Ensaios de Dureza.pdf

Aula sobre ensaios de dureza

1. AULA 01
ENSAIOS DE DUREZA
Prof. Dr. André R. Marcondes
Curso de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Espaciais
Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores (CMS)
Técnica Experimentais em Ciência dos Materiais I -CMS-207-4
25/08/2022

2. 1. INTRODUÇÃO
Comportamentomecânicodeummaterial
Consistenarelaçãoentreasuarespostaou
deformaçãoaumacargaouforçaque
estejasendoaplicada.

3. 1. INTRODUÇÃO
PropriedadesMecânicasimportantes:
Resistênciaàtração,compressãoecisalhamento
Fadiga:rupturaprogressivadomaterialquandosujeitoàciclosrepetitivosdetensãoou
deformação.
Elasticidade:capacidadededeformareretornaràformaoriginal
Ductilidade:grandedeformaçãonazonadeescoamento
Fragilidade:pequenadeformaçãonazonadeescoamento
Resiliência:capacidadedesuportargrandescargasnazonaelástica.
Tenacidade:capacidadedomaterialdeabsorverenergiasemruptura
Plasticidade:capacidadededeformaremanteraforma
Dureza:resistênciaàpenetração
Módulodeelasticidade:medidadarigideznaregiãoelástica

4. 1. INTRODUÇÃO
Comosãomedidasaspropriedades
mecânicas?
Atravésdaexecuçãodeexperimentos
(ou testes) de laboratório
cuidadosamente idealizadospara
reproduziremdamaneiramaisfiel
possívelascondiçõesdeserviço.
Teste de tração axial

5. 1. INTRODUÇÃO
Como garantirqueumensaiotenha
significadoparaosdiferentesinteresses
(produção,pesquisa,entretenimentoetc.)?
Atravésdousodetécnicasdeensaioou
procedimentospadronizadosdeterminadas
pornormastécnicas.

6. 1. INTRODUÇÃO
NormasTécnicasmaiscomuns:
ABNT-Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM-American Societyfor TestingandMaterials
DIN-DeutschesInstitutfürNormung
AFNOR-AssociationFrançaisede Normalisation
BSI-British Standards Institution
ASME-American SocietyofMechanicalEngineer
ISO-InternationalOrganizationfor Standardization
JIS-JapaneseIndustrial Standards
SAE-SocietyofAutomotiveEngineers
COPANT-Comissão Panamericanade Normas Técnicas

7. CONCEITOS IMPORTANTES

8. COMPORTAMENTO TENSÃO -DEFORMAÇÃO
Paraamaioriadosmetaisemtensõesde
trabalhobaixas:tensãodeformação:
= E. (Lei de Hook)
:tensão
:deformação
E:módulodeYoungoumódulodeelasticidade

9. COMPORTAMENTO TENSÃO -DEFORMAÇÃO
MÓDULO DE YOUNG
Indicaarigidezouresistênciadeummaterialà
deformaçãoelástica.
QuantomaiorE,maisrígidoomaterialemenorasua
deformação elásticadevidoàumadadatensão
aplicada
Fonte: Ciência e Engenharia dos Materiais, W.D. Calister, 5ª Ed
Deformação
elástica linear

10. Módulo deYoung
paracurvaT-Dnão
linear (alguns
polímeros, ferro
fundido, concreto,
DLCetc):
COMPORTAMENTO TENSÃO -DEFORMAÇÃO
MÓDULO DE YOUNG
deformação elástica não linear

11. Emescalaatômicaadeformação
elásticaéaalteração:
1.nosespaçamentosinteratômicos
2.na extensão das ligações
interatômicas
Portanto:
E:representaamedidadaresistênciado
materialàseparação deátomos
adjacente(forçadesuasligações
interatômicas)
COMPORTAMENTO TENSÃO -DEFORMAÇÃO
MÓDULO DE YOUNG

12. Omódulodeelasticidadeéproporcionalàinclinaçãodacurva
deseparaçãointeratômicadeequilíbrio.
COMPORTAMENTO TENSÃO -DEFORMAÇÃO
MÓDULO DE YOUNG
DimensõesdeEparaalguns
materiais:
E
cerâmicos> E
metais
E
polímeros< E
metais
VARIAÇÃO COM A TEMPERATURA
omódulodeelasticidadevaria
comatemperatura(TE)

13. Adeformação elásticanãoéumprocesso
independentedotemponemétotalmenterecuperada
apósaremoçãodatensãoaplicada.
Háumacomponente dadeformação elástica
dependentedotempoquepermaneceapóscessara
aplicaçãodatensão:éaanelastividade.(devidoaos
processosmicroscópiocoseatomísticos)
Metais:anelasticidade pequena (usualmente
desprezada)
Polímeros:anelasticidadesignificativachamada de
comportamentoviscoelástico.
COMPORTAMENTO TENSÃO -DEFORMAÇÃO
ANELASTICIDADE

14. PROPRIEDADES ELÁSTICAS DOS MATEIRIAIS
COEFICIENTE DE POISSON
Elongação(deformaçãopositiva)axial(z)
econtrações(deformações negativas)
laterais(xey)emrespostaaumaforça
detração.
Oparâmetro
échamadodecoeficientedePoisson,
queéumamedidadoefeitoPoisson
(expansãooucontraçãodeummaterial
perpendicularmenteàdireçãodaforça
aplicada).
Exemplo em um metal

15. PROPRIEDADES ELÁSTICAS DOS MATEIRIAIS
COEFICIENTE DE POISSON
Maioriadosmateriais:0,0≤≤0,5(0,5paramaterialisovolumétrico)
Maioriadossólidos:0,2≤≤0,3(0,3adotadonamaioriadoscasos)
Emcasosraros:≤0(espumaspoliméricas,polímeros
microporosos,espumasdemetal*)
(*) phys. stat. sol. (b) 245, No. 3, 545–551 (2008) / DOI 10.1002/pssb.200777708
Espuma de metal

16. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Éadeformaçãopermanentesofridapor
ummaterialsujeitoaumatensão.
Correspondeàquebradeligações
atômicasentreátomos vizinhose
formaçãodenovasligações,mudandoa
estruturaeorganizaçãodasmoléculas.
Mecanismo dedeformação plástica:
diferenteentremateriaiscristalinose
amorfos(escorregamentoxescoamento
viscoso)
NessadeformaçãonãovaleaLeide
Hook
limite de escoamento

17. RECUPERAÇÃO ELÁSTICA DURANTE UMA
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Comaliberaçãodacarga
duranteocursodeumensaio
tensão-deformação, uma
partedadeformaçãototalé
recuperada naformade
deformaçãoelástica.
Tensão
Deformação
Recuperação da
Deformação elástica

18. DUREZA
Medidadaresistênciadeummaterialauma
deformação plásticadevidoàumapequena
impressão.Amedidatambémpodeserassociada
àresistênciaàflexão,risco,abrasãooucorte.
Nosensaiosporpenetraçãoadurezaéa
resistênciaqueomaterialapresentaàpenetração
daponta,eéobtidapelarazãoentreaforça
aplicada,P,eaáreadecontatoprojetadana
direçãododeslocamentodopenetrador
H =
??????
??????

19. DEFINIÇÃO DE DUREZA
1.Nametalurgia:durezaéaresistênciaà
deformaçãoplásticapermanente;
2.Namecânica:durezaéaresistênciadeum
materialàpenetraçãoporoutromaterial;
3.Namineralogia:durezaéaresistênciadeum
materialaoriscoproduzidoneleporoutromaterial;
4.Nausinagem:durezaéaresistênciaaocortede
ummaterial
5.NaEngenhariademateriais:adurezaestá
associadatambémàresistênciaaodesgaste

20. MEDIDA DE DUREZA
Adurezanãoéumapropriedadeintrínseca
domaterial,ditadapordefiniçõesprecisas
emtermosdeunidadesfundamentais.
Umvalordedurezadeummaterialdepende
daelasticidade,ductilidadeeencruamento
domaterialetambémdotipodepenetrador
edascondiçõesdeensaio.

21. ENSAIOS DE DUREZA
Tipos de
ensaios de
Dureza
1. Dureza de risco
2. Dureza de choque ou ressalto
3. Dureza de penetração
Escala de Mohs
Dureza Shore
Dureza Brinell
Dureza Meyer
Dureza Rockwell
Dureza Vickers
Dureza Knoop
Testes de macrodureza
Testes de microdureza

22. ENSAIO DE DUREZA –ESCALA MOHS
Quantificaadurezadosminerais,istoé,a
resistênciaqueumdeterminadomineraloferece
aorisco,ouseja,àretiradadepartículasdasua
superfície.
Escalacriadaem1812pelomineralogistaalemão
FriedrichVilarMohscomdezmineraisde
diferentesdurezas
Materiaisqueconseguiam deixarumrisco
permanenteemoutroeramclassificadoscomo
maisduros.
Mohsatribuiuvaloresde1a10.Ovalor1foidado
aomaterialmenosdurodaescala,queéotalco,
eovalor10foidadoaodiamante.
Minerais, vidro, cerâmicas

23. ENSAIO DE DUREZA –ESCALA MOHS
EscalaMohsnãoéconvenienteparametais
[maioriacomMohsentre4e8–açodúctileaço
temperadotêmamesmadurezaMohs(6)]
Limitaçõesdesse método levaram ao
desenvolvimentodeoutrosmétodos.
Minerais, vidro, cerâmicas

24. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA SHORE
Baseia-senousododurômetroShore,
desenvolvidoem1920porAlbertF.
Shore.
Método:medidadaprofundidade
daimpressãodeixadanomaterial
comaaplicaçãodeumacarga.
Valordadureza:definidoapartirda
profundidadedepenetraçãode
umaesferarígidanocorpodeprova
sobcondiçõesnormalizadas,de
acordocom:
Durômetro
portátil
Shore A
analógico
Polímeros

25. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA SHORE
F: força aplicada (N);
E
0: módulo de Young (Mpa);
R: raio do penetrador esférico (mm);
P: profundidade de penetração (mm).
Durômetro
portátil
Shore A
analógico
Polímeros

26. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA SHORE
Existemdiversasescalasutilizadasemmateriais
compropriedadesdiferentes.
AsmaiscomunssãoaA(plásticosmacios)eD,
(plásticosrígidos).
AsescalasShoreA,B,C,D,DO,E,M,O,OO,
OOO,OOO-S,eRsãoasescalasprevistaspela
normaASTMD2240-00.
Polímeros

27. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA SHORE
Polímeros

28. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA SHORE
Polímeros
OutrométododemedidadedurezaShoreéa
porchoquequemedeaalturadoressaltodeum
pesoquecailivrementeatébaternasuperfície
lisaeplanadeumcorpodeprova.Estaalturade
ressaltomedeaperdadeenergiacinéticado
peso,absorvidapelocorpodeprova.
Métodobastantepráticoequepodeserusado
empeçasdegrandetamanho.

29. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA BRINELL
Método utilizadoprincipalmenteemmateriais
metálicos.
Propostoem1900,peloengenheirosuecoJohan
AugustBrinell.
Primeiroensaiodepenetração padronizado
reconhecidoindustrialmente;
Otestetípicoconsisteemumpenetradoresférico
comø1,2,5ou10mm,deaçodeelevadadureza
oudeWC.
Cargaaplicada:entre500e3000kgfmantida
constanteentre10e30s.
Metais não ferrosos, ferro fundido, aço, peças não-temperadas

30. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA BRINELL
OnúmeroBrinelldedureza(HB,HardenessBrinell)éfunçãodacarga
aplicadaedodiâmetrodacalotaesféricaresultanteepodeser
obtidoatravésdaseguinterelação:
F:cargaaplicada(Kgf)
p:profundidadedapenetração
D:diâmetrodopenetrador
d:médiadodiâmetrodaimpressão
empelomenosduasdireções.
DimensãodadurezaBrinell:MPa
Normadereferência:ASTME10(StandardTestMethodforBrinell
HardnessofMetallicMaterials).
Metais não ferrosos, ferro fundido, aço, peças não-temperadas
HBS: esfera de aço
HBW: esfera de WC
Dificuldade
de se medir p

31. ENSAIO DE DUREZA
DUREZA BRINELL
Exemplodetabelacomvalores
dedurezaBrinellemfunçãodo
diâmetrodeimpressão,d.
Pela norma brasileira,a
espessuramínimadomaterial
ensaiadodeveser17vezesa
profundidadedacalota.
Únicoensaioaceitoparametais
semestruturainternauniforme.
HBlimitadoa500HB(durezada
esferadeaço)
Metais não ferrosos, ferro fundido, aço, peças não-temperadas

32. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA ROCKWELL
Aplica-seumacargamenor(pré-
carga)edepoisumamaior(de
ensaio).
Dureza =diferençaentreas
profundidades de penetrações,
descontandoarecuperaçãoelástica.
Cargainicial:10kgf
Cargafinal:50,90ou140Kgf
Cargatotal:60,100ou150Kgf
Maioria dos metais, ligas metálicas e polímeros
Resultadoélidodiretamenteno
mostradordamáquinadeensaio.

33. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA ROCKWELL
•Umdosmaissimplesemaisutilizadosnaindústria;
•Váriasescalasdiferentespodemserutilizadasatravésde
possíveiscombinaçõesdepenetradoresecargas,oque
permiteousodesteensaioempraticamentetodasasligas
metálicas,assimcomoemmuitospolímeros.
•Penetradores:esferasdeaçodeelevadadureza,comø
1/16,1/8,1/4e1/2in,ouconesdediamantecomconicidade
de120º(materiaisdealtadureza).
Maioria dos metais, ligas metálicas e polímeros

34. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA
ROCKWELL
Maioria dos metais, ligas metálicas e polímeros
Exemplo:
80 HRB: dureza Rockwellde 80 na escala B
Regrasimportantes:
1.Espessuradomaterialpelomenos10x>do
queaprofundidadedaimpressão.
2.Distânciamínimaentreimpressões=3xødo
penetrador
3.Amostracomboaplanicidade.
Normasaplicáveis:
ASTME18(StandardmethodsforRockwell
hardnessandRockwellsuperficialhardnessof
metallicmaterials)
ISO6508-1(Metallicmaterials-Rockwell
hardnesstest-Part1:Testmethod(scalesA,B,
C,D,E,F,G,H,K,N,T)).

35. Exemplo de durômetro
Rockwelldigital
instrumentado
Exemplo de durômetro
Rockwellanalógico
instrumentado
Exemplos de penetradores
Rockwell
(ponta de diamante ou de
outros elementos)

36. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA ROCKWELL
SUPERFICIAL
Maioria dos metais, ligas metálicas e polímeros
Determinaçãodedurezafolhasfinas,lâminase
camadassuperficiais.
Mesmoprincípio[cargamenor(3kgf)depois
cargamaior(15,30ou45kgf)].
Escalasidentificadasporum15,30ou45
(dependendodacarga),seguidoporN,T,W,X
ouY,deacordocomopenetrador
Exemplo:
60HR30WrepresentaumadurezaRockwell
Superficialde60naescala30W.

37. Comparação dovalordedurezade
diferentesmateriaisnasescalas
Brinell,RockwelleMohs

38. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA VICKERS
Desenvolvidoem1925parasuplantar
algumaslimitaçõesdométodoRockwell
(escalassemcontinuidade–dificuldadepara
algunsmateriaisnolimitedasescalas).
Ademais,osHRnãoapresentamrelação
comaresistênciaàtraçãodomaterial,como
oBrinell.
Método:penetração deumapirâmide
diamantedebasequadrada,comângulo
entreasfacesopostas(ângulodediedro)de
136º.

39. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA VICKERS
OvalordedurezaVickers(HV)éo
quocientedacargaaplicada(F)pela
áreadeimpressão(A)deixadanocorpo
ensaiado.Essarelação,expressaem
linguagemmatemáticaéaseguinte:
Pormeiodeummicroscópioacoplado,a
máquinadeensaioVickerspermitefazer
asmedidasdasdiagonaisd
1ed
2

40. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA VICKERS
Conhecendo-sed
1ed
2,calcula-seaáreadapirâmidequefoi
impressa:
E,assim,chega-seaovalordadurezaVickers:

41. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA VICKERS
Temponormaldeaplicaçãodacarga:10a15segundos.
Quandoaduraçãodaaplicaçãodacargaédiferente,indica-seo
tempodeaplicaçãoapósacarga.
Exemplo:440HV30/20(440dedurezacomcargade30Kgfaplicada
por20segundos.
Nestemétodo,asCARGASPODEMSERDEQUALQUERVALOR,poisas
impressõessãoproporcionaisàscargasparaummesmomaterial
DUREZA VICKERS: VALOR DA DUREZA INDEPENDE DA CARGA UTILIZADA!

42. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA VICKERS
Comopadronização,ascargasrecomendadas
são:1,2,3,4,5,10,20,30,40,60,80,100,120kgf.
Paracargas>120kgfpode-seusaresferasde
açotemperadode1ou2mmdediâmetrona
mesmamáquina.Nestecaso,oensaiofeitona
máquinaVickerséoensaiodedurezaBrinell.
MicrodurezaVickers:paramedidadesuperfícies
tratadasoudurezademicroconstituintesdeuma
microestrutura
Nessacaso>cargas<1Kgf(até10gf)
Penetrador:diamante.Ensaio:nãodestrutuvo
Na microdurezaa
impressão produzida é
microscópica

43. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA VICKERS
Vantagens:
•Ensaionãodestrutivo
•Penetradordediamante(indeformável)
•Aplica-seemmateriaisdequalquerespessura
•Escalacontínuadedureza
•Grandeprecisãodasmedidas(usoempesquisa)
Desvantagens:
•NecessáriapreparaçãodasuperfíciedomaterialouCDP
•Paracargaspequenas(<300gf)podehaverrecuperação
elásticaoquedificultaasmedidasdasdiagonais.
•EquipamentoVickersrequeraferiçãoconstanteeécaro.
•Ensaiomaisdemorado.

44. ENSAIO DE DUREZA –DUREZA KNOOP
MicrodurezaKnoop:utilizaomesmoprincípiodeensaiodedureza
Vickers,masopenetradorpossuigeometriadiferente.Podeser
usadoemmateriaisfrágeiscomocerâmicos.
Dureza Knoop:
P: carga aplicada (Kgf)
A: área da impressão (mm
2
)
L: comprimento da impressão (mm)
Cp: fator de correção devido ao formato do
penetrador
P entre 1 e 1000 g.
Impressão medida no microscópio
MétododesenvolvidonoNationalBureauofStandards(hojeNIST),pelofísicoeengenheiro
americanoFrederickKnoppenormatizadopelaASTMD1474(StandardTestMethodsfor
IndentationHardnessofOrganicCoatings).

45. Obrigado!