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 (HB),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 (σu) pode estar relacionada à sua dureza de Brinell (HB) 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.
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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!
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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.
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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.
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