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Teste de dureza rockwell e o efeito do tratamento no aço

Rockwell Hardness Test and the Effect of Treatment on Steel

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Rockwell Hardness Test and the Effect of Treatment on Steel

5.4: Charpy Impact Test of Cold Formed and Hot Rolled Steels Under Diverse Temperature Conditions

5.6: Buckling of Steel Columns

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08:01 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Roberto Leon, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

O teste de dureza é um dos testes mecânicos mais universalmente valiosos disponíveis para os engenheiros, pois é simples e relativamente barato para a riqueza de informações e dados que produz. O teste de dureza, geralmente na forma de um teste de penetração superficial, é mais rápido e menos destrutivo do que o teste de tração. Dureza fornece uma relação linear com a resistência à tração sobre uma ampla gama de pontos fortes para muitos materiais, como o aço. Testes de dureza são empíricos, em vez de derivados da teoria, pois os resultados confundem efeitos de muitas propriedades diferentes de materiais (módulo de Young, força de rendimento, etc.).

Dureza é uma característica de um material usado para descrever quanta deformação plástica (rendimento) que um material sofrerá quando uma força conhecida é aplicada). Pode-se caracterizar dureza em três maneiras: arranhão, recuo e dureza rebote. Um exemplo inicial comum de um teste de dureza (arranhão) é a escala de Mohs (1820), derivada de minerais, e na qual talco tem um valor de 1 e diamante um valor de 10. Em testes de recuo usando a abordagem Rockwell, pequenos recuos são usados com cargas diferentes. Os mais comuns são o Rockwell Hardness B (HRB), que usa um indenter de bola de aço endurecido de 1/16 em, juntamente com um peso de 100 kg, e o Rockwell Hardness C (HRC), que usa um indenter de cone de diamante junto com um peso de 150 kg. Os testes de HRB são realizados para materiais com dureza de baixa gama, como alumínio, latão e aços macios, enquanto os testes hrc são usados para materiais com dureza de alta gama, como aços mais duros. Pesos menores (15 a 45 kg) são usados para o teste de dureza superficial rockwell, como o HR15W, que usa uma bola de aço de 1/8 in. com um peso de 15 kg. Com sua carga mais baixa e impressão rasa, um teste superficial de dureza Rockwell é ideal para materiais muito finos ou quebradiços. Um exemplo de teste de rebote é o martelo de Schmidt, usado para medir a força do concreto. Neste teste, uma massa de aço é disparada na superfície com uma força conhecida e o rebote da bola é medido. Em todos os tipos de testes de dureza, é imprescindível realizar calibrações extensivas se resultados confiáveis forem obtidos.

Para este experimento, examinaremos o teste de dureza rockwell, que mede a dureza do recuo de alumínio não tratado e tratado térmico.

Principles

Existem vários métodos comuns para medir a dureza, que incluem brinell (H_B),Vickers (V), Knoop (K) e testes de dureza de costa. Cada um desses métodos utiliza um penetrador, seja na forma de uma esfera (Brinell), cone (Rockwell), ou pirâmide de diamante (Vickers, Knoop e Rockwell), para fazer uma recuo na superfície de um metal, que é então medido opticamente ou por leitura direta. O teste de dureza da costa geralmente mede a penetração na superfície de plásticos ou outros polímeros. O teste de dureza brinell foi o primeiro teste de dureza introduzido e é um método robusto para cargas de alto teste utilizando instrumentação rudimentar. Os testes de dureza vickers são benéficos quando se precisa olhar para a dureza sobre uma grande variedade de valores, pois pode medir da menor e mais alta dureza registrada. Testes de dureza knoop são valiosos para aplicações com amostras muito pequenas ou finas. No entanto, o teste de dureza rockwell é o mais popular, pois é muito mais rápido e barato, além de ser o único teste de dureza onde se pode ler diretamente a dureza sem o auxílio de uma ferramenta óptica.

Para este estudo, vamos focar no teste de dureza rockwell, como é definido no ASTM E-18. O típico testador Rockwell é mostrado em Fig. 1 e consiste em uma leitura e um sistema de alavanca para aplicar as cargas, que está escondida no espectador. Versões manuais e automatizadas dessas máquinas estão comumente disponíveis em laboratórios de testes.

Figura 1: Máquina de Testes Rockwell.

Quanto mais difícil o material, menor a profundidade de penetração, assim o valor correspondente de dureza rockwell será menor. A dureza Rockwell B e C são computadas como:

Os resultados de qualquer teste de dureza podem ser convertidos em outras escalas de dureza através de equações mais adequadas para conjuntos de dados extensos. No entanto, não há uma conversão linear discreta, e, portanto, os valores resultantes serão aproximações em vez de valores absolutos. Por exemplo, para materiais que não endurecem o trabalho sob a tensão do avião:

Fig. 2 mostra recuos típicos em um bloco de calibração, que geralmente é fornecido com a máquina de teste. Esses blocos precisam ser usados periodicamente para garantir que a máquina esteja funcionando corretamente.

Figura 2: Recuo no Bloco de Calibração.

Em geral, a resistência à tração de um material (σ_u) pode estar relacionada à sua dureza de Brinell (H_B) através de equações como:

Uma das maneiras pelas quais a força do material é alterada é através do tratamento térmico ou do rolamento frio. Em geral, o frio rolando através de rolos sucessivamente mais finos resultará em um material mais forte (e mais duro). Da mesma forma, nos aços, a taxa de resfriamento afeta significativamente a formação de estruturas martensíticas, que contribuem para o melhor desempenho mecânico. Estruturas martensíticas exibem a distinta estrutura cristalina do tetragonal centrado no corpo (BCT), onde os cristais são esticados para serem quadrados em ambas as extremidades, mas mais longos nas laterais, como uma lente, transmitindo assim grande dureza ao material.

Uma maneira de caracterizar o tratamento térmico é através de um teste de final de jominy (ASTM A225). Neste teste um espécime circular, 4 em. longo é aquecido uniformemente em um forno. Uma vez que tenha atingido a temperatura desejada de tal forma que a austenização completa tenha sido atingida (>900 °C), o espécime é resfriado com um jato de água em uma extremidade. Austenização é o processo pelo qual o aço é aquecido para mudar a estrutura cristalina de ferrite para austenita, um alotropo metálico, não magnético de ferro conhecido como ferro de fase gama.

A extremidade submetida ao jato de água esfriará significativamente mais rápido que a outra extremidade, resultando em diferentes estruturas martensíticas e, portanto, de diferentes dureza, ao longo do comprimento do espécime. Neste ponto, uma superfície plana rasa é moída ao longo do comprimento da amostra para permitir testes de dureza em uma superfície plana. A amostra de Jominy é útil para demonstrar o teste de dureza de Rockwell, mas deve-se tomar cuidado para não confundir os resultados dos testes de dureza com a endurecebilidade de um material que o teste de jominy final-saciar deve medir. A adequação destina-se a medir como a estrutura martensítica varia através da profundidade de um pedaço de material; dureza é uma maneira de caracterizar essa variação.

No teste típico de Rockwell C, uma carga preliminar é aplicada ao recuador, e uma profundidade de penetração inicial é medida. Este primeiro passo é estabelecer uma posição zero ou referência, a fim de mitigar quaisquer efeitos de variações na superfície do material. Em seguida, a carga principal é aplicada ao indenter. Finalmente, a pré-carga é removida e a profundidade de penetração final é medida. A diferença deste valor do valor inicial de pré-carga é então calculada em um valor de dureza.

Procedure

O procedimento a seguir é para a máquina manual mostrada na Fig. 1. O procedimento também é típico para outras máquinas.

Obtenha uma típica amostra de teste de jominy que foi submetida a tratamento de resfriamento de água.
Fixar a amostra na mesa da máquina de teste para que ela não se mova durante o teste.
Certifique-se de que a alavanca de seleção está na posição “Descarregamento”.
Usando a roda de ajuste sob o suporte, levante a amostra até que o contato com o recuador seja estabelecido (quando o contato é feito, a agulha no mostrador frontal começará a se mover ligeiramente).
Ajuste a gagem de discagem, de modo que a leitura inicial seja 0.
Aplique uma pré-carga continuando lentamente a girar o ajuste da tabela até que a gagem de discagem tenha passado por três curvas completas; pare quando a agulha voltar para 0.
Mova a alavanca lateral para a posição “Carregamento”.
Espere até que a agulha pare de se mover (5 a 10 s) e mova a alavanca de volta para “Descarregamento”.
Grave a dureza Rockwell C da leitura de gage dial.
Repita o teste ao longo do comprimento. O ASTM A255 especifica que as leituras devem ser tomadas em intervalo de 1/16 polegadas para a primeira polegada de 1/2 polegada e em intervalos de 1/8 polegadas para os próximos 1/2 in.

Teste de dureza é um teste simples e relativamente barato. Mais rápido e menos destrutivo do que os testes de tração, é considerado um dos testes mecânicos mais universalmente valiosos disponíveis para os engenheiros.

Os valores de teste de dureza são empíricos, e ainda assim os resultados fornecem uma correlação muito boa com a força do material sobre uma ampla gama de materiais. Quando uma força conhecida é aplicada em um teste de dureza, a quantidade de deformação plástica que o material sofre determina o valor da dureza.

Nos testes do tipo Rockwell, indenters carregados de vários tamanhos e formas medem dureza. Para este experimento, vamos medir e comparar a dureza do aço não tratado e tratado com calor usando o teste de dureza rockwell.

Vários métodos comuns para medir a dureza dos metais incluem Brinell, Vickers, Knoop e Rockwell dureza BNC. Cada um desses métodos utiliza um penetrador, seja na forma de uma esfera, um cone ou uma pirâmide de diamante.

Um recuo é feito na superfície de um metal e uma leitura de dureza é exibida. Desta lista, o teste de dureza rockwell é o mais popular para aços estruturais. Um testador rockwell manual padrão consiste em um sistema de alavanca para aplicar a carga e uma leitura analógica mostrando o número de dureza.

No teste típico de Rockwell, estabelece-se um ponto zero para explicar as variações de superfície, aplicando uma carga preliminar e medindo uma profundidade inicial de penetração. Em seguida, a carga principal é aplicada ao indenter. Finalmente, a carga é removida e a profundidade de penetração final é medida. O medidor de discagem na parte superior da máquina usa a diferença entre esses dois valores para exibir um valor de dureza Rockwell. Quanto mais difícil for o material, menos o indenter penetrará, resultando em um maior valor de dureza rockwell. Assim, os valores para a dureza Rockwell B e Rockwell C são baseados na profundidade da penetração e, portanto, as máquinas de teste são calibradas frequentemente usando blocos de teste de calibração para faixas específicas de dureza.

Os testes de dureza rockwell podem ser usados para avaliar como a força de um material é alterada através de processos como tratamento térmico ou rolamento frio. O rolamento frio tende a resultar em materiais mais fortes e mais difíceis. O tratamento térmico pode resultar em materiais mais macios através do aquecimento, mas estruturas mais duras através da sacienchamento.

Por exemplo, no Teste de Sátida de Extremidade Jominy, um espécime cilíndrico é aquecido uniformemente. Uma extremidade é então saciada com um fluxo de água. Alterações ao longo do comprimento do espécime da extremidade saciada até a extremidade não saciada podem ser vistas em valores de dureza, que são representativos de mudanças na microestrutura.

Na próxima seção, mediremos a dureza ao longo do comprimento de uma amostra de teste de teste de sátdia de jominy end para observar a transição do aço não tratado para o calor usando o teste de dureza rockwell.

Antes de começar, familiarize-se com a máquina de testes. A bigorna, que pode ser levantada ou abaixada pelo volante capstan, suporta uma amostra sob o fundo intercambiável.

Uma carga de teste é escolhida usando o seletor na lateral da máquina e é aplicada girando a alavanca de carga da posição de descarga para a posição de carregamento. As medições corretas de pré-carregamento e final são determinadas usando o medidor de discagem na parte superior da máquina.

Antes de inserir sua amostra de teste, confirme que o indenter do cone de diamante Rockwell C está instalado e a carga de teste é definida em 150 kg. Fixar o espécime na máquina com a superfície plana contra a bigorna. Para esta demonstração, usaremos um espécime jominy end que foi submetido a tratamento de resfriamento de água.

Mova a alavanca de carga para a posição de descarga e, em seguida, levante a bigorna para trazer o espécime para perto do indenter. Ajuste a posição da amostra para que o recuo esteja a um décimo sexto de polegada do final. Quando a posição estiver correta, proteja a amostra para que ela não se mova durante o teste. Agora, levante a amostra mais uma vez até que a agulha no mostrador frontal comece a se mover ligeiramente, indicando que o contato com o indenter está estabelecido.

Aplique a pré-carga continuando a levantar lentamente a amostra até que a agulha no mostrador tenha completado três voltas completas. Pare quando a agulha tiver completado a terceira curva. Ajuste o anel externo do medidor de discagem para que a leitura inicial seja zero. Em seguida, mova a alavanca de carga para a posição de carregamento para aplicar a carga de teste. A agulha se estabelecerá em um novo valor à medida que a carga for aplicada. Aguarde até que pare de se mover e mova a alavanca de carga de volta para a posição de descarga.

Grave a dureza Rockwell C do medidor de discagem e, em seguida, abaixe a bigorna para mover a amostra para longe do recuador. Repita este teste ao longo do comprimento da amostra. As diretrizes do ASTM-A255 especificam que as leituras devem ser tomadas em intervalos de um décimo sexto centímetro para a primeira meia polegada e em intervalos de uma oitava polegada para a próxima meia polegada.

Plote a dureza rockwell do espécime em função da posição ao longo do espécime. A dureza diminui claramente à medida que a distância da extremidade saciada aumenta.

O teste de dureza rockwell foi utilizado para mostrar que, devido à taxa de resfriamento, a mudança na estrutura interna do material afetou a dureza do material, o que por sua vez indica a força do material.

Agora que você aprecia o teste de dureza para sua facilidade de uso, vamos dar uma olhada em como ele é aplicado para garantir a qualidade dos produtos cotidianos.

Valores de dureza podem ser facilmente convertidos em valores de força usando gráficos derivados de equações empíricas. Como esperado, materiais mais macios têm valores de resistência mais baixos e materiais mais difíceis têm valores de resistência mais elevados. Por causa disso, valores de dureza podem ser usados no lugar de testes de tração mais caros para prever a força das coisas que usamos todos os dias.

Basta olhar ao redor de um churrasco de quintal, você verá muitos produtos que são considerados seguros devido a testes de dureza. Cadeiras de grama metálicas, grades na grelha sobre uma ampla gama de temperaturas, facas de aço endurecidas, e a escada da piscina de metal em condições aquáticas. Todos foram provavelmente dureza testada para garantir a segurança do consumidor.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE no teste de dureza rockwell. Agora você deve entender por que os testes de dureza são comumente usados, como realizar testes de dureza e como analisar os resultados obtidos.

Obrigado por assistir!

Results

Um resultado típico do teste de Rockwell em uma amostra de Jominy para um teste de RH C é mostrado no vídeo. A dureza diminui consideravelmente à medida que se afasta do final submetido ao jato de água. O valor do teste de dureza pode ser convertido em uma resistência à tração através de gráficos fornecidos pelo fabricante da máquina de teste. Os resultados mostram que o aço varia consideravelmente tanto em dureza quanto em força à medida que se afasta da extremidade saciada.

Applications and Summary

O teste de dureza é um dos principais testes para obter informações importantes de engenharia sobre um material. O teste de dureza rockwell é o método preferido de testes de dureza, pois elimina a necessidade de equipamentos ópticos avançados, mas em vez disso emprega equipamentos de laboratório básicos para medir com precisão, barato e rapidamente a dureza de um material. Mais importante, este método é facilmente traduzido e reprodutível entre laboratórios e pessoal de teste devido à sua relativa simplicidade. O procedimento exige que, após a leitura inicial em condições de pré-carregamento, aplique-se a carga principal e meça a mudança de posição a partir do valor inicial. Esse valor pode então ser calculado em um valor de dureza, que também pode ser transformado e aproximado a outras escalas de dureza por uma série de equações. O teste de dureza rockwell foi usado para mostrar como a taxa de resfriamento afeta a estrutura martensítica dos aços, e como a taxa de resfriamento resulta em materiais com pontos fortes significativamente diferentes.

Testes de dureza nos permitem utilizar materiais adequados que garantam alta qualidade de desempenho em seu uso. Todos os produtos que usamos em nossas vidas diárias foram testados para dureza. Considere que o seguinte cenário divertido é apenas um dos muitos exemplos diários sobre como o teste de dureza nos permite desfrutar de materiais úteis e seguros. Imagine que a infinidade de tempos teste de dureza foi usado para você jogar um churrasco no quintal para sua reunião familiar. As cadeiras de grama de metal certamente tiveram que ser testadas para ter certeza de que o metal era forte o suficiente, para que a tia Bessie não caísse no chão quando ela se sentou. As grades metálicas na grelha também tiveram que ser testadas em uma ampla gama de temperaturas (dado que sua mãe gosta de seu bife bem feito em alto calor) para garantir que eles não iriam fraturar ou dar quando inevitavelmente você deixou cair as pinças de grelhamento na grelha. As facas que você usa para cortar a carne são todas de aço endurecido também. Finalmente, a escada metálica na piscina teve que dureza testada em condições aquáticas para ter certeza de que quando seu primo mais novo tentou sair da piscina, ele não caiu de volta quando o metal falhou. Há muitos hambúrgueres salvos, pirralhos e cachorros-quentes, sem mencionar vidas humanas, graças aos testes de dureza.

Transcript

Hardness testing is a simple and relatively inexpensive test. Quicker and less destructive than tensile testing, it is considered one of the most universally valuable mechanical tests available to engineers.

Hardness testing values are empirical, and yet results provide a very good correlation with material strength over a wide range of materials. When a known force is applied in a hardness test, the amount of plastic deformation the material undergoes determines the hardness value.

In Rockwell-type testing, loaded indenters of various sizes and shapes measure hardness. For this experiment, we will measure and compare the hardness of untreated and heat-treated steel using the Rockwell hardness test.

Several common methods to measure the hardness of metals include Brinell, Vickers, Knoop, and Rockwell hardness BNC. Each of these methods utilizes a penetrator, either in the shape of a sphere, a cone, or a diamond pyramid.

An indentation is made into the surface of a metal and a hardness reading is displayed. Of this list, the Rockwell hardness test is the most popular one for structural steels. A standard manual Rockwell tester consists of a lever system to apply the load and an analog readout showing the hardness number.

In the typical Rockwell test, a zero point is established to account for surface variations by applying a preliminary load and measuring an initial penetration depth. Next, the major load is applied to the indenter. Finally, the load is removed and the final penetration depth is measured. The dial gauge on the top of the machine uses the difference between these two values to display a Rockwell hardness value. The harder the material is, the less the indenter will penetrate, resulting in a higher Rockwell hardness value. Thus, the values for Rockwell B and Rockwell C hardness are based on the depth of the penetration, and therefore the test machines are calibrated often using calibration test blocks for specific hardness ranges.

Rockwell hardness testing can be used to evaluate how the strength of a material is changed through processes such as heat treatment or cold rolling. Cold rolling tends to result in stronger, harder materials. Heat treating can result in softer materials through heating but harder structures through quenching.

For example, in the Jominy End Quench Test, a cylindrical specimen is heated uniformly. One end is then quenched with a stream of water. Changes along the length of the specimen from the quenched end to the unquenched end can be seen in hardness values, which are representative of changes in the microstructure.

In the next section, we will measure the hardness along the length of a steel Jominy End Quench Test specimen to observe the transition from untreated to heat-treated steel using the Rockwell hardness test.

Before you begin, familiarize yourself with the testing machine. The anvil, which can be raised or lowered by the capstan handwheel, supports a sample underneath the interchangeable indenter.

A test load is chosen using the selector on the side of the machine and is applied by turning the load lever from the unloading position to the loading position. Correct pre-loading and final measurements are determined using the dial gauge on the top of the machine.

Before inserting your test specimen, confirm that the Rockwell C diamond cone indenter is installed and the test load is set to 150 kilograms. Secure the specimen in the machine with the flat surface against the anvil. For this demonstration, we’ll use a Jominy End Quenched specimen that has undergone water cooling treatment.

Move the load lever to the unloading position, and then raise the anvil to bring the specimen close to the indenter. Adjust the specimen position so that the indenter is one-sixteenth of an inch from the end. When the position is correct, re-secure the specimen so that it will not move during testing. Now, raise the sample once again until the needle on the front dial begins to move slightly, indicating that contact with the indenter is established.

Apply the pre-load by continuing to slowly raise the specimen until the needle on the dial has completed three full turns. Stop when the needle has completed the third turn. Adjust the outside ring of the dial gauge so that the initial reading is zero. Then move the load lever to the loading position to apply the test load. The needle will settle to a new value as the load is applied. Wait until it stops moving and then move the load lever back to the unloading position.

Record the Rockwell C hardness from the dial gauge and then lower the anvil to move the sample away from the indenter. Repeat this test along the length of the specimen. The ASTM-A255 guidelines specify that readings should be taken at one-sixteenth inch intervals for the first half inch and at one-eighth inch intervals for the next half inch.

Plot the Rockwell hardness of the specimen as a function of position along the specimen. The hardness clearly decreases as distance from the quenched end increases.

The Rockwell hardness test was used to show that due to the rate of cooling, the change in internal structure of the material affected the hardness of the material, which in turn indicates the strength of the material.

Now that you appreciate the hardness test for its ease of use, let’s take a look at how it is applied to assure the quality of everyday products.

Hardness values can easily be converted to strength values using charts derived from empirical equations. As expected, softer materials have lower strength values and harder materials have higher strength values. Because of this, hardness values can be used in place of more costly tensile testing to predict the strength of things we use every day.

Just looking around at a backyard barbecue, you will see many products that are deemed safe due to hardness testing. Metal lawn chairs, grates on the grill over a wide range of temperatures, hardened steel knives, and the metal pool ladder in aquatic conditions. All were likely hardness tested to assure consumer safety.

You’ve just watched JoVE’s introduction to the Rockwell hardness test. You should now understand why hardness testing is commonly used, how to perform hardness testing, and how to analyze the results obtained.

Thanks for watching!