o intervalo entre 9 e 10 muito maior do que entre 1 e 2.

A dureza determinada pela pesquisa de qual mineral da escala padro o material de teste risca ou no 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 no arranhado pelo material de teste.


Em 1900, J. A. Brinell divulgou este ensaio, que passou a ser largamente aceito e padronizado, devido relao existente entre os valores obtidos no ensaio e os resultados de resistncia trao.

O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de ao temperado, de dimetro D, sobre uma superfcie plana, polida e limpa de um metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esfrica de dimetro d.

Ensaio de DurezaDureza Brinell


d

A superfcie da amostra em que ser feita a medida da dureza deve estar plana, limpa e paralela base de apoio da mquina de ensaio.

Os penetradores so esferas de ao ou de carboneto de tungstnio com diferentes dimetros.


Clculo da Dureza Brinell

A dureza Brinell (HB) a relao entre a carga aplicada (F) e a rea da calota esfrica impressa no material ensaiado (Ac).

rea da calota esfrica dada pela frmula: Dp, onde p a profundidade da calota.

Substituindo Ac pela frmula para clculo da rea da calota, temos:


Clculo da Dureza Brinell

Devido dificuldade tcnica de medio da profundidade (p), que um valor muito pequeno, utiliza-se uma relao matemtica entre a profundidade (p) e o dimetro da calota (d) para chegar frmula matemtica que permite o clculo da dureza HB, representada a seguir:

Ou seja, a carga aplicada sobre a rea da impresso. D: dimetro da esfera. d: dimetro da impresso.


EXEMPLO: Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza Brinell no qual se usou uma esfera de 2,5 mm de dimetro e aplicou-se uma carga de 187,5 kgf. As medidas dos dimetros de impresso foram de 1 mm. Qual a dureza do material ensaiado?


Dureza Brinell

Escolha das Condies de Ensaio

O ensaio padronizado, proposto por Brinell, realizado com carga de 3.000 kgf e esfera de 10 mm de dimetro, de ao temperado.

Porm, usando cargas e esferas diferentes, possvel chegar ao mesmo valor de dureza, desde que se observem algumas condies:

1. A carga ser determinada de tal modo que o dimetro de impresso d se situe no intervalo de 0,25 a 0,5 do dimetro da esfera D. A impresso ser considerada ideal se o valor de d ficar na mdia entre os dois valores anteriores, ou seja, 0,375 mm.



2. Para obter um dimetro de impresso dentro do intervalo citado no item anterior, deve-se manter constante a relao entre a carga (F) e o dimetro ao quadrado da esfera do penetrador (D2), ou seja, a relao

igual a uma constante chamada fator de carga.



Para padronizar o ensaio, foram fixados valores de fatores de carga de acordo com a faixa de dureza e o tipo de material. O quadro a seguir mostra os principais fatores de carga utilizados e respectivas faixas de dureza e indicaes.



O dimetro da esfera determinado em funo da espessura do corpo de prova ensaiado.

A espessura mnima indicada em normas tcnicas de mtodo de ensaio.

No caso da norma brasileira, a espessura mnima do material ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade da calota.



O quadro a seguir mostra os dimetros de esfera mais usados e os valores de carga para cada caso, em funo do fator de carga escolhido.


Exemplo

Uma empresa comprou um lote de chapas de ao carbono com a seguinte especificao: espessura: 4 mm, dureza Brinell (HB): 180. Essas chapas devem ser submetidas ao ensaio de dureza Brinell para confirmar se esto de acordo com as especificaes.

Essas chapas podem ser ensaiadas com a esfera de 10 mm?


Exemplo


Exemplo

A espessura do material ensaiado (no mnimo) = 17.p

De acordo com a tabela F/D2 = 30 (ao-carbono) F = 3000 kgf

Espessura mnima = 17 . 0,53 = 9,01 mm

Resposta: As chapas de 4 mm no podem ser ensaiadas com esfera de 10 mm.


A execuo do ensaio de dureza Brinell consiste em:

Preparar uma superfcie plana na amostra; Colocar e fixar a amostra na mesa da mquina; Aplicar manualmente a pr-carga; Acionar o dispositivo para liberao da carga principal; Retirar a carga; Ler o tamanho da impresso;

O dimetro da impresso formada deve ser medido por meio demicroscpio ou lupa graduada e por duas leituras, sendo uma a90 da outra, visando minimizar leituras errneas e resultadosimprecisos.

Usar a tabela para converter os dados dos ensaios para durezaBrinell.


Representao dos Resultados Obtidos

O nmero de dureza Brinell deve ser seguido pelo smbolo HB, sem qualquer sufixo, sempre que se tratar do ensaio padronizado, com aplicao da carga durante 15 segundos.

Em outras condies, o smbolo HB recebe um sufixo formado por nmeros que indicam as condies especficas do teste, na seguinte ordem: dimetro da esfera, carga e tempo de aplicao da carga.

Exemplificando: Um valor de dureza Brinell 85, medido com uma esfera de 10 mm de dimetro e uma carga de 1.000 kgf, aplicada por 30 segundos, representado da seguinte forma:


Representao dos Resultados Obtidos

XXX HBS D/Q/t ou XXX HBW D/Q/t

XXX: valor da dureza Brinell da amostra; HBS: para ensaio com uma esfera de ao; HBW para esfera de tungstnio; D: dimetro da esfera; Q: carga de compresso da esfera em kgf; t: tempo de aplicao da carga em segundo.


Vantagens

O baixo custo do equipamento para medida de dureza Brinell.

usado especialmente para avaliao de dureza de metais noferrosos, ferro fundido, ao, produtos siderrgicos em geral e depeas no temperadas;

o NICO ENSAIO UTILIZADO E ACEITO PARA ENSAIOS EM METAISQUE NO TENHAM ESTRUTURA INTERNA UNIFORME (MATERIAISHETEROGNEOS);

feito em equipamento de fcil operao.


Desvantagens

A possibilidade de se cometer erro no momento da medida dosdimetros das impresses.


Desvantagens

A impresso da esfera na amostra maior que a dos outrosmtodos de ensaio de dureza,

por isso a mais adequada para medir materiais heterogneos, quetm a estrutura formada por duas ou mais fases de dureza muitodiscrepantes (ferros fundidos, bronzes etc);


Desvantagens

O uso deste ensaio limitado pela esfera

empregada. Usando-se esferas de ao

temperado s possvel medir dureza

at 500 HB, pois durezas maiores

danificariam a esfera.

A recuperao elstica uma fonte de

erros, pois o dimetro da impresso no

o mesmo quando a esfera est em

contato com o metal e depois de aliviada

a carga. Isto mais sensvel quanto mais

duro for o metal.


Desvantagens

O ensaio no deve ser realizado emsuperfcies cilndricas com raio decurvatura menor que 5 vezes odimetro da esfera,

pode haver escoamento lateral domaterial e a dureza medida sermenor que a real.


Incio sculo XX progressos no campo da determinao da dureza.

Em 1922, Rockwell desenvolveu um mtodo de ensaio de dureza que utilizava um sistema de pr-carga.

Este mtodo apresenta algumas vantagens em relao ao ensaio Brinell, pois permite avaliar a dureza de metais diversos, desde os mais moles at os mais duros.

Entretanto, tambm tem limitaes, o que indica que est longe de ser a soluo tcnica ideal.

Ensaio de DurezaDureza Rockwell

Os ensaios Rockwell constituem o mtodo mais comumente utilizado para medir a dureza pois:

So muitos simples de executar; No exigem habilidades especiais.

Vrias escalas diferentes podem ser utilizadas a partir de combinaespossveis de vrios penetradores e diferentes cargas, o que permite o ensaio de, virtualmente, todas as ligas metlicas (assim como de alguns polmeros).


Os penetradores incluem:

Esferas de ao endurecidas, com dimetros de 1/16, 1/8, e de polegada (1,588 3,175 6,350 12,70 mm).

Um penetrador cnico (120o de conicidade) de diamante (Brale), usado para os materiais mais duros.


Procedimento

Neste mtodo, a carga do ensaio aplicada em etapas, ou seja,

primeiro se aplica uma pr-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 FEITA DIRETAMENTE NUM MOSTRADOR ACOPLADO MQUINA DE ENSAIO, de acordo com uma escala predeterminada, adequada faixa de dureza do material.


Procedimento

Ainda com a pr-carga aplicada, uma segunda carga introduzida, aumentando a penetrao.

Atingido novamente o equilbrio a carga removida, mantendo-se a pr-carga.

A remoo da carga provoca uma recuperao parcial, reduzindo a profundidade da penetrao.

O aumento permanente na profundidade da penetrao resultante da aplicao e remoo da carga usado para calcular o valor da dureza Rockwell.


Dureza Rockwell

Quando se utiliza o penetrador cnico de diamante, deve-se fazer a leitura do resultado na escala externa do mostrador, de cor preta.

Ao se usar o penetrador esfrico, faz-se a leitura do resultado na escala vermelha.

Nos equipamentos com mostrador digital, uma vez fixada a escala a ser usada, o valor dado diretamente na escala determinada.

O valor indicado na escala do mostrador o valor da dureza Rockwell. Este valor corresponde profundidade alcanada pelo penetrador, subtradas a recuperao elstica do material, aps a retirada da carga maior, e a profundidade decorrente da aplicao da pr-carga.


Em outras palavras: a profundidade da impresso produzida pela carga maior a base de medida do ensaio Rockwell.

Veja a seguir a representao esquemtica da profundidade produzida por um penetrador cnico de diamante.

Dureza Rockwell

Curiosidade

A escala do mostrador construda de tal modo que uma impresso profunda corresponde a um valor baixo na escala e uma impresso 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.


Escalas Rockwell

Com base nas magnitudes de ambas as cargas, a menor e a principal existem dois tipo de ensaios:

Rockwell: carga menor de 10 kg, cargas principais de 60, 100 e 150 kg. Cada escala representada por uma letra do alfabeto.

Rockwell superficial: carga menor de 3 kg, cargas principais de 15, 30 e 45 kg. Essas escalas so identificadas pelos nmeros 15, 30 ou 45 (carga), seguido pelas letras N, T, W, X ou Y dependendo do penetrador.

Realizados com frequncia para corpos de prova mais finos.


Escalas Rockwell

Estas escalas no tm relao entre si.

Por isso, no faz sentido comparar a dureza de materiais submetidos a ensaio de dureza Rockwell utilizando escalas diferentes.

Ou seja, um material ensaiado numa escala s pode ser comparado a outro material ensaiado na mesma escala.

Os quadros a seguir mostram as escalas mais utilizadas nos processos industriais.


Dureza Rockwell

Representao da Dureza Rockwell

O nmero de dureza Rockwell deve ser seguido pelo smbolo HR, com um sufixo que indique a escala utilizada.

Veja, por exemplo, a interpretao do resultado 64HRC:

64 o valor de dureza obtido no ensaio; HR indica que se trata de ensaio de dureza Rockwell; A ltima letra, no exemplo C, indica qual a escala empregada.


Preparao da Amostra para o Ensaio

A superfcie da amostra deve ser lixada para eliminar alguma irregularidade que possa ocasionar erros;

A PRIMEIRA LEITURA DO ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL DEVE SER DESPREZADA, porque a primeira impresso serve apenas para ajustar bem o penetrador na mquina;


Preparao da Amostra para o Ensaio

Se a superfcie da amostra no for plana, deve-se fazer uma correo no valor de dureza encontrado. A dureza Rockwell BASEADA NA PROFUNDIDADE E NO NA REA;

A espessura mnima da amostra para o ensaio de dureza Rockwell dez vezes a profundidade da impresso (Callister);

Deve haver um espaamento de no mnimo 3 dimetros entre o centro de uma impresso e a aresta da amostra, ou at o centro de uma segunda impresso.


Profundidade de penetrao

A profundidade que o penetrador vai atingir durante o ensaio importante para definir a espessura mnima do corpo de prova.

Entretanto, no h meios de medir a profundidade exata atingidapelo penetrador no ensaio de dureza Rockwell.


Profundidade de penetrao

possvel obter a medida aproximada desta profundidade (P), a partir do valor de dureza indicado na escala da mquina de ensaio, utilizando as frmulas a seguir:

Por exemplo, a profundidade aproximada de penetrao que ser atingida ao ensaiar um material com dureza estimada de 40HRC de 0,12 mm.


Penetrador de diamante:HR normal: P = 0,002 x (100 - HR)HR superficial: P = 0,001 x (100 - HR)

Penetrador esfrico:HR normal: P = 0,002 x (130 - HR)HR superficial: P = 0,001 x (100 - HR)

Exemplo

Qual deve ser a espessura mnima de uma chapa que ser submetida ao ensaio de dureza Rockwell para um material com dureza esperada de 80HRB?

Resposta:


Exemplo

Uma empresa adquiriu um material com a seguinte especificao: 70HR15T. Quais as condies do ensaio para confirmar se o material est de acordo com a especificao?

Resposta: Tipo de mquina: Tipo de penetrador: Dimenso do penetrador: Pr-carga: Carga maior: Cor da escala onde feita a leitura do resultado:


Exemplo

Uma empresa adquiriu um material com a seguinte especificao: 70HR15T. Quais as condies do ensaio para confirmar se o material est de acordo com a especificao?

Resposta: A representao HR15T indica que as informaes devero ser

procuradas na escala Rockwell superficial. Logo, a mquina deve ser a mais precisa.

O penetrador ser uma esfera de ao com 1,5875 mm de dimetro. Ser aplicada uma pr-carga de 3 kgf e a carga maior ser de 15 kgf. O resultado dever ser lidona escala vermelha.


Coube a Smith e Sandland, em 1925, o mrito de desenvolver um mtodo de ensaio que ficou conhecido como ensaio de dureza Vickers.

Este mtodo leva em conta a relao ideal entre o dimetro da esfera do penetrador Brinell e o dimetro da calota esfrica obtida, e vai alm porque utiliza outro tipo de penetrador, que possibilita medir qualquer valor de dureza, incluindo desde os materiais mais duros at os mais moles.

O ensaio Vickers no resolve todos os problemas de avaliao de dureza dos materiais. Mas, somado aos outros dois mtodos j estudados, um bom caminho para atender s necessidades de processos industriais cada vez mais exigentes e sofisticados.

Ensaio de DurezaDureza Vickers

Clculo da Dureza Vickers

Ficou conhecido como ensaio de dureza Vickers a empresa que fabricava as mquinas mais difundidas para operar com este mtodo chamava-se Vickers-Armstrong.

A dureza Vickers se baseia na resistncia que o material oferece penetrao de uma pirmide de diamante de base quadrada e ngulo entre faces de 136o, sob uma determinada carga.



O valor de dureza Vickers (HV) o quociente da carga aplicada (F) pela rea de impresso (A) deixada no corpo ensaiado.

Essa relao, expressa em linguagem matemtica a seguinte:



A mquina que faz o ensaio Vickers no fornece o valor da rea de impresso da pirmide, mas permite obter, por meio de um microscpio acoplado, as medidas das diagonais (d1 e d2) formadas pelos vrtices opostos da base da pirmide.



d: [mm] F: [kgf]


Representao do Resultado do Ensaio

XXX HV Q/t

XXX: valor da dureza Vickers da amostra; HV: dureza Vickers; Q: carga de compresso da esfera em kgf; t: tempo de aplicao da carga em segundo.


Equipamento


Procedimento

Polimento at a lixa 1.000 ou com alumina; Fixao da amostra na mquina de ensaio; Seleo da carga a ser aplicada; Seleo do tempo de aplicao. Acionamento do dispositivo para aplicar a carga; Medida das diagonais do quadrado impresso; Clculo da mdia das diagonais da impresso; Tabelas de converso do tamanho da impresso na dureza.


Cargas Utilizadas no Ensaio Vickers

Neste mtodo, ao contrrio do que ocorre no Brinell, as cargas podem ser de qualquer valor, pois as impresses so sempre proporcionais carga, para um mesmo material.

Deste modo, o valor de dureza ser o mesmo, independentemente da carga utilizada.

Por uma questo de padronizao, as cargas recomendadas so: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf.


Defeitos de Impresso

Uma impresso perfeita, no ensaio Vickers, deve apresentar os lados retos.

Entretanto, podem ocorrer defeitos de impresso, devidos ao afundamento ou aderncia do metal em volta das faces do penetrador.



Quando ocorrem esses defeitos, embora as medidas das diagonais sejam iguais, as reas de impresso so diferentes.



Como o clculo do valor de dureza Vickers utiliza a medida da mdia de duas diagonais, esses erros afetam o resultado da dureza:

teremos um valor de dureza maior do que o real nos casos de afundamento e

um valor de dureza menor do que o real, nos casos de aderncia.

possvel corrigir esses defeitos alterando-se o valor da carga do ensaio para mais ou para menos, dependendo do material e do tipo de defeito apresentado.


Vantagens

Escala contnua de dureza, medindo todas as gamas de valores de dureza numa nica escala;

Impresses extremamente pequenas que no inutilizam a pea;

Possibilita grande preciso de medida;

O penetrador, por ser de diamante, praticamente indeformvel;


Vantagens

Utiliza apenas uma escala de dureza;

Possvel a medida de todos os valores de dureza encontrados nos diversos materiais;

Este ensaio aplica-se a materiais de qualquer espessura, e pode tambm ser usado para medir durezas superficiais;


Desvantagens

Por outro lado, devem-se tomar cuidados especiais para evitar erros de medida ou de aplicao de carga, que alteram muito os valores reais de dureza.

A preparao do corpo de prova para microdureza deve ser feita, obrigatoriamente, por metalografia, utilizando-se, de preferncia, o polimento eletroltico, para evitar o encruamento superficial;


Desvantagens

Quando se usam cargas menores do que 300 gf, pode haver recuperao elstica, dificultando a medida das diagonais;

A mquina de dureza Vickersrequer aferio constante, pois qualquer erro na velocidade de aplicao da carga traz grandes diferenas nos valores de dureza.


Para aplicaes especficas, voltadasprincipalmente para superfciestratadas (carbonetao, tmpera)ou para a determinao de durezade microconstituintes individuaisde uma microestrutura, utiliza-se oensaio de microdureza Vickers.

A diferena entre o ensaio dedureza convencional e o demicrodureza est na intensidade dacarga usada para comprimir openetrador.

Ensaio de DurezaMicrodureza Vickers

A marca deixada na superfcie da amostra pelo penetrador damquina de ensaio de microdureza somente visvel nomicroscpio.

Determinao da dureza das camadas finas de revestimento;

Determinao da dureza de constituintes individuais de umamicroestrutura, de materiais frgeis, de peas pequenssimas ouextremamente finas;

aplicvel a todos os tipos de materiais e no apenas aos metais.


Utiliza o mesmo mtodo de ensaio da dureza Vickers convencional.


A amostra deve ter uma superfcie plana e polida para permitir avisualizao da marca;

Qualquer movimento da amostra durante a aplicao da cargapode danificar o penetrador;

Quanto melhor o polimento da amostra mais fcil a leitura dasdimenses da impresso por meio de um microscpio acoplado aoequipamento.

A microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento prtico queo ensaio Vickers, s que utiliza cargas menores que 1 kgf. A cargapode ter valores to pequenos como 10 gf.


Material retirado do livro texto: CALLISTER, W. D. Cincia e engenharia de materiais: uma introduo 7. ed. 2008.

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