ensaio de dureza

Ensaio de Dureza
ENSAIO DE DUREZA
EM-641
Ensaio de Dureza
DEFINIÇÃO:
 O ensaio de dureza consiste na aplicação de uma carga na superfície do material empregando um
penetrador padronizado, produzindo uma marca superficial ou impressão.
 É amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos e elétricos, tratamentos superficiais,
vidros laminados. Fornece controle das especificações de entrada da matéria-prima e durante as etapas de
fabricação de componentes, e em alguns casos em produtos finais.
 Características da marca de impressão (área ou profundidade) e da carga aplicada dão a medida de
dureza (no) do material ou da dureza superficial
 Fornece dados quantitativos quanto a resistência à deformação superficial
 Sofre influência: tratamentos térmicos, termoquímicos, mecânicos, refusão a laser, etc...
 Atualidade: hoje encontra vasta aplicação também para materiais poliméricos, cerâmicos,
semicondutores e filmes finos
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Fatores que influenciam no aumento da dureza
e
Dureza
• Adição de soluto
• Contorno de grão
• Trabalho a frio (encruamento)
• Tratamentos térmicos
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• Tipos de Ensaio de Dureza
– Dureza por risco
– Dureza por choque
– Dureza por penetradores padronizados
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Dureza por Risco:
 mais utilizados em minerais e pouco em
metais
 capacidade de um material riscar o outro
 Dureza Mohs: é a mais conhecida: escala de
10 minerais padrões (diamante, safira, topázio,
quartzo...........gesso, talco: silicato de
magnésio)
 Microdureza Bierbaum (K): carga de 3 gf por
um diamante igual a um canto de cubo
K 
10 4
2
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Dureza por Rebote:
Queda livre de um êmbolo com ponta padronizada
 Valor de dureza é proporcional à energia de deformação
consumida e representada pela altura de rebote
 Materiais mais dúcteis apresentam menor valor de altura que
frágeis
 Mais conhecida é a Dureza SHORE
A leitura é realizada no momento de inversão do êmbolo
leve e portátil
peças acabadas
condições adversas
A norma ASTM E 448:2002 padroniza testes realizados em
duas escalas para materiais metálicos: C e D
A escala Shore C é graduada entre 0 e 140: recomendada
para materiais metálicos finos ou com tratamentos superficiais.
A escala Shore D, graduada entre 0 e 120: recomendada para
metais mais duros.
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d2
Brinell (HB)
90º
0º
Rockwell(HR)
Rockwell (A, C, D)
Rockwell (B, F, G)
P (60 kgf, 150 kgf, 100 kgf)
P (100 kgf, 60 kgf, 150 kgf)
P
P
t
Cone de Diamante
o
t
120°
120
Lateral
Esfera de aço
D = 1/16´´ - 1/8´´
Impressão
Lateral
Impressão
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VICKERS (HV)
136o
P
d1
d1
Pirâmide de Diamante
Base quadrada
Impressão
Lateral
Microdureza KNOOP (HK)
P
l/b = 7,11
b/t = 4,00
t
Pirâmide de Diamante
Lateral
b
l
Impressão
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Dureza por Penetração:
BRINELL (HB):
proposto em 1900 ( 1o industrialmente )
P Esfera de Aço (HBs) ou
Carbeto de Tungstênio (HBw)
(D = 10 mm)
esfera de aço temperado (HBs) ou carboneto
tungstênio (HBw)
dureza = P / S
D
D
(expressa em termos  )
Valor numérico seguido do símbolo HB
Tempo de aplicação da carga: para materiais duros
(10 a 15) s, e de (30 a 60) segundos para materiais
mais moles.
d
Impressão
d
Lateral
HB  0,102
de
2.P
.D.
D 

D2  d2 


Escolha do material da esfera:
;
P
[ N]
esfera de AÇO (materiais com dureza < 350 HB);
esfera de WC (materiais com dureza < 650 HB);
Cargas e diâmetros: relação P / D2 = cte ou grau de
carga “garante 136o entre as tangentes”.
Pelo menos 2 leituras (90o).
Validação do resultado: diâmetro de impressão
( 0,24.D a 0,60.D).
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CORPO DE PROVA:
Parâmetros
Distância entre centros
Distância do centro a
borda
Espessura mínima
Superfícies cilíndricas
ABNT
4x d para materiais ferrosos HB >
150
6x d para materiais moles HB <
150
2,5x d para materiais HB > 150
3,0x d para materiais HB < 150
8,0x h - profundidade da calota
2,0x d - diâmetro da calota
ASTM
10x h - profundidade da
calota
-
Diâmetro da peça >= 5x D
3x d para todos
2,5x d para todos
Fig. Distâncias mínimas que devem ser obedecidas para a realização das medidas.
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Correlação entre HB e limite de resistência à tração
 u  .HB
 [MPa]
α = cte experimental
Tabela. Valores experimentais de  para alguns materiais.
Material
Aço-carbono
Aço-carbono tratado termicamente
Aços-liga tratados termicamente
Latão encruado
Cobre recozido
Alumínio e suas ligas

3,60
3,40
3,30
3,45
5,20
4,00
Para HB > 380, a relação não deve ser aplicada, pois a
dureza passa a crescer mais rapidamente do que o limite de
resistência à tração.
Tabela. Relação entre fases e microconstituintes e dureza Brinell para aços-carbono.
Fases e Microconstituintes
Ferrita
Perlita grosseira
Perlita fina
Martensita 0,4%C
Martensita 0,8%C
Dureza Brinell - HB
80
240
380
595
735
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(a)
(b)
(c)
Fig. Imagens: (a) esferas; (b) penetrador; (c) calota esférica.
(a)
(b)
Fig. (a) Imagem de calotas com diferentes cargas em alumínio puro, (b) exemplo de calotas irregulares.
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Exercício 32:
Estimar a Dureza Brinell e o limite de resistência à tração de
um aço carbono com
1020 , e que tenha sido resfriado no
forno a partir da região austenítica. Qual seria o aumento
percentual no limite de resistência à tração, caso esse aço fosse
submetido a um tratamento térmico de normalização.
100 % P
100 % F
Dados:
Fases
Dureza Brinell
Ferrita
80
Perlita grosseira
240
Perlita fina
380
Martensita
595
0
Fe
0,2
0,8
CARBONO 
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= 75%
Dados:
Fases
Dureza Brinell
Ferrita
80
Perlita grosseira
240
Perlita fina
380
Martensita
595
= 25%
Recozimento
Normalização
HBAço = %α . HBFerrita + % p . HBperlita grosseira
= 0,75 x 80 + 0,25 x 240 = 120
σur = 3,6 x HB = 3,6 x 120 = 432 MPa
HBAço = = 0,75 x 80 + 0,25 x 380 = 155
σun = 3,6 x HB = 3,6 x 155 = 558 MPa
100 % P
100 % F
Aumento percentual
δ = σun/ σur = 558/432 = 29,16%
0
Fe
0,2
0,8
CARBONO 
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ROCKWELL (HR):
Indústria Rockwell 1922 ( mais utilizado )
Penetrador diamante cônico 120o esfera de aço endurecido
Aplicação de pré-carga e carga
Utiliza a profundidade, e não a área
Número seguido HR mais escala
Dividida em comum ou superficial
comum: pré-carga de 98 N (10 kgf) e força total de 589 N (60
kgf); 981 N (100 kgf) e 1471 N (150 kgf);
superficial:pré-carga de 29 N (3 kgf) e forças totais de 147 N
(15 kgf), 294 N (30 kgf) e 441 N (45 kgf).
Dividida de acordo com as cargas e penetradores
Rockwell (A, C, D)
Rockwell (B, F, G)
P (60 kgf, 150 kgf, 100 kgf)
P (100 kgf, 60 kgf, 150 kgf)
P
P
t
Esfera de aço
D = 1/16´´ - 1/8´´
Cone de Diamante
o
t
120°
120
Lateral
Impressão
Lateral
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Impressão
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Escala
Penetrador
Carga (Kgf)
Aplicações
B
Esfera 1,58 mm
100
FoFo nodular e aços não temperados
C
Diamante (cone)
150
Aço temperado ou cementado
A
Diamante (cone)
60
Metal duro, aço fundido/temperado/rápido
D
Diamante (cone)
100
Aço fundido com reduzida espessura
E
Esfera 3,175 mm
100
FoFo, ligas de alumínio e magnésio, metal duro
F
Esfera 1,588 mm
60
Metais moles, ligas de cobre
G
Esfera 1,588 mm
150
Bronze, fósforo, ligas de berílio, FoFo maleável
H
Esfera 3,175 mm
60
Alumínio, Zinco, chumbo, abrasivos
K
Esfera 3,175 mm
150
Metal duro e metais de baixa dureza
L
Esfera 6,350 mm
60
Mesma Rockwell K, borracha e plásticos
M
Esfera 6,350 mm
100
Mesma Rockwell K e L, madeira e plásticos
P
Esfera 6,350 mm
150
Mesma Rockwell K, L e M, plásticos
R
Esfera 12,700 mm
60
Mesma Rockwell K, L e M, plásticos
S
Esfera 12,700 mm
100
Mesma Rockwell K, L e M, plásticos
V
Esfera 12,700 mm
150
Mesma Rockwell K, L , M, P e R ou S
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Tabela. Resumo das principais escalas de Dureza Rockwell [Adaptado de ASTM E 18:2007]
Rockwell Comum
Diamante
Esfera de Aço ou Carboneto de Tungstênio
60 kgf
100 kgf
150 kgf
A
D
C
F ( )
B ( )
G ( )
H ( )
E ( )
K ( )
L ( )
M ( )
P ( )
R ( )
S ( )
V ( )
15 kgf
30 kgf
45 kgf
15N
30N
45N
15T ( )
30T ( )
45T ( )
15W ( )
30W ( )
45W ( )
15X ( )
30X ( )
45X ( )
15Y ( )
30Y ( )
45Y ( )
Rockwell Superficial
Diamante
Esfera de Aço ou Carboneto de Tungstênio
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Determinação da profundidade de impressão:
Penetrador de diamante
Comum
Superficial
p = (100 – HR) . 0,002
p = (100 – HR) . 0,001
[mm]
[mm]
Penetrador esférico
Comum
Superficial
p = (130 – HR) . 0,002
p = (100 – HR) . 0,001
[mm]
[mm]
Conversão dureza Rockwell em dureza Brinell
DP


HR
C 1 C2
.D (HB)
C1 e C2 são constantes tabeladas
Dp = p2-p1 (variação na profundidade);
p2 = profundidade de penetração com a carga total; e
p1 = profundidade de penetração com a carga inicial (pré-carga).
Escala
Rockwell
C1
C2 (1/mm)
B
130
500
C
100
500
A
100
500
D
100
500
E
130
500
F
130
500
G
130
500
15-N
100
1000
30-N
100
1000
45-N
100
1000
15-T
100
1000
30-T
100
1000
45-T
100
1000
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VICKERS (HV):
 P 
HV  0,189 . 2  ;
d 


P [N ]
 Industria Vickers-Armstrong 1925 (similar Brinell)
 Penetrador pirâmide diamante
 Tabelas para conversão em função das diagonais
com ângulo de 136º  Dividida em comum ou superficial
(similar ao ângulo da Brinell)
 Correlaciona carga com a área da impressão
 cargas de 5 a 100 kgf (49 a 980 N)
comum
 cargas de 2 a 5 kgf
superficial
(1,96 a 49 N)
 Aplicáveis em todos os materiais, inclusive: muito  cargas de 0,001 a 2 kgf (0,0098 a 1,92 N) microdureza
finos, pequenos e irregulares
 Também conhecida como dureza de pirâmide de diamante
 Número seguido HV
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Ensaio de Dureza
INFORMAÇÕES ADICIONAIS:
Relação entre dureza Vickers e p

Materiais Duros
2 a
Materiais Metálicos 3
3 p
a 4 p
Material
Vickers
Limite de
Proporcionalidade
[MPa]
Diamante
84.000
54.100
Alumina
20.000
11.300
Carboneto de Tungstênio
21.000
7.000
Berílio
13.000
7.000
Aço
2.100
700
Cobre Recozido
470
150
Alumínio Recozido
220
60
Chumbo
60
16
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Ensaio de Dureza
(a)
(b)
Fig. Comparação entre tamanhos de impressão das durezas Brinell e Vickers: (a) imagem metalográfica; (b) representação
esquemática. [Segundo Souza, 1989.]
Fig. Imagem de uma impressão Vickers em aço ABNT/SAE 1045.
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Ensaio de Dureza
MICRODUREZA
KNOOP (HK):
Penetrador de pirâmide alongada de diamante
Relação das diagonais de 7:1
P
l/b = 7,11
b/t = 4,00
Profundidade é 1/30 da diagonal maior
b
Materiais frágeis, vidro e camadas finas
Preparação cuidadosa da amostra
t
Pirâmide de Diamante
l
Impressão
Lateral
Recomendado polimento eletrolítico
Área e profundidade menores que a Vickers
 P
HK  14 , 2.
 l2



P = carga aplicada [gf];
l = comprimento da diagonal maior [m];
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Ensaio de Dureza
Ensaio Jominy - Temperabilidade
Temperabilidade: nada mais é que a profundidade de penetração à tempera; é
também, a característica que define a variação de dureza desde a superfície até o
núcleo da peça quando temperada.
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Ensaio de Dureza
Faça uma previsão da microestrutura presente em um determinado ponto de um corpo de
prova submetido ao ensaio jominy, sabendo-se que sua dureza é de 400 Brinell e que o
material do corpo de prova é de aço ABNT 1040.
Dados: 100% de martensita nesse aço implicaria em uma dureza Brinell de 595
Dureza na Secção A
400 HB Aço 1040
(a) Se o aço não tiver sofrido transformação martensítica será constituído de perlita fina e
ferrita:
Aço 1040 – 50% perlita e 50% de ferrita
Dureza da secção: 0,5x 380 + 0,5x80 = 230
Como a dureza é maior (400), há martensita presente na secção A.
(b) Martensita + Agregado (Pf + α)
400 = X 595 + (1-X)230
400 = 595X + 230 – 230X
X == 0,465
A seção tem 46,5% de martensita: ou aproximando-se:
½ martensita, ¼ perlita e ¼ ferrita
Secção A
Água
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Ensaio de Dureza
Impressão na
camada
cementada
Impressão na
camada não
cementada
100 m
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Ensaio de Dureza
Identação em um fofo Cz, na região interna
aos veios de grafite. Sem ataque 500x
Identação em um
fofo Br Hipo, na
região da
Ledeburita. 750HV
(Inter-Ledeburita),
951HV (fase clara
– Cementita),
534HV (fase
escura - Perlita).
Ataque Nital, 500x
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Ensaio de Dureza
Identação em um fofo Nodular, 162HV (fase clara – Ferrita), 324HV (fase
escura – Perlita). Ataque Nital, 500x
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Ensaio de Dureza
500x Fase clara (Carboneto de Cromo)
1059.3HV; Fase escura (Perlita) 587.6HV
1000x Destaque no carboneto
trincado após a identação.
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Ensaio de Dureza
Liga de Al-Si Hipereutético, 500x Fase
clara (fase β - Rica em Si) Fase escura
(Eutético) – Destaque a rachadura do
bloco de Si após a identação
Liga de Al-Si Hipoeutético, 500x Fase
clara (fase α - Rica em Al) Fase escura
(Eutético)
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Ensaio de Dureza
Método de
Ensaio de
Dureza
Impressão
Carga
Aplicação
Esfera de aço
10, 5 e 1 mm
Depende da razão
P/D2
Componentes fundidos, forjados e laminados.
Esfera de
carboneto de
tungstênio
Acima de 3000 kgf
para aço
Ferrosos e não-ferrosos, esfera de aço para durezas da
ordem de 450 HB e esfera de carboneto de tungstênio
para durezas da ordem de 650 HB.
Vickers (HV)
Pirâmide de
diamante, base
quadrada e 136°
1 a 120 kgf
Todos os aços e ligas não ferrosas. Materiais de alta
dureza incluindo carboneto de tungstênio e cerâmicos.
Rockwell HRB,
HRC, etc.
Cone de
diamante, 120°
ou esfera de aço
diâmetro ‘d’
1/16”  d  ½”
Maior que 60 a 150
kgf e menor que 10
kgf
Ferrosos e não ferrosos, forjados e fundidos.
Microdureza
Vickers (HV)
Pirâmide de
diamante, base
quadrada e 136°
1 a 1000 gf
Camadas superficiais, folhas finas, arames, fases
microscópicas, zona termicamente afetada (ZTA) em
soldas.
Brinell (HB)
Microdureza
Knoop (HK)
Pirâmide de
diamante, base
rômbica (razão
7:1)
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Ensaio de Dureza
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Ensaio de Dureza
Concurso IFSP 2010
11. A dureza é uma propriedade mecânica cujo conceito se segue à resistência que um
material, quando pressionado por outro material ou por penetradores
padronizados, apresenta ao risco ou à formação de uma marca permanente. Em
relação aos ensaios mecânicos de dureza, pode-se afirmar que:
a)
O ensaio de dureza Mohs é muito utilizado nos materiais metálicos.
b) A medida de dureza obtida no ensaio de dureza Shore corresponde a energia de
deformação consumida para formar a marca na peça.
c)
O ensaio de dureza Vickers é mais rápido que outros ensaios de dureza, sendo
muito utilizado pelas indústrias no controle de qualidade.
d) O ensaio de dureza Brinell deixa marcas bem menores que o ensaio de dureza
Rockwell.
e)
No ensaio de dureza Rockwell não se aplica pré-carga no material do corpo de
prova.
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