Relatório 13 - Ensaio de Dureza

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA SETOR DE CIENCIAS AGRÁRIAS E DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

AUGUSTO ARAUJO VUITIK GUSTAVO LUIZ WALCHAKI KAROLINA MAIA

ENSAIO DE DUREZA

PONTA GROSSA JULHO/2014

AUGUSTO ARAUJO VUITIK GUSTAVO LUIZ WALCHAKI KAROLINA MAIA

ENSAIO DE DUREZA

Relatório apresentado à disciplina de Ensaios e Caracterização de Materiais do Curso de Engenharia de Materiais, 3ª série, da Universidade Estadual de Ponta Grossa – UEPG. Prof. Dr. André Luís Moreira de Carvalho

PONTA GROSSA JULHO/2014

SUMÁRIO

1

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 3

1.1

ENSAIO DE DUREZA BRINELL ....................................................................... 4

1.2

ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL.................................................................. 4

1.3

ENSAIO DE DUREZA VICKERS ...................................................................... 5

2

OBJETIVOS ..................................................................................................... 6

3

MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................ 6

3.1

MATERIAIS ...................................................................................................... 6

3.2

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ................................................................ 7

3.2.1 Dureza Rockwell ............................................................................................... 7 3.2.2 Dureza Vickers ................................................................................................. 7 3.2.3 Dureza Brinell ................................................................................................... 7 4

RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................... 8

4.1

DUREZA ROCKWELL ...................................................................................... 8

4.2

DUREZA VICKERS .......................................................................................... 9

4.3

DUREZA BRINELL ........................................................................................... 9

5

CONCLUSÃO ................................................................................................. 10

REFERÊNCIAS......................................................................................................... 11

3

1

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Uma propriedade mecânica importante é a dureza, a qual é a medida da resistência do material a uma deformação localizada. Os primeiros ensaios de dureza baseavam-se em minerais naturais e na capacidade que eles tinham de riscar outro mineral menos duro. Essa propriedade era determinada pela escala de Mohs, que variava de 1, para o talco; até 10, para o diamante [1]. Técnicas quantitativas de dureza foram desenvolvidas ao longo do tempo, nas quais um pequeno penetrador é forçado na superfície do material que se deseja testar. Para tanto, são utilizas condições controladas de carga e aplicação. A profundidade e a forma da identação são medidas e relacionadas com um número de dureza. As medidas de dureza são apenas relativas, e deve-se tomar cuidado ao comparar valores obtidos por diferentes técnicas. [2] O ensaio de dureza é utilizado com bastante frequência por serem simples e baratos, necessitando apenas de um corpo de prova simples. O ensaio também pode ser considerado não destrutivo; pois o corpo de prova não é fraturado ou deformado em excesso. E finalmente, outras propriedades mecânicas podem ser estimadas a partir da dureza. [1] Os ensaios de dureza mais comuns são o Brinell, o Rockwell e o Vickers, cujas impressões deixadas nos corpos de prova estão indicadas na figura abaixo. [2]

Figura 1 Comparação entre o tamanho das impressões deixadas por vários testes de dureza no copor de prova. Estão indicadas também duas escalas para a dureza Rockwell.

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1.1

ENSAIO DE DUREZA BRINELL

Dentre todos os ensaios de dureza, o Brinell é o responsável pela maior impressão deixada no corpo de prova. Neste teste, uma esfera de aço é pressionada contra a superfície do material por um período de 10 a 15 segundos, especificado nas normas ASTM [3]. A carga utilizada (em kgf) é dividida pela área da superfície curvada (em mm²), o que fornece o número de dureza HBW ou: (

√

)

Equação 1: Dureza Brinell, onde a carga P é dada em kgf, D representa o diâmetro da esfera utilizada e d o diâmetro da identação, ambos em mm.

Diferentes esferas produzem diferentes impressões no ensaio. Uma forma de padronizar essas medidas para eventuais comparações se dá através de uma relação entre a carga aplicada e o diâmetro da esfera, que deve ser constante de tal forma que [2]:

Equação 2: Relação entre carga e diâmetro da esfera no ensaio Brinell.

Dessa forma, o número de dureza HBW deve sempre estar acompanhado da carga aplicada e do diâmetro da esfera utilizada e do tempo de carregamento. Por exemplo 600 HBW 1/30/20 indica uma dureza Brinell de 600 determinada com uma esfera de 1 mm, onde foi aplicada uma carga de 30 kgf por 20 segundos [3]. Para uma mesma esfera, este número costuma diminuir conforme a carga aumenta [2].

1.2

ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL

É o tipo mais popular e mais conveniente de ensaio de dureza, uma vez que não necessário medir a profundidade ou outras dimensões da identação [2]. Os penetradores podem ser de diamante na forma de cone esférico, de esferas de carbeto de tungstênio ou ainda de esferas de aço. Diferentes combinações entre penetradores e cargas fornecem diferentes escalas de dureza Rockwell [4]. O ensaio é constituído por três estágios de aplicação e retirada de força.

5

No primeiro estágio, a amostra é submetida a uma leve carga inicial por certo tempo. Em seguida, a carga total é aplicada por alguns instantes e retirada, restando apenas a carga inicial. No terceiro e último estágio, a amostra encontra-se livre de qualquer carga aplicada [4]. Tais estágios estão representados na figura abaixo [2]:

Figura 2: Procedimento adotado para o ensaio de dureza Rockwell.

O próprio equipamento no qual o ensaio é executado converte a medida de profundidade em uma escala de dureza apropriada. Tal número de dureza deve ser expresso indicando o tipo do penetrador e a escala utilizada – a qual se relaciona com a carga. Por exemplo, 72 HRBW indica uma dureza Rockwell de 72 determinada com uma esfera de carbeto de tungstênio (W) com 1,588 mm de diâmetro e 100 kgf aplicados (escala B) [4].

1.3

ENSAIO DE DUREZA VICKERS

Este ensaio utiliza uma pirâmide de base quadrada feita de diamante como penetrador. O ângulo entre as faces é de 136º por este ser o formato mais próximo do apresentado na maioria das identações esféricas [2]. Como pode ser observado na Figura 1, é o tipo de ensaio que fornece a menor impressão, podendo ser utilizado para estudar todas as classes de materiais. A dureza Vickers também é útil por apresentar uma escala contínua que aumenta de acordo com o carregamento [2].

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A dureza Vickers relaciona o carregamento e a área da impressão provocada no material, de acordo com [5]: ⁄ Equação 3: Determinação da dureza Vickers, onde P é o carregamento em gf, α é o ângulo da face da pirâmide, assumido como 136° e d é a diagonal da base da pirâmide.

Os próprios equipamentos possuem dispositivos ópticos que auxiliam na medida da diagonal. Existem tabelas que relacionam os carregamentos e o comprimento das diagonais com a escala de dureza Vickers [5].

2

OBJETIVOS

Identificar as principais diferenças entre os ensaios de dureza e determinar as propriedades em diferentes amostras metálicas.

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3.1

MATERIAIS E MÉTODOS

MATERIAIS

Durômetro Rockwell, Vickers e Brinell. Amostras metálicas de: 

Aço 1045 recozido;



Aço 1020 trefilado;



Alumínio 7050 T7451



Alumínio resfriado ao forno



Aço ferramenta;



Ferro fundido;



Cobre eletrolítico

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3.2

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

3.2.1 Dureza Rockwell O ensaio de dureza Rockwell foi efetuado nas escalas A, B e C para as seguintes amostras e especificações, de acordo com o procedimento especificado na Figura 2 [2] e na norma ASTM E18-2014 [4]. Para todas as amostras foram efetuadas três medidas da dureza. Utilizou-se o penetrador do tipo cone esférico de diamante, com pré-carga de 10 kgf, carga total de 60 kgf aplicada por 15 segundos (Rockwell A) nas amostras de aço 1020 e 1045. A dureza Rockwell B lançou mão do penetrador de aço esférico com 1,588 mm de diâmetro. Novamente utilizou-se uma carga inicial de 10 kgf com carga total de 40 kgf. Este ensaio analisou as amostras de alumínio resfriado ao forno e de alumínio recozido. Utilizou-se o mesmo penetrador de diamante com a mesma carga inicial, porém com uma carga total de 150 kgf (Rockwell C) para as amostras de aço 1045 e aço ferramenta.

3.2.2 Dureza Vickers O ensaio de dureza Vickers foi realizado em conformidade com a norma ASTM E384-2011 [5]. Foram tomadas três medidas de cada amostra utilizando 100 gf para os aços ferramenta e 1045, mas apenas 5 gf para o cobre A impressão nas amostras foi medida utilizando-se o micrômetro acoplado ao visor óptico do aparelho. As diagonais da impressão foram medidas duas vezes e efetuada a média. Tal valor foi consultado na tabela de dureza para a respectiva carga, fornecida pelo fabricante do equipamento.

3.2.3 Dureza Brinell O ensaio de dureza Brinell foi realizado apenas na amostra de ferro fundido, utilizando uma esfera de 2,5 mm de diâmetro e carga de 62,5 kgf. Também foram feitas três medidas na amostra, e os procedimentos seguiram a norma ASTM E102012 [3].

8

4

RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1

DUREZA ROCKWELL

Os dados obtidos para os diferentes ensaios de dureza estão especificados na tabela abaixo: Tabela 1: Números de dureza Rockwell obtidos para as diferentes amostras, os valores em negrito correspondem às médias de cada amostra.

ROCKWELL A Aço 1020

Aço 1045

ROCKWELL C Aço 1045

Aço ferramenta

45 HRA 49,5 HRA 45 HRC 67 HRC 51 HRA 54,5 HRA 47 HRC 69,5 HRC 49 HRA 53 HRA 48 HRC 69,5 HRC 48,33 HRA 52,33 HRA 46,67 HRC 68,67 HRC

ROCKWELL B Alumínio Alumínio resfriado ao recozido forno 51 HRB 70 HRB 59 HRB 80 HRB 56 HRB 81,5 HRB 55,33 HRB 77,17 HRB

É incorreto comparar diferentes escalas de dureza sem realizar as conversões apropriadas. Dentro de cada escala, podemos afirmar que o aço 1045 é ligeiramente mais duro que o aço 1020. Isso está relacionado com a quantidade de carbono presente, que é maior no aço 1045. Entretanto, apesar de aumentar a dureza, esse teor influencia mais substancialmente as propriedades mecânicas como resistência à tração [2]. A dureza Rockwell C é utilizada para metais mais duros, sendo apropriada para avaliar o aço ferramenta. Esses aços possuem reforços de óxidos e cermetos que conferem elevada dureza. Por conta disso, os aços ferramenta apresentam um desempenho melhor em relação ao aço 1045 [1]. Para efeito comparativo, foi utilizada a Tabela 1 para aços não-austeníticos da norma ASTM E140-2012 [6], para converter a dureza HRC do aço ferramenta para HRA e compará-la com a do aço 1020. Tal valor é de aproximadamente 95,6 HRA para o aço ferramenta, quase o dobro do valor de dureza atribuído ao aço 1020. A amostra de alumínio submetida a tratamento térmico de recozimento apresentou um maior número de dureza Rockwell. Taxas de resfriamento mais lentas, no forno, aumentam a granulometria e diminuem a dureza [2].

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4.2

DUREZA VICKERS

Tabela 2: Números de dureza Vickers obtidos para as diferentes amostras, os valores em negrito correspondem às médias de cada amostra.

DUREZA VICKERS Aço Aço 1045 ferramenta 1585 HV100 884 HV100 1576 HV 100 604 HV100 1392 HV 100 876 HV100 1518 HV100 788 HV100

Cobre 40,6 HV5 31,6 HV5 41,8 HV5 38 HV5

Pode-se afirmar mais uma vez que o aço ferramenta é mais duro do que o aço 1045. Quanto à amostra de cobre, não é possível compará-la com as outras amostras devido à disparidade nas escalas. Consultou-se a Tabela 7 “Conversão de Dureza Aproximada para o Cobre” e o Apêndice A7 da norma ASTM E140-2012 [6] e não foi possível realizar conversão da escala HV5 para HV100. Os dados disponíveis relacionavam apenas HV1 e HV100. Portanto, para realizar essa conversão, seria necessário ensaiar o corpo de prova de cobre utilizando uma carga de 1 kgf

4.3

DUREZA BRINELL

O único corpo de prova ensaiado com essa técnica foi a amostra de ferro fundido, a qual apresentou uma dureza de 164 HB62,5. Novamente, a Tabela 8 “Conversão de Dureza Aproximada para Ferros Fundidos” disponível na norma ASTM E140-2012 [6], não nos fornece a conversão para o carregamento utilizado. Portanto, não é possível comparar esse valor com nenhum dos testes anteriores. A tabela compara apenas HB10/3000 com HV50 e HRC.

10

5

CONCLUSÃO

Para realizar um ensaio de dureza, assim como qualquer outro ensaio de caracterização de materiais, é imprescindível ter conhecimento prévio da norma utilizada. No caso dos ensaios de dureza, isso possibilita utilizar os penetradores e cargas apropriados, para que os resultados possam ser comparados entre diversos materiais e escalas diferentes. De todos os ensaios apresentados, o Rockwell é o mais utilizado pela sua facilidade de aplicação e obtenção direta de resultados. Entretanto, é a dureza Vickers que cobre uma gama maior de materiais. Interferentes como resíduos na superfície da amostra e defeitos de perpendicularidade do corpo de prova podem tornar os resultados menos confiáveis. Outro ponto importante é a distância entre os pontos de aplicação da carga, quando uma mesma amostra é ensaiada várias vezes.

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REFERÊNCIAS 1. CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D. G. Materials Science and Engineering an Introduction. 8ª. ed. Hoboken: Wiley & Sons, Inc, 2010. 2. CHAWLA, K. K.; MEYERS, M. A. Mechanical Behavior of Materials. 2ª. ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2009. 3. ASTM STANDARD. E10,2012, "Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials", ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, DOI: 10.1520/E0010-12, www.astm.org. 4. ASTM STANDARD. E18,2014, "Standard Test Method for Rockwell Hardness of Metallic Materials", ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014, DOI: 10.1520/E0018-14, www.astm.org. 5. ASTM STANDARD. E384,2011, "Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials", ASTM International, West Conshohocken, PA, 2011, DOI: 10.1520/E0384-11E01, www.astm.org. 6. ASTM STANDARD. E140,2012, "Standard Hardness Conversion Tables for Metals Relationship", ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012, DOI: 10.1520/E0140-12B, www.astm.org.