A dureza do material é uma propriedade essencial que indica quão bem um material pode suportar forças mecânicas sem sofrer deformações significativas. É um atributo crítico na fabricação e na engenharia, afetando não apenas o desempenho e a vida útil dos produtos, mas também influenciando diretamente a eficiência do processo de produção e a qualidade dos produtos finais. Neste artigo, examinaremos mais de perto o que é a dureza do material e como ela é medida.
O que é dureza do material?
A dureza do material refere-se à capacidade de um material resistir à deformação plástica localizada (deformação permanente). Em outras palavras, mede a resistência de um material às mudanças de forma na presença de forças externas, como arranhões, indentações e abrasão.
Conforme mostrado no diagrama abaixo, a maioria dos materiais plásticos tem menor dureza, embora seja extremamente difícil amassar ou arranhar um diamante. A maioria dos outros materiais fica em algum ponto intermediário.
A dureza pode ser facilmente confundida com outras propriedades do material, como tenacidade e resistência, mas pertence a três propriedades diferentes de um material. Especificamente, a dureza significa a resistência da superfície à deformação e ao desgaste, enquanto a tenacidade se refere à capacidade de um material de absorver energia e deformar-se plasticamente sem fraturar, e a resistência diz respeito à capacidade geral do material de suportar forças de tração, compressão e flexão. Uma maneira simples de distinguir essas propriedades é lembrar que a dureza diz respeito à resistência superficial, a tenacidade diz respeito à absorção de energia e à deformação e a resistência diz respeito à capacidade geral de suporte de carga.
Ao mesmo tempo, essas propriedades estão interligadas. Por exemplo, materiais com alta dureza normalmente apresentam melhor resistência ao desgaste, o que significa que o uso de materiais mais duros pode reduzir o desgaste das peças e prolongar significativamente a vida útil dos componentes. A dureza também está intimamente relacionada à capacidade do material de resistir à deformação e à fratura. Geralmente, materiais com alta dureza também apresentam maior resistência à tração e compressão, que são frequentemente usados em muitas aplicações de engenharia para garantir estabilidade estrutural e segurança. No entanto, é importante notar que materiais com alta dureza podem ser mais frágeis e ter menor tenacidade, enquanto materiais com alta tenacidade podem ter menor dureza.
Tipos de dureza
Depois de compreender a definição de dureza, mal podemos esperar para esclarecer como ela entra em ação. Agora, vamos explorar os três tipos principais: dureza de indentação, dureza de risco e dureza de rebote.
Dureza de Indentação
A dureza de indentação refere-se à resistência de um material à deformação permanente quando submetido a uma carga contínua, que é a forma de carga mais comum aplicada aos metais. Portanto, ao discutir dureza, geralmente indica dureza de indentação.
É comumente avaliado por meio de testes que medem a profundidade ou o tamanho de uma marca deixada por um objeto duro sob uma força específica. Os métodos mais amplamente utilizados para medir a dureza de indentação incluem testes de dureza Rockwell, Brinell e Vickers.
Dureza de arranhões
A dureza a arranhões descreve a capacidade de um material de resistir a arranhões em sua superfície devido ao contato com outro metal. Normalmente é medido usando o teste de dureza Mohs, que é usado principalmente para testar a dureza de materiais frágeis, como minerais e cerâmicas.
Dureza de recuperação
A dureza de rebote, também conhecida como dureza dinâmica, está relacionada à elasticidade de um material e descreve sua capacidade de absorver energia no momento do impacto e devolvê-la ao penetrador.
A dureza de rebote é avaliada medindo a altura em que um martelo padrão rebate na superfície do material. O testador de dureza Leeb (dureza Leeb) é um instrumento baseado no princípio da dureza de rebote.
Como a dureza do material pode ser medida?
Cada tipo de dureza fornece uma perspectiva diferente sobre a resistência de um material à deformação e ao desgaste e pode ser medida usando vários métodos e escalas. Antes de entrarmos nos métodos de medição, vamos primeiro ter uma compreensão geral das unidades de dureza.
Diferentes unidades de dureza
Conforme mostrado na tabela acima, vemos várias designações de dureza como “HV”, “HB” e “HRB”. O que eles significam? Os próprios valores de dureza não possuem unidades físicas tradicionais como newtons ou pascais. Em vez disso, eles são fornecidos com designações de métodos de teste (como HV ou HB), que servem efetivamente como suas “unidades” no uso prático. Abaixo estão as unidades comumente usadas para medição de dureza:
HB: Número de dureza Brinell
HRA, HRB, HRC, etc.: Número de dureza Rockwell
HV: Número de dureza Vickers
HLD, HLS, HLE, etc.: Valor de dureza Leeb
Métodos comuns para testar a dureza do material
Conforme mencionado anteriormente, a dureza reflete a capacidade de um material resistir a arranhões, cortes ou desgaste em sua superfície. Normalmente é medido aplicando uma carga específica à superfície do material. Abaixo estão os métodos comuns para testar a dureza. Descrevemos os princípios e características primárias de cada método, destacando as vantagens e limitações de cada método na medição de dureza.
Método #1: Teste de Dureza Brinell
O teste de dureza Brinell envolve pressionar uma esfera de aço duro ou metal duro, normalmente com 10 mm de diâmetro, na superfície do material sob uma carga específica, que varia dependendo do material que você vai testar. A carga padrão é de 3.000 kg (ou 29.420 N), geralmente aplicada a metais duros como ferro e aço. Mas para materiais mais macios como cobre e latão, a carga aplicada é de 500 kg (ou 4.905 N). Essa carga é aplicada por um período de tempo predeterminado e depois removida. O diâmetro da reentrância deixada na superfície do material é medido por meio de um microscópio. O número de dureza Brinell (HB) é então calculado usando a seguinte fórmula:
Onde,F – a carga aplicada em quilogramas-força (kgf). No sistema SI, Newtons (N) são comumente usados como unidade de carga. Neste caso, HB também pode ser denotado como HBND – o diâmetro da esfera, mmd – o diâmetro do recuo, mm
O teste de dureza Brinell é comumente usado para testar materiais grandes ou espessos com dureza baixa a média, como ferro fundido, aço, metais não ferrosos e suas ligas. É particularmente adequado para testar materiais com estruturas de grãos grosseiros ou irregulares, uma vez que a grande indentação elimina inconsistências locais. O teste é relativamente simples de executar e requer preparação mínima da amostra. No entanto, o equipamento de teste é geralmente volumoso e menos portátil em comparação com outros métodos de teste de dureza, como testes de dureza Rockwell ou Vickers.
Método #2: Teste de Dureza Rockwell
Este método de teste envolve primeiro pressionar um penetrador na superfície do material sob uma pré-carga (carga menor), normalmente 10 kgf, o que ajuda a assentar o penetrador e a eliminar quaisquer irregularidades da superfície. Em seguida, é aplicada uma carga maior adicional, com carga total (menor mais maior) variando de 60 a 150 kgf, dependendo da balança utilizada. Após um tempo de espera especificado, a carga principal é removida e a profundidade da indentação é medida enquanto ainda está sob a carga menor.
O número de dureza Rockwell pode ser lido usando diferentes escalas de dureza Rockwell, sendo as escalas A, B e C (HRA, HRB, HRC) as mais comumente usadas. Diferentes escalas são adequadas para vários tipos de materiais e faixas de dureza, cada uma usando diferentes cargas e tipos de penetrador. Por exemplo, para medir a dureza de aços mais duros e ligas duras, é utilizado um penetrador de cone de diamante com uma carga principal de até 150 kgf, e o número de dureza é lido na escala “C”. Para materiais mais macios, como ligas de cobre, alumínio e aços mais macios, normalmente é usada uma esfera de aço de 1/16 polegada de diâmetro com uma carga principal de até 100 kgf, e o valor de dureza é lido na escala "B".
A fórmula para a dureza Rockwell é:
Onde,N – fator de escala dependendo da escala usadas – fator de escala dependendo da escala usadad – profundidade da indentação permanente em comparação com carga menor, mm
Este método é rápido e fácil de executar, e os resultados de dureza podem ser lidos diretamente nas escalas de dureza Rockwell. Há um total de 30 escalas disponíveis para testar diferentes materiais e faixas de dureza. Portanto, este método é comumente usado em controle de qualidade e testes de materiais em vários setores. No entanto, o teste Rockwell pode não ser ideal para materiais extremamente duros (por exemplo, cerâmica) ou materiais muito macios (por exemplo, borrachas).
Método #3: Teste de Dureza Vickers
Este teste usa um penetrador em forma de pirâmide de diamante com base quadrada e um ângulo de 136 graus entre faces opostas. O penetrador é pressionado no material com uma carga específica e mantido por um determinado período. Após o descarregamento, resta um recuo quadrado. Os comprimentos das duas diagonais da indentação são medidos utilizando um microscópio ou outro equipamento de medição de precisão. Essas medições são então usadas para calcular o Número de Dureza Vickers (HV) usando a seguinte fórmula:
Onde,F – a carga aplicada, kgfd – o comprimento médio das diagonais, mm
O teste de dureza Vickers é versátil e pode ser usado para testar praticamente todos os materiais, desde metais muito macios até cerâmicas extremamente duras. Fornece valores precisos de dureza e pode ser executado em áreas muito pequenas ou camadas finas. Além disso, o cálculo do valor da dureza é simples, uma vez que o mesmo penetrador de diamante é usado para todos os materiais. No entanto, este método de teste requer equipamento especializado, como um testador de microdureza e um microscópio de alta qualidade, que são caros. Além disso, medir as diagonais de indentação é demorado, especialmente para testes múltiplos.
Método #4: Teste de Dureza Mohs
O teste de dureza Mohs é um teste de arranhão. É um método qualitativo que compara a resistência de um material ao risco de minerais de dureza conhecida numa escala de 1 (mais macio) a 10 (mais duro). O talco é o mais macio (1) e o diamante é o mais duro (10).
Este método é simples e rápido de executar, sem a necessidade de equipamentos sofisticados. É muito útil para trabalhos de campo e identificação rápida de minerais e outros materiais. No entanto, fornece apenas valores relativos de dureza e depende da habilidade e experiência do operador.
Os testes de arranhões modernos evoluíram do simples teste de dureza de Mohs para métodos mais sofisticados que geralmente usam equipamentos precisos, como penetradores de diamante e mecanismos de carregamento controlado, para fornecer medições mais precisas e reprodutíveis da dureza do material e da resistência ao desgaste. Esses testes podem quantificar a resistência a arranhões de materiais e são amplamente utilizados em diversas indústrias, incluindo revestimentos, metais, cerâmicas e compósitos.
Método #5: Teste de Escleroscópio
O teste do escleroscópio mede a dureza de rebote de um material. Envolve o uso de um martelo com ponta de diamante que cai de uma altura fixa sobre o material, e a altura de rebote é medida. Quanto maior o rebote, mais duro é o material.
Este teste é uma medição tradicional, mas direta e não destrutiva, agora frequentemente encontrada em contextos mais especializados ou históricos. Em contraste, o teste de dureza Leeb, que também é um teste não destrutivo baseado na velocidade de rebote de uma massa de teste, substituiu amplamente o teste do escleroscópio em aplicações modernas. O teste de dureza Leeb é mais amplamente utilizado, especialmente para testes de campo e uso industrial em larga escala, devido à sua portabilidade, versatilidade e muitas vezes inclui leituras digitais.
Gráfico de dureza de materiais
Depois de saber o tipo de condições de carga que a peça sofrerá, você pode considerar qualquer um dos métodos de teste de dureza acima para comparar suas opções de materiais. Como alternativa, você pode confiar nas informações fornecidas pelos fornecedores e em recursos on-line, como Matweb. Além disso, o gráfico de dureza do material também é uma ferramenta de referência vital para compreender e comparar a dureza de vários materiais. O gráfico a seguir fornece os valores de dureza desses diferentes materiais usando vários métodos de medição.
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Se você quiser escolher o material certo para o seu projeto, você deve entender a dureza do material. Como fabricante de usinagem CNC com mais de 10 anos de experiência e capacidade de processar uma ampla variedade de materiais, podemos obter os dados de dureza mais precisos de nossos fornecedores confiáveis de matérias-primas. Também temos umafábrica interna e realizamos testes regulares de dureza como parte essencial de nossos procedimentos de controle de qualidade.
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Perguntas frequentes
Como podemos selecionar o método de teste de dureza apropriado?
Ao selecionar um método de teste de dureza apropriado, devemos considerar fatores como o tipo de material, sua espessura, condição da superfície e a precisão necessária do teste. Os pontos abaixo podem ser uma referência importante:
Para materiais espessos ou grandes com microestruturas grosseiras – o teste de dureza Brinell é adequado.
Se você precisar de uma medição rápida, direta e não destrutiva para uma variedade de materiais em um ambiente de fabricação – o teste de dureza Rockwell é adequado.
Quando você precisa de medições precisas para materiais finos ou peças pequenas – o teste de dureza Vickers é adequado.
Quando for necessário realizar testes no local ou não destrutivos – o teste de dureza Leeb oferece portabilidade e conveniência.
Qual é a relação entre o número de dureza e a curva tensão-deformação?
O número de dureza fornece um indicador quantitativo da resistência de um material à indentação ou arranhões, enquanto a curva tensão-deformação oferece uma demonstração abrangente do comportamento de deformação de um material sob vários níveis de tensão.
Embora não exista uma correlação matemática direta entre os parâmetros de dureza e tensão-deformação, o número de dureza pode muitas vezes servir como uma indicação indireta do módulo de elasticidade e da resistência ao escoamento de um material. Um material com um alto índice de dureza geralmente exibe uma região elástica mais íngreme e um ponto de escoamento mais alto na curva tensão-deformação, indicando seu maior limite de escoamento e maior resistência à deformação. Em contraste, um material com baixo índice de dureza pode apresentar um comportamento mais dúctil com uma região plástica mais longa na curva. Para avaliar de forma abrangente as propriedades mecânicas dos materiais, é necessário compreender a relação entre estes dois fatores.
