Já se perguntou porque é que os diamantes são tão duros? Neste artigo, vamos explorar o fascinante mundo da dureza dos materiais, desde o talco ao diamante. Aprenderá como diferentes testes, como Brinell, Rockwell e Vickers, medem esta propriedade crucial e porque é importante na engenharia. Prepare-se para descobrir os segredos por detrás da resistência dos materiais!
DurezaCapacidade de resistir à deformação por indentação local ou à fratura por arranhões.
Dois tipos de tabelas de sequência de dureza Mohs
| Encomendar | Material | Encomendar | Material |
| 1 | talco | 1 | talco |
| 2 | gupse | 2 | gupse |
| 3 | calcite | 3 | calcite |
| 4 | fluorite | 4 | fluorite |
| 5 | apatita | 5 | apatita |
| 6 | ortoclásio | 6 | ortoclásio |
| 7 | quartzo | 7 | SiO2 vidro |
| 8 | topázio | 8 | quartzo |
| 9 | corindon | 9 | topázio |
| 10 | adamas | 10 | granada |
| - | 11 | Zircónio fundido | |
| - | 12 | corindon | |
| - | 13 | carboneto de silício | |
| - | 14 | Galpão de carbonização | |
| - | 15 | diamante | |
Para determinar a dureza Brinell de um material metálico, aplica-se uma determinada carga F com um indentador esférico de diâmetro D na sua superfície e mantém-se essa carga durante um período de tempo específico. Este processo resultará na formação de uma indentação esférica, e o valor da carga por unidade de área da indentação é considerado como a dureza Brinell do material metálico.
Medição do diâmetro da indentação
Material do indentador：
Por exemplo: 280HBS10/3000/30
1kgf=9,81N
Condições gerais: 10mm de diâmetro da esfera de aço; 3000kg de carga; 10s de tempo de retenção da pressão, nomeadamente HB280
Ao medir Dureza Brinell com indentadores de diferentes diâmetros e cargas de diferentes tamanhos, o princípio da semelhança geométrica deve ser respeitado para obter o mesmo valor HB, ou seja, o ângulo de aberturaφ da indentação é igual.
Método: A mesma HB deve ser medida para amostras com o mesmo material mas com espessuras diferentes, ou materiais com dureza e suavidade diferentes.
Ao selecionar D e F, F/D2 serão as mesmas.
Princípio da semelhança geométrica da indentação:
Verifica-se que, desde que F/D se mantenha constante, HB depende apenas do ângulo de prensagem φ.
F/D2 rácio: 30,15,10,5,2.5,1.25,1
De acordo com os regulamentos de engenharia, o rácio de F/D2 é de 30, 10 e 2,5, que são seleccionados de acordo com a dureza do material e a espessura da amostra.
Ver várias normas e especificações de ensaio para mais pormenores.
Fig. 1-21 Aplicação do princípio da semelhança
Tabela de seleção do ensaio de dureza Brinell P/D2
| Tipo de material | Número de dureza Brinell/HB | Espessura da amostra/mm | Relação entre a carga P e o diâmetro do indentador D | Diâmetro do indentador D/nm | Carga P/kgf | Tempo de retenção da carga/s |
| Metais ferrosos | 140~450 | 6~3 4-2 <2 | P=30D2 | 1052.5 | 3000 750 187.5 | 10 |
| <140 | >6 6~3 <3 | P=10D2 | 1052.5 | 1000 250 62.5 | 10 | |
| Metais não ferrosos | >130 | 6~3 4-2 <2 | P=30D2 | 1052.5 | 3000 750 187.5 | 30 |
| 36~130 | 9~3 6~2 <3 | P=10D2 | 1052.5 | 1000 250 62.5 | 30 | |
| 8-35 | >6 6~3 <3 | P=2,5D2 | 1052.5 | 250 62.5 15.6 | 60 |
A experiência mostra que a HB é estável e comparável quando 0,25D<d<0,5D.
Se tiver influência no ensaio, este deve ser efectuado em estrita conformidade com os regulamentos, geralmente 10s e 30s.
Este método é adequado para materiais grosseiros ou heterogéneos devido à sua grande área de indentação e elevada precisão de medição. No entanto, devido à grande dimensão da indentação, a inspeção de produtos acabados pode ser um desafio.
É utilizado principalmente para a inspeção de matérias-primas e o material do indentador está limitado a materiais mais macios (HB450~650). Para além disso, a eficiência da medição da indentação é relativamente baixa.
A profundidade de indentação pode ser utilizada para refletir a dureza dos materiais.
Para se adaptarem a diferentes materiais moles e duros, muitos tipos de aparelhos de teste de dureza utilizam indentadores e cargas diferentes.
Um grau comum é o C, HRC, que utiliza uma carga total de 150 kgf e um indentador de cone de diamante de 120° que é carregado duas vezes.
Primeiro, é aplicada uma carga inicial de P1=10kgf para assegurar o contacto adequado entre o indentador e a superfície do material. De seguida, é adicionada a carga principal de P2=140kgf.
Após a remoção de P2, a profundidade da indentação é medida e utilizada para determinar a dureza do material.
Fig. 3-17 Diagrama esquemático do princípio e do processo de ensaio do ensaio de dureza Rockwell
(a) Adicionar pré-carga (b) Adicionar carga principal (c) Descarregar carga principal
| Símbolo de dureza | Cabeça utilizada | Força total de ensaio N | Âmbito de aplicação | Gama aplicada |
| HRA | Cone de diamante | 588.4 | 20-88 | Carboneto, liga dura, aço para ferramentas temperado, aço de endurecimento superficial |
| HRB | φ Esfera de aço de 1,588 mm | 980.7 | 20-100 | Aço macio, liga de cobre, liga de alumínio, ferro fundido maleável |
| CDH | Cone de diamante | 1471 | 20-70 | Aço temperado, temperado e revenido aço, aço temperado em caixa profunda |
Indentador: 120 cone de diamante ou esfera de aço endurecido
Definição de dureza Rockwell:
A profundidade de indentação residual de 0,002 mm é uma unidade de dureza Rockwell.
K - constante, 130 para o indentador de esferas de aço e 100 para o indentador de diamante
Tabela 3-6 Especificação do ensaio e aplicação da dureza Rockwell
| Régua | Tipo de indentador | Força de ensaio inicial/N | Força de ensaio principal/N | Força total de ensaio/N | Constante K | Gama de dureza | exemplos de aplicação |
| A | Dimensão circular do diamante | 100 | 500 | 600 | 100 | 60~85 | Peças finas de elevada dureza e carbonetos cementados |
| B | φ1.588mm bola de aço | 900 | 1000 | 130 | 25~100 | Metais não ferrosos, ferro fundido maleável e outros materiais | |
| C | Dimensão circular do diamante | 1400 | 1500 | 100 | 20~67 | Aço estrutural e aço para ferramentas tratados termicamente | |
| D | Cone de diamante | 900 | 1000 | 100 | 40-77 | Superfície de aço endurecido | |
| E | φ3.175mm bola de aço | 900 | 1000 | 130 | 70~100 | Plástico | |
| F | φ1.588mmm bola de aço | 500 | 600 | 130 | 40~100 | Metais não ferrosos | |
| G | φ1.588mm bola de aço | 1400 | 1500 | 130 | 31~94 | Aço perlítico, cobre, níquel, liga de zinco | |
| H | φ3.175mm bola de aço | 500 | 600 | 130 | - | Liga de cobre recozido | |
| K | φ3.175mm bola de aço | 1400 | 1500 | 130 | 40~100 | Metais não ferrosos e plásticosMateriais macios e materiais macios não metálicosPeças finas de elevada dureza e carbonetos cementadosMetais não ferrosos, ferro fundido maleável e outros materiais | |
| L | Esfera de aço φ6.350mm | 500 | 600 | 130 | - | ||
| M | Esfera de aço φ6.350mm | 900 | 1000 | 130 | - | ||
| P | Esfera de aço φ6.350mm | 1400 | 1500 | 130 | - | ||
| R | φ12.70mm bola de aço | 500 | 600 | 130 | - | Aço estrutural e aço para ferramentas tratados termicamente | |
| S | φ12.70mm bola de aço | 900 | 1000 | 130 | - | ||
| V | φ12.70mm bola de aço | 1400 | 1500 | 130 | - |
Características e aplicação da dureza Rockwell
(1) Este método permite a leitura direta do valor de dureza e é altamente eficiente, tornando-o adequado para a inspeção de lotes.
(2) A indentação é pequena e geralmente considerada "não destrutiva", o que a torna adequada para a inspeção de produtos acabados.
(3) Contudo, a pequena dimensão da indentação pode resultar numa fraca representatividade, pelo que não é adequada para materiais grosseiros ou não uniformes.
(4) O ensaio de dureza Rockwell está dividido em várias escalas, cada uma com uma vasta gama de aplicações.
(5) É importante notar que os valores de dureza Rockwell obtidos a partir de diferentes escalas não são comparáveis.
Pressionar uma pirâmide de diamante na superfície metálica com uma determinada carga F para formar uma indentação piramidal.
O valor da carga na área de indentação unitária é a dureza Vickers do material metálico.
Quando a unidade da força de ensaio F é kgf:
Quando a unidade da força de ensaio F é N:
Material do indentador: pirâmide de diamante com um ângulo incluído de 136 °
Por exemplo: 270HV30/20, se o tempo de espera for de 10-15s, pode ser registado como 270HV
Dureza Vickers com carga muito pequena, a carga é de 5-200gf.
Indicado por Hm, pode ser utilizado para testar a dureza de um único grão ou fase.
| Ensaio de dureza Vickers | Ensaio Vickers a baixa carga | Ensaio de dureza Micro Vickers | |||
| Símbolo de dureza | Força de ensaio/N | Símbolo de dureza | Força de ensaio/N | Símbolo de dureza | Força de ensaio/N |
| HV5 | 49.03 | HVO.2 | 1.961 | HVO.01 | 0.09807 |
| HV10 | 98.07 | HVO.3 | 2.942 | HVO.015 | 0.1471 |
| HV20 | 196.1 | HVO.5 | 4.903 | HVO.02 | 0.1961 |
| HV30 | 294.2 | HV1 | 9.807 | HVO.025 | 0.2452 |
| HV50 | 490.3 | HV2 | 19.61 | HVO.05 | 0.4903 |
| HV100 | 980.7 | HV3 | 29.42 | HVO.1 | 0.9807 |
| Nota: 1. o ensaio de dureza Vickers pode utilizar uma força de ensaio superior a 980,7N;2. recomenda-se a força de ensaio micro Vickers. | |||||
Características e aplicação da dureza Vickers
(1) A forma geométrica da indentação é sempre semelhante, enquanto a carga pode ser variada.
(2) O contorno da indentação do cone do canto é distinto, resultando numa elevada precisão de medição.
(3) O indentador de diamante tem uma vasta gama de aplicações e pode fornecer escalas de dureza consistentes para vários materiais.
(4) A eficiência da medição da indentação é baixa, tornando-a inadequada para a inspeção de lotes no local.
(5) A indentação é pequena e não é adequada para materiais grosseiros ou heterogéneos.
No entanto, os espécimes metalográficos podem ser utilizados para medir a dureza ou a distribuição da dureza de várias fases.
① O estado de tensão é muito suave (α>2), o que é amplamente aplicável;
Dureza de alguns materiais
| Material | Estado | Dureza/(kgf/mm ²） | |
| Materiais metálicos | 99.51AlumínioTP3T | recozimento | 20 |
| laminagem a frio | 40 | ||
| Liga de alumínio (A-Zn Mg Cu)Aço macio (tc=0,2%) | recozimento | 60 | |
| Endurecimento por precipitação | 170 | ||
| Aço para rolamentosLiga de alumínio (A-Zn Mg Cu) | normalização | 120 | |
| laminagem a frio | 200 | ||
| Aço macio (tc=0,2%) | normalização | 200 | |
| Têmpera (830 ℃) | 900 | ||
| Têmpera (150 ℃) | 750 | ||
| materiais cerâmicos | WC | aglutinação | 1500~2400 |
| Cermet (Co=6%, tolerância WC) | 20℃ | 1500 | |
| 750℃ | 1000 | ||
| Al2O3 | ~1500 | ||
| B4C | 2500~3700 | ||
| Material | Estado | Dureza/(kgf/mm²） |
| BN (metro cúbico) | 7500 | |
| diamante | 6000-10000 | |
| Vidro | ||
| Sílica | 700-750 | |
| Copo de cal sodada | 540~580 | |
| vidro ótico | 550-600 | |
| Polímero | ||
| Polietileno de alta pressão | 40-70 | |
| Plástico fenólico (enchimento) | 30 | |
| poliestireno | 17 | |
| vidro orgânico | 16 | |
| cloreto de polivinilo | 14~17 | |
| ABS | 8-10 | |
| policarbonato | 9-10 | |
| Polioximetileno | 10~11 | |
| Óxido de politetraetileno | 10~13 | |
| polisulfona | 10~13 |
Ligação covalente ≥ ligação iónica>ligação metálica>ligação de hidrogénio>ligação de Van
② O método é simples, não destrutivo e adequado para inspeção no terreno;
③ O significado físico não é claro, e é difícil de conceber quantitativamente.
σb≈KH
Aço: K=0.33~0.36
Liga de cobre, aço inoxidável, etc.: K=0,4~0,55
Relação entre dureza e resistência de metais recozidos
| Nome do metal e da liga | HB | σb/MPa | k（σb/HB） | σ-1/MPa | σ（σ-1/HB） | |
| Metais não ferrososMetais ferrososMetais não ferrosos | Cobre | 47 | 220.30 | 4.68 | 68.40 | 1.45 |
| Liga de alumínio | 138 | 455.70 | 3.30 | 162.68 | 1.18 | |
| Duralumínio | 116 | 454.23 | 3.91 | 144.45 | 1.24 | |
| Metais ferrosos | Ferro puro industrial | 87 | 300.76 | 3.45 | 159.54 | 1.83 |
| 20 aço | 141 | 478.53 | 3.39 | 212.66 | 1.50 | |
| 45 aço | 182 | 637.98 | 3.50 | 278.02 | 1.52 | |
| 18 Aço | 211 | 753.42 | 3.57 | 264.30 | 1.25 | |
| Aço T12 | 224 | 792.91 | 3.53 | 338.78 | 1.51 | |
| 1Cr18Ni9 | 175 | 902.28 | 5.15 | 364.56 | 2.08 | |
| 2Cr13 | 194 | 660.81 | 3.40 | 318.99 | 1.64 | |
Nota: Unidade de dureza!
Durante o processo de carga, a deformação elástica ocorre primeiro na superfície do espécime. À medida que a carga aumenta, a deformação plástica aparece gradualmente e também aumenta.
O processo de descarregamento consiste principalmente na recuperação da deformação elástica, enquanto a deformação plástica acaba por provocar a formação de uma indentação na superfície da amostra.
Curva carga-deslocamento da nano-indentação
Princípio do ensaio de nano-indentação
Existem diferenças importantes entre a nano-dureza e a dureza tradicional:
Em primeiro lugar, as duas definições são diferentes.
Nanohardness: a força instantânea suportada por uma unidade de área na projeção da área da superfície da indentação da base durante o processo de indentação da amostra, que é uma medida da capacidade da amostra para suportar a carga de contacto;
Dureza Vickers é definida como a força média por unidade de área na superfície da indentação retida após a descarga do indentador, o que reflecte a capacidade do provete para resistir à deformação residual linear.
No processo de medição da dureza, se a deformação plástica dominar o processo, os resultados das duas definições são semelhantes. No entanto, se o processo for dominado pela deformação elástica, os resultados serão diferentes.
Em contacto elástico puro, a área de contacto residual é muito pequena. Por conseguinte, a definição tradicional de dureza produzirá um valor infinito, tornando impossível obter o verdadeiro valor de dureza da amostra.
Além disso, as gamas de medição dos dois métodos são diferentes. A medição tradicional da dureza só é aplicável a amostras de grandes dimensões, não só devido a limitações do instrumento de medição, mas também porque a indentação residual não pode refletir com precisão a verdadeira dureza da amostra à escala micro e nano.
São utilizadas novas técnicas de medição e métodos de cálculo para a medição da nano-dureza, que podem refletir com maior precisão as características de dureza da amostra à escala micro e nano.
A principal diferença entre os dois métodos é o cálculo da área de indentação. A medição da nano-dureza envolve a medição da profundidade da indentação e, em seguida, o cálculo da área de contacto utilizando uma fórmula empírica, enquanto a medição da dureza tradicional envolve a obtenção da área de superfície da indentação a partir de fotografias tiradas após a descarga.
Os componentes básicos de um nanoensaiador de dureza podem ser divididos em várias partes, incluindo o sistema de controlo, o sistema de bobina móvel, o sistema de carga e o indentador.
Os indentadores de diamante, que são tipicamente cones triangulares ou dimensões de quatro arestas, são normalmente utilizados.
Durante o teste, os parâmetros iniciais são introduzidos primeiro e o processo de deteção subsequente é totalmente automatizado pelo microcomputador.
A manipulação do sistema de carga e a ação do indentador podem ser conseguidas alterando a corrente no sistema de bobina móvel.
A medição e o controlo da carga de pressão do indentador são efectuados pelo extensómetro, que também fornece feedback ao sistema de bobina móvel para controlo em circuito fechado, permitindo a conclusão do ensaio de acordo com as definições dos parâmetros de entrada.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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