GRUPO 1 - Turma a - Brinell e Meyer

ENG03376-A ENSAIOS MECÂNICOS

ENG03376 – ENSAIOS MECÂNICOS

Escola de Engenharia Mecânica – UFRGS

Professor Felipe Schaedler de Almeida

Ensaio de Dureza

Brinell

e

Meyer

Alunos:

Luiz Alberto Munari 00039875 ([email protected]).

Camila da Silva Castro 00121834 ([email protected])

Eric do Prado Valladares 00085408 ([email protected])

Luiz Rebelatto Neto 00124709 ([email protected])

Renan André Costenaro 00122638 ([email protected])


ENG03376 – Ensaio de dureza Brinell e ensaio Meyer. Luiz Alberto Munari 00039875 ([email protected]). Camila da Silva Castro 00121834 ([email protected]) Eric do Prado Valladares 00085408 ([email protected]) Luiz Rebelatto Neto 00124709 ([email protected]) Renan André Costenaro 00122638 ([email protected]) Aluno de graduação do curso de Engenharia Mecânica da UFRGS.

Palavras-chave: Ensaios, dureza, Brinell, Meyer. Professor: Felipe Schaedler de Almeida [email protected]

Introdução

Este trabalho tem por objetivo uma descrição do conceito de dureza, apresentação do método

de análise de Ensaio Brinell e Meyer, com suas vantagens práticas e implicações do uso do método.

Apresenta a forma de como é obtido o número Brinell, por medição através de um microscópico da

marca imposta pela esfera aplicada através de uma carga na superfície da peça a ser ensaiada. Essa

marca deixa uma calota côncava, donde se mede duas cotas do diâmetro impresso, medidas

realizadas a 90° uma da outra com auxilio de um microscópico, através desta medição, aplicam-se

em uma formula e obtêm-se um numero que é relacionado à dureza Brinell. Seguindo esse mesmo

método, o Meyer é a mesma aplicação da carga, mas mede-se a projeção da área imposta pela

esfera, e usando-se a força aplicada, divide-se pela área projetada e obtêm-se um valor em MPa, é

será o número Meyer de dureza.

Descrição

Este trabalho trata da apresentação sobre Ensaios de dureza Brinell e dureza Meyer. Com

relação aos ensaios de durezas, não existe uma definição única e correta para a propriedade

mecânica conhecida como dureza de um material.

Metal Handboks, uma conhecida série de manuais da American Society for Metal, não define

em seu conteúdo técnico. Limita-se a restringir que sua definição dependerá do método usado para

obtenção do valor para medição.

“O termo dureza é muito vago e só pode ser definido em relação às condições em que se

efetua o teste propriamente realizado”.

“O vidro risca o aço temperado, porém se encararmos estes materiais como peças de uma

máquina, não há dúvidas de que o vidro falhará. Alguns materiais ditos macios suportam altos


desgastes, como exemplo, guia de motosserra. Enquanto outros metais ditos duros fracassam quanto

ao uso de fricção”.

Os ensaios de dureza têm uma grande importância na indústria, sendo um processo rotineiro e

corriqueiro em qualquer lugar que requeira tratamento térmico em suas peças, pois por meio dele e

de uma forma não destrutiva, é possível determinar seus resultados obtidos no ensaio.

Pode-se determinar ou testar a dureza de um material ou de uma peça de diversos modos:

através da determinação de sua resistência ao risco ou abrasão, pela resistência à penetração, por

suas propriedades elásticas, pela resistência à tração, ao corte, à deformação, e ainda por métodos

eletromagnéticos que se baseiam no comportamento da corrente secundária induzida no material ou

peça a medir.

A resistência ao risco foi o principio adotado por Friederich Moss para a criação de uma das

primeiras escalas de dureza que se tenha conhecimento, de uso em mineralogia até hoje. A escala de

Moss baseia-se na dureza ao risco pela ação de 10 minerais padrões tais como: talco, gesso, calcita,

fluorita, apatita, ortoclasa, quartzo, topázio, corindo e diamante.

O princípio consiste em um material sendo riscado pelo quartzo, tendo sua dureza entre a

escala 7 do quartzo e 8 do topázio, mas essa escala restringe-se à mineralogia.

Com base na resistência a abrasão e como meio prático de seu uso, o ensaio de lima constitui

um processo muito prático e não muito confiável, mas de largo emprego em oficinas mecânicas

com o seguinte processo: mantém-se a peça firme em uma morsa enquanto que com uma

ferramenta denominada lima executa-se um movimento abrasivo com uma de suas arestas. Esse

método serve apenas para quantificar visualmente se a peça em que foi submetido o ato de abrasão

é mais ou menos duro que a lima usada.

De todos os métodos de determinação de dureza o de maior importância industrial é ainda o

de penetração, que se baseia nos efeitos produzidos pela compressão ao material a se medir através

de um penetrador de dimensões rigorosamente controladas e sob a ação de forças também

determinadas. Serão apresentadas neste trabalho duas formas de obtenção de medidas de durezas,

suas vantagens, desvantagens e características.

Ensaio Brinell

O ensaio Brinell é um método de medição da dureza utilizado principalmente nos materiais

metálicos. Este método foi proposto em 1900, pelo engenheiro sueco Johan August Brinell. É o

primeiro ensaio de dureza normatizado e amplamente utilizado na engenharia e metalurgia. É

padronizado pela NBR 6394 e pela ASTM E10. A dureza Brinell é definida, em N/mm2 (ou


kg/mm2) como quociente entre carga aplicada pela área de contato (área superficial), a qual é

relacionada com os valores D e d, conforme a expressão:

2 2

2

. . . .( .

Q Q QHB

Sc D p D D D dπ π= = =

−

Onde:

Sc = área superficial

Q = carga a plicada

D = diâmetro da esfera ou penetrador

D = diâmetro da impressão, tomado como média de duas medidas a 90°

p = profundidade da impressão

Figura mostrando as variáveis para cálculo da dureza Brinell

O método Brinell é usado principalmente em peças fundidas, forjadas e laminadas. Este

método não é grandemente afetado pelas condições da superfície. Mede-se a dureza média de vários

grãos, e com penetração relativamente grande, abrangendo as camadas inferiores do material. Tem

uso limitado na medida da dureza de peças muito finas. Pelo método Brinell pode-se obter um

rendimento médio de 50 peças por hora quando da necessidade de inspeção 100% de peças

produzidas.

O teste típico consiste em um penetrador de formato esférico com 10 mm de diâmetro, feito de

aço de elevada dureza ou de carbeto de tungstênio, em teoria praticamente indeformável em relação


à peça a ser medida, com dimensões de diâmetro de 10 mm o mais usual, podendo ter também 1,25,

2,5, 5 e 7 mm.

A carga aplicada varia entre 500 e 3000 kg, sendo as mais usadas de 3000 kg para ferrosos,

1500 kg para alumínio fundido e 500 kg para material macio e peças finas.

As cargas e os penetradores devem ser escolhidos de modo que o diâmetro de impressão esteja

entre 0,2D e 0,5D, sendo D o diâmetro da esfera, além disso, o procedimento deve obedecer às

seguintes relações de carga (kg) com o diâmetro D da esfera a ser usada:

2 2

2 2

30 5

10 2,5

P D P D

P D P D

= == =

Isso permitirá a variação de cargas e penetradores para satisfazer casos especiais em que a

espessura ou o tamanho das peças a ensaiar não permitam o uso de cargas e penetradores comuns.

Deste modo, obtém-se o mesmo número de dureza Brinell, com 3000 kg e esfera de 10 mm, ou com

1470 kg e esfera de 7 mm, ou com 750 kg e esfera de 5 mm.

A série de medidas abaixo dá idéia da aproximação obtida:

Diâmetro D

mm Carga kg

Dureza

Brinell

10 3000 85

7 1470 85

5 750 87

1,25 42,5 86

Esta tabela mostra que o número Brinell independe da carga e do diâmetro da esfera, uma vez

mantidas as relações acima vistas, assim a relação Brinell é uma constante de:

2 2( )

P Pk constante

D D= =

Admite-se que, para uma correta determinação da dureza Brinell, o diâmetro da mossa

(marcação) realizada pela esfera de 10 mm deve ficar entre 2,5 e 6 mm.

Se a marcação obtiver um diâmetro maior que 6 mm, devemos-se diminuir a carga; se for

menor que 2,5 mm devemos-se aumentar a carga de realização do teste. Mantidos estes limites, a

profundidade da penetração ficará entre 0,18 e 1 mm.


Tempo de aplicação

O tempo de aplicação da carga deve ser mantido sobre o corpo de prova pelo menos durante

30 segundos, segundo Raul Oscar Rauter, e de 10 a 30 segundos Standard Test Method. Excetuam-

se os materiais com dureza superior a 300 Brinell, quando esse tempo pode ser reduzido há 10

segundos, e os materiais muito moles ou de dureza menor que 60 Brinell, quando a carga deverá ser

mantida por um tempo aproximadamente de 60s.

A medida

A medida produzida pela mossa ou marca de impressão com precisão de mais ou menos 0,01

mm através de dois diâmetros cruzados a 90°, dos quais se toma à média, é usado como referencia

“d”. Isso só é possível através de sua medição com o microscópio auxiliar que pode aumentar em

até 100x. Calcula-se então o número de dureza pela fórmula abaixo, ou tira-se esse número de

tabelas, com entrada pelo diâmetro da mossa.

.

Figura representando a forma de aplicação e as referencias de medição d1 e d2

Algumas máquinas de medição já mostram diretamente o número Brinell, através da

profundidade de impressão.

O número Brinell de dureza (HB) é função da carga aplicada e do diâmetro da impressão

resultante e pode ser obtido através da seguinte relação:

2 2

2

( )

PHB

D D D dπ=

− −


Onde:

H = número de dureza Brinell;

P = carga utilizada no ensaio (kg);

D = diâmetro da esfera ou penetrador utilizado no ensaio (mm);

d = diâmetro de impressão obtida (mm).

• A classe HBS refere-se ao ensaio de dureza com esfera temperada utilizada para

material com dureza Brinell <350

• A classe HBW refere-se ao ensaio de dureza com esfera de carboneto de tungstênio

(metal duro) utilizada para material com dureza Brinell <650

Acabamento da Amostra

O acabamento da amostra deve ser lixado ou através de um desbaste com rebolo, ou às vezes

nem isso será necessário se a máquina for de medida direta, dispensando, portanto, a determinação

do diâmetro da impressão por meio de microscópico provido de escala.

Para escrever o número Brinell, admite-se que uma primeira amostra apresenta dureza Brinell

85 quando medida com um penetrador de 5 mm e carga de 250 kg, e admite-se também que uma

segunda amostra apresenta dureza 280 com penetrador de 10 mm e carga de 3000 kg. Assim sendo

vejamos como poderão ser escritos estes resultados segunda as normas técnicas:

ABNT:

a) 5 25085H

b) 10 3000280H (podem-se dispensar os índices quando a esfera usada é de 10 mm e a carga é de

3000 kg).

ASTM e ASA:

a) 50085BHN (5 mm)

b) 3000280BHN

ISO:

a) 85 5/ 250 / 20HB (dureza Brinell 85, medida com esfera de 5 mm e carga de 250 kg,

aplicada durante 20 s);

b) 280HB (quando a medida é feita com esfera de 10 mm e carga de 3000 kg, aplicada no

tempo de 10 a 15 s, pode-se dispensar os números correspondentes depois das letras HB).

Na prática (indústria):

a) 85BHN

b) 280BHN


É importante lembrar que podemos ter uma relação da dureza Brinell com a resistência à

tração. Para aços ao carbono na condição de laminados ou recozidos, é válida a seguinte relação:

Dureza Brinell Fator Direção da Superfície

Menor que 175 0,362 - transversal à laminação

0,354 - paralela à laminação

Maior que 175 0,344 - transversal à laminação

0,324 - paralela à laminação.

É importante lembrar que existem outros fatores para aços ligados e para não-ferrosos.

Por último, é importante citarmos as vantagens e limitações relativas ao ensaio de dureza

Brinell.

Vantagens:

- Podemos ter um conhecimento prévio da tensão de resistência do metal do corpo de prova

através da dureza Brinell obtida.

- A dureza Brinell apresenta baixo custo e é simples de fazer, pois pode ser utilizado em

qualquer máquina que tenha condições de aplicar um esforço de compressão.

- A deformação produzida na superfície não afeta o comportamento do material.

- Trata-se de um ensaio não-destrutivo, no que se referem aos demais processos de ensaio de

um corpo de prova, mas não se descarta para esse processo a marca, impressão ou depressão que

permanece na peça após o ensaio de dureza realizado.

- É o único ensaio utilizado para metais que não tenham estrutura interna uniforme.

Limitações:

- Não é aplicável em amostras muito finas ou em metais muito duros

- Este método se mostra muito lento para produções em larga escala.

- A marca final na peça é muito grande para superfícies que já possuem acabamento.

- Este ensaio não pode ser utilizado em materiais que sofreram tratamento superficial (ex:

cementação).

- A dureza máxima que pode ser medida depende da dureza suportada pela esfera. Só é

possível medir dureza até 500 kg/mm².


- Não deve ser realizado em superfícies cilíndricas de raio de curvatura menor que 5 vezes o

diâmetro da esfera, conforme mostrado na próxima figura

Figura ao lado exemplifica a situação do

ensaio de dureza Brinell ou Meyer sobre

superfícies cilíndricas com o diâmetro do

corpo de prova com dimensões reduzidas. A

carga aplicada sobre a esfera pode ocasionar

escoamento lateral do material.

Cuidados necessários:

- Analisar a espessura da peça para que esta não seja muito fina.

- Ter atenção na escolha da esfera utilizada.

- Escolher adequadamente a carga a ser aplicada, de acordo com a esfera usada.

É importante lembrar-se dos fatores que influenciam o resultado, tais como:

- O tempo de aplicação da carga é aproximadamente de 30 segundos, conforme cada ensaio.

Este valor varia de acordo com a dureza da peça, pois para uma peça mais dura, o tempo pode ser

maior, comparado com uma peça mole que se tem que permanecer com uma carga por um menor

tempo. A forma da impressão tem que ser nítida e definida. Mas essa regra depende

especificamente de cada ensaio e a obtenção da impressão.

- O acabamento da superfície influencia muito pouco. Basta que a superfície esteja desbastada

por processo de lixamento ou esmerilhamento, para que não apresente cantos vivos ou retos

provenientes do processo da obtenção da peça, seja por fundição, laminação, conformação, etc.


Em alguns materiais podem ocorrer deformações no contorno da impressão, ocasionando erros de

leitura. As figuras a cima mostram uma superfície com impressão normal e duas impressões com

deformação. A figura “a” representa a impressão normal; na figura “b” observa-se que houve

aderência do material à esfera durante a aplicação da carga, neste caso deve-se aumentar o diâmetro

da esfera; e na figura “c”, as bordas estão abauladas, dificultando a leitura do diâmetro, neste caso

deve-se aumentar o tempo de permanência da carga para que o material obtenha uma deformação

permanente, ou com característica mais plástica de deformação.

A tabela acima exemplifica a aplicação da fórmula abaixo, característica principal da Dureza

Brinell. 2 2

2

( )

PHB

D D D dπ=

− −


Ensaio Meyer

Este ensaio é muito parecido com o ensaio Brinell, porém a área usada no cálculo é a área da

calota projetada no plano da superfície do corpo de prova, ao invés de ser a área de contado

aplicado na Brinell.

A escala de dureza Meyer é um método de medição da dureza de um material através de um

"ensaio de penetração" assim como o de dureza Brinell.

Meyer (1908) propôs uma definição mais racional do que a proposta por Brinell, sugerindo

que a dureza fosse obtida através da área projetada da impressão, ao invés da área superficial, já que

a tensão média na superfície da amostra devido à aplicação da carga é igual à carga dividida pela

área projetada.

A escala Meyer é menos sensível do que a Brinell com o aumento da carga aplicada. Para

materiais trabalhados a frio, a dureza Meyer é essencialmente constante e independente da carga, ao

contrário da Brinell, que diminui com o aumento da carga. Já para metais recozidos, a dureza Meyer

aumenta continuamente com o aumento da carga, devido ao encruamento produzido pela

penetração. A dureza Brinell, no entanto, primeiramente aumenta e depois diminui com o aumento

da carga aplicada nos ensaios com estes materiais.

Por outro lado, a escala Meyer é muito pouco usada nos ensaios práticos de medida de dureza

em comparação a Brinell.

Meyer surgiu com uma definição mais racional da dureza do que a proposta por Brinell. Neste

caso seria baseada na área projetada e não na área superficial.

2 2

4F Fp HM

r dπ π= = =

Meyer propôs uma relação empírica entre a carga e o tamanho da impressão normalmente

chamada de lei de Meyer.

nP kd= `

Onde “k” e “n” são constantes do material relacionados respectivamente a resistências do

metal a penetração e ao encruamento.

P = carga aplicada

k = propriedade do material.

n = índice de Meyer, uma propriedade do material.

d = diâmetro de corda (diâmetro da endentação)


Este método fornece um número de dureza que representa uma melhor aproximação do que o

método Brinell, devido ao fato de que as forças laterais na superfície inclinada da calota esférica

tendem a se anular. E aplicando-se uma pressão bem uniforme, sem atrito, o valor da pressão média,

p, será exatamente igual ao valor dado por:

2

4FHM

dπ=

A lei de Meyer é muitas vezes usada para relacionar os valores de dureza baseada no fato de

que, se o peso é reduzido para metade o diâmetro do penetrador é reduzido no seu valor físico. Por

exemplo, o valor de dureza para um teste de carga de 3000 kg e um penetrador de 10 mm é a

mesma para um teste de carga de 750 kg e um penetrador 5 mm de diâmetro. Esta relação não é

perfeita, mas o seu erro percentual é relativamente pequeno.

Uma forma modificada da equação foi apresentada por Onitsch, e sua análise é vista mais

adiante:

2854.1 −= nkdP

A dureza Brinell quando aplicada a metais encruados, diminui ao ser aumentada a carga, ao passo

que a dureza Meyer é menos sensível a esse acréscimo de carga, permanecendo constante. Para

metais recozidos, porém, a dureza Meyer também varia, aumentando continuamente com a carga.

Esta variação tem como causa o encruamento gradual ocasionando pela penetração da esfera, já a

dureza Brinell para esses materiais também cresce com a carga até um determinado valor e depois

cai, quando são aplicadas cargas mais latas, apresentando erros maiores.

Apesar dessas vantagens do método Meyer, este modo de ensaio não é usado amplamente, mas seu

estudo fornece muitos dados úteis para a interpretação física de ensaio de dureza por penetração.

Interpretação física dos ensaios

Para que se produza uma impressão permanente em um metal durante o ensaio de dureza, o esforço

deve ultrapassar a zona elástica do material; dentro da zona plástica, porém existe o fenômeno de

encruamento do material durante o ensaio sobre a ação da carga aplicada. Experiências de Meyer


com penetradores esféricos mostram que, para uma dada esfera de diâmetro D, existe uma relação

entre a carga aplicada e o diâmetro impresso.

´nQ kd=

A expressão acima constitui a Lei de Meyer, já vista, mas “n' “ é o índice de Meyer e se relaciona

com o grau de encruamento do material. O índice n' se relaciona com o coeficiente de encruamento

n de:

nR Kσ δ=

Onde:

K = coeficiente de resistência

n = coeficiente de encruamento

δ = deformação real, este calculado sobre o logaritmo natural da razão das diferenças da relação

inicial e final, dependendo do corpo de prova que é submetido, para ensaio de tração ou

compressão.

σR = Tensão real

Assim de “n' “ varia de 2 para metais encruados e que tem baixa capacidade de encruamento e 2,5

para metais completamente recozidos e que são capazes de encruar. A lei de Meyer é obtida

também para valores diferentes de D, sendo que o valor de “n' “ quase não é alterado para cada

metal, assim Meyer propôs ainda outra relação, independente de k, sendo em função de d e D e uma

constante C, ou seja:

´

´ 2

n

n

dQ C

D −=

Ou simplificando

´2

( )nQ dC

D D=

As constantes k e n’ podem ser determinadas transformando a Lei de Meyer em uma relação

logarítmica:

log log '.logQ k n d= +


Usando esta expressão em um gráfico, obteremos uma reta da carga aplicada versus diâmetro de

impressão. O valor n’ será pela inclinação da reta e o valor k determinado pela impressão da carga

que é produzida.

Desta forma e de estudo mais prático na realização de ensaios de dureza, pelo método de

penetração, os ensaios Brinell e Meyer não podem avaliar com grande precisão a dureza de um

determinado metal, principalmente se ele apresentar certo grau de recozimento elevado; ou se

apresentar um amassamento pela impressão da esfera. Somente calculando os valores de k e n’

corretamente saberemos com precisão a dureza por penetração por esfera. Então os métodos de

dureza por penetração avaliam a dureza por comparação de metais submetidos à mesma forma de

medição tendo como padrão um determinado material conhecido, mas cuidados podem ser

otimizados para que erros poder ser minimizados como lubrificantes na aplicação dos teste, esferas

de matérias super duros que não sejam influenciados pela dureza do corpo de prova e teste de

aplicação das cargas como também uma relação de carga e tamanho da esfera na aplicação do

ensaio, relação esta já explicitada anteriormente.

Mas o mais importante nestes ensaios é que o ensaio de dureza Brinell (HB) e Meyer (HM) é

realizado, na zona do diagrama de comportamento do aço, correspondente à zona plástica de

deformação do metal


Figura mostra a área do gráfico onde é realizada aplicação do teste de ensaio de dureza no método

Brinell e Meyer, isso ocorre devido à marca de impressão que ocorre durante a penetração da esfera,

e a sujeição do material imposta pela ação da carga.

Bibliografia:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dureza_Brinell

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dureza_Meyer

http://www.holtermann.com.br/

http://en.wikipedia.org/wiki/Meyer_hardness_test

RAUTER, Oscar Raul. Aços Ferramentas: seleção, tratamentos térmicos, pesquisa de defeitos. Rio

de Janeiro, Livros Técnicos e Científicos Editora, 1974

SOAREZ, João Carlos Miguel. Controle de Qualidade na indústria Metalúrgica. Rio de Janeiro,

SENAI, 1980

PROVENZA, F. Manual Pro-Tec do Projetista de Máquinas, 1976

CARVALHO, José Rodrigues de; MORAES, Paulo. Órgãos de Máquinas: dimensionamento.

Livros Técnicos e Científicos, 1970.

SOUZA, Sérgio Augusto de. Ensaios mecânicos de materiais metálicos. São Paulo, Edgard Blücher,

1982

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