INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA SEO DE ENSINO DE ENGENHARIA MECNICA E DE MATERIAIS

ENSAIO DE DUREZA

Tcnicas Experimentais - Ensaios Mecnicos Maj Sousa Lima, D. C. Oficial Professor

SUMRIO

Introduo Ensaio por risco Ensaio por penetrao Ensaio por choque

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INTRODUO

DefinioA dureza a propriedade mecnica de medida da resistncia de um material ao risco ou uma deformao permanente o ensaio mais utilizado principalmente por: - Simplicidade e baixo custo Facilidade de preparao de CP e os equipamentos de ensaio so relativamente baratos - Determinao de outras propriedades possvel a estimativa com base em dados obtidos e sua correlao com tabelas e normas

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INTRODUO

ClassificaoEste ensaio amplamente utilizado na indstria, no controle das especificaes de matrias-primas e durante as etapas de fabricao e na pesquisa Pode ser dividido em: - Ensaio por risco - Ensaio por penetrao - Ensaio por choque

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ENSAIO POR RISCO

DefinioPouco utilizado nos materiais metlicos mas possui grande aplicao na mineralogia e consiste na capacidade dos materiais riscarem uns aos outros Neste tipo de ensaio, a dureza mais antiga e conhecida a dureza Mohs, idealizada em 1832 pelo mineralogista F. Mohs e baseada em 10 minerais comuns aos quais atribuiu graus de dureza crescentes de 1 a 10Friedrich Mohs

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ENSAIO POR RISCO

DefinioDureza 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Mineral padro Talco Gipsita Calcita Fluorita Apatita Ortoclsio Quartzo Topzio Corndon Diamante Composio Mg3Si4O10(OH)2 CaSO42H2O CaCO3 CaF2 Ca5(PO4)3(OH,F,Cl) KAlSi3O8 SiO2 Al2SiO4(OH,F)2 Al2O3 C6

Padro secundrio unha (2,5) alfinete (3,5) ao (5,5) porcelana (7)

ENSAIO POR RISCO

DefinioA dureza Mohs determinada por meio de ensaios de risco entre 2 minerais e nos 2 sentidos, ou seja, tenta-se riscar o mineral A com o B e vice-versa Desta forma, um material possui dureza 4 quando risca um de dureza 3 mas riscado por outro de dureza 5

Ensaio de dureza Mohs7

ENSAIO POR RISCO

DefinioNo um mtodo preciso e seus intervalos no so regularmente espaados

Ensaio de dureza Mohs

Metais 4 a 88

ENSAIO POR PENETRAO

Definio o mais largamente usado e citado em normas tcnicas e consiste em forar um penetrador contra uma superfcie sob condies controladas de tempo, carga e taxa A medida da profundidade de penetrao ou da rea impressa so relacionadas com um nmero ndice de dureza

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ENSAIO POR PENETRAO

ClassificaoSo 4 os principais ensaios dureza por penetrao: Brinell Rockwell Vickers Knoop

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ENSAIO POR PENETRAO

Dureza BrinellCriado em 1900 por J. A. Brinell, foi o primeiro ensaio de penetrao padronizado e reconhecido industrialmente e um dos mais utilizados na Engenharia Consiste em comprimir uma esfera de ao endurecido, de dimetro D, sobre uma superfcie plana, limpa e polida por meio de uma carga Q durante um tempo t

Johan August Brinell

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ENSAIO POR PENETRAO

Dureza BrinellEsta compresso provoca uma impresso no formato de uma calota esfrica, com dimetro d, medida por um microscpio ptico aps a remoo da carga A medida d tomada pela mdia de duas leituras a 90 uma da outra A dureza HB definida pelo quociente entre Q e a rea da calota esfrica S

Q 2Q HB ! ! S TD D D2 d 2

Indentao Brinell12

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza BrinellNa prtica utilizam-se tabelas que fornecem o valor de dureza a partir do dimetro medido para cada par de Q e D utilizados A maioria das tabelas utiliza os valores de Q e D inicialmente propostos por Brinell, de 3000 kgf e 10 mm para metais dureza at 500 HB Embora teoricamente qualquer carga possa ser utilizada, as cargas padro variam de 500 a 3000 kgf, com incrementos de 500 kgf Metais dcteis (Al, Cu) utilizam cargas menores e os menos dcteis (aos e ferros fundidos), cargas maiores

Durmetro Brinell13

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza BrinellMetais com dureza superior a 500 HB utilizam esferas de WC e possuem a denominao HBw (contra HBs da tradicional) O tempo de aplicao da carga varia de 10 a 60 s Outros valores de Q e D podem ser utilizados, desde que satisfeita a condio:

Q ! cte 2 D

Durmetro Brinell hidrulico porttil14

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza BrinellEsta relao determinada empiricamente para cada tipo de material Assim, esferas entre 1 e 7 mm tambm podem ser utilizadas Este ensaio no adequado para peas pequenas ou tratadas superficialmente indicado para materiais com estrutura interna no uniforme

Sistema de anlise de imagens para medida Brinell15

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza RockwellFoi proposta pelas indstrias Rockwell, dos EUA, em 1922 e tambm de ampla utilizao Este ensaio baseado na profundidade de penetrao Esta medida correlacionada pela mquina a um nmero de dureza, cuja leitura realizada diretamente em um mostradorIndentao Rockwell16

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza Rockwell um ensaio rpido e assim pode ser utilizado em linhas de produo Por utilizar penetradores pequenos, pode ser empregado em peas de dimenses reduzidas ou tratadas termicamente Tambm possvel a medio de durezas superficiais Os indentadores pedem ser cnicos, com cone de diamante ou esfricos, de ao endurecido

Indentador cnico17

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza RockwellEste ensaio emprega diversas escalas, que dependem do penetrador e da carga aplicada, abrangendo uma ampla faixa de valores simbolizado por HR seguido pela letra da escala empregada Normalmente, a pr-carga de 10 kgf nos ensaios de dureza como cargas principais de 60, 100 e 150 kgfDurmetro de bancada18

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza RockwellNos ensaios de dureza superficial, a prcarga de 3 kgf e as cargas principais so de 15, 30 e 45 kgf A superfcie da amostra deve ser lixada para eliminar irregularidades

Durmetro de bancada19

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza VickersDesenvolvido em 1925 por R. Smith e G. Sandland, este ensaio tornou-se conhecido pelo nome do fabricante das primeiras mquinas produzidas similar ao princpio da dureza Brinell, no qual um indentador comprimido contra o material e a indentao resultante medida simbolizada por HV

Fbrica da VickersArmstrong, Inglaterra20

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza VickersO indentador uma pirmide de diamante de base quadrada que possui um ngulo de 136 entre as faces opostas A impresso um losango de formato regular, cujas diagonais so medidas por meio de um microscpio acoplado mquina de teste devido s suas dimenses reduzidas, muitas vezes abaixo de 1mmIndentador Vickers21

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza VickersA mdia de ambas as medidas so utilizadas para o clculo de dureza pela seguinte frmula:

2Psen(136 / 2) P HV ! ! 0,189 2 2 d dA carga varia de 1 a 120 kgf e sua dimenso de N/mm2 ou kgf/mm2 O tempo de aplicao da carga varia, normalmente, de 10 a 15s

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ENSAIO POR PENETRAO

Dureza VickersExistem tabelas que fornecem os valores de dureza para a diagonal medida e a carga utilizada Alm disto, diversos equipamentos fornecem a dureza calculada a partir da entrada dos valores medidos Este ensaio fornece uma escala contnua e pode ser empregado numa larga A medida de grande preciso e as impresses no inutilizam os materiais dcteis

Tela de projeo ptica para medida de diagonal23

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza Vickers muito utilizado em para a medio de durezas superficiais e para a confeco de curvas de profundidade de tmpera e de cementao Como o penetrador indeformvel, a dureza obtida independe da carga, para as cargas acima de 5 kgf Contudo, este ensaio relativamente demorado e exige uma preparao superficial mais cuidadosaSistema de processamento digital de imagem24

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza por microindentaoEste ensaio produz uma impresso microscpica e utiliza cargas de aplicao entre 1 e 1000 gf A denominao microdureza, apesar de extensivamente utilizada, no a correta, pois sugere medidas de baixos valores de dureza ou invs de indentaes micromtricas So dois os tipos de penetradores utilizados, que podem ser empregados no mesmo equipamento - Vickers - Knoop

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ENSAIO POR PENETRAO

Dureza por microindentao- Vickers Foi realizada inicialmente no Laboratrio Nacional de Fsica da Inglaterra, em 1932 e utiliza o mesmo penetrador da dureza Vickers, com a mesma tcnica descrita anteriormente

Microdurmetro26

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza por microindentao- Vickers Apropriado para a determinao de dureza de microconstituintes, de materiais frgeis, de peas diminutas ou extremamente finas

Liga de Cu-Be27

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza por microindentao- Knoop Desenvolvida por Frederick Knoop nos EUA, em 1939, nos laboratrios da NIST (National Institute of Standards and Technology), utiliza um penetrador de base piramidal alongada Possui uma relao de 7:1 entre as diagonais de impresso

Indentador Knoop28

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza por microindentao- Knoop O clculo baseado na medida da diagonal maior:

HK !

14,23P d2

Sistema automatizado de dureza por microindentao29

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza por microindentao- Knoop Com uma rea 15% menor, mais rasa (cerca de 50%) e estreita do que a Vickers com a mesma carga, oferece algumas possibilidades adicionais: - Medida de altos gradientes de dureza - Indentaes menos espaadas - Medidas em materiais muito frgeis - Ensaios em recobrimentosIndentao Knoop em ao alto C (500 a 10 gf)30

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza por microindentao- Knoop Ambas as durezas podem variar com a carga O seu resultado possui maior dificuldade de converso para outras escalas

Indentao Knoop em bronze31

ENSAIO POR PENETRAO

Dureza por indentao instrumentadaEmprega equipamentos de alta resoluo e pode utilizar cargas de 1 nN e medir dimenses de 0,1 nm Pode ser usado tambm para medir E e limite de escoamento Pode avaliar filmes finos, microcircuitos e recobrimentosNanoindentao em microcircuito eletrnico32

ENSAIO POR CHOQUE

DefinioDos numerosos mtodos desenvolvidos, o mais utilizado a dureza Shore Neste ensaio, um martelo com ponta de diamante inicia sua queda a partir de uma altura fixa e, sob a ao de seu prprio peso, viaja dentro de um tubo de vidro e impacta uma superfcieRepresentao esquemtica do ensaio33

ENSAIO POR CHOQUE

DefinioFoi desenvolvida em 1907 por Albert F. Shore para aos endurecidos, onde a dureza Brinell no podia ser utilizada, por danificar a esfera penetradora O ensaio por choque relaciona a dureza de um material com a sua resposta elstica a um impacto, ou choque, representada pela altura de rebote do martelo Assim, um material dctil ir consumir mais energia na deformao pelo impacto e o martelo alcana uma altura menor, indicando uma dureza menor

Escleroscpio Shore com escala34

ENSAIO POR CHOQUE

EquipamentoO peso do martelo de aproximadamente 2,5 gf e cai de uma altura aproximada de 25cm A altura de retorno do martelo aps o choque medida numa escala graduada Inicialmente foram utilizados os escleroscpiosEscleroscpios Shore com tubo graduado35

ENSAIO POR CHOQUE

EquipamentoA sua grande vantagem a portabilidade e a preservao da integridade da pea O escleroscpio pode ser adaptado em peas grandes, como cilindros de laminao Atualmente so pouco fabricados, mas ainda so utilizados para materiais metlicos duros

Escleroscpios Shore com escala analgica36

ENSAIO POR CHOQUE

EquipamentoModernamente o escleroscpio foi substitudo pelo durmetro Shore, que consiste em um sistema de medio por mola O material submetido a uma presso aplicada por um indentador, que pode ser esfrico ou cnico O valor da dureza dado pela profundidade da penetrao

Representao esquemtica do ensaio37

ENSAIO POR CHOQUE

Equipamento muito utilizado para a medio de dureza de polmeros, elastmeros e plsticos Existem diversas escalas, sendo as mais comuns a A e D, esta ltima para os materiais mais duros Os equipamentos mais modernos so digitais No existe uma correlao entre as escalas e esta medida no deve, isoladamente, especificar um produto

Durmetro Shore A38