Características

A dureza é uma propriedade mecânica largamente utilizada em estudos e pesquisas mecânicas e metalúrgicas, e principalmente na especificação e comparação de materiais.

Para o conceito de dureza são atribuídos diferentes significados, tais como medida de resistência do material a ações de origem mecânica sobre sua superfície, resistência à penetração, à deformação plástica e ao risco.

Vários fatores influenciam a dureza de uma junta soldada; dentre eles citam-se a composição química do metal de base e seu grau de encruamento, a composição química do metal de adição, os efeitos metalúrgicos inerentes ao processo de soldagem, o tratamento térmico e os parâmetros de soldagem.

Uma junta soldada apresenta regiões bastante definidas, que são denominadas metal de base, zona afetada pelo calor e zona fundida; os limites máximos de dureza para estas regiões são definidos por algumas normas e especificações. Quando esses limites são ultrapassados, significa que houve perda de ductilidade e que a junta soldada pode estar comprometida.

Os métodos mais utilizados no ramo da metalurgia e mecânica para determinação de dureza são Brinell, Rockwell e Vickers.

Máquinas de dureza

As máquinas de dureza ou durômetros, utilizadas em laboratórios, podem ter finalidades específicas para um determinado método, ou seja, um durõmetro para cada um dos métodos, Brinell, Rockwell ou Vickers, ou podem ser um durõmetro universal que permite a execução de ensaios pelos três métodos.

Aplicação

O ensaio de dureza é bastante utilizado na especificação e comparação de materiais; além disso, é possível, por meio de tabelas, obter uma correlação aproximada entre os métodos de determinação de dureza Brinell, Rockwell e Vickers e os valores de limite de resistência à tração.

Método de dureza Brinell

O método de dureza Brinell consiste em comprimir uma esfera de diâmetro D por uma força F, durante um tempo T, contra a superfície do material a ensaiar; a superfície deve ser plana e polida ou preparada através de lixamento ou esmeril. Essa compressão produz uma mossa, isto é, uma impressão permanente no metal, que após a remoção da força, pode ser medida por meio de uma lupa graduada ou por um micrômetro óptico acoplado ao durômetro; a impressão é chamada diâmetro d.

O valor do diâmetro d é a média de duas leituras tomadas a 90° uma da outra.

A dureza Brinell ou HB (Hardness Brinell) é definida como o quociente, medido em Kgf/mm², entre a carga aplicada e a superfície da calota esférica ou mossa deixada no material.

carga para o método Brinell

Quando o ensaio é realizado nas condições consideradas como padrão, a unidade Kgf/mm² é omitida e o número de dureza Brinell deve ser seguido pelo símbolo HB, sem nenhum sufixo. As condições-padrâo são: diâmetro da esfera D = 10mm; carga aplicada 3000Kgf; duração da aplicação da carga de 10 a 15 segundos. Para condições diferentes da condição-padrão, o símbolo HB recebe um sufixo que representa as condições nas quais o teste foi realizado. Exemplo: 85HB 10/500/30 em que o resultado do teste de dureza Brinell é de 85HB, realizado com esfera de diâmetro de 10mm e carga de 500Kgf aplicada durante 30 segundos.

Através de estudos realizados com o método Brinell, verificou-se que os valores de dureza com cargas diferentes variavam muito pouco se o diâmetro da impressão d ficasse no intervalo 0,3D < d < 0,6D; por isso foi considerado que a impressão d seria ideal se permanecesse dentro desses limites.

Para obter o mesmo resultado de dureza para um mesmo material, deve-se observar que a relação seja constante para diversas faixas de dureza.

Na prática podem-se utilizar as condições de dureza Brinell constantes do quadro.

aplicação do método Brinell

O método Brinell é utilizado para metais terrosos e não ferrosos, produtos siderúrgicos em geral e peças não temperadas; não é aconselhável a sua utilização em materiais de endurecimento superficial.

Existem algumas limitações ao método Brinell de ensaio de dureza, tais como: a peça a ser ensaiada deve ter uma espessura mínima de duas vezes o diâmetro da impressão obtida no ensaio; o raio de curvatura da superfície da peça a ser ensaiada deve ser no mínimo cinco vezes o diâmetro da esfera utilizada; a distância mínima, medida de centro a centro entre duas impressões, deve ser de no mínimo duas vezes e meia o seu diâmetro; a carga de ensaio deve ser mantida no mínimo por 30 segundos para materiais entre 60 e 300 HB, 10 segundos para materiais em que HB é maior que 300; e 60 segundos para materiais em que HB é menor que 60; o ensaio de dureza Brinell é tido como um ensaio não destrutivo, porém se a impressão obtida é relativamente grande em relaçãoà superfície medida, a peça poderá ser inutilizada.

equipamento para o método Brinell

O equipamento de ensaio Brinell é constituído por um sistema de aplicação de força e por um penetrador, podendo ter um sistema de medidas com possibilidade de ampliação entre 20 e 80 vezes.

O penetrador deve possuir uma dureza bastante superior à do material a ensaiar; para materiais com durezas nãomuitoaltas, utilizam-seesferas de aço temperado como penetrador; para materiais com durezas maiores, empregam-se esferas de carbeto de tungstênio sinterizado.

durômetros portáteis

Os durômetros de laboratório são de grande utilização para peças pequenas, que são transportáveis até a máquina; porém, existem casos em que isto não é possível, principalmente quando se trata de peças de grande porte; neste caso, opta-se por durômetros portáteis, de grande utilização para medição de dureza na área de soldagem.

Os durômetros portáteis mais utilizados para o ensaio de dureza Brinell são o tipo Poldi e o tipo Telebrineller. Os durômetros operam pela comparação das impressões causadas no material testado e em uma barra-padrão de dureza conhecida. A impressão é obtida por meio de impacto manual de um martelo.

As leituras, da mesma maneira que no método convencional, são realizadas por meio de uma lupa graduada, que determina os diâmetros médios da impressão da barra-padrão e do material testado.

De acordo com recomendação dos fabricantes, a dureza da barra-padrão deve ser próxima à do material testado e o diâmetro da impressão não deve ultrapassar 4mm. O método não tem a mesma precisão do método convencional, porém é satisfatório na verificação de dureza de soldas após tratamento térmico.

os ensaios de dureza de metais, com o emprego de durômetros portáteis, são normalizados pela ASTMEl 10

verificação da calibração

A fim de garantir a confiabilidade dos resultados do ensaio realizado, os equipamentos de ensaio devem ser periodicamente verificados.

As normas prevêem dois métodos de verificação: a verificação direta e a indireta. Na verificação direta, é checado o sistema de aplicação de forças, a geometria do penetrador e o sistema de medidas. A verificação indireta consiste em executar diversas impressões sobre blocos-padrão e comparar os resultados obtidos com a dureza indicada nos padrões; a máquina será considerada satisfatória quando o diâmetro médio de qualquer impressão no bloco-padráo não for maior que 3% do diâmetro médio correspondente ao valor determinado do bloco-padrão. A verificação indireta deve ser rotineiramente utilizada para os equipamentos em serviço.

os métodos de ensaio para determinação da dureza Brinell, a verificação das máquinas e a calibração dos blocos-padrão estão normalizados pela ASTM ATO

Método de dureza Rockwell

O método de dureza Rockwell, representado pelo símbolo HR (Hardness Rockwell), leva em consideração a profundidade que o penetrador atingiu, descontando-se a recuperação elástica, devido à retirada da carga maior, e a profundidade atingida que é devida à carga menor. Nesse método, o resultado é lido diretamente na máquina de ensaio; além da rapidez maior, este método elimina o possível erro de medição que depende do operador.

Os penetradores utilizados no ensaio de dureza Rockwell podem ser de dois tipos: penetrador de tipo esférico, que é uma esfera de aço temperado, ou penetrador cônico, um cone de diamante com conicidade de 120°.

etapas do método Rockwell

O método é realizado em três etapas. Na primeira, o corpo de prova é submetido a uma pré-carga, garantindo um contato firme do penetrador com a superfície a ser ensaiada. Na segunda, aplica-se a carga maior que, somada à pré-carga, resulta a carga total ou carga nominal do ensaio. Na terceira, retira-se a carga; neste momento, a profundidade da impressão é dada diretamente no mostrador sob forma de um número de dureza, lido em uma escala apropriada ao penetrador e à carga utilizada.

Rockwell normal e Rockwell superficial

A dureza Rockwell é subdividida em dois grupos: Rockwell normal e Rockwell superficial. A diferença entre um e outro está basicamente na carga utilizada para a realização do ensaio.

Os métodos de dureza Rockwell normal e superficial empregam várias escalas independentes, que devem ser selecionadas de acordo com a aplicação, conforme se pode ver nos quadros.

As escalas mais aplicadas para dureza Rockwell normal são B, C, e A. Para dureza superficial, as mais utilizadas são N e T.

Para calcular a profundidade de impressão, que é a profundidade mínima em milímetros atingida pelo penetrador, podem-se empregar fórmulas empíricas.

Para obter a espessura mínima, em milímetros, da peça a ser ensaiada, multiplica-se por 10 o valor obtido pela aplicação da fórmula.

preparação para o método Rockwell

Alguns cuidados devem ser observados quando da preparação do ensaio Rockwell a fim de garantir resultados satisfatórios. O primeiro ensaio serve para assentar corretamente o penetrador; portanto, não se deve considerar o resultado após a troca do penetrador.

Deve-se verificar se a peça e a mesa de apoio do durômetro estão limpas e bem assentadas uma sobre a outra; certificar-se que o penetrador, quando montado, mantenha um perpendicularismo em relação à peça, com desvio máximo de sete graus.

Não deve haver choque ou vibração durante a aplicação da carga; para isso, os durômetros são providos de um sistema de amortecedor hidráulico.

Quando se realiza um ensaio em que a dureza do material a ser ensaiado é desconhecida, deve-se utilizar uma escala alta de dureza para evitar danos no penetrador.

Ao realizar ensaio de dureza de peças cilíndricas, é preciso fazer correções, adicionando determinados valores aos valores obtidos através da leitura do mostrador, conforme se observa no quadro.

A espessura mínima da peça ensaiada deve ser pelo menos 10 vezes maior que a profundidade da mossa provocada no ensaio.

equipamento para o método Rockwell

O equipamento de dureza Rockwell é constituído por um sistema de aplicação de força, por um penetrador cônico de diamante com 120° de conicidade ou esférico com diâmetros variados, e ainda por um comparador para medição de profundidade de penetração.

verificação da calibração

Para verificar a calibração da máquina, existem dois métodos: um consiste de verificação da capacidade da máquina para cada uma das cargas do penetrador e de elaboração de um plano de medição de profundidade seguido de um teste de desempenho; o outro método de calibração requer a verificação periódica por meio de medição de dureza em bloco-padrão, correspondente á escala e ao nível de dureza nos quais a máquina será utilizada.

os métodos de ensaio para determinação de dureza Rockwell normal e superficial estão normalizados pela ASTM E18

O durômetro será considerado adequado para uso quando os resultados obtidos durante o ensaio com os blocos-padrão estiverem dentro dos limites de tolerância dos valores de dureza aos quais os blocos-padrão estão vinculados.

Método de dureza Vickers

O método de dureza Vickers, representado pela abreviação HV (Hardness Vickers), é um ensaio em que um penetrador de diamante em forma de pirâmide de base quadrada e ângulo entre faces de 136° é comprimido contra a peça a ensaiar por uma força pré-determinada. Após a remoção da força, medem-se as diagonais da impressão e o número de dureza Vickers é calculado dividindo o valor da carga de ensaio P pela área de impressão S. O método de dureza Vickers fornece escala contínua de dureza que varia entre HV5 até HV1000Kgf/mm² para cada carga utilizada.

carga para o método Vickers

A carga para o ensaio Vickers deve ser aplicada progressivamente, sem choque nem vibrações, por meio de um pistão movido por alavanca, e mantida por um período de 10 a 15 segundos. Em seguida, retira-se a carga e movimenta-se manualmente o microscópio, de maneira a focalizar a impressão deixada pelo penetrador. O penetrador, feito de diamante, tem um tamanho praticamente indeformável e permite impressões independentes da carga aplicada; isso significa que para qualquer carga utilizada, o valor de dureza será o mesmo para materiais homogêneos. A mudança de carga é necessária para obter uma impressão regular, sem deformação e de tamanho compatível para a medida no visor da máquina, o que depende naturalmente da dureza do material ensaiado. Para a dureza Vickers, as cargas recomendadas são de: 1,2,3,4, 5,10, 20,30,40,60,80, 100 e 120 Kgf. Para aparelhos especiais de micro-dureza, as cargas variam de 1 gf a 1000gf (1 Kgf).

Os valores da dureza HV são obtidos por meio de tabelas que acompanham as máquinas de dureza e mostram o valor em função das diagonais (d) medidas na máquina e das cargas aplicadas disponíveis. A título de exemplo, considera-se parte de uma tabela de números de dureza com carga de 5kgf; supondo que uma diagonal medida pelo micrõmetro do durômetro tenha valor de 0,093, procura-se na linha correspondente à diagonal o valor centesimal da medida, que neste caso é 0,09. Depois, procura-se na coluna de milésimos, o valor que complementa a medida, isto é, 0,003; no ponto de encontro da linha com a coluna estará o valor correspondente à dureza Vickers, 1072HV.

aplicação do método Vickers

O método de dureza Vickers tem aplicação em toda a gama de durezas encontradas nos diversos materiais; além disso, devido à utilização de cargas relativamente baixas e do tipo de penetrador, o ensaio pode ser aplicado para qualquer espessura bem como para determinar durezas superficiais. Além disso, é possível utilizar a micro-dureza que permite a determinação de dureza individual de microestruturas, de superfícies

cementadas e temperadas, além da determinação de durezas em peças extremamante pequenas e finas.

O ensaio de dureza Vickers é também bastante utilizado em juntas soldadas, particularmente na detecção de heterogeneidades devido a transformações metalúrgicas associadas a ciclos térmicos de soldagem. Assim, por meio de filiações, determinam-se durezas das diversas zonas de uma junta soldada, desde o metal de base que não sofreu qualquer alteração metalúrgica, até o metal que fundiu, passando pela zona afetada pelo calor (ZAC) e pela zona de ligação. Isso permite detectar as transformações metalúrgicas capazes de comprometer o comportamento da junta soldada.

preparação para o método Vickers

O método de dureza Vickers requer algumas providências para garantir resultados satisfatórios; assim, a superfície a ser ensaiada deve estar limpa, plana e preparada através de retificação e polimento; o acabamento da superfície deve ser tanto melhor quanto menor for a impressão; durante a usinagem do corpo de prova, deve-se tomar o cuidado de eliminar partes que possam ter sido afetadas pela operação de corte; a superfície do corpo de prova deve ser perpendicular ao eixo do penetrador; o desvio permitido no ângulo é um grau.

É possível considerar dois tipos de desvio quanto à impressão obtida: o primeiro é a impressão defeituosa, no caso de metais recozidos, devido ao afundamento do metal em torno das faces do penetrador, resultando um valor d maior que o real; o segundo tipo de erro é a impressão defeituosa, no caso de metais encruados, devido à aderência do metal em volta das faces do penetrador, resultando um valor d menor que o real. Para os dois casos faz-se necessária um correção de até 10% nos valores de dureza encontrados.

correção de valores

Para obter valores corretos de durezas medidas em superfícies de formato esférico ou cilíndrico, os valores encontrados devem ser corrigidos de acordo com um quadro, na qual se considera, em primeiro lugar, o quociente de d/D (d – diagonal média da impressão; D – diâmetro da esfera ou cilindro) e em segundo, a multiplicação dos fatores de correção pelo número de dureza obtido no ensaio.

representação dos resultados

A representação dos resultados é feita pelo número de dureza Vickers seguido pelo símbolo HV com um sufixo numerai, que representa a carga; por exemplo, 440 HV30, que representa uma dureza Vickers de 440Kgf/mm², medida sob uma carga de 30Kgf, aplicada durante 10 a 15 segundos. É possível utilizar um outro sufixo também numerai, que indica a duração da aplicação da carga quando esta for diferente da carga considerada como normal, de 10 a 15 segundos; por exemplo, 440 HV 30/20, que representa uma dureza Vickers de 440Kgf/mm²

medida sob uma carga de 30Kgf, aplicada durante 20 segundos.

equipamento para o método Vickers

O equipamento para o ensaio de dureza Vickers é constituído por um sistema de aplicação de forças, um penetrador de diamante em forma de pirâmide de base quadrada e um sistema de medição por microscópio de grande ampliação, com um micrômetro acoplado.

Verificação da calibração

Para verificar a calibração da máquina existem dois métodos: um consiste de verificação da capacidade da máquina para cada uma das cargas, do penetrador, das medições no microscópio e da elaboração de um plano de medição das diagonais de impressão seguido de um teste de desempenho.

a dureza Vickers de materiais metálicos é normalizada por ASTM E92; a microdureza Vickers de materiais metálicos utiliza ASTM E384

O outro método requer a verificação periódica por meio de teste em blocos padronizados que estejam de acordo com a escala e o nível de dureza segundo os quais a máquina será utilizada. Se os valores estiverem dentro da faixa de tolerância de dureza do bloco-padrão, a máquina está adequada para o uso.

Avaliação dos resultados

A avaliação dos resultados nos ensaios de dureza depende do objetivo determinado para o ensaio; de modo geral, porém, o resultado da dureza obtida é sempre comparado com valores mínimos, máximos ou com a faixa de dureza especificada para o material ensaiado. 

 Link Relacionado:

Soldagem – Coleção tecnológica SENAI – 1ª ed. 1997