Aula5 - Propriedades Mecânicas V

PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
Propriedades Mecânicas V
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
PROGRAMA DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS
PROPRIEDADES MECÂNICAS V
Propriedades dos Materiais
Ten Cel Sousa Lima, D. C.
SUMÁRIO
Dureza
Fatores de projeto/segurança
Durômetro Rockwell
Propriedades dos Materiais – Propriedades Mecânicas V
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
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DUREZA
Definição
A dureza é a propriedade mecânica de medida da resistência de um
material ao risco ou à uma deformação permanente
É o ensaio mais utilizado principalmente pela simplicidade, baixo
custo e possibilidade de determinação de outras propriedades
Pode ser dividido em:
Ensaio por
risco
Ensaio por
penetração
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Ensaio por
choque
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DUREZA
Definição
É o mais largamente usado e citado em normas
técnicas e consiste em forçar um penetrador
contra uma superfície sob condições controladas
de tempo, carga e taxa
A medida da profundidade de penetração ou da
área impressa são relacionadas com um número
índice de dureza e pela escala e/ou tipo de
dureza
Durômetro Rockwell
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DUREZA
Classificação
São 4 os principais ensaios dureza por penetração:
Rockwell
Brinell
Vickers
Knoop
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DUREZA
Dureza Rockwell
Foi proposta pelas indústrias Rockwell, dos EUA, em 1922 e
também é de ampla utilização
Este ensaio é baseado na
profundidade de penetração
Esta medida é correlacionada
pela máquina a um número
de dureza, cuja leitura é
realizada diretamente em um
mostrador
Indentação Rockwell
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DUREZA
Dureza Rockwell
É um ensaio rápido e assim pode ser utilizado em linhas de
produção
Por utilizar penetradores pequenos, pode ser empregado em
peças de dimensões reduzidas ou tratadas termicamente
Também é possível a medição
de durezas superficiais
Os indentadores pedem ser
cônicos, com cone de
diamante ou esféricos, de aço
endurecido
Indentador cônico
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DUREZA
Dureza Rockwell
Este ensaio emprega diversas
escalas, que dependem do
penetrador e da carga aplicada,
abrangendo uma ampla faixa de
valores
É simbolizado por HR seguido pela
letra da escala empregada
Normalmente, a pré-carga é de 10
kgf nos ensaios de dureza como
cargas principais de 60, 100 e 150
kgf
Durômetro de bancada
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DUREZA
Dureza Rockwell
Nos ensaios de dureza superficial, a précarga é de 3 kgf e as cargas principais
são de 15, 30 e 45 kgf
A superfície da amostra deve ser lixada
para eliminar irregularidades
Durômetro de bancada
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DUREZA
Rockwell e
Rockwell
superficial
INDENTADOR
IMPRESSÃO
Cone de
diamante
ou esfera
de aço
FÓRMULA
HR = Lida
diretamente
na máquina
de ensaio
Rápido; linhas de produção; superfície
limpa e plana
Cargas de 3 a 45 kg e 10 a 150 kgf
Uso de escalas pela combinação de
penetradores e cargas
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DUREZA
Dureza Brinell
Criado em 1900 por J. A. Brinell, foi o
primeiro ensaio de penetração
padronizado e reconhecido
industrialmente e é um dos mais
utilizados na Engenharia
Consiste em comprimir uma esfera de
aço endurecido, de diâmetro D, sobre
uma superfície plana, limpa e polida
por meio de uma carga Q durante um
tempo t
Johan August Brinell
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DUREZA
Dureza Brinell
Esta compressão provoca uma impressão no
formato de uma calota esférica, com diâmetro
d, medida por um microscópio óptico após a
remoção da carga
A medida d é tomada pela média de duas
leituras a 90º uma da outra
A dureza HB é definida pelo quociente entre Q
e a área da calota esférica S
HB =
Q
2Q
=
S πD D − D2 − d 2
(
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)
Indentação Brinell
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DUREZA
Dureza Brinell
Na prática utilizam-se tabelas que fornecem o
valor de dureza a partir do diâmetro medido
para cada par de Q e D utilizados
A maioria das tabelas utiliza os valores de Q e D
inicialmente propostos por Brinell, de 3000 kgf e
10 mm para metais dureza até 500 HB
Embora teoricamente qualquer carga possa ser
utilizada, as cargas padrão variam de 500 a
3000 kgf, com incrementos de 500 kgf
Metais dúcteis (Al, Cu) utilizam cargas menores
e os menos dúcteis (aços e ferros fundidos),
cargas maiores
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Durômetro Brinell
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DUREZA
Dureza Brinell
Metais com dureza superior a 500 HB
utilizam esferas de WC e possuem a
denominação HBw (contra HBs da
tradicional)
O tempo de aplicação da carga varia de
10 a 60 s
Outros valores de Q e D podem ser
utilizados, desde que satisfeita a
condição:
Q
= cte
D2
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Durômetro Brinell
hidráulico portátil
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DUREZA
Dureza Brinell
Esta relação é determinada empiricamente para cada tipo de
material
Assim, esferas entre 1 e 7
mm também podem ser
utilizadas
Este ensaio não é adequado
para peças pequenas ou
tratadas superficialmente
É indicado para materiais
com estrutura interna não
uniforme
Sistema de análise de imagens
para medida Brinell
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DUREZA
Brinell
INDENTADOR
IMPRESSÃO
FÓRMULA
D
Esfera
de aço
ou WC
HB =
d
2P

πD D − D 2 − d 2 


d
Superfície lisa e plana
HB (N/mm2 ou kgf/mm2)
Inadequada para materiais muito duros
Cargas (P) de 500 a 3000 kgf
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DUREZA
Dureza Vickers
Desenvolvido em 1925 por R. Smith e G. Sandland, este ensaio
tornou-se conhecido pelo nome do fabricante das primeiras
máquinas produzidas
É similar ao princípio da dureza
Brinell, no qual um indentador é
comprimido contra o material e a
indentação resultante é medida
É simbolizada por HV
Fábrica da VickersArmstrong, Inglaterra
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DUREZA
Dureza Vickers
O indentador é uma pirâmide de
diamante de base quadrada que
possui um ângulo de 136º entre
as faces opostas
A impressão é um losango de
formato regular, cujas diagonais
são medidas por meio de um
microscópio acoplado à máquina
de teste devido às suas
dimensões reduzidas, muitas
vezes abaixo de 1mm
Indentador Vickers
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DUREZA
Dureza Vickers
A média de ambas as medidas são utilizadas para o cálculo de
dureza pelas seguintes fórmulas:
- Dureza Vickers, em GPa (P em N e d em mm):
HV =
2 Psen(136 / 2)
P
= 0,0018544 2
2
d
d
- Número de Dureza Vickers, adimensional (P em kgf e d em mm):
HV = 1,8544
P
d2
A carga varia de 1 a 120 kgf e tempo de aplicação da carga,
normalmente, de 10 a 15s
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DUREZA
Dureza Vickers
Existem tabelas que fornecem os
valores de dureza para a diagonal
medida e a carga utilizada
Além disto, diversos equipamentos
fornecem a dureza calculada a partir
da entrada dos valores medidos
Este ensaio fornece uma escala
contínua e pode ser empregado numa
larga faixa
A medida é de grande precisão e as
impressões não inutilizam os materiais
dúcteis
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Tela de projeção óptica
para medida de diagonal
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DUREZA
Dureza Vickers
É muito utilizado para a medição de
durezas superficiais e para a confecção
de curvas de profundidade de têmpera
e de cementação
Como o penetrador é indeformável, a
dureza obtida independe da carga,
para as cargas acima de 5 kgf
Contudo, este ensaio é relativamente
demorado e exige uma preparação
superficial mais cuidadosa
Sistema de processamento
digital de imagem
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DUREZA
Dureza Knoop
Desenvolvida por Frederick
Knoop nos EUA, em 1939,
nos laboratórios da NIST
(National Institute of
Standards and Technology),
utiliza um penetrador de base
piramidal alongada
Possui uma relação de 7:1
entre as diagonais de
impressão
Indentador Knoop
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DUREZA
Dureza Knoop
A medida da diagonal maior é utilizada para o cálculo de dureza
pelas seguintes fórmulas:
- Dureza Knoop, em GPa (P em N e d em mm):
HK =
0,014229 P
d2
- Número de Dureza Knoop, adimensional (P em kgf e d em mm):
HK =
14,229 P
d2
A carga varia de 1 a 120 kgf e tempo de aplicação da carga,
normalmente, de 10 a 15s
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DUREZA
Dureza por microindentação
Este ensaio produz uma impressão microscópica e utiliza cargas
de aplicação abaixo de 1000 gf (até 1 gf)
A denominação microdureza, apesar de extensivamente utilizada,
não é a correta, pois sugere medidas de baixos valores de dureza
ou invés de indentações micrométricas
São dois os tipos de penetradores utilizados, que podem ser
empregados no mesmo equipamento:
- Vickers
- Knoop
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DUREZA
Dureza por microindentação
- Vickers
Foi realizada inicialmente no
Laboratório Nacional de Física da
Inglaterra, em 1932 e utiliza o mesmo
penetrador da dureza Vickers, com a
mesma técnica descrita anteriormente
Microdurômetro
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DUREZA
Dureza por microindentação
- Vickers
Apropriado para a
determinação de dureza de
microconstituintes, de
materiais frágeis, de peças
diminutas ou extremamente
finas
Liga de Cu-Be
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DUREZA
Dureza por microindentação
- Knoop
Com uma área 15% menor, mais rasa (cerca
de 50%) e estreita do que a Vickers com a
mesma carga, oferece algumas possibilidades
adicionais:
- Medida de altos gradientes de dureza
- Indentações menos espaçadas
- Medidas em materiais muito frágeis
Indentação Knoop em aço
alto C (500 a 10 gf)
- Ensaios em recobrimentos
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DUREZA
Dureza por microindentação
- Knoop
Ambas as durezas
podem variar com a
carga
O seu resultado possui
maior dificuldade de
conversão para outras
escalas
Indentação Knoop em bronze
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DUREZA
Dureza por indentação instrumentada
Emprega equipamentos de alta
resolução e pode utilizar cargas
de 1 nN e medir dimensões de
0,1 nm
Pode ser usado também para
medir E e limite de escoamento
Pode avaliar filmes finos,
microcircuitos e recobrimentos
Nanoindentação em
microcircuito eletrônico
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DUREZA
Conversão de dureza
Deve ser realizada
com critério, com o
uso de normas e é
válida somente para
alguns materiais
específicos, tais
como aços e
algumas ligas
ferrosas
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DUREZA
Correlação com σu
Limite de Resistência à Tração
Ambos são indicadores da
resistência à deformação
plástica; desta forma, são
praticamente proporcionais
Para a maioria dos aços:
LRT (MPa) = 3,45HB
Aços
Ferro
fundido
Número de dureza Brinell
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FATORES DE PROJETO/SEGURANÇA
Incertezas nos níveis de tensão
em condições de serviço
Variabilidade das medidas
Carga máxima
estimada
Fator de projeto
Tensão de projeto
Tensão de trabalho
Folgas de projeto
σ p = N' σ c
σt =
σe
N
σe ≥ σp
1,2 < N ou N’ < 5,0
Fator de
segurança
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REFERÊNCIAS
Estudo principal
- Livro texto (7ª Edição)
Capítulo 6 – Propriedades mecânicas dos metais
Itens 6.10 e 6.12
Estudo complementar
- Livro texto – Itens restantes do Capítulo 6
- A. Garcia, J.A. Spim & C.A. dos Santos, Ensaios dos Materiais,
LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro,
RJ, 2000
- S.A. de Souza, Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Ed.
Edgard Blucher Ltda, São Paulo, SP, 1982
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