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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA CAMPUS DE GUARATINGUETÁ DEPARTAMENTO DE MATERIAIS E TECNOLOGIA

RELATÓRIO DE ENSAIO DE DUREZA BRINELL E VICKERS

Priscilla O. B. Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, Departamento de Materiais e Tecnologia Turma: 341

Resumo: A dureza é uma medida de resistência de um material a deformações plásticas localizadas. Neste experimento foram realizadas duas técnicas de ensaio de dureza: Brinell e Vickers. Em ambas técnicas, o ensaio de dureza consiste na aplicação de uma carga na superfície do material empregando um penetrador padronizado, produzindo uma impressão. A medida da dureza do material ou da dureza superficial é dada como função das características da marca de impressão e da carga aplicada em cada tipo de ensaio realizado. Na técnica Brinell utiliza-se um penetrador de aço de formato esférico, e na técnica Vickers um penetrador de diamante em formato de pirâmide de base quadrada com ângulo de diedro de 136º. Esse trabalho teve como objetivo medir a dureza de diferentes amostras metálicas e comparar os resultados obtidos, assim como observar as particularidades de cada método de ensaio. Após feitas as medições e analisadas as durezas dos materiais ensaios, concluiu-se que aços geralmente possuem uma dureza superior aos metais não ferrosos, que é necessário tomar cuidado ao comparar os valores obtidos por métodos diferentes, e que o método Vickers pode ser aplicado a uma gama mais vasta de materiais comparado ao Brinell devido ao seu penetrador de pirâmide de diamante. Palavras-chave: Ensaio, Dureza, Brinell, Vickers 1.

INTRODUÇÃO

A dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada (por exemplo uma pequena impressão ou risco). Os primeiros ensaios de dureza eram baseados em minerais naturais, com uma escala construída unicamente em função da habilidade de um material em riscar um outro mais macio. Foi desenvolvido um sistema qualitativo, e um tanto arbitrário, de indexação da dureza conhecido por escala de Mohs; que varia entre 1, na extremidade macia da escala, para o talco, até 10, para o diamante. Técnicas quantitativas para determinação da dureza foram desenvolvidas ao longo dos anos, nas quais um pequeno penetrador é forçado contra a superfície de um material a ser testado, sob condições controladas de carga e taxa de aplicação. Fazse a medida da profundidade ou do tamanho da impressão resultante, a qual por sua vez é relacionada a um número índice de dureza; quanto mais macio o material, maior e mais profunda é a impressão e menor é o número índice de dureza. As durezas medidas são apenas relativas (ao invés de absolutas), e deve-se tomar cuidado ao se comparar valores determinados segundo técnicas diferentes [1]. A dureza de um material depende diretamente das forças de ligação entre átomos, íons ou moléculas, do escorregamento de planos atómicos, assim como da resistência mecânica. Nos sólidos moleculares, como os plásticos, as forças atuantes entre as moléculas (forças de Van der Waals) são baixas, e eles são relativamente macios. Os sólidos metálicos e iónicos, devido à natureza mais intensa das forças de ligação, são mais duros, enquanto os sólidos de ligação covalente são os materiais conhecidos de maior dureza. A dureza dos metais pode também ser aumentada por tratamentos especiais, como adição de soluto, trabalho a frio, refino de grão, endurecimento por precipitação, tratamentos térmicos ou termoquímicos específicos. Há uma ligação bastante próxima entre o limite de escoamento dos metais e a sua dureza [2].

1.1 Ensaio de dureza Brinell Este ensaio foi inicialmente proposto por James A. Brinell em 1900, e foi o primeiro ensaio de penetração padronizado e reconhecido industrialmente. Consiste em comprimir uma esfera metálica padronizada na superfície do material ensaiado, gerando uma calota esférica , conforme mostra a Figura 1 [2].

Figura 1 – Representação esquemática do ensaio de dureza Brinell A dureza Brinell, designada HB, é obtida dividindo a força aplicada (P), em quilogramas, pela área da superfície curvada da calota formada, conforme equação (1). Onde (D) é o diâmetro da esfera e (d) é o diâmetro do entalhe, ambos em milímetros [5].

2P

HB=

D[ D  ( D 2  d 2 )0,5 ]

(1)

Para materiais muito duros, o penetrador de aço padrão irá deformar excessivamente, sendo então utilizado um penetrador de carboneto de tungstênio [5]. Tanto a carga quanto o diâmetro da esfera dependem do material, devendo tais parâmetros se adequar ao tamanho, à espessura e à estrutura interna do corpo de prova [2]. Na utilização do ensaio, a aplicação da relação que calcula HB é desnecessária, pois existem tabelas preparadas para fornecer o valor da dureza Brinell a partir do diâmetro médio da impressão formada, conforme equação (2), sendo d1 e d2 os diâmetros medidos a 90° entre si, e da carga empregada [2].

d=

d1  d 2 2

(2)

A escolha da carga P dependerá do material a ser ensaiado, e para isso foi adotado o grau de carga ou constante do material, que garante que seja mantido o ângulo de 136° entre as tangentes da calota esférica da impressão. Essa condição é atendida conforme a equação (3) [2].

P D²

= Fator de Carga

(3)

A fim de padronizar o ensaio, fixam-se valores de carga levando em conta a faixa de dureza e tipo de material. Na Tabela 1, observa-se os principais fatores de carga utilizados com suas respectivas faixas de dureza e indicações [4]. Tabela 1 – Constantes ou graus de cargas de alguns materiais

P D²

Materiais

Exemplos

30

Metais ferrosos e não ferrosos resistentes

Aços, ferros fundidos, niquei e ligas, cobalto e ligas, ligas de titânio

15

Somente para carga de 3000 kgf

Titânio e ligas, bem como materiais não tão duros e ligas leves (somente NBR NM-187-1)

10

Metais ferrosos dúcteis e maioria dos não ferrosos

Ferros fundidos, ligas de alumínio, ligas de cobre: latões, bronzes, ligas de magnésio, zinco

5

Metais não ferrosos moles

Metais puros alumínio, magnésio, cobre, zinco

2,5

Metais moles

Ligas de estanho, chumbo, antimónio, berílio, lítio

1,25

Metais mais moles

Metais puros berílio e lítio ou metais moles

1

Metais muito moles

Metais puros estanho, chumbo, antimónio

Já o diâmetro da esfera é determinado em função da espessura da amostra a ser analisada. Segundo a norma brasileira, a espessura mínima do corpo-de-prova deve ser 17 vezes a espessura da calota esférica. Os diâmetros de esfera mais usados são apresentados na Tabela 2 [4]. Tabela 2 - Cargas recomendadas para diferentes esferas e constantes Constante ou grau de carga (ABNT e ASTM) Esfera D (mm)

30

15

10

5

2,5

1,25

1

Cargas (kgf) 10

3000

1500

1000

500

250

125

100

5

750

-

250

125

62,5

31,25

25

2,5

187,5

-

62,5

31,25

15,625

7,812

6,25

2

120

-

40

20

10

5

4

1

30

-

10

5

2,5

1,25

1

O tempo de aplicação da carga é da ordem de 10 a 15 segundos para materiais duros e de 30 a 60 segundos para materiais mais moles para evitar calotas irregulares [2]. Embora a dureza Brinell expresse unidades de carga/área, é prática usual a utilização apenas do número representativo da dureza, seguido do símbolo HB, é também prática usual utilizar as notações HBS, no caso de se utilizar esfera de aço, e HBW, no caso de esfera de carboneto de

tungstênio [2]. O símbolo HB recebe um sufixo formado por números que indicam as condições específicas do teste, na seguinte ordem: diâmetro da esfera, carga e tempo de aplicação da carga. Exemplificando: um valor de dureza Brinell 85, medido com uma esfera de 10mm de diâmetro e uma carga de 1.000kgf, aplicada por 30 segundos, é representado da seguinte forma: 85HB 10/1000/30 [4]. O diâmetro da impressão formada deve ser medido por microscópio ou lupa graduada e por duas leituras, uma a 90° da outra, para minimizar leituras erróneas e resultados imprecisos [2]. O uso deste ensaio é limitado pela esfera empregada. Usando-se esferas de aço temperado só é possível medir dureza de até aproximadamente 450 HB, pois durezas maiores danificariam a esfera. A recuperação elástica é uma fonte de erros, pois o diâmetro da impressão não é o mesmo quando a esfera está em contato com o metal e depois de aliviada a carga. Isto é mais sensível quanto mais duro for o metal. O ensaio não deve ser realizado em superfícies cilíndricas com raio de curvatura menor que 5 vezes o diâmetro da esfera utilizada, porque haveria escoamento lateral do material e a dureza medida seria menor que a real. Em alguns materiais podem ocorrer deformações no contorno da impressão, ocasionando erros de leitura [4]. 1.2 Ensaio de Dureza Vickers Método introduzido em 1925 por Smith e Sandland, recebeu o nome Vickers porque foi a Companhia Vickers-Armstrong Ltda. que fabricou as máquinas para operar esse tipo de dureza. É um método semelhante ao ensaio de dureza Brinell, já que também relaciona carga aplicada a área superficial da impressão. O penetrador padronizado é uma pirâmide de diamante de base quadrada e com um ângulo de 136° entre faces opostas. Esse ângulo foi escolhido em função de sua proximidade com o ângulo formado no ensaio Brinell entre duas linhas tangentes às bordas da impressão e que partem do fundo dessa impressão. Devido à forma do penetrador, esse teste é também conhecido como teste de dureza de pirâmide de diamante. O ensaio é aplicável a todos os materiais metálicos com quaisquer durezas, especialmente materiais muito duros, ou corpos de prova muito finos, pequenos e irregulares, sendo por isso conhecido como ensaio universal. A Figura 2 mostra um esquema de aplicação do método Vickers [2].

Figura 2 - Representação esquemática do ensaio de dureza Vickers A forma da impressão depois da retirada da carga é a de um losango regular, cujas diagonais devem ser medidas e a média dessas duas medidas utilizada para a determinação da dureza Vickers, dada pela equação (4) [2].

HV  0,102 

2  P  sen /2 d2

 0,189  d2

P (4)

Na prática, a aplicação da relação que calcula HV é desnecessária, já que existem tabelas que fornecem o valor da dureza Vickers a partir da média das leituras das diagonais da impressão formada, conforme equação (5), sendo d1 e d2 a medida das diagonais [2].

d=

d1  d 2 2

(5)

As cargas são escolhidas de tal forma que a impressão gerada no ensaio seja suficientemente nítida para permitir uma boa leitura das diagonais [2]. Por uma questão de padronização, no ensaio de dureza Vickers, são recomendados os seguintes valores para carregamentos: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20 ,30, 40, 60, 80, 100 e 120kgf [4]. Como o penetrador é indeformável, a dureza obtida independe da carga utilizada, devendo, se o material for homogêneo, apresentar o mesmo número representativo da dureza. Sempre que possível recomendam-se as maiores cargas [2]. A dureza Vickers é representada pelo valor de dureza, seguido do símbolo HV e de um número que indica o valor da carga aplicada. O tempo normal de aplicação da carga varia de 10 a 15 segundos. Quando a duração da aplicação da carga é diferente, indica-se o tempo de aplicação após a carga. Por exemplo, na representação: 440 HV 30/20, o último número indica que a carga foi aplicada por 20 segundos [4]. 2.

OBJETIVOS

Este trabalho teve como objetivo o aprendizado prático da medição de dureza pelos métodos Brinell e Vickers de materiais metálicos com composições e tratamentos térmicos diferentes. E posterior comparação dos resultados obtidos, observando as particularidades de cada método. 3.

MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 Materiais Utilizados Corpos de Prova:  Aço 1060; 

Aço 1045;



Aço 1020;



Aço 1045 recozido;



Aço 1020 recozido;

 

Liga AA7050; Liga AA2024;



Liga AA356;

 Alumínio puro;  Latão (Cu-Zn). Penetradores:  Penetrador de esfera de aço, D = 2,5mm para ensaio Brinell;  Pirâmide de diamante de base quadrada para ensaio Vickers. Máquina:  Máquina de medida de dureza da marca Wolpert, Figura 3.

Figura 3 – Máquina da marca Wolpert utilizada nos ensaios 3.2 Procedimento Experimental Antes da realização dos ensaios, recomenda-se que o penetrador esteja polido e isento de defeitos na superfície, e que o corpo de prova (ou superfície) seja liso e isento de substâncias como óxidos, carepas, sujeiras e óleos; e, mais importante, a superfície deve ser plana, normal ao eixo de aplicação da carga e bem apoiada sobre o suporte, evitando deslocamentos durante o ensaio. Recomenda-se que a superfície a ser medida apresente um bom acabamento, podendo ser lixada ou usinada, desde que esses processos não alterem as características da superfície e permitam uma medição fácil e precisa. Ensaio de dureza Brinell O procedimento do ensaio Brinell utilizado na máquina de marca Wolpert consiste em: 1) Escolher o material da esfera: esfera de aço; 2) Escolher o grau de carga ou constante: dependendo do material (D = 2,5 mm); 3) Definir a carga aplicada em cada amostra: dependendo da relação P = D2*Constante (foram aplicadas cargas de: 187,5 kgf, 62,5 kgf e 31,25 kgf); 4) Posicionar amostra na máquina; 5) Focalizar amostra até encontrar uma superfície lisa, apresentando somente riscos, sem nenhuma impressão de ensaios anteriores; 6) Selecionar carga escolhida anteriormente para a amostra; 7) Aplicar carga cuidadosamente por meio da alavanca hidráulica e mantê-la durante tempo definido anteriormente (Para todos materiais adotou-se 15 segundos); 8) Retirar carga por meio da alavanca hidráulica; 9) Fazer duas leituras de diâmetro, uma a 90° da outra; 10) Calcular média das duas leituras; 11) Encontrar relação entre a média do diâmetro e da carga aplicada na tabela fornecida, para se obter o valor de dureza Brinell.

Ensaio de dureza Vickers O procedimento do ensaio Vickers se assemelha muito ao procedimento realizado no método Brinell. Sendo utilizada a mesma máquina nos dois métodos. O procedimento Vickers para esta máquina consiste em: 1) Definir a carga aplicada em cada amostra (foram aplicadas cargas de: 40 kgf, 20 kgf e 10 kgf); 2) Posicionar amostra na máquina; 3) Focalizar amostra até encontrar uma superfície lisa, apresentando somente riscos, sem nenhuma impressão de ensaios anteriores; 4) Selecionar carga escolhida anteriormente para a amostra; 5) Aplicar carga cuidadosamente por meio da alavanca hidráulica e mantê-la durante tempo definido anteriormente (Para todos materiais adotou-se 10 segundos); 6) Retirar carga por meio da alavanca hidráulica; 7) Fazer as duas leituras das diagonais da impressão formada; 8) Calcular média das duas leituras; 9) Encontrar relação entre a média das diagonais e da carga aplicada na tabela fornecida, para se obter o valor de dureza Vickers. 4.

RESULTADOS E DISCUSSÃO Tabela 3 - Resultados DUREZA BRINELL

DUREZA VICKERS CARGA

MATERIAL

CARGA

Aço 1060

(kgf) 187,5

Aço 1045

187,5

229 244

Aço 1020 Aço 1045 recozido

187,5 187,5

167 177 191 191

Aço 1020 recozido

187,5

135 138

Liga AA7050

62,5

169 169

169

20

175

172

173,5

Liga AA2024

62,5

159 164

161,5

20

164

168

166

MEDIDAS

MEDIDAS

(kgf) 40

237

237

MÉDIA 237

236,5

40

241

254

247,5

172 191

40 40

176 176

163 170

169,5 173

136,5

40

MÉDIA 234 234 234

135,5 135,5

135,5

Liga AA356

31,25

67,3 65,5

66,4

10

68,7

68,7

68,7

Alumínio puro

31,25

17,2 28,4

22,8

10

75,7

85,1

80,4

Latão (Cu-Zn)

31,25

84,4 92,6

88,5

10

105

108

106,5

Tanto nas medições de dureza Brinell quanto Vickers, nota-se que os valores entre as duas medições feitas em cada método para se obter a média de dureza apresentaram poucas diferenças. Essas diferenças podem ter ocorrido por ajuste incorreto do foco do microscópio, por erros de leitura ao medir os diâmetros e as diagonais de impressão, velocidade da carga aplicada, contagem incorreta de tempo de aplicação de carga já que o tempo foi contado mentalmente pelo operador, entre outros possíveis erros de operação. Estes erros de medida e/ou de aplicação de carga, podem alterar muito os valores reais de dureza. Nota-se também que as diferenças entre os dois valores medidos em cada método tiveram tendência a aumentar para materiais mais moles. Uma possível razão para tais diferenças deve-se ao fato de que podem ocorrer deformações no contorno da impressão em alguns materiais, principalmente materiais moles. Quanto a comparação entre os resultados de dureza Brinell e Vickers, vale ressaltar que é normal e esperado que apresentem diferenças nos valores, já que as durezas medidas são apenas relativas (ao invés de absolutas), e deve-se tomar cuidado ao se comparar valores determinados segundo técnicas diferentes. Uma maneira de compará-las, seria por meio de uma tabela de

conversão de durezas. Por exemplo 236 HB equivalem a 238 HV (Segundo tabela consultada, fornecida por Metalúrgica Vera [7]). Também foi possível observar que materiais como aços apresentaram uma maior dureza comparados aos metais não ferrosos, como as ligas de alumínio, o alumínio puro e o latão. Tabela 4 - Apresentação dos resultados conforme norma

MATERIAL

DUREZA BRINELL

DUREZA VICKERS

Aço 1060 Aço 1045 Aço 1020

234 HB 2,5/187,5/15 236,5 HB 2,5/187,5/15 172 HB 2,5/187,5/15

237 HV 40/10 247,5 HV 40/10 169,5 HV 40/10

Aço 1045 recozido Aço 1020 recozido

191 HB 2,5/187,5/15 136,5 HB 2,5/187,5/15

173 HV 40/10 135,5 HV 40/10

Liga AA7050 Liga AA2024

169 HB 2,5/62,5/15 161,5 HB 2,5/62,5/15

173,5 HV 20/10 166 HV 20/10

Liga AA356 Alumínio puro Latão (Cu-Zn)

66,4 HB 2,5/31,25/15 22,8 HB 2,5/31,25/15 88,5 HB 2,5/31,25/15

68,7 HV 10/10 80,4 HV 10/10 106,5 HV 10/10

Quanto a Tabela 4, vale ressaltar que como o tempo de aplicação de carga foi de 15 segundos para o método Brinell e 10 segundos para o método Vickers, estes valores não teriam a necessidade de serem representados. 5.

CONCLUSÃO

Ambos testes se apresentaram relativamente simples e baratos de serem aplicados. O proced...