Belo Horizonte Janeiro de 2013
Ciência dos Materiais
Professor Ubirajara Domingos de Castro
Metalografia, Ensaios Mecânicos e
Tratamentos Térmicos
Manual de Laboratório
Caderno
01
1
aEdição
Editora
FUMARC
FICHA CATALOGRÁFICA
Castro, Ubirajara Domingos
V 199p Metalografia, Ensaios Mecânicos e Tratamentos Térmicos: Manual de Laboratório – engenharias / Ubirajara Domingos de Castro – Belo Horizonte: FUMARC/PUC-MG, 2010.
Bibliografia.
1. Ciência dos Materiais – Estudo e ensino (superior). 2. Manual de aulas práticas
O professor Ubirajara Domingos de Castro possui graduação
em Engenharia Metalúrgica e de Minas (1984) e mestrado em Engenharia Metalúrgica e de Minas na área de concentração de Metalurgia de Transformação (1997) pela Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais – E.E.UFMG. Atualmente, é professor assistente III do Instituto Politécnico da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais – IPUC, onde atua desde 1990. É professor das disciplinas de Ciência dos Materiais, Materiais de Construção Mecânica e da disciplina Laboratório de Materiais de Construção Mecânica do curso de engenharia Mecânica/Mecatrônica do campus de Belo Horizonte da PUC Minas. Também atua como professor do curso de engenharia Mecânica do campus da PUC Minas-Contagem, onde ocupa a função de Gestor dos Laboratórios. Nos campi da PUC Minas na unidade Barreiro atua como professor da disciplina Ciência e Seleção de Materiais do curso de Engenharia de Produção e coordenador dos Laboratórios do mesmo curso. É coordenador e professor do curso de Pós-graduação lato sensu em Gestão de Processos Industriais de Fabricação IEC-PUC Minas/Centro de Competências da Fiat Automóveis desde 2005. Recentemente, apresentou ao Instituto de Educação Continuada da PUC Minas – IEC um novo projeto de curso intitulado Tecnologia de Materiais Aplicada a Processos de Fabricação. Como profissional, tem experiência na área de Engenharia Metalúrgica e de Materiais com ênfase em Equipamentos Metalúrgicos, Ensaios Mecânicos e Processos de Conformação Mecânica. Atua, principalmente, nas áreas de processos siderúrgicos (alto-forno, e cubilot e aciaria), processamento por trefilação (irregularidades de fluxo), ensaios mecânicos (determinação de propriedades mecânicas), tratamentos térmicos e metalografia.
Sobre esta Obra
Com este trabalho busca-se repassar ao aluno, de forma prática e objetiva, o estudo dos materiais, essencialmente dos metais e ligas metálicas sob o ponto de vista da Metalurgia Física e Mecânica, relacionando os processos de fabricação às propriedades mecânicas, bem como sua utilização e suas inúmeras aplicações na indústria da construção mecânica.
A ementa desta disciplina foi elaborada de forma a buscar uma interdisciplinaridade, possibilitando ao aluno a interação entre a teoria adquirida nas disciplinas teóricas de Materiais dos cursos de Engenharia Mecânica, Engenharia
Mecânica com ênfase em Mecatrônica e Engenharia de Produção, seja na Ciência dos Materiais ou em Materiais de Construção Mecânica, com a análise das características dos materiais desenvolvida nas práticas investigativas realizadas nos laboratórios de Materiais.
Desta forma, este trabalho está dividido em três partes bem definidas. Na primeira, referente aos ensaios mecânicos, o aluno experimenta procedimentos e testes padronizados que possibilitam a avaliação das propriedades mecânicas dos materiais de forma a prever o comportamento mecânico de um componente de um dado material quando em serviço. Nesta etapa são executados ensaios de dureza pelos métodos Brinell, Vickers e Rockwell, incluindo-se o ensaio de microdureza e suas aplicações. Além disto, são discutidos os ensaios de tração e de impacto para avaliação de propriedades mecânicas especificas, com a utilização de máquinas de tecnologia atual.
A segunda parte desta obra refere-se à utilização das técnicas do exame metalográfico para caracterização dos materiais. Inicialmente, são executados procedimentos para o exame metalográfico, que buscam a análise do material, sob o ponto de vista visual, a olho nu ou com o auxílio de microscópios, de forma a identificar defeitos de projeto ou de fabricação, tratamentos térmicos que, por ventura, tenham sido executados, controle de processos de soldagem, identificação do processo de fabricação e caracterização microestrutural. No exame metalográfico, macro ou micrográfico, amostras ou fragmentos de peças metálicas são submetidos a uma seqüência de procedimentos como embutimento, lixamento, polimento e ataque metalográfico por reativo adequado. A análise microestrutural é feita através de microscópios ópticos, dotados de sistema para aquisição e tratamento de imagens. Amostras de materiais metálicos são preparadas na área do laboratório destinada a metalografia e são investigadas em microscópios ópticos de alta qualidade.
A terceira parte engloba as práticas de tratamentos térmicos, ensaio de temperabilidade Jominy, cementação e recristalização. Com relação às práticas de tratamentos térmicos, o laboratório está aparelhado com fornos resistivos do tipo mufla, automatizados com controladores de temperatura. Amostras de aços comuns são austenitizadas e resfriadas em meios variados. As propriedades mecânicas, bem como a microestrutura dos aços são controladas antes e depois dos tratamentos térmicos. No ensaio Jominy, um dispositivo padronizado foi construído de forma a possibilitar o resfriamento dos corpos de prova de dois aços de mesmo teor de carbono, porém de constituições diferentes em termos de elementos de liga. Ensaios de dureza são
executados ao longo da direção axial dos corpos de prova de forma a possibilitar a construção da curva de temperabilidade dos materiais em estudo. A prática de recristalização é feita com o cobre comercialmente puro e engloba testes de compressão executados na máquina universal de ensaios, seguidos de ensaios de dureza e recozimento estático, em tempos variados, em fornos do tipo mufla. O tratamento final dos dados obtidos permite a determinação e a comparação das energias de ativação das reações de recristalização do cobre comercialmente puro, empregando-se a equação de Arrhenius.
Após cada aula prática, o aluno deverá preparar um relatório técnico, utilizando-se das normas PUC Minas, disponíveis em www.pucminas.br/biblioteca.
Plano de Ensino da Disciplina
Objetivos:
Fortalecer e aprimorar os conhecimentos adquirídos nas disciplinas teóricas de Materiais.
Fornecer ao aluno os princípios básicos dos ensaios mecânicos dos materiais metálicos. Mostrar ao estudante a importância do exame metalográfico na identificação e solução
das falhas do material em serviço.
Introduzir o aluno no estudo científico de pesquisa na área da Ciência dos Materiais.
Métodos Didáticos:
- Manual de orientação das práticas de laboratório (texto para orientação das aulas práticas, incluindo metodologia e coleta de dados);
- Aula expositiva no início de cada aula para esclarecimentos necessários sobre a prática a ser desenvolvida.
Ementa:
Ensaios Mecânicos: Ensaio de Dureza Brinell; Ensaio de Dureza Vickers; Ensaio
de Dureza Rockwell; Ensaio de Microdureza Vickers. O Ensaio de Tração; Ensaio de Impacto Charpy.
O Exame Metalográfico: Macrografia; Micrografia. Tratamentos Térmicos:
Recozimento, Normalização, Têmpera e Revenimento; Micrografia de Aços Comuns Tratados Termicamente; Tratamentos Termoquímicos: Cementação. Ensaio de Temperabilidade Jominy. Recristalização: Encruamento; Recozimento de Recristalização; Tratamento dos Dados.
- Aulas de transparências com a utilização do retroprojetor; - Questionários para avaliação do aprendizado;
Período 1o Semestre de 2013
Nome da disciplina: Laboratório de Materiais de
Construção Mecânica Período: 4o Curso: Engenharia Mecânica com ênfase em
Mecatrônica Carga Horária: 30 horas créditos: 01 Número de Disciplina pré-requisito: Ciência dos Materiais
Bibliografia Complementar
1. COLPAERT, HUBERTUS, Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns. 3 ed. São Paulo, Edgard Blucher, 1974.
2.
SOUZA, S.A., Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. São Paulo, EdgardBlucher, 1974.
3.
ASTM Standards. Philadelphia: American Society for Testing Materials.4.
Normas da ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas.5.
Metals Handbook, Cleveland: American Society for Metals, 1961.6.
HILL, ROBERT E. REED, Princípios de Metalurgia Física, 2 ed., Editora GuanabaraDois S.A., Rio de Janeiro - RJ.
7.
GUY, A. G., Physical Metallurgy for Engineers, Addison-Wesley, 1962.8.
DIETER, G.E., Mechanical Metallurgy. Toko, 2a Ed., McGraw-Hill, 1976.9.
PEDRAZA, BOTREL e SILVA, Tratamentos Térmicos dos Aços - Depto. deEngenharia Metalúrgica da EE.UFMG - MG – 1979;
Unidade de
Ensino Distribuição da Ementa Horas Aulas Pontos (%)
IPUC
1. Ensaio de Dureza Brinell; Ensaio de Dureza Vickers; Ensaio de Dureza Rockwell; Ensaio de Microdureza
Vickers. 08 20
2. Ensaio de Tração: Levantamento das propriedades
mecânicas à tração. 02 20
3. Ensaio de impacto. 02
4. Metalografia: Macrografia e Micrografia de aços. 04
20 5. Tratamentos Térmicos dos aços: Recozimento;
Normalização; Têmpera em óleo e em água;
Revenimento; Micrografia das peças tratadas. 04 6. Micrografia de ferros fundidos. 02 7. Tratamentos Termoquímicos: Cementação. 02
20 8. Ensaio de Temperabilidade Jominy: Têmpera e
levantamento do perfil longitudinal de dureza (curva
de temperabilidade). 02
9. Recristalização: Encruamento; Recozimento de Recristalização; Ensaios de dureza; Tratamento dos
Dados. 04 20
10. Tratamento de dados obtidos 02
10.
CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 7. ed.Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos. 2008. ISBN: 9788521615958.
11.
SHACKELFORD, James F. Ciência dos materiais. 6. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2008. 556 p. ISBN 9788576051602.12.
VAN VLACK, Lawrence H.. Princípios de ciência e tecnologia dos materiais. 2a ed. RioCritérios Adotados na Distribuição dos Pontos
- Freqüência às aulas e entrega dos relatórios: 100 pontos
Observações: - As práticas e os relatórios serão executados por grupos de dois alunos.
- Os relatórios entregues com atraso serão avaliados com uma menor pontuação.
Sugestões para Confecção, Formato e Padronização dos Relatórios
Sugere-se a apresentação dos relatórios no seguinte formato: Editor de texto: Word;
Tamanho A4 (210 x 297 mm); Margens de 2,5 cm;
Letra (tipografia): Times New Romam com tamanho 12; Espaço entre linhas: automático;
Tamanho Máximo do trabalho: 20 páginas (incluindo figuras e referências
bibliográficas).
Na primeira página deve constar o logotipo da universidade, o título do trabalho em maiúsculas, negrito e centralizado com letra tamanho 15. Pulando três linhas o nome do autor (alinhado à direita). Na segunda página, inicia-se o texto.
Os gráficos/desenhos ou figuras não poderão ultrapassar o tamanho A4.
As folhas deverão ser numeradas no alto da página, à direita, iniciando-se a
numeração após o SUMÁRIO.
O trabalho deverá conter uma capa na qual conste no início, o nome e o logotipo
da universidade, além do curso, todos em letra maiúscula, tamanho 13 (negrito); o título do trabalho em maiúsculas (negrito tamanho 15 – centralizado), seguido do nome do aluno, alinhados à direita e o nome do professor da disciplina (letra normal – tamanho 12).
Abaixo, no pé da página, citar local, dia e ano, cada qual em uma linha e
São partes essenciais do trabalho:
1. Capa 2. Resumo
3. Objetivos da Prática 4. Sumário
5. Introdução (Revisão Bibliográfica)
Texto genérico e resumido sobre o assunto tratado na prática; 6. Materiais e Metodologia
7. Resultados e Discussão
Apresentação resumida dos resultados obtidos nos ensaios em forma de texto ou sumarizados;
Breve discussão dos resultados e comparação destes com dados obtidos na literatura.
8. Conclusões
9. Referências bibliográficas
Citação da bibliografia utilizada para consulta conforme normas de indicação bibliográfica da ABNT;
Citação de normas brasileiras ou outras emitidas por organizações padronizadoras.
Obs: Para uma informação mais detalhada de como proceder à elaboração do
relatório, deve-se consultar o trabalho intitulado Padrão PUC Minas de Normalização no site da PUC Minas, de endereço eletrônico:
A busca pelo conhecimento não é apenas uma obrigação do ser humano, mas uma justificativa para a sua existência.
SUMÁRIO
1.
ENSAIOS MECÂNICOS: Prática de Laboratório N0 01
Ensaio de Dureza pelo Método Brinell ...
Histórico... Os Métodos de Ensaio de Dureza... 1.1. MÉTODO BRINELL... 1.2. Parte Experimental ... 1.2.1. Objetivos... 1.2.2. Materiais... 1.2.3. Equipamento... 1.2.4. Procedimento... 1.3. Resultados... 1.4. Bibliografia... 1.5. Exercícios Propostos... 12 12 12 13 15 15 15 15 15 16 17
2. ENSAIOS MECÂNICOS: Prática de Laboratório N0 02
Ensaio de Dureza pelo Método Vickers...
2.1. MÉTODO VICKERS... 2.1.1. Irregularidades Encontradas nas Impressões Vickers ... 2.1.2. Objetivos... 2.1.3. Materiais... 2.1.4. Equipamento... 2.2. Procedimento... 2.3. Resultados... 2.4. Bibliografia... 2.5. Exercícios Propostos... 18 18 19 20 20 21 21 21 21 21 3. ENSAIOS MECÂNICOS: Prática de Laboratório N0 03
Ensaio de Dureza pelo Método de Microdureza Vickers...
3.1. MÉTODO VICKERS... 3.1.1. Cuidados a Serem Tomados na Execução do Ensaio de Microdureza.. 3.1.2. Objetivos... 3.1.3. Materiais... 3.1.4. Equipamento... 3.2. Procedimento... 3.3. Resultados... 3.4. Bibliografia... 24 24 24 25 25 25 25 25 26 26
3.5. Exercícios Propostos... 26
Ensaio de tração... 28
Metalografia – macrografia e micrografia... 34
Tratamentos Térmicos – micrografia... 50
Recristalização – Encruamento e recristalização... 60
Lista de Figuras
Figura 1- Parâmetros básicos num teste Brinell. ... 21
Figura 2. Ângulo das tangentes à esfera, para a relação d/D = 0,375 na dureza Brinell. 25 Figura 3 - Procedimento para a determinação da diagonal em uma impressão obtida por penetrador de diamante. ... 26
Figura 4 - (a) Impressão Vickers perfeita; (b) Impressão defeituosa; afundamento; (c) Impressão defeituosa; aderência. ... 28
Figura 5 - a) Comparação entre os tamanhos das impressões Knoop e Vickers para uma mesma carga; b) Detalhe de uma impressão Knoop; c) Penetrador Knoop 31 Figura 6 - Variação de HK e HV com a carga no ensaio de microdureza. ... 32
Figura 7 - Micrômetro óptico para medição das diagonais da impressão no método de microdureza Vickers. ... 33
Figura 8 - Seqüência de operações do método de ensaio de dureza Rockwell (esquemático). ... 36
Figura 9 - Durômetro Rockwell instalado no laboratório de Materiais de Construção Mecânica do depto. de Engenharia Mecânica da PUC MG. ... 38
Figura 10 - Aspecto do corpo de prova para o ensaio de tração. ... 41
Figura 11. – Curva característica de Carga (Kgf) versus Alongamento (mm) obtido no ensaio de tração. ... 42
Figura 12 - Curva típica tensão-deformação convencional, obtida no ensaio de tração. 43 Figura 13. – Curva tensão/deformação verdadeiras. ... 44
Figura 14. – Curva de tração apresentando um patamar de escoamento. ... 45
Figura 15. – heterogeneidade de deformação durante o patamar de escoamento. ... 46
Figura 16 - Ocorrência de banda de Lüders em corpos de prova de tração. ... 46
Figura 17. – Procedimento para avaliação do limite de escoamento a x% de deformação. ... 47
Figura 18. – Método para determinação do valor de l para o alongamento. ... 48
Figura 19 - Avaliação gráfica do alongamento percentual após ruptura. ... 49
Figura 20 - Influência da posição do corte de uma barra sobre seu aspecto macrográfico. ... 55
Figura 21-Deformação da superfície do material durante o processo de desbaste. ... 56
Figura 22- Representação esquemática do procedimento utilizado na lixamento de amostras metalográficas. ... 56
Figura 23- Aspectos macrográficos diversos decorrentes da posição do corte em relação a barra original de que foram estampadas essas porcas. Ataque: iodo. 1,5 X. ... 57
Figura 24 - O trilho da figura rompeu em serviço e a fratura acompanhou o contorno da zona segregada. Ataque: iodo ... 58 Figura 25 - Impressão de Baumann da peça da figura anterior. (Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns – Vicente Chiaverini) ... 58 Figura 26 - Solda oxiacetilênica de duas barras laminadas de aço doce. Ataque: iodo. . 59 Figura 27 - Diferença brusca de granulação em aço extradoce posta em evidência pelo ataque com reativo de ácido nítrico seguido de um ataque por oxidação. 50 x. ... 60 Figura 28 - Encruamento intenso por martelamento a frio, de um aço meio duro. Grãos fortemente deformados. ... 60 Figura 29- Aspecto comum de aço meio duro, moldado no estado bruto de fusão. Ataque: nítrico. 75 x (Metalografia dos Produtos . ... 61 Figura 30- Aço com aproximadamente 0,5%C esfriado lentamente. Grãos de perlita e rede de grãos de ferrita. Ataque Nital 2% - 160xm (laboratório de Materiais – PUC Minas) ... 61 Figura 31 - Região de um aço eutetóide esfriado muito lentamente a partir do campo austenítico. Notam-se bem visíveis as lamelas de perlita. Ataque nital 2% - 200x. ... 62 Figura 32 - Aço hipereutetóide. Grãos de perlita envoltos por uma rede de cementita. Ataque: Pícrico - 200x. ... 62 Figura 33 - Processo moderno de fixação de pequenas ou fragmentos em resinas sintéticas para seu polimento e exame micrográfico. ... 63 Figura 34- Aço extra-doce sem ataque - 500 x... 64 Figura 35 - Sistema de vídeo microscopia do Laboratório de Materiais de Construção Mecânica do Instituto Politécnico da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais. ... 65 Figura 36 - Aço hipereutetóide. Ataque: picrato de sódio. 200 X. ... 65 Figura 37 - Região assinalada na figura anterior, com maior ampliação. Ataque: picrato de sódio. 730 x. ... 66 Figura 38 - Aço com cerca de 0,5% de carbono esfriado lentamente. Ataque: nítrico. 160 x. ... 66 Figura 39 - Aspecto com maior aumento da área delimitada na figura anterior. Ataque: nítrico. 800 x. ... 66 Figura 40 - Mapas de relação de orientação entre grãos para as amostras de aço ABNT 1006, secção transversal, nas condições: (a) encruada; tratada termicamente por (b) 5 minutos, (c) 10 minutos, (d) 30 minutos; (e) recozida. Note-se que as imagens foram obtidas com aumentos diferentes
entre si. (artigo técnico Evolução da microestrutura e da Textura de Recristalização, após Baixos Graus de Deformação a Frio, em dois Aços Ferríticos com Baixo Teor de Carbono, Liana Maria Ferezim Guimarães de Lima e outros, 17º CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil.) . 70 Figura 41- Representação esquemática do ciclo de recozimento. São observadas as etapas de recuperação, recristalização e crescimento de grão. A diminuição da resistência mecânica e o gradual aumento da ductilidade são aspectos
evidenciados. ... 71
Figura 42 - Diagrama de equilíbrio das ligas ferro-Fe3C. ... 72
Figura 43 - Tratamento térmico de esferoidização ou coalescimento. ... 73
Lista de Tabelas Tabela I. Parâmetros de aplicação do método de dureza Brinell. ... 22
Tabela II- Valores de dureza Brinell obtidos no ensaio para diversos materiais. ... 23
Tabela III- Valores de dureza Vickers obtidos para diversos materiais em estudo. ... 29
Tabela IV - Valores de dureza microdureza Vickers obtidos ao longo da camada de uma peça que sofreu cementação e têmpera. ... 34
Tabela V - Escalas de dureza Rockwell normal. ... 36
Tabela VI - Escalas superficiais do método Rockwell. ... 37
Tabela VII – Dados obtidos no ensaio de dureza Rockwell. ... 39
PRÁTICA DE LABORATÓRIO N
001
ENSAIOS MECÂNICOS - Ensaio de Dureza pelo Método Brinell
NBR NM 187-1 - Materiais metálicos – Dureza Brinell - Parte 1: Medição da dureza Brinell - Maio/1999- NBR NM 187-2
NBR 6443 - Bloco Padrão para Ensaio de Dureza Brinell
Histórico
O ensaio de dureza é, juntamente com o ensaio de tração, um dos mais empregados na seleção e controle de qualidade dos metais. Intrinsecamente, a dureza é uma condição da superfície do material e não representa nenhuma propriedade fundamental da matéria.
Dois procedimentos são convencionalmente usados na sua avaliação baseiam-se na:
1. Resistência à penetração de uma ponta rígida, com geometria pré-definida e sob condições de carregamento padronizadas;
2. Resistência ao risco que envolve um processo de corte de um metal pelo outro e, conseqüentemente, está relacionada à plasticidade de camadas superficiais muito finas.
A resistência à penetração está relacionada à tensão média de escoamento do material numa faixa estreita de deformação. Este ensaio é muito simples de ser executado e particularmente útil na avaliação dos diferentes componentes microestruturais do material.
Os métodos empregados na medição da dureza se distinguem basicamente pela forma do penetrador empregado e pelas condições de aplicação da carga. A escolha do método depende, dentre outros fatores, da natureza e dimensões da amostra além da espessura da camada a ser analisada. De acordo com a velocidade de aplicação da carga os procedimentos de medição se classificam em estáticos e dinâmicos, sendo que os métodos mais usuais empregam a penetração estática.
Certos cuidados de validade do ensaio devem ser observados para os diferentes métodos de medição de dureza e a camada superficial observada deve ser representativa das condições do restante do material. Assim, os defeitos superficiais (trincas, poros,
óxidos, carepa, etc.) podem interferir no resultado. O acabamento superficial está intimamente relacionado com a carga e a forma do penetrador empregado, bem como com o procedimento de medição utilizado no ensaio.
Métodos de Ensaio de Dureza
O ensaio de dureza é largamente utilizado na especificação e comparação de materiais. Intrinsecamente, é uma característica referente à superfície do metal, entretanto, para materiais homogêneos, é tomada como uma propriedade global e representativa deste. O termo dureza assume diversos significados face à existência de uma grande divergência de opiniões entre os estudiosos das mais diversas áreas, sendo que, portanto, não é possível encontrar um conceito único para esta característica. Ainda assim, o ensaio é utilizado para que se possam efetuar comparações entre os mais distintos materiais. Em geral, para os metais, a dureza implica em uma resistência à deformação plástica. A definição de dureza como a resistência que o material oferece ao risco é utilizada pelos mineralogistas como mais uma ferramenta na identificação dos diversos minerais. Para tanto utiliza-se um método que emprega uma escala à qual foram atribuídos números de 0 a 10, denominada escala Mohs, e que consiste na padronização de 10 minerais arranjados na ordem decrescente da capacidade de serem riscados. Essa escala não é muito adequada para avaliação da dureza de metais, uma vez que os intervalos não são suficientemente espaçados na faixa de durezas mais altas e sendo que a maioria das ligas metálicas se encaixa nesta faixa.
Para a avaliação da dureza de materiais metálicos alguns métodos são mais comumente utilizados dentre os quais podem ser citados: Método Brinell; Vickers, Rockwell, Meyer, Knoop, Shore, dentre outros.
1.1 Método Brinell
Nascido em 21 de novembro de 1849 e falecido em 17 de novembro de 1925, o sueco J. A Brinell estudou muitos aspectos do ferro e de sua produção. Seu trabalho mais importante foi sobre as transformações do aço que ocorrem durante o aquecimento e o resfriamento.
Suas descobertas sobre o controle de carbono contido nas fases contribuem até hoje para novas descobertas a respeito de propriedades do aço. Por volta de 1900, este sueco propôs um método para avaliar a dureza, que consistia na impressão de uma
superfície metálica com uma esfera de aço de 10 mm de diâmetro, empregando-se uma carga de 3000 Kgf. O número de dureza Brinell (HBN) foi, então, expresso pela carga P dividida pela área superficial da impressão:
Kgf/mm
2
S
P
BHN
(1)Sendo S a área da calota impressa no material:
Dh
S
(2)Após determinação de uma relação entre o diâmetro da esfera do penetrador (D) e o diâmetro da projeção da impressão no plano (d), têm-se:
)
)
(
(
2
2 2d
D
D
D
P
BHN
(3)A fim de se obter o mesmo número de dureza Brinell (HBN) com uma carga ou um diâmetro da esfera variado é necessário produzir impressões geometricamente similares, o que pode ser alcançado desde que se mantenha o ângulo 2 (fig. 1) constante. A equação 4 mostra que para se manter o ângulo 2 e o número de dureza HBN constantes, a carga e o diâmetro da esfera devem variar, mantendo-se a razão constante: 2 3 3 2 2 2 2 1 1
D
P
D
P
D
P
(4)Alguns inconvenientes são encontrados neste método para avaliação da dureza de metais ou ligas metálicas. Dentre estes inconvenientes podem ser citados a impossibilidade de se avaliar a dureza de aços muito duros (temperados, por exemplo), uma vez que este é o material da esfera do penetrador o que provocaria uma deformação desta e, portanto, a obtenção de resultados errôneos. Por outro lado, o tamanho da impressão torna o método inconveniente para pequenos objetos ou partes de peças que poderão ser criticamente tensionadas, o tornaria a impressão mais um concentrador de tensões.
Brinell desenvolveu uma relação entre o limite de resistência a tração do material e o número de dureza HB, para aços e ferros fundidos, definida por:
D/2
d/2
h
P
HB
k
RT
(5)Onde: k = constante para cada material; RT = Limite de resistência, Kgf/mm2
Figura 1- Parâmetros básicos num teste Brinell.
1.2 Parte Experimental
1.2.1. Objetivos
Avaliar a dureza de diversos materiais metálicos pelo método Brinell.
Avaliar a resistência mecânica do material, conhecendo-se a sua dureza Brinell.
1.2.2. Materiais
Aços, ligas de cobre (latão e bronze) e liga de alumínio.
1.2.3. Equipamento
Durômetro:__________________________________ Marca:______________________________________ Modelo:_____________________________________
1.2.4. Procedimento
Pelo método Brinell podem ser ensaiados materiais com durezas desde HB8 até HB450. Para materiais mais duros a esfera poderá sofrer uma deformação, tendo alterações nas suas dimensões cuja grandeza excede a tolerância especificada pela norma.
Para se obter o mesmo valor de dureza HB, no ensaio de uma mesma amostra, com esferas de diferentes diâmetros, torna-se necessário manter constante a relação P/D2 (condição de semelhança geométrica das impressões). Entretanto, na prática, é
impossível conseguir tal invariabilidade. Um ensaio é considerado satisfatório se o diâmetro da impressão d se mantém em torno de 0,25D < d < 0,5D, qualquer que seja a carga empregada. Na tabela I são indicados valores adequados de P, D, e d, além do tempo de aplicação de carga para diferentes metais de uso corrente.
Tabela I. Parâmetros de aplicação do método de dureza Brinell.
Diâmetro D Diâmetro d da Cargas (Kgf)
(mm) impressão (mm) 30DP = 2 P = 10D2 P = 5D2 P = 2D2 10 5 2,5 1 2,0 - 6,0 1,0 - 3,0 0,5 - 1,5 0,2 - 0,6 3000 750 187,5 30 1000 250 62,5 10 500 125 31,25 5 200 50 12,5 2 Tempo de aplicação (s) 10 - 30 30 30 - 60 60 Condições de emprego recomendadas Aços, ferros fundidos, bronzes especiais Latões, ligas de Mg (HB31 - 130) Cobre, duralumínio, zinco e suas ligas Estanho, chumbo
1.3. Resultados
Antes da execução dos ensaios de dureza, preencher a tabela a seguir de acordo com as condições selecionadas para cada material. Os resultados obtidos deverão ser listados nas linhas e colunas conforme se pede.
Tabela II- Valores de dureza Brinell obtidos no ensaio para diversos materiais. Material Condições Resultados Grau de Carga Diâmetro da esfera (mm) Carga (Kgf) Diâmetro da
impressão Média Dureza
RT 0,36HB (Kgf/mm2) Aço comum Aço inoxidável Latão Bronze Alumínio1.4. Bibliografia
1. NBR 6394 - Jul/1981 - Determinação da Dureza Brinell de Materiais Metálicos 2. NBR 6443 - Bloco Padrão para Ensaio de Brinell
3. SOUZA, S.A., Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. São Paulo, Edgard Blucher, 1974.
4. ASTM Standards. Philadelphia: American Society for Testing Materials.
5. Normas da ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas.
6. Metals Handbook, Cleveland: American Society for Metals, 1961.
7. PEDRAZA, BOTREL e SILVA, Tratamentos Térmicos dos Aços - Depto. de Engenharia Metalúrgica da EE.UFMG - MG – 1979;
1.5. Exercícios Propostos
1) Qual a dureza que mais interessa: a) ao mineralogista?
b) ao engenheiro mecânico?
2) Ao se ensaiar um aço pelo método Brinell empregou-se uma carga de 750 Kgf e obteve-se um diâmetro da impressão igual a 2,00 mm. Pergunta-se:
a) Qual o diâmetro da esfera do penetrador utilizado? b) O ensaio pode ser considerado válido?
c) Qual o valor da dureza HB?
d) Qual a resistência mecânica deste aço?
e) Se a carga empregada fosse de 3000 Kgf, qual deveria ser o diâmetro da esfera do penetrador a ser utilizada?
d
D
=
MATERIAL
p
PRÁTICA DE LABORATÓRIO N
002
ENSAIOS MECÂNICOS - Ensaio de Dureza pelo Método Vickers
NBR 6672 - Jul/1981 - Materiais Metálicos - Determinação da Dureza Vickers NBR 6672 - Tabelas de Valores da Dureza Vickers (HV) Para Materiais Metálicos
2.1. MÉTODO VICKERS
Este método de ensaio de dureza foi desenvolvido, em 1925, pelos pesquisadores Smith e Sandland e leva este nome devido a Vickers Armstrong Company Ltda, que adquiriu os direitos dos autores e fabricou as primeiras máquinas de ensaio. O método consiste na aplicação de uma carga estática no material através de um penetrador de diamante na forma de uma pirâmide de base quadrada que possui um ângulo de ataque de 136 (formado pelas alturas de duas faces opostas). Este ângulo produz valores de impressões semelhantes à dureza Brinell, porque para d/D = 0,375 (relação ideal no método Brinell), as tangentes à esfera partindo dos cantos da impressão fazem entre si exatamente um ângulo de 136, como mostrado na figura 1 (veja anotações em sala). Quando são utilizadas pequenas cargas o processo recebe o nome de microdureza Vickers e é muito indicado, de uma forma geral, quando se deseja a determinação da dureza de constituintes individuais de certa estrutura, ou ainda de materiais frágeis e peças pequenas ou de pequena espessura.
Figura 2. Ângulo das tangentes à esfera, para a relação d/D = 0,375 na dureza Brinell.
Como o penetrador de diamante é indeformável, as impressões tornam-se bastante uniformes independentemente de seu tamanho. A aplicação da carga é feita através de uma alavanca, sendo mantida sobre a peça durante um tempo mínimo de 30 segundos, após o que esta é retirada. O aparelho para ensaio de dureza é dotado de um dispositivo óptico de medição (vernier), com uma precisão suficiente (cerca de 1 mícron) para possibilitar a medição das diagonais da impressão. A medida é feita em duas posições ortogonais entre si, sendo a diagonal tomada como a média das medidas das diagonais, conforme mostrado na figura 3.
2
_
2 1l
l
l
Figura 3 - Procedimento para a determinação da diagonal em uma impressão obtida por penetrador de diamante.
O número de dureza Vickers é calculado a partir da relação:
2
l
P
1,8544
=
HV
(1)Onde: HV: Número de dureza Vickers em Kgf/mm2
P: Carga nominal do ensaio em Kgf l: Diagonal média em mm
O método apresenta algumas vantagens em relação a outros métodos de ensaio de dureza quanto ao seu emprego em trabalhos científicos, a saber:
- Escala contínua.
- Impressões pequenas que não inutilizam a peça. - Grande precisão de medida.
- Deformação nula do penetrador.
- Existência de apenas uma escala de dureza.
- Aplicação para toda a gama de materiais, os quais apresentam os mais diversos níveis de dureza.
l
1- Aplicação em qualquer espessura de material, podendo, portanto, medir também durezas superficiais.
Entretanto, este método de ensaio de dureza exige muito cuidado na preparação da superfície da amostra de forma a tornar as impressões bastante nítidas. Desta forma, a preparação do corpo de prova deve ser feita empregando técnicas metalográficas. O polimento eletrolítico pode ser utilizado para evitar o encruamento do metal na superfície, o que afetaria o resultado. Este tipo de polimento torna a impressão mais nítida para a medida das diagonais. É necessário também um polimento mecânico prévio, de forma a remover algum mícron da camada superficial encruada devida ao corte. A amostra, usualmente, é embutida em uma resina de baquelite, a fim de tornar o seu manuseio mais fácil. Na prática são empregadas tabelas previamente calculadas para a determinação do número de dureza a partir da diagonal média e da carga empregada.
Durante o processo de medição de dureza por penetração, desenvolve-se na região do material próximo à impressão, um estado complexo de tensões de compressão, particularmente favorável a obtenção de deformação plástica. Por isto, este processo é empregado a uma grande gama de materiais, desde os mais dúcteis até os mais frágeis. Existem certos cuidados em relação aos diversos processos de medição de dureza, os quais devem ser levados em consideração nos procedimentos de análise.
Abaixo são citados alguns:
A camada superficial deve ser na medida do possível, representativa das condições em que se encontra o resto do material.
Deverão ser eliminados todos os defeitos superficiais como trincas, riscos, poros e também manchas.
Materiais depositados na camada superficial, tais como óxidos e carepas.
A distância das impressões em relação às bordas da peça deve ser tal de forma a que a ausência de material nesta região não interfira nos resultados.
As impressões devem manter uma distância entre si, de forma a evitar o efeito do encruamento, devido à deformação plástica próxima às bordas destas.
2.2. Irregularidades Encontradas nas Impressões Vickers
As irregularidades que podem ocorrer nas impressões Vickers estão apresentadas na figura 4. Estas anomalias estão relacionadas com possíveis irregularidades de fluxo que surgem durante a deformação plástica devido ao ensaio, e estão associadas às características do material. O primeiro caso (figura. 4.b.) ocorre em metais recozidos e tem origem no afundamento do metal em torno das faces do penetrador, resultando um valor de L maior que o real. No segundo caso (figura 3.c.) ocorre uma aderência do material às faces do penetrador, e frequentemente é encontrado em materiais encruados. A diagonal da impressão medida é menor do que o valor real. Em metais de grande anisotropia1, obtêm-se impressões de tal forma irregular que torna-se necessário
tomar a média das diagonais medidas ortogonalmente entre si.
Figura 4 - (a) Impressão Vickers perfeita; (b) Impressão defeituosa; afundamento; (c) Impressão defeituosa; aderência.
2.1.2. Objetivos
Avaliar a dureza de diversos materiais metálicos pelo método Vickers.
Comparar os valores de dureza Vickers para um mesmo material, obtidos a partir de cargas variadas.
2.1.3. Materiais
Aço comum, aço ferramenta, cobre ou liga de cobre, alumínio ou liga de alumínio.
1 Anisotropia é uma característica que os materiais apresentam de terem suas propriedades alteradas de acordo com a direção de observação.
l
1l
2l
MATERIAL l2 < l l1 >l MATERIAL(a)
(b)
(c)
2.1.4. Equipamento
Durômetro Universal de Dureza - Marca:_______________Modelo:_________________
2.2. Procedimento
Conforme procedimentos descritos na Norma ABNT - NBR 6672.
2.3. Resultados
Tabela III- Valores de dureza Vickers obtidos para diversos materiais em estudo.
Material
Condições Resultados
Carga
(Kgf) Diagonal impressão Dureza (Kgf/mmMédia 2) P1 P2 l (mm) HV1 l (mm) HV2 HV1 HV2 Aço comum Aço Inoxidável Aço VC 131 Latão Bronze Alumínio
2.4. Bibliografia
1) Norma Brasileira - ABNT NBR 6672 - Jul/1981 - Materiais Metálicos - Determinação da Dureza Vickers.
2) Norma Brasileira - ABNT NBR 6672 - Tabelas de Valores da Dureza Vickers (HV)
para Materiais Metálicos.
3) SOUZA, S. A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos - Fundamentos Teóricos e Práticos
Ed. Edgard Blucher Ltda - SP - 1982; 4) Princípios de Ciência dos Materiais
Lawrence H. Van Vlack - Ed. Edgard Blucher Ltda - SP - 1970; 5) Princípios de Metalurgia Física
Robert E. Reed - Hill - Ed. Guanabara Dois S.A. - Rio de Janeiro - RJ - 1982;
2.5. Exercícios Propostos
1) O que garante a condição de independência do valor de dureza Vickers com relação a carga de ensaio? Explique.
2) Por que cargas muito pequenas podem levar a erros na avaliação da dureza de um metal?
3) Como se explica a utilização do método Vickers na avaliação da dureza de diversos materiais?
4) Ao se avaliar a dureza de uma amostra metálica pelo método Vickers empregando-se uma carga P obteve-se uma diagonal l.
a) Se a carga for triplicada qual será o valor da nova diagonal?
b) Se a carga for duas vezes menor que a inicial, qual será o valor da diagonal?
5) Determine a área superficial de uma impressão Vickers cuja diagonal é L, como função do ângulo
.
6) Cite as irregularidades que podem ocorrer nas impressões Vickers. Comente sobre cada uma delas.
PRÁTICA DE LABORATÓRIO N
003
ENSAIOS MECÂNICOS - Ensaio de Microdureza Dureza Vickers
NBR 6672 - Jul/1981 - Materiais Metálicos - Determinação da Dureza Vickers NBR 6672 - Tabelas de Valores da Dureza Vickers (HV) para Materiais Metálicos
3.1 MICRODUREZA VICKERS
Várias das aplicações da dureza Vickers estão voltadas para o ensaio de microdureza. Este método está associado à determinação da profundidade de superfícies carbonetadas, temperadas ou que sofreram algum processo de endurecimento superficial, além da determinação da dureza de constituintes individuais de uma microestrutura, de materiais frágeis, de peças muito pequenas ou extremamente finas.
As cargas de ensaio são baixas, variando desde algumas gramas até alguns poucos quilos. Dois penetradores são empregados, caracterizando assim dois tipos de microdureza: A microdureza Vickers emprega a mesma técnica do processo de dureza Vickers e a microdureza Knoop utiliza um penetrador na forma apresentada na figura 5.
(a) (b) (c)
Figura 5 - a) Comparação entre os tamanhos das impressões Knoop e Vickers para uma mesma carga; b) Detalhe de uma impressão Knoop; c) Penetrador Knoop
3.1.1. Cuidados a Serem Tomados na Execução do Ensaio de Microdureza
O corpo de prova deve ser preparado por técnicas metalográficas, uma vez que face as pequenas cargas empregadas no ensaio, quaisquer irregularidades superficiais (riscos, carepas, pontos de oxidação, etc) podem levar a resultados errôneos. O polimento eletrolítico evita o efeito do encruamento superficial muitas vezes ocorrente
172
o
3 0`
nos processos usuais de preparação metalográfica. Um método muito utilizado para peças pequenas consiste em fazer um embutimento desta com uma resina epoxi ou baquelite, o que facilita o manuseio.
Para cargas muito baixas (em geral menores do que 300 gf), além de produzirem impressões muito pequenas, o efeito da recuperação elástica é grande em relação a deformação plástica provocada, o que também pode ser uma fonte de erro. Torna-se então, comum realizar uma pesquisa da carga ideal para se ensaiar determinado material. Em virtude disto, verifica-se que as dureza Knoop e Vickers aumentam quando a carga diminui conforme mostrado na figura 6.
Figura 6 - Variação de HK e HV com a carga no ensaio de microdureza.
Face ao formato do penetrador Knoop, este tipo de microdureza é mais sensível à orientação da superfície da amostra (anisotropia).
O tempo de manutenção da carga deve ser por volta de 18 a 30 segundos e a velocidade de aplicação da carga deve estar entre 1 e 20 m/segundo. Velocidades maiores dão valores de dureza mais baixos.
Erros maiores nas medidas de microdureza são ocasionados por erros nas medidas das diagonais (devido ao seu pequeno tamanho quando são empregadas cargas muito pequenas). 0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 Carga (gf) H V H K Seqüência1 Seqüência2
HV
HK
3.1.2 Objetivos
Avaliar o perfil de microdureza da camada superficial de uma engrenagem pelo método Vickers.
3.1.3 Material
Engrenagem de aço, cementada superficialmente e temperada.
3.1.4 Equipamento
Durômetro Universal de Dureza - Marca:________________ Modelo:________________ Condições de ensaio: Carga_____________________ Ampliação ___________________
3.2 Procedimento
Conforme procedimentos descritos na Norma ABNT - NBR 6672. As medidas das diagonais serão feitas através do micrômetro óptico ou vernier, cujo desenho esquemático é apresentado na figura 7.
Figura 7 - Micrômetro óptico para medição das diagonais da impressão no método de microdureza Vickers.
3.3 Resultados
Tabela IV - Valores de dureza microdureza Vickers obtidos ao longo da camada de uma peça que sofreu cementação e têmpera.
Distância
(mm) Diagonal (mm) HV Distância (mm) Diagonal (mm) HV
0 3,3 0,3 3,6 0,6 3,9 0,9 4,2 1,2 4,5 1,5 4,8 1,8 5,1 2,1 5,4 2,4 5,7 2,7 6,0 3,0 6,3 3.4 Bibliografia
1) Norma Brasileira - ABNT NBR 6672 - Jul/1981 - Materiais Metálicos - Determinação da Dureza Vickers
2) Norma Brasileira - ABNT NBR 6672 - Tabelas de Valores da Dureza Vickers (HV) Para Materiais Metálicos
3) Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos - Fundamentos Teóricos e Práticos Sérgio Augusto de Souza - Ed. Edgard Blucher Ltda - SP - 1982;
3.5 Exercícios Propostos
1) Faça um gráfico representativo do perfil de microdureza da camada superficial da engrenagem.
2) Qual a espessura aproximada desta camada?
3) Como podem ser explicadas as variações de dureza ao longo da camada? 4) Quais as causas de erro no método de ensaio de microdureza?
PRÁTICA DE LABORATÓRIO N
004
ENSAIOS MECÂNICOS - Ensaio de Dureza pelo Método
Rockwell
NBR NM 146 -1 - Materiais metálicos - Dureza Rockwell Parte 1: Medição da dureza Rockwell (escalas A, B, C, D, E, F, G,H e K) e Rockwell superficial (escala
15N,30N,45N,15T,30T e 45T) - Dez/1998
4.1 DUREZA ROCKWELL
Este método de ensaio de dureza foi desenvolvido em 1922 por Rockwell, e por apresentar certas vantagens, tem grande emprego a nível internacional. Tecnicamente, o ensaio elimina o tempo necessário para a medida de qualquer dimensão da impressão, uma vez que a dureza é lida diretamente numa escala, previamente preparada em função da profundidade de penetração. O ensaio é por isto mais rápido e isento de erros pessoais. A rapidez do ensaio torna-o propício tanto para uso em linhas de produção quanto para uso em laboratório.
Existem dois tipos de dureza Rockwell que diferem entre si pela pré-carga empregada. A dureza Rockwell normal, que emprega uma pré-carga de 10 Kg, e a dureza Rockwell superficial, que utiliza uma pré-carga de 3 Kg. Estes tipos de dureza têm aplicações específicas, sendo o primeiro mais aplicado ao controle e verificação de tratamentos térmicos, e o segundo mais apropriado ao controle de tratamentos térmicos superficiais.
O ensaio é baseado na profundidade de penetração de uma ponta sobre um material, quando esta é submetida a uma carga nominal, proveniente da soma de uma pré-carga e uma carga maior (após recuperação elástica devido à retirada da carga maior). Os penetradores utilizados são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone Brale, com uma conicidade de 120o). A pré-carga (carga menor) é utilizada
para fixar a amostra e serve como referencia inicial para o ensaio. A seguir uma carga maior é então adicionada completando a carga nominal do ensaio. A leitura do número de dureza é lida diretamente no relógio após a retirada da carga maior. A figura 8 ilustra a sequência de etapas do método.
Figura 8 - Seqüência de operações do método de ensaio de dureza Rockwell (esquemático).
O método de ensaio de dureza Rockwell emprega várias escalas que são independentes entre si. Cada escala é obtida em função da pré-carga, carga nominal e do tipo de penetrador empregados. O relógio indica o número de dureza por analogia com a profundidade que a ponta penetra no material. Um número alto de dureza corresponde a uma pequena profundidade de penetração e vice-verso. Os manuais de operação das máquinas de ensaio são fornecidos pelos fabricantes e indicam como efetuar a medida em cada escala. Além disto, tabelas de aplicação do método podem ser facilmente localizadas nos manuais.
A tabela V apresenta as condições que determinam as escalas do método normal. O método superficial é mais comumente empregado para em corpos de prova de pequena espessura, como lâminas, e materiais que sofreram algum tratamento superficial, como cementação, nitretação e etc.
25 75 0 50 80 20 15 10 5 WILSON 85 70 65 60 55 45 40 35 30 90 95 25 75 0 50 80 20 15 10 5 WILSON 85 70 65 60 55 45 40 35 30 90 95 25 75 0 50 80 20 15 10 5 WILSON 85 70 65 60 55 45 40 35 30 90 95 P0 P1 P0 P0 P1 P1 h0 h1 h PEÇA PEÇA PEÇA Pré carga, relógio em “0” Carga total P0 + P1 Retirar a carga e fazer a leitura
Tabela V -. Escalas de dureza Rockwell normal.
Escala Penetrador Carga (Kgf) Posição da escala no relógio Aplicações
B Esfera 1/16” 100 Interna Ligas de cobre, aços moles, ligas de alumínio, etc.
C Cone Brale 150 Externa Aço duro, perlítico, etc.
A Cone Brale 60 Externa Aços finos e aços endurecidos superficialmente. D Cone Brale 100 Externa Aços com características entre os dois citados acima. E Esfera 1/8” 100 Interna Ligas de Al e Mg, metais para mancais. F Esfera 1/16” 60 Interna Ligas de cobre recozidas e chapas finas de metais moles.
G Esfera 1/16” 150 Interna Liga Cu-Ni-Zn
H Esfera 1/8” 60 Interna Alumínio, zinco, chumbo.
K Esfera 1/8” 150 Interna
Metais para mancais e outros metais muito moles ou finos.
L Esfera 1/4” 60 Interna M Esfera 1/4” 100 Interna P Esfera 1/4” 150 Interna R Esfera 1/2” 60 Interna S Esfera 1/2” 100 Interna V Esfera 1/2” 150 Interna
A tabela VI, a seguir, mostra as escalas do método Rockwell superficial que utiliza pré-carga de 3 kgf.
Tabela VI - Escalas superficiais do método Rockwell. Carga
(Kgf) Penetrador Escala Aplicação
15 15 N
30 Cone Brale 30 N Metais similares aos usados pelas escala A, C e D
45 45 N
15 15 T
30 Esfera 1/16” 30 T Metais similares aos usados pelas escala B, F e G
45 45 T
Para determinar a profundidade em mm do penetrador, empregam-se as seguintes fórmulas: a) Para penetrador de diamante
) 100 ( 001 , 0 l Superficia ) 100 ( 002 , 0 Normal HR h HR HR h HR
b) Para penetrador esférico ) 100 ( 001 , 0 l superficia ) 130 ( 002 , 0 comum HR h HR HR h HR
Figura 9 - Durômetro Rockwell instalado no laboratório de Materiais de Construção Mecânica do departamento de Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade católica de Minas Gerais – PUC MG.
4.1.1 Objetivos
Avaliar a dureza de metais pelo método Rockwell. Executar verificações empregando padrões de dureza.
4.1.2 Material
4.1.3. Equipamento
Durômetro _________________Marca:____________________Modelo:________________
Condições de ensaio: Penetrador___________________Carga_____________________
4.2 Procedimento
Conforme procedimentos descritos na Norma ABNT - NBR 6671.
4.3 Resultados
Tabela VII – Dados obtidos no ensaio de dureza Rockwell.
4.4 Bibliografia
1) Norma Brasileira - ABNT NBR 6671 - Jul/1981 - Materiais Metálicos - Determinação da Dureza Rockwell
2) SOUZA, Sérgio Augusto de. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos - Fundamentos Teóricos e Práticos - Ed. Edgard Blucher Ltda - SP - 1982;
Material Carga (kgf) Dureza Média Material Carga (kgf) Dureza Média
Aço comum Bronze
Aço VC 131 Alumínio
4.5 Exercícios Propostos
1) Cite algumas vantagens da utilização do método Rockwell em relação aos métodos anteriores.
2) Como deve ser o procedimento para a escolha da escala adequada no método Rockwell.
5
aPRÁTICA DE LABORATÓRIO
Ensaios Mecânicos - O ENSAIO DE TRAÇÃO
DEM - IPUC - Prof. Ubirajara Domingos de Castro
NBR 6152 - Jul/1981 - Materiais Metálicos - Determinação das Propriedades Mecânicas à Tração.
5.1. O ENSAIO DE TRAÇÃO
O ensaio de tração possui grande facilidade de execução e reprodutibilidade de
resultados. Além disso, o carregamento a tração é a solicitação estática mais severa, à qual um
material pode estar submetido. Estes fatores tornam fazem com que este ensaio seja um dos
mais importantes na avaliação das propriedades mecânicas dos materiais. Consiste em
submeter um corpo de prova de dimensões padronizadas do material a um esforço definido
por cargas uniaxiais de mesma direção e de sentidos contrários. O corpo de prova tem o seu
comprimento alongado até que ocorra a ruptura.
As deformações ocorridas no material podem ser notadas de forma uniforme ao longo
do comprimento útil até que seja atingida a carga máxima. Esta uniformidade de deformação
permite obter valores característicos da curva tensão-deformação convencional diretamente
pelo registro gráfico do ensaio. Este, geralmente, é feito a baixa velocidade de aplicação de
carga, sendo classificado como um ensaio estático. Amostras do material são usinadas com
dimensões padronizadas pelas várias associações de normas técnicas (ASTM, ISO, ABNT,
DIN, dentre outras), denominadas corpos de prova (ver figura 1), facilitando a comparação de
resultados.
De acordo com a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) o comprimento
mínimo do corpo de prova padrão está associado ao seu comprimento pela seguinte relação:
A
k So
(1)
Onde, k = 5,65
Figura 10 - Aspecto do corpo de prova para o ensaio de tração.
Cabeça
Parte útil
A
R
B
Os corpos de prova apresentam um trecho, denominado de parte útil, com a seção
tranversal menor de forma a garantir que a deformação aconteça somente nesta região. O
aumento da seção nas extremidades dos corpos de prova permite sua fixação nas garras da
máquina de forma a prevenir a ruptura nestes locais. Com a aplicação da carga (F) a barra
sofre uma deformação (e), definida pela variação do comprimento (
L). Desta forma,
obtém-se, concomitantemente com o ensaio, uma curva de Carga/Alongamento. A figura 11 mostra
esta curva com dados obtidos no ensaio hipotético do corpo de prova cilíndrico apresentado.
Figura 11. – Curva característica de Carga (Kgf) versus Alongamento (mm) obtido no ensaio de tração.
De posse dos valores de carga (Kgf) e alongamento (mm) obtidos, concomitantemente
com o ensaio de tração, pode-se esquematizar a curva de tensão convencional ou de
engenharia (Mpa) versus a deformação convencional (mm/mm). Esta curva está representada
na figura 12. As equações 2 e 3 representam as relações entre a carga e a tensão convencional,
bem como entre o alongamento e a deformação convencional.
0
S
F
(2)
Onde: F
i= carga instatânea
S
0= área inicial
50
100
50
100
150
200
250
0
1
2
3
4
5
Alongamento (mm)
C a rg a ( K g f)0 0 0 f
l
l
l
l
l
e
(3)
Onde: F
i= carga instatânea
S
0= área inicial
Figura 12 - Curva típica tensão-deformação convencional, obtida no ensaio de tração.
As equações 4 e 5 representam as relações entre a carga e a tensão verdadeira, bem
como entre o alongamento (
l) e a deformação verdadeira (
).
i i v
S
F
(4)
Onde:
v
= tensão verdadeira
F
i= carga instantâneo. S
i= área instatânea
0 fl
l
ln
(5)
Onde:
= deformação verdadeira
l
0= área comprimento inicial; l
f= comprimento final
0 5 10 15 20 25 30 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 T en são (M Pa) Deformação (mm/mm)
A figura 13 mostra a curva tensão verdadeira (MPa) versus a deformação verdadeira
(mm/mm), traçada a partir de dados obtidos do ensaio anterior. Nota-se o crescimento
contínuo da tensão verdadeira até a ruptura do corpo de prova. Isto ocorre, face à redução da
seção real a partir do ponto de carga máxima (deformação não uniforme).
Figura 13. – Curva tensão/deformação verdadeiras.
Os diagramas das figuras 12 e 13 mostram que, inicialmente, a curva é linear e a
relação entre a tensão (
) e a deformação (e) é definida pela equação 6.
(lei de Hooke)
E
e
(6)
Onde:
= tensão convencional
E = módulo de elasticidade ou módulo de Young
e = Deformação convencional
O regime de deformação definido nesta região é o elástico e sua principal
característica é que o corpo de prova tem a capacidade de as suas dimensões iniciais se o
esforço aplicado for retirado.
A parte parabólica da curva define o regime de deformação plástica. Este regime se
inicia quando a carga aplicada atinge um valor correspondente ao limite de escoamento do
material sendo analisado. Neste ponto ocorre uma transição no regime de deformação, e a
partir daí, o material não mais recupera as suas dimensões originais quando a solicitação é
-2 3 8 13 18 23 28 33 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 Deformação verdadeira (mm/mm) T e n s ã o V e rd a d e ir a ( M P a )
retirada. Esta região caracteriza-se por um aumento significativo na dureza. devido à
deformação a frio. denominado encruamento.
Usualmente, o ensaio de tração permite a determinação das seguintes características do
material:
Tensão no limite de escoamento (
e): É a tensão que delimita a transição entre os
regimes de deformação elástica e plástica. O limite de escoamento pode ocorrer de
duas formas.
Na primeira, ocorre um patamar de escoamento na região de transição e neste caso é
denominado de limite de escoamento definido, ocorrendo para aços de baixo teor de
carbono e macios (no estado recozido), conforme figura 14.
Figura 14. – Curva de tração apresentando um patamar de escoamento.
Geralmente, o fenômeno do escoamento definido é observado em aços que
sofrerão tratamentos mecânicos a quente (temperaturas de trabalho acima de metade
da temperatura absoluta de fusão do material). Neste caso, ocorre um fenômeno
denominado evelhecimento dinâmico (interação entre átomos de solutos, de carbono
e nitrogênio, e deslocações) simultaneamente com a deformação. Durante a
ocorrência do patamar de escoamento, observam-se regiões de deformação
localizadas, que vão cobrindo toda a parte útil do corpo de prova. Durante a
formação súbita de uma banda de deformação. Esta cessa em toda a parte útil do
corpo de prova e concentra-se exclusivamente na banda. Desta forma, quanto maior a
0 50 100 150 200 250 0 1 2 3 4 5 6
C
a
rg
a
(K
g
f)
Alongamento (mm/mm)
Patamar de
escoamento
F
F
Região
deformada
Direção de
movimento da
Banda de Lüders
Região
não-deformada
Banda de
Lüders
deformação nesta banda, maior será a variação de tensão (
como mostrado na
figura 15, que explicita o trecho da curva da figura 14 onde ocorre o patamar de
escoamento.
Figura 15. – Heterogeneidade de deformação durante o patamar de escoamento.
À medida que a região deformada vai aumentando, tem-se uma região
deformada, uma outra não-deformada e uma região de transição denominada Banda
de Lüders. A deformação passa a ocorrer somente na região de transição. A figura 16
mostra o fenômeno e indica o patamar de escoamento.
Figura 16 - Ocorrência de banda de Lüders em corpos de prova de tração. 0 50 100 150 200 0 0,5 1 1,5 2 Deformação (e)
T
e
n
s
ã
o
(
M
P
a
)
Bandas de Lüders0 5 10 15 20 25 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Deformação (%) T e n s ã o (M Pa )
r r'
r // r'
0,2
0,2A segunda forma do limite de escoamento não aparece tão explicitamente no gráfico
quanto à primeira. Neste caso, ele é definido como a relação entre a carga, necessária
para promover uma deformação de x%, e a área inicial do corpo de prova. O valor de
x é específico para cada material. Para aços, por exemplo, é especificado um valor de
para x = 0,2%. A figura 17 mostra um detalhe da figura 12 e ilustra o procedimento
para a determinação do limite de escoamento a x% de deformação, considerando que
o corpo de prova ensaiado era de aço.
Figura 17. – Procedimento para avaliação do limite de escoamento a x% de deformação.
