Objetivo
O experimento tem como objetivo, visualizar na pratica a realização de um ensaio mecânico muito utilizado pela industria, o Ensaio de Dureza. Todas as etapas deste processo serão descritas neste relatório. Resumo
O experimento consiste um utilizar-se corpos de prova de materiais diferentes como aço, alumínio, latão e cobre, realizando o ensaio através de três métodos diferentes. Ensaio Brinell, que utiliza um penetrador de esfera; Vickers, que utiliza um penetrador de diamante com base quadrada e por ultimo Rockwell, que utiliza penetrador esférico ou cônico. Neste experimento foram feitas três medições por material, o que leva a uma maior precisão nos dados obtidos. Esses dados estão especificados em uma tabela comparativa que segue anexa a este relatório. Introdução
Na ciência dos materiais, dureza é a propriedade característica de um material sólido, sólido, que expressa sua resistência a deformações permanentes e está diretamente relacionada com a força de ligação dos átomos. Uma maneira de avaliar a dureza é verificar a capacidade de um material penetrar o outro. Na engenharia e na metalurgia, utiliza-se o chamado ensaio de penetração para a medição da dureza. Neste laboratório, foram utilizados três dos mais comuns: Brinell, Vickers e Rockwell Dureza Brinell
O método Brinell é utilizado principalmente nos materiais metálicos. Este método foi proposto em 1900, pelo engenheiro sueco Johan August Brinell. Brinell. Foi o primeiro ensaio de dureza normatizado e amplamente utilizado na engenharia e metalurgia. metalurgia. O teste típico consiste em um penetrador de aço duro com formato esférico e diâmetro D contra a superfície plana e limpa de um metal com uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d, como mostra a figura abaixo.
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Figura 1 – Desenho esquemático da dureza Brinell.
A Dureza Brinell(HB) é o quociente da carga aplicada pela área da calota esférica, dada por:
HB
=
F AC
onde: F = Carga aplicada e AC = área da calota esférica AC = π Dp; onde p = profundidade da calota. Fazendo-se as devidas substituições:
F
HB
=
Dp
π
Contudo, p não é muito fácil de ser determinado. Então, faz-se uma relação entre p e d, resultando em:
HB
=
(
2 F
D D − D
π
2
−
d
2
)
Assim, a dureza é expressa em unidades de Kgf/mm2 (1Kgf/mm2≅ 10N/mm2≅ 10MPa). Contudo, usa-se somente o número e HB. Ex.: 100HB. Os cálculos são dispensados no dia a dia, através do uso de uma tabela, onde estão dispostos os valores de d e da dureza HB.
Dureza Vickers
É um método semelhante ao ensaio de dureza Brinell, já que também relaciona carga aplicada com a área da superfície de impressão. Neste método, é usada uma pirâmide de diamante com ângulo de diedro de 136º e base quadrada que é comprimida, com uma carga, contra a superfície do material por aproximadamente 30 segundos. O ensaio é aplicável a todos os materiais metálicos com quaisquer durezas, especialmente materiais muito duros, ou corpos de prova pequenos ou irregulares. A forma de impressão é a de um losango regualar, cujas diagonais devem ser medidas através de um microscópio acoplado a maquina de teste. A media 2
dessas duas medidas é utilizada na determinação da dureza, usando-se a mesma relação apresentada na dureza Brinell. Determinação da Dureza Vickers:
d=(d1+d2)/2
Figura 2: Penetrador Vickers
Ensaio Rockwell
Proposto em 1922 leva o nome do seu criador, é o processo mais utilizado no mundo, devido à rapidez, à facilidade de execução, isenção de erros humanos, facilidade em detectar pequenas diferenças de durezas e pequeno tamanho da impressão. Este método apresenta algumas vantagens em relação ao ensaio Brinell, pois permite avaliar a dureza de metais diversos, desde os mais moles até os mais duros. A carga do ensaio é aplicada em etapas, ou seja, primeiro se aplica uma pré-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o material ensaiado, e depois aplica-se a carga do ensaio propriamente dita. A leitura do grau de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material, Figura 3(a)
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Figura 3 –(a) Mostrador das escalas de dureza Rockwell acoplado ao durômetro . (b) Penetradores utilizados no ensaio de dureza Rockell
Os penetradores utilizados no ensaio de dureza Rockwell são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120º de conicidade), Quando se utiliza o penetrador cônico de diamante, deve-se fazer a leitura do resultado na escala externa do mostrador, de cor preta. Ao se usar o penetrador esférico, faz-se a leitura do resultado na escala vermelha (escala interna). Nos equipamentos com mostrador digital, uma vez fixada a escala a ser usada, o valor é dado diretamente na escala determinada. Pode-se realizar o ensaio de dureza Rockwell em dois tipos de máquinas: A máquina padrão mede a dureza Rockwell normal e é indicada para • avaliação de dureza em geral. Utiliza-se uma pré-carga de 10 kgf e a carga maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf. A máquina mais precisa mede a dureza Rockwell superficial, e é indicada • para avaliação de dureza em folhas finas ou lâminas, ou camadas superficiais de materiais. Pré-carga de 3 kgf e a carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf. A Figura 3(c) descreve o processo do ensaio de dureza Rockell.
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Figura 3 - (c):processo do ensaio de dureza Rockell.
Materiais e Métodos
Primeiro foram distribuídos a cada trio de alunos, uma amostra de diferentes materiais para serem analisados, assim ao final do experimento poderemos comparar a dureza de diferentes materiais. Em seguida, cada grupo realizou os três ensaios, cada integrante do trio realizou o processo uma vez, obtendo três durezas. Os primeiros ensaios realizado foram o Brinelle Vickers. Para este ensaio foi utilizado um maquina semelhante a da figura 4 chamada de durômetro. A maquina continha um dispositivo, acionado por uma alavanca, que mudava a função da maquina, ora sendo utilizada como microscópio, para a visualização do material, ora como penetrador que faria a impressão no material. Assim logo após escolhida a carga especifica para o ensaio, soltava-se a alavanca e a carga era aplicada na peça pelo penetrador por um tempo pré determinado (30s para Brinell e 15s para Vickers), então com a carga retirada, era feita através do microscópio a leitura da calota impressa ou da dimensão das diagonais no caso de Vickers. Lembrando que o processo para o ensaio Vickers e igual ao Brinell, mudando apenas a forma do penetrador.
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Figura 4: Maquina usada para os Esaios Brinell e Vickers
Posteriormente foi realizado o ensaio Rockwell, posicionamos o corpo de prova na base da máquina e giramos a rosca até o penetrador atingir o corpo de prova aplicando uma pré-carga de 10 kgf. A rotação deve ser feita forma lenta e cautelosa para que o ponteiro menor não ultrapasse o número três (ponto vermelho) e o ponteiro maior atinge o B0, utilizando assim a escala vermelha. Feito isso, solta-se a alavanca que vai aplicar uma carga com velocidade controlada e constante. O penetrador utilizado foi escolhido de acordo com a escala escolhida de acordo com o material, mostrado na Tabela 1. Ao verificar que o ponteiro do relógio estabilizou, puxa-se a alavanca para cima, fazendo então a leitura do relógio que indicará a dureza do material. Este ensaio foi realizado por cada integrante da turma.
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Figura 5 – (a)Escalas de dureza Rockwell mais utilizadas. (b) Durômetro para o ensaio de dureza Rockwell
Por fim foi feita a analise desses dados, calculando a media e o desvio padrão. Resultados
Os resultados obtidos nos ensaio em laboratório estão apresentados na tabela abaixo: MATERIAL LATÃO AÇO 1045 AÇO 1060 AÇO 1020 AÇO 1045 REC AÇO 1020 REC ALUMÍNIO 2024 ALUMÍNIO
HR - DUREZA ROCKWELL
HB - DUREZA BRINELL 1
2
3
88, 7 22 9 21 1 16 7 17 4 12 9 15 0 15 0
88, 7 22 4 21 1 16 7 18 0 13 3 14 2 15 5
86, 8 23 4 22 9 17 0 18 0 12 9 15 0 15 9
HV- DUREZA VICKERS
MÉDI A
DESVI ESCAL 1 O A
2
DESVI 3 MÉDI A O
88,1
1,10
HRB HRB
10,3 9
HRB
1,73
HRB
3,46
HRB
2,31
HRB
5 6 9 8 9 8 8 6 8 6 6 8
5 4 9 9 9 6 8 6 8 6 6 9
55,0
5,00
5 5 9 9 9 7 8 5 8 6 6 6
4,62
-
-
-
-
-
-
4,51
-
-
-
-
-
-
229, 0 217, 0 168, 0 178, 0 130, 3 147, 3 154, 7
98,7 97,0 85,7 86,0 67,7
1
MÉDI DESVI A O
2
3
100, 0 250, 0 224, 0 181, 0 176, 0 133, 6
110, 0 245, 0 228, 0 179, 0 179, 0 135, 5
103, 3 245, 3 226, 7 179, 7 178, 0 134, 2
5,77
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
1,00 100, 0 241, 0,58 0 1,00 228, 0 179, 0,58 0 179, 0,00 0 133, 1,53 6
7
4,51 2,31 1,15 1,73 1,10
7050 ALUMÍNIO 7075 LIGA Al Mg ALUMÍNIO PURO AÇO 1045 TEMP LATÃO REC
-
-
-
-
58, 61, 61, 60,4 9 1 1 62, 64, 62, 63,2 4 9 4
8 5 5 9
8 6 6 4
8 5 6 0
85,3
0,58 164, 175, 161, 166, 0 0 0 7
7,37
61,0
2,65 65,9 65,9 65,9 65,9
0,00
-
-
-
-
-
5 8 6 5
5 8 6 7
5 7 6 5
57,7
0,58 661, 623, 623, 635, 21,94 0 0 0 7
65,7
1,15 57,2 61,0 59,4 59,2
-
HRB
1,27
HRB
1,44
-
-
-
-
-
HRC
-
-
-
-
-
HRF
-
-
-
-
Conclusão
A dureza é uma importante propriedade por estimar conhecimento aproximado da resistência mecânica através do uso de tabelas de correlação e da resistência ao desgaste dos materiais. A dureza, define-se como sendo a resistência que um material oferece ao sofrer deformação plástica na sua superfície, a partir de uma carga aplicada ou ponta afiada ou uma partícula abrasiva. Existem vários tipos de testes de dureza, neste relatório analisamos alguns dels. Com a realização do ensaio em laboratório, nota-se que cada um dos métodos possuem suas vantagens e desvantagens, alguma destas foram listadas a seguir. Vantagens do Método Brinell:
- Adequado (produz grandes calotas na peça, quando D=10mm) paramateriais compostos por mais de uma fase (valores de dureza discrepantes), como os ferros fundidos. - Existe a possibilidade de se estimar a resistência à tração a partir da dureza Brinell, aplicando-se a seguinte equação: σ UTS = 3,6 × HB ( MPa ) ou σ UTS = 0,36 × HB ( Kgf / mm 2 ) - Baixo custo de equipamento Desvantagens do método Brinell:
- Só é possível se medir a dureza de materiais de média dureza, isto é, até no máximo 500Hb, caso contrário a esfera pode sofrer deformação plástica. - Existe a necessidade de um acabamento superficial mínimo. - É sujeito a erros de medição. - A impressão sendo muito grande pode inutilizar a peça. - Não se presta para materiais que sofreram algum tipo de tratamento de superfície.
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-
-
1,91
Vantagens do Método Vickers: - Escala contínua de dureza - Impressões de dureza extremamente pequenas - Deformação nula do indentador - Aplicação para qualquer espessura - Relação com a resistência à tração Desvantagens do Método Vickers: - Necessidade de preparação cuidadosa da superfície - Processo lento - Sujeito a erros do operador
Vantagens do Método Rockwell:
- Rapidez na execução - As Superfícies não necessitam de polimento; - Pequenas irregularidades são eliminadas pela pré-carga; - Não necessita de sistema óptico; - Equipamento mais simples - Maior exatidão e isenção de erros pessoais uma vez que a leitura é feita diretamente no aparelho - Possibilidade de maior utilização em metais duros. - Pequeno tamanho da impressão. ( Pode ser utilizado em peças prontas) Desvantagens do Método Rockwell:
- Escala C só para aços temperados; - Necessidade de usar muitas escalas diferentes para abranger toda a gama de materiais possíveis - Ao medir a dureza de um material desconhecido, deve-se primeiro tentar uma escala mais alta para evitar a danificação do penetrador. Observa-se também que quanto mais medidas forem realizadas, mais precisa será a dureza obtida do material.
Referencias Bibliográficas •
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Ensaios dos materiais, A. Garcia, J.A. Spim e C.A. Santos, Ed. LTC, Rio de Janeiro, 2000. Ensaios mecânicos de materiais metálicos: fundamentos teóricos e práticos, Ed. Edgard Blucher, Ségio Augusto de Souza, 1982 Material Didático – Ensaios Mecânicos - Centro de Informação Metal Mecânica - www.cimm.com.br/ 9
FACULDADE DE ENGENHARIA DE GUARATINGUETÁ
Relatório de Propriedade Mecânica dos Materiais
Ensaio de Dureza
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Nome: Rodrigo Henrique Bahia Prof: Tomaz Manabu Hashimoto
Nº: 08496
Turma: 344
Data: 15/04/10
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