5 maneiras de medir a dureza dos materiais

A dureza não é definida por nenhuma escala universal ou unidade de medida. Existem vários testes disponíveis para avaliar essa propriedade, cada um com seu conjunto exclusivo de vantagens e desvantagens.

A dureza do material é definida como a resistência de um material específico à deformação plástica localizada ou indentação. O termo também pode ser usado para descrever a resistência do material a arranhões, abrasão ou corte. Com relação aos metais, a dureza é mais comumente usada para avaliar sua capacidade de resistir à deformação permanente devido a cargas aplicadas concentradas. Quanto maior a dureza do metal, maior sua capacidade de manter sua forma na presença de forças externas.

A dureza dos metais é altamente dependente de outros parâmetros, como rigidez, resistência, deformação, ductilidade e resistência ao escoamento. Conhecer a dureza de um metal é extremamente útil, pois ajuda na seleção de materiais apropriados para aplicações específicas. O conhecimento prévio do grau de dureza de um metal ajuda a avaliar a facilidade com que o metal pode ser usinado ou como ele se comportará em operação. (Para saber mais sobre como a seleção adequada de materiais pode prevenir a corrosão, leia Controlando a Corrosão Aprimorando o Projeto.)

métodos de teste de dureza

Ao contrário de outras propriedades de materiais bem definidas, não existe uma escala padrão para medir a dureza. Os materiais são testados usando vários métodos, com cada teste expressando dureza usando sua própria escala definida arbitrariamente. Neste artigo, exploraremos cinco dos métodos de teste mais comuns para medir a dureza de um material, como eles diferem e em quais situações são mais adequados.

teste de dureza Brinell

O teste de dureza Brinell envolve a medição do diâmetro da indentação causada por uma força concentrada constante aplicada por um indentador esférico de aço ou carboneto em uma amostra de teste. O penetrador de esfera de aço é primeiro colocado em contato com o material antes que uma força constante seja aplicada e mantida por 10 a 15 segundos, conhecido como tempo de permanência. Uma vez concluído o tempo de permanência, o penetrador esférico é removido, deixando uma indentação arredondada na amostra.

A dureza Brinell é calculada usando a seguinte fórmula:

Dureza Brinell, HB = Força de teste aplicada em quilograma-força (kgf) ÷ Área da superfície de penetração (mm2)

Este método de teste de dureza faz o entalhe mais largo e profundo dos 5 métodos de teste mencionados neste artigo, permitindo que o teste seja realizado em uma área de superfície maior da amostra. Isso fornece médias de teste de dureza em uma área de superfície mais ampla do material, o que tem a vantagem de levar em conta irregularidades de superfície e grãos no metal. No entanto, o teste de dureza Brinell é mais lento do que outros métodos de teste e deixa uma grande impressão permanente na amostra de teste.

O teste de Brinell é descrito em ASTM E10 - 18 (Método de Teste Padrão para Dureza Brinell de Materiais Metálicos).

Teste de dureza Rockwell

O teste de dureza Rockwell avalia a dureza de um material medindo a profundidade permanente da indentação devido a uma carga concentrada aplicada. Quanto maior o número na escala de dureza Rockwell, mais duro é o material. O teste é realizado aplicando uma força inferior a 10 kg usando um cone de diamante ou um penetrador de esfera de aço na superfície do material. A profundidade da reentrância desta carga preliminar é registrada e usada como ponto de referência.

Uma carga principal especificada é então aplicada por um tempo de permanência especificado, o que sangra ainda mais a amostra de teste. A diferença entre a posição de referência e a profundidade do entalhe devido à carga principal é calculada e registrada como a profundidade permanente do entalhe.

Figura 1. Um operador realizando um teste de dureza Rockwell. (Fonte: Departamento de Transporte de Arkansas).

A dureza Rockwell é calculada usando a seguinte fórmula:

Dureza Rockwell, HRC = (0,2 - profundidade de indentação permanente (mm)) x 500

O teste de dureza Rockwell foi desenvolvido para ser menos destrutivo e mais econômico que o teste Brinell. Medir a dureza usando profundidades diferenciais ajuda a eliminar erros devido a imperfeições da superfície. Além disso, o valor da dureza pode ser lido sem equipamento óptico adicional, tornando-o um dos métodos de teste de dureza mais comuns.

O teste de Rockwell é descrito em ASTM E18 - 20 (métodos de teste padrão para dureza Rockwell de materiais metálicos).

Teste de dureza Vickers

O teste de dureza Vickers envolve o uso de um penetrador piramidal de base quadrada de 4 lados, com uma força constante definida com precisão no corpo de prova para avaliar a área da superfície do recuo. A amostra é primeiro levantada até entrar em contato com o penetrador. O penetrador então aplica a força de teste à amostra de teste, aumentando lentamente até atingir seu valor especificado. Essa força é então mantida pelo tempo de residência apropriado e a área da superfície do losango ou da indentação quadrada é calculada.

A dureza Vickers do material é encontrada usando a seguinte fórmula:

Dureza Vickers, HV = Força de teste aplicada em quilograma-força (kgf) ÷ Área da superfície de penetração (mm2) ou, HK = 1,854 x (F/D2)

Ao usar um penetrador em forma de diamante em vez de uma esfera (como nos testes de dureza Brinell e Rockwell), o teste de dureza Vickers pode ser realizado com menos força e atingir um nível mais alto de precisão. Ao aumentar a área de superfície do metal de teste, o teste pode ser usado para atingir composições microestruturais como martensita ou bainita. Como o teste de dureza Vickers requer o uso de equipamento óptico e de medição e preparação de material, o custo tende a ser maior do que outros testes de dureza e também pode levar mais tempo para ser concluído em comparação com o teste Rockwell.

Os testes de Vickers e Knoop são descritos em ASTM E92-17 (Métodos de teste padrão para dureza Vickers e dureza Knoop de materiais metálicos).

Figura 2. Vídeo de um operador realizando um teste de dureza Vickers.

Teste de dureza Knoop

O teste de dureza Knoop é muito semelhante ao teste de dureza Vickers em que um indentador em forma de diamante/pirâmide é aplicado ao material de teste por um tempo de permanência especificado. No entanto, o penetrador Knoop é um diamante alongado, permitindo testar materiais frágeis e camadas finas sem rachar.

O penetrador Knoop tem uma diagonal principal que é aproximadamente três vezes maior que a diagonal Vickers e penetra no material até aproximadamente metade da profundidade do teste Vickers, tornando-o mais adequado para testar materiais frágeis, como cerâmica.

O teste de dureza Knoop cria um entalhe romboédrico, com uma diagonal sete vezes maior que a outra.

A dureza Knoop é calculada usando a seguinte fórmula:

Dureza Knoop, HK = Força de teste aplicada em quilograma-força (kgf) ÷ Área da superfície de indentação (mm2) ou HK = 14,229 x (F/D2)

Teste de dureza de Mohs

O teste de dureza de Mohs, ao contrário dos testes mencionados acima, não envolve a aplicação de uma força através de um penetrador. Este teste mede a dureza relativa de um material, definindo o quão bem ele resiste a arranhões por outras substâncias. Desenvolvido pelo geólogo e mineralogista alemão Friedrich Mohs, a dureza de um material é determinada observando se sua superfície pode ser riscada por outro material de dureza conhecida.

Valores numéricos são atribuídos a essa propriedade classificando os minerais em uma escala de dureza (a escala de Mohs) composta por 10 minerais. Quanto maior o número na escala, mais duro é o mineral. Por exemplo, se uma substância de dureza desconhecida for arranhada por ortoclásio, mas não por apatita, sua dureza de Mohs estará entre 5 e 6.

Os incrementos de dureza na escala de dureza de Mohs são altamente arbitrários e não lineares ou proporcionais. É por esta razão que este teste é usado principalmente para determinar apenas a dureza relativa de minerais e não é usado em outros materiais, como metais.

O teste de Mohs é descrito em ASTM C1895 - 20 (Método de Teste Padrão para Determinação da Dureza Mohs Scratch).

Figura 3. Comparação entre as escalas de dureza Mohs e Knoop. (Fonte: Eurico Zimbres, CC BY-SA 2.5, via Wikimedia Commons)

Que nós aprendemos

Não existe uma medida, escala ou unidade universal para definir a dureza dos materiais. Existem vários testes (alguns descritos aqui e outros incluídos no artigo 3 Tipos essenciais de testes de destruição de materiais), cada um dos quais define a dureza com sua própria escala arbitrária. Conhecer as vantagens e desvantagens de cada ensaio é fundamental para determinar qual método é o mais adequado para o material a ser testado.

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