Baixe Aula 11: Dureza Brinell, Ensaios de Materiais (Telecurso 2000) e outras Notas de aula em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! 11 A U L A Ao escrever a lápis ou lapiseira, você sente com facilidade a diferença entre uma grafite macia, que desliza suavemente sobre o papel, e uma grafite dura, que deixa o papel marcado. Entretanto, a dureza de um material é um conceito relativamente complexo de definir, originando diversas interpretações. Num bom dicionário, você encontra que dureza é qualidade ou estado de duro, rijeza. Duro, por sua vez, é definido como difícil de penetrar ou de riscar, consistente, sólido. Essas definições não caracterizam o que é dureza para todas as situações, pois ela assume um significado diferente conforme o contexto em que é empregada: · Na área da metalurgia, considera-se dureza como a resistência à deforma- ção plástica permanente. Isso porque uma grande parte da metalurgia consiste em deformar plasticamente os metais. · Na área da mecânica, é a resistência à penetração de um material duro no outro, pois esta é uma característica que pode ser facilmente medida. · Para um projetista, é uma base de medida, que serve para conhecer a resistência mecânica e o efeito do tratamento térmico ou mecânico em um metal. Além disso, permite avaliar a resistência do material ao desgaste. · Para um técnico em usinagem, é a resistência ao corte do metal, pois este profissional atua com corte de metais, e a maior ou menor dificuldade de usinar um metal é caracterizada como maior ou menor dureza. · Para um mineralogista é a resistência ao risco que um material pode produzir em outro. E esse é um dos critérios usados para classificar minerais. Ou seja, a dureza não é uma propriedade absoluta. Só tem sentido falar em dureza quando se comparam materiais, isto é, só existe um material duro se houver outro mole. Introdução 11 U L A Dureza Brinell 11 A U L A É importante destacar que, apesar das diversas definições, um material com grande resistência à deformação plástica permanente também terá alta resistên- cia ao desgaste, alta resistência ao corte e será difícil de ser riscado, ou seja, será duro em qualquer uma dessas situações. Nesta aula você vai conhecer um dos métodos de ensaio de dureza mais amplamente utilizados: o ensaio de dureza Brinell. Saberá quais são suas vantagens e limitações e como é calculada a dureza de um material a partir deste tipo de ensaio. Vai ser duro? Nem tanto! Estude com atenção e faça os exercícios sugeridos. Avaliação da dureza: como tudo começou Há registros de que no século XVII já se avaliava a dureza de pedras preciosas, esfregando-as com uma lima. No século XVIII desenvolveu-se um método para determinar a dureza do aço, riscando-o com minerais diferentes. Mas o primeiro método padronizado de ensaio de dureza do qual se tem notícia, baseado no processo de riscagem, foi desenvolvido por Mohs, em 1822. Este método deu origem à escala de dureza Mohs, que apresenta dez minérios-padrões, ordenados numa escala crescente do grau 1 ao 10, de acordo com sua capacidade de riscar ou ser riscado. Esta escala não é conveniente para os metais, porque a maioria deles apresenta durezas Mohs 4 e 8, e pequenas diferenças de dureza não são acusadas por este método. Por exemplo, um aço dúctil corresponde a uma dureza de 6 Mohs, a mesma dureza Mohs de um aço temperado. As limitações da escala Mohs levaram ao desenvolvimento de outros métodos de determinação de dureza, mais condizentes com o controle do aço e de outros metais. Um deles é o ensaio de dureza Brinell, que você vai estudar a seguir. Curiosidade Escala Mohs (1822) 1 - Talco 2 - Gipsita 3 - Calcita 4 - Fluorita 5 - Apatita 6 - Feldspato (ortóssio) 7 - Quartzo 8 - Topázio 9 - Safira e corindo 10 - Diamante Nossa aula 11 A U L AVerificando o entendimento Tente localizar na tabela da página anterior o valor de dureza para um material que deixou um diâmetro de impressão de 3,55 mm. Resposta: ............................... Para encontrar o valor de HB solicitado você deve ter procurado na primeira coluna da tabela a linha correspondente ao valor de diâmetro de impressão 3,55 mm. Este valor está associado à dureza HB 293, que aparece na mesma linha, na segunda coluna. É possível que os valores de dureza encontrados por cálculos, com aplicação da fórmula matemática, apresentem pequenas diferenças em relação aos valores correspondentes encontrados em tabelas. Não se preocupe. Essas diferenças se devem aos arredondamentos utilizados nos cálculos. Escolha das condições de ensaio O ensaio padronizado, proposto por Brinell, é realizado com carga de 3.000 kgf e esfera de 10 mm de diâmetro, de aço temperado. Porém, usando cargas e esferas diferentes, é possível chegar ao mesmo valor de dureza, desde que se observem algumas condições: · A carga será determinada de tal modo que o diâmetro de impressão d se situe no intervalo de 0,25 a 0,5 do diâmetro da esfera D. A impressão será considerada ideal se o valor de d ficar na média entre os dois valores anteriores, ou seja, 0,375 mm. · Para obter um diâmetro de impressão dentro do intervalo citado no item anterior, deve-se manter constante a relação entre a carga (F) e o diâmetro ao quadrado da esfera do penetrador (D2), ou seja, a relação é igual a uma constante chamada fator de carga. Para padronizar o ensaio, foram fixados valores de fatores de carga de acordo com a faixa de dureza e o tipo de material. O quadro a seguir mostra os principais fatores de carga utilizados e respectivas faixas de dureza e indicações. F D2 30 10 5 2,5 90 a 415 HB 30 a 140 HB 15 a 70 HB até 30 HB DUREZA MATERIAIS Aços e ferros fundidos Cobre, alumínio e suas ligas mais duras Ligas antifricção, cobre, alumínio e suas ligas mais moles Chumbo, estanho, antimônio e metais-patente F D2 11 A U L A O diâmetro da esfera é determinado em função da espessura do corpo de prova ensaiado. A espessura mínima é indicada em normas técnicas de método de ensaio. No caso da norma brasileira, a espessura mínima do material ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade da calota. O quadro a seguir mostra os diâmetros de esfera mais usados e os valores de carga para cada caso, em função do fator de carga escolhido. Observe que, no quadro anterior, os valores de carga foram determinados a partir das relações entre F e D2 indicadas no primeiro quadro. Exemplificando: Veja como todas essas informações são úteis para resolver um problema prático. Verificando o entendimento Uma empresa comprou um lote de chapas de aço carbono com a seguinte especificação: - espessura: 4 mm - dureza Brinell (HB): 180 Essas chapas devem ser submetidas ao ensaio de dureza Brinell para confirmar se estão de acordo com as especificações. Nosso problema consiste em saber se essas chapas podem ser ensaiadas com a esfera de 10 mm. Para resolver esse problema, precisamos das informações contidas nos dois quadros anteriores. Observando o primeiro quadro, você fica sabendo que a relação para este material (aço carbono) é igual a 30. O segundo quadro mostra que, para uma esfera de 10 mm e um fator de carga igual a 30, a carga de ensaio é de 3.000 kgf. Com esses dados, é possível calcular a profundidade de impressão da calota, aplicando a fórmula: Isolando p, temos: DIÂMETRO DA ESFERA (mm) 10 5 2,5 3.000 750 187.5 1.000 250 62,5 250 62,5 15.625 500 125 31.25 F (kgf) = 30 D2 F (kgf) = 10 D2 F (kgf) = 5 D2 F (kgf) = 2,5 D2 F D2 = 30 Þ F = 30 D2 F D2 HB = F pDp p = Þ p = Þ p = Þ p = 0,53F pDp 3.000 3,14 ´ 10 ´ 180 3.000 5.652 11 A U L APortanto, a profundidade da impressão é de 0,53 mm. Sabemos que a espessura do material ensaiado deve ser, no mínimo, 17 vezes a profundidade da calota. Multiplicando a profundidade da impressão por 17, obtemos: 9,01 mm. Conclusão: as chapas de 4 mm não podem ser ensaiadas com a esfera de 10 mm. Devem ser usadas esferas menores. A esfera de 10 mm produz grandes calotas na peça. Por isso é a mais ade- quada para medir materiais que têm a estrutura formada por duas ou mais fases de dureza muito discrepantes. Em casos assim, a dureza é determinada pela média entre as fases, como acontece com os ferros fundidos, bronzes etc. A utilização de esferas diferentes de 10 mm só é válida para materiais homogêneos. Esferas de diâmetros menores produziriam calotas menores e, no caso de materiais heterogêneos, poderia ocorrer de se estar medindo a dureza de apenas uma das fases. Com isso, o valor de dureza seria diferente do esperado para o material. Representação dos resultados obtidos O número de dureza Brinell deve ser seguido pelo símbolo HB, sem qualquer sufixo, sempre que se tratar do ensaio padronizado, com aplicação da carga durante 15 segundos. Em outras condições, 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 10 mm de diâmetro e uma carga de 1.000 kgf, aplicada por 30 segundos, é representado da seguinte forma: 85HB 10/1000/30 Agora, tente você! Verificando o entendimento Interprete a seguinte representação de dureza Brinell: 120HB 5/250/30. Resposta: dureza Brinell: ................................................ diâmetro da esfera: ........................................ carga: ............................................................... duração do ensaio: ........................................ Confira: a dureza Brinell é de 120 HB; o diâmetro da esfera é de 5 mm; a carga aplicada foi de 250 kgf e a duração do ensaio foi de 30 segundos.