Partilhar artigo:

Dureza e teste de dureza em comparação

Uma ampla variedade de matérias-primas e materiais auxiliares são usados em aplicações industriais. O conhecimento abrangente das suas propriedades materiais é um pré-requisito absoluto para usar essas matérias-primas para uma aplicação definida em ambientes técnicos. Os testes de dureza são uma forma de determinar propriedades básicas do material, tais como dureza/dutilidade e resistência de um material, tal como aço. A dureza desempenha um papel fundamental na caracterização e controlo de qualidade dos materiais. A dureza de um aço fornece informações sobre suas propriedades mecânicas, resistência ao desgaste e adequação para aplicações específicas. Neste contexto, foram desenvolvidos vários métodos e escalas de teste de dureza para determinar e classificar com precisão a dureza do aço. Este artigo fornece uma visão geral dos métodos de teste de dureza comuns e descreve um possível procedimento de medição da dureza. Uma tabela de comparação da dureza permite uma comparação dos valores determinados por métodos individuais.

Vários testes de dureza em comparação

Os testes de dureza são fundamentais para a caracterização e controlo de qualidade dos produtos de aço. Existem vários testes de dureza, por exemplo, de acordo com Brinell, Rockwell, Shore e Vickers. O método mais comum é o teste de dureza de acordo com a Rockwell.

Equipamento de ensaio de dureza
Equipamento de ensaio de dureza

Dureza de Brinell

O teste de dureza de Brinell foi o primeiro método que conseguiu calcular diretamente os valores. A superfície do material em teste é comprimida a uma força de teste específica (F) usando um corpo de teste de dureza esférica feito de carboneto de tungsténio. O diâmetro (d) da impressão é então medido normalmente. O módulo é calculado da seguinte forma:

HBW=\frac{2F \times 0,102}{\Pi \times D \times ({D}-\sqrt{D^{2}-d^{2}})}
  • D = Diâmetro da esfera
  • d = Diâmetro da impressão
  • F = Força de teste
  • Fator de conversão 0,102 = Anteriormente, a antiga unidade de medição kilopond (kp) era especificada para durezas. Isto já não é usado hoje e o fator de conversão é usado para determinar um valor em Newton (1 kp corresponde a 9,81 N)

Na prática, no entanto, a dureza é especificada no dispositivo de medição e não tem de ser calculada. Isto aplica-se a todos os procedimentos.

O método de teste de dureza de acordo com a norma Brinell é padronizado em DIN EN ISO 6506-1. A força de teste a ser aplicada pode ser lida em tabelas. Regra geral, a impressão da esfera de teste deve ser o mais grande possível para detetar o maior número possível de componentes constituintes.

O teste de dureza Brinell é adequado para materiais moles a médios-duros cuja dureza não seja superior a 650 HBW. Também é independente da carga.

Dureza de Vickers

O método de teste de dureza de Vickers é semelhante ao método de Brinell. Foi desenvolvido a partir do facto de o método de teste Brinell ser adequado para materiais moles e médios-duros, mas não para materiais muito duros. Em vez de uma esfera de carboneto, é aqui utilizada uma pirâmide de diamante com uma superfície de base quadrada e um ângulo de abertura de 136° entre as pontas. O ângulo foi escolhido para garantir comparações com as durezas de Brinell.

A forma do corpo penetrante permite a aplicação de forças elevadas (alumínio em aço). Uma espessura mínima da amostra de teste Smin é um pré-requisito para o procedimento. A amostra tem de ter pelo menos 1,5 x o comprimento médio da impressão diagonal (1,5 x d) para que a sonda não penetre na placa da amostra. Aqui também, padrões como DIN EN ISO 6507-1 fornecem as distâncias mínimas entre os pontos de teste ou impressões e a borda da amostra para que os resultados não sejam falsificados por deformação. Por exemplo, a dureza de Vickers é indicada da seguinte forma: 210 HV 40/30 (força de teste/duração de retenção do teste). Pode ser calculada utilizando a seguinte fórmula:

HV=\frac{2F \times sin \frac{136}{2}}{d^{2}} \times 0.102

O valor d2 é calculado a partir do comprimento da primeira diagonal d1 e da segunda diagonal d2, também se referem à área realçada na figura abaixo. O valor para d tem de ser calculado num primeiro passo:

d=\frac{d_1+d_2}{2}

d2 é então calculado da seguinte forma:

d^{2}= d \times d
Ensaio de dureza segundo Vickers
Ensaio de dureza segundo Vickers

Dureza de Rockwell

A dureza da Rockwell é, por exemplo, determinada semelhante ao método de Brinell com uma esfera de aço ou semelhante ao método de Vickers com um cone de diamante com ângulos de 120°. A profundidade de penetração e não o diâmetro da impressão é considerada como parâmetro. Dependendo do método, a dureza da Rockwell é especificada em HRA, HRB, HRC ou HRF, onde HR se refere ao teste de dureza da Rockwell e a letra representa o método. A amostra de teste é colocada sob carga com uma força da seguinte forma:

  • Rockwell A: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Cone de diamante, profundidade de referência de 0,2 mm - para materiais muito duros e carbonetos)
  • Rockwell B: Fv= 98,07 N, FZ = 882,6 N
    (Esfera de carboneto, profundidade de referência de 0,2 mm – para materiais de dureza média, por exemplo, aço e latão)
  • Rockwell C: Fv= 98,07 N, FZ = 1373 N
    (Cone de diamante, profundidade de referência 0,2 mm - para aços endurecidos)
  • Rockwell F: Fv= 98,07 N, FZ = 490,3 N
    (Esfera de carboneto, profundidade de referência de 0,26 mm - para chapa fina de metal, cobre macio ou latão macio)

O procedimento de teste pode ser o seguinte:

Procedimento de ensaio segundo Rockwell
Procedimento de ensaio segundo Rockwell

No primeiro passo (1), o indentador é carregado com a força pré-teste (Fv) e penetra um pouco na amostra (plano de referência - - - linha). No segundo passo (2), a força de teste adicional (FZ) é exercida adicionalmente, e a força de teste total agora atua na amostra. No último passo (3), a força de teste adicional é removida novamente e a profundidade de penetração permanente (h) pode agora ser medida.

A fórmula para o cálculo com cone de diamante é a seguinte:

HRC, HRA = 100 - \frac{h}{S}

S corresponde à classificação da escala no comparador (normalmente 100 segmentos de escala correspondem a 0,002 mm).

A fórmula para calcular com uma esfera de carboneto é a seguinte:

HRB, HRF = 130 - \frac{h}{0.002}

Qual escala da Rockwell é selecionada e dependendo de: Dureza do material, espessura da peça de trabalho, qualquer superfície endurecida (como endurecimento da nitração). O cone de diamante é utilizado principalmente para aço temperado ou endurecido e a esfera de aço é utilizada principalmente para materiais mais macios. Encontrará corpos adequados que penetram diamante na loja MISUMI.

Dureza de Shore

Os testes de dureza da costa são utilizados principalmente para materiais elásticos, como borrachas, plásticos, géis ou espumas. Aqui também, uma amostra de teste especializada é pressionada contra o material com uma força definida. A profundidade de penetração representa a escala. Existem seis escalas diferentes:

  • Shore 00: para materiais muito macios como silicone, géis.
  • Shore 0: para materiais macios mas ligeiramente mais duráveis.
  • Shore A: para materiais elásticos médios-duros (por exemplo, borracha natural, elastómeros sintéticos, plásticos flexíveis, borrachas macias)
  • Shore B: para materiais elásticos com maior rigidez (por exemplo, compostos de borracha dura)
  • Shore C: para materiais mais duros (por exemplo, elastómeros termoplásticos, plásticos duros, borrachas endurecidas)
  • Shore D: para elastómeros e termoplásticos resistentes, como PPOM (polioximetileno), PE (polietileno) e PA (poliamidas)

A dureza de Shore A e Shore D são relevantes para a maioria dos casos de utilização industrial.

A dureza de Shore pode, por exemplo, ser medida com um durómetro. Este último é premido manualmente contra o objeto em teste e, em seguida, apresenta o valor correspondente. Note que os durómetros apresentam valores de apenas uma escala de Shore cada, ou seja, existem durómetros de Shore A, etc. Os durómetros também estão disponíveis na nossa loja MISUMI.

Exemplo de durómetro
Exemplo de durómetro

Conversão de dureza

O teste de dureza utilizado como norma não é obrigatório. Por conseguinte, diferentes indústrias e laboratórios utilizam diferentes métodos de medição. Para comparar os diferentes níveis de dureza, a norma DIN EN ISO 18265, por exemplo, fornece uma tabela de comparação de dureza para aço não ligado e de baixa liga e aço fundido:

Tabela de conversão de dureza (SAEJ417) -revisão de 1983 - Conversão aproximada dos valores de dureza C de Rockwell para aço (*1)
(HRC)
Escala de dureza C de Rockwell		 (HV)
Dureza de Vickers		 Dureza de Brinell (HB)
Esfera de 10 mm, carga 3000 kgf		 Dureza de Rockwell (*3) Penetrador de cone de diamante rígido Rockwell (Hs)
Dureza de Shore		 Resistência à tração (valor aproximado)
MPa
(kgf/mm2)(*2)		 Dureza de Rockwell
Escala C
(*3)
Esfera padrão esfera de carboneto de tungsténio (HRA)
Escala A,
Carga 60 kgf,
Cone de diamante
Penetrador		 (HRB)
Escala A,
Carga 100 kgf,
Dia. 1.6 mm
Esfera (1/16 pol,)		 (HRD)
Escala A,
Carga 100 kgf,
Penetrador de cone de diamante		 Escala de
15-N,
Carga 15 kgf		 Escala de
30-N,
Carga 30 kgf		 Escala de
45-N,
Carga 45 kgf
68 940 − − 85.6 − 76.9 93.2 84.4 75.4 97 − 68
67 900 − − 85 − 76.1 92.9 83.6 74.2 95 − 67
66 865 − − 84.5 − 75.4 92.5 82.8 73.3 92 − 66
65 832 − (739) 83.9 − 74.5 92.2 81.9 72 91 − 65
64 800 − (722) 83.4 − 73.8 91.8 81.1 71 88 − 64
63 772 − (705) 82.8 − 73 91.4 80.1 69.9 87 − 63
62 746 − (688) 82.3 − 72.2 91.1 79.3 68.8 85 − 62
61 720 − (670) 81.8 − 71.5 90.7 78.4 67.7 83 − 61
60 697 − (654) 81.2 − 70.7 90.2 77.5 66.6 81 − 60
59 674 − (634) 80.7 − 69.9 89.8 76.6 65.5 80 − 59
58 653 − 615 80.1 − 69.2 89.3 75.7 64.3 78 − 58
57 633 − 595 79.6 − 68.5 88.9 74.8 63.2 76 − 57
56 613 − 577 79 − 67.7 88.3 73.9 62 75 − 56
55 595 − 560 78.5 − 66.9 87.9 73 60.9 74 2075 (212) 55
54 577 − 543 78 − 66.1 87.4 72 59.8 72 2015 (205) 54
53 560 − 525 77.4 − 65.4 86.9 71.2 58.5 71 1950 (199) 53
52 544 (500) 512 76.8 − 64.6 86.4 70.2 57.4 69 1880 (192) 52
51 528 (487) 496 76.3 − 63.8 85.9 69.4 56.1 68 1820 (186) 51
50 513 (475) 481 75.9 − 63.1 85.5 68.5 55 67 1760 (179) 50
49 498 (464) 469 75.2 − 62.1 85 67.6 53.8 66 1695 (173) 49
48 484 451 455 74.7 − 61.4 84.5 66.7 52.5 64 1635 (167) 48
47 471 442 443 74.1 − 60.8 83.9 65.8 51.4 63 1580 (161) 47
46 458 432 432 73.6 − 60 83.5 64.8 50.3 62 1530 (156) 46
45 446 421 421 73.1 − 59.2 83 64 49 60 1480 (151) 45
44 434 409 409 72.5 − 58.5 82.5 63.1 47.8 58 1435 (146) 44
43 423 400 400 72 − 57.7 82 62.2 46.7 57 1385 (141) 43
42 412 390 390 71.5 − 56.9 81.5 61.3 45.5 56 1340 (136) 42
41 402 381 381 70.9 − 56.2 80.9 60.4 44.3 55 1295 (132) 41
40 392 371 371 70.4 − 55.4 80.4 59.5 43.1 54 1250 (127) 40
39 382 362 362 69.9 − 54.6 79.9 58.6 41.9 52 1215 (124) 39
38 372 353 353 69.4 − 53.8 79.4 57.7 40.8 51 1180 (120) 38
37 363 344 344 68.9 − 53.1 78.8 56.8 39.6 50 1160 (118) 37
36 354 336 336 68.4 -109 52.3 78.3 55.9 38.4 49 1115 (114) 36
35 345 327 327 67.9 -108.5 51.5 77.7 55 37.2 48 1080 (110) 35
34 336 319 319 67.4 -108 50.8 77.2 54.2 36.1 47 1055 (108) 34
33 327 311 311 66.8 -107.5 50 76.6 53.3 34.9 46 1025 (105) 33
32 318 301 301 66.3 -107 49.2 76.1 52.1 33.7 44 1000 (102) 32
31 310 294 294 65.8 -106 48.4 75.6 51.3 32.7 43 980 (100) 31
30 302 286 286 65.3 -105.5 47.7 75 50.4 31.3 42 950 (97) 30
29 294 279 279 64.7 -104.5 47 74.5 49.5 30.1 41 930 (95) 29
28 286 271 271 64.3 -104 46.1 73.9 48.6 28.9 41 910 (93) 28
27 279 264 264 63.8 -103 45.2 73.3 47.7 27.8 40 880 (90) 27
26 272 258 258 63.3 -102.5 44.6 72.8 46.8 26.7 38 860 (88) 26
25 266 253 253 62.8 -101.5 43.8 72.2 45.9 25.5 38 840 (86) 25
24 260 247 247 62.4 -101 43.1 71.6 45 24.3 37 825 (84) 24
23 254 243 243 62 100 42.1 71 44 23.1 36 805 (82) 23
22 248 237 237 61.5 99 41.6 70.5 43.2 22 35 785 (80) 22
21 243 231 231 61 98.5 40.9 69.9 42.3 20.7 35 770 (79) 21
20 238 226 226 60.5 97.8 40.1 69.4 41.5 19.6 34 760 (77) 20
(18) 230 219 219 − 96.7 − − − − 33 730 (75) (18)
(16) 222 212 212 − 95.5 − − − − 32 705 (72) (16)
(14) 213 203 203 − 93.9 − − − − 31 675 (69) (14)
(12) 204 194 194 − 92.3 − − − − 29 650 (66) (12)
(10) 196 187 187 − 90.7 − − − − 28 620 (63) (10)
(8) 188 179 179 − 89.5 − − − − 27 600 (61) (8)
(6) 180 171 171 − 87.1 − − − − 26 580 (59) (6)
(4) 173 165 165 − 85.5 − − − − 25 550 (56) (4)
(2) 166 158 158 − 83.5 − − − − 24 530 (54) (2)
(0) 160 152 152 − 81.7 − − − − 24 515 (53) (0)
Nota
(*1) Números destacados: Com base na ASTM E 140, Tabela 1 (coordenada conjuntamente por SAE, ASM e ASTM.)
(*2) As unidades e números apresentados entre parêntesis são resultados da conversão de números psi utilizando as tabelas de conversão da JIS Z 8413 e da Z 8438. 1 MPa = 1 N/mm2
(*3) Os números apresentados entre parêntesis estão em intervalos que não são normalmente utilizados. Servem apenas como informação.

Procedimento de medição da dureza

O procedimento de medição da dureza pode ser o seguinte: Antes do teste, a amostra deve ser preparada. Os contaminantes da superfície devem ser removidos por moagem e a amostra deve ser limpa. A amostra de teste é então colocada na placa de amostras e movida até ser alcançada a localização pretendida. É importante não testar demasiado perto da extremidade, uma vez que a deformação pode, de outra forma, levar a resultados falsificados. As óticas de inspeção podem ser utilizadas para detetar quando a posição está corretamente ajustada (a imagem torna-se nítida). A amostra de teste está agora presa paralelamente ao plano e o teste pode começar. A força de teste determinada é aplicada lentamente, mas de forma estável, acionando a alavanca. Idealmente, o valor final é alcançado entre 2 e 8 segundos e é então mantido durante um máximo de 15 segundos. A alavanca é então suavemente empurrada para trás para remover a pressão.

Equipamento de ensaio clássico
Equipamento de ensaio clássico

No entanto, tais medições são muito impraticáveis na vida quotidiana, uma vez que a dureza é, por vezes, também verificada no local diretamente no material. Para este fim, existem também dispositivos de medição móveis para utilização direta no local:

Medição de dureza diretamente na peça
Medição de dureza diretamente na peça

Aplicabilidade de vários testes de dureza

A tabela seguinte compara os procedimentos:

Procedimento de teste para teste de dureza
Procedimento de teste (padrão) Materiais aplicáveis Variáveis de determinação Propriedades Comentários
Dureza de Brinell
(DIN EN ISO 6506-1)		 Materiais macios a médio duros

por exemplo, Metais não ferrosos, materiais heterogéneos, metais macios, aços recozidos macios		 Força de teste F em N
Diâmetro da esfera em mm
Diâmetro da impressão em mm		 - adequado para materiais heterogéneos e porosos, como ferro fundido cinzento ou produtos forjados, uma vez que a indentação é grande.
- não adequado para amostras pequenas ou finas
- não adequado para materiais duros e muito duros		 JIS Z 2243
Dureza de Rockwell
(DIN EN ISO 6508-1)		 com esfera de teste: Plásticos, carbono e metais macios a médio duros

com cone de diamante (HRC):materiais duros a muito duros		 Força de teste F em N
Profundidade de penetração do respetivo corpo de prova em mm de acordo com o método
(HRA, HRB, HRC, HRF)		 - o valor da dureza pode ser determinado rapidamente.
- adequado para uma inspeção interina de produtos já acabados
- devem ser considerados vários tipos de dureza de Rockwell		 JIS Z 2245
Dureza de Shore
(DIN EN ISO 7619-1)		 Elastómeros ou elastómeros termoplásticos

por exemplo, espumas, borracha, plásticos macios, médios a duros

Força de teste F em N
Profundidade de penetração do respetivo corpo de prova de acordo com a escala
(Shore 00, Shore 0, Shore A, Shore B, Shore C, Shore D)		 - fácil de realizar
- os dados podem ser determinados rapidamente
- o material a ser testado tem de ter uma superfície nivelada e lisa
- o material a ser testado tem de ser armazenado a uma temperatura padronizada
- a temperatura e humidade ambiente têm de ser mantidas constantes e têm de ser considerados os tempos de espera
- o entalhe é pequeno e adequado para testes de produtos já acabados
- compacto e leve, portátil
- as escalas utilizam diferentes pinos e forças de pressão		 JIS Z 2246
Dureza de Vickers
(DIN EN ISO 6507-1)		 Materiais macios, médios, duros a muito duros (metais e cerâmica)

por exemplo, materiais com uma camada endurecida por têmpera por indução, carbonização, nitração, revestimento galvânico ou cerâmico, etc.		 Força de teste F em N
Média aritmética das 2 diagonais de impressão em mm
- o entalhe é feito de diamante e pode assim testar materiais de qualquer dureza
- não adequado para material poroso
necessária uma microestrutura homogénea
 JIS Z 2244

Independentemente do procedimento que escolher: A loja MISUMI tem uma gama de manómetros de dureza.

Dureza do aço

O grau de dureza do aço indica o grau de resistência do material à deformação ou penetração do plástico. É uma medida da dureza (contra a penetração de um corpo) ou resistência (contra falhas ou deformações irreversíveis) do aço. Diferentes níveis de dureza do aço podem ser alcançados através de tratamentos térmicos intencionais. Uma nova estrutura com as propriedades desejadas é criada através da relocalização, incorporação ou remoção de partículas de material:

  • Mudança de local: recozimento, temperamento, endurecimento, temperamento, cura
  • Incorporação: Carburante, nitretação
  • Remoção: Descarburante (Temperar)

O impacto de diferentes durezas de aço

O tipo de liga na sua composição mais fina influencia diretamente as capacidades dos processos de endurecimento. Os utilizadores devem sempre pesar entre a dureza e a dutilidade. A respetiva capacidade de endurecer diferentes tipos de aço tem vantagens e desvantagens. Para encontrar o aço certo para a finalidade pretendida, estas capacidades devem, portanto, ser cuidadosamente pesadas. A dureza do aço pode ter as seguintes influências:

Impacto do aumento da dureza na dutilidade e maquinabilidade

A dureza do aço afeta a dutilidade e a maquinabilidade. A dutilidade descreve quão bem um material consegue suportar tensões (por exemplo, choque ou impacto súbito) sem falha.

O aço mais macio é mais dúctil do que o aço mais duro. Por conseguinte, é mais fácil deformar e trabalhar. O aço mais duro, por outro lado, é quebradiço e quebra mais rapidamente sob cargas elevadas. Ao mesmo tempo, no entanto, é mais resistente à abrasão e penetração.

A figura seguinte fornece uma visão geral da dureza, dutilidade e interação de ambos em diferentes tipos de aço:

Aço estrutural (aço para estruturas de aço) Dureza - + Resistência Aço carbono (aço de trabalho frio não ligado), aço de construção de máquinas, aço temperado Aço (liga alta), aço para ferramentas para trabalho a frio, aço para ferramentas para trabalho a quente HSS (aço de alta velocidade) + -

Interação de dureza e dutilidade

Enquanto a dureza do lado esquerdo diminui em direção ao aço estrutural, a dutilidade do lado direito aumenta ao mesmo tempo.

A dureza do aço também influencia a seleção da ferramenta. O aço mais duro leva a um desgaste mais rápido da ferramenta. Os sinais típicos de desgaste são o aspeto baço ou danos na lâmina. Além disso, ao maquinar aço endurecido, as condições de corte podem ter de ser ajustadas, por exemplo, velocidades de corte reduzidas. Além de ajustar a velocidade de corte e as condições de corte, é necessário utilizar ferramentas de fresagem e corte específicas, dependendo da dureza do aço. Para este fim, a loja MISUMI oferece uma vasta gama de ferramentas para processos de maquinação.