Você já se perguntou por que os diamantes são tão duros? Neste artigo, exploraremos o fascinante mundo da dureza dos materiais, do talco ao diamante. Você aprenderá como diferentes testes, como Brinell, Rockwell e Vickers, medem essa propriedade crucial e por que ela é importante na engenharia. Prepare-se para descobrir os segredos por trás 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
| Pedido | Material | Pedido | Material |
| 1 | talco | 1 | talco |
| 2 | gupse | 2 | gupse |
| 3 | calcita | 3 | calcita |
| 4 | fluorita | 4 | fluorita |
| 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 | Zircônia fundida | |
| - | 12 | corindon | |
| - | 13 | carbeto de silício | |
| - | 14 | Galpão de carbonização | |
| - | 15 | diamante | |
Para determinar a dureza Brinell de um material metálico, aplique uma determinada carga F com um indentador esférico de diâmetro D em sua superfície e mantenha-a por um período específico. Esse 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. material metálico.
Medição do diâmetro da indentação
Material do indentador：
Por exemplo: 280HBS10/3000/30
1kgf=9,81N
Condições gerais: Diâmetro da esfera de aço de 10 mm; carga de 3000 kg; tempo de retenção da pressão de 10 segundos, ou seja, HB280
Ao medir Dureza Brinell Com indentadores de diferentes diâmetros e cargas de diferentes tamanhos, o princípio da similaridade geométrica deve ser atendido para obter o mesmo valor de HB, ou seja, o ângulo de aberturaφ da indentação é igual.
Método: O mesmo HB deve ser medido para amostras com o mesmo material, mas com espessuras diferentes, ou materiais com dureza e maciez diferentes.
Ao selecionar D e F, F/D2 deve ser o mesmo.
Princípio da similaridade geométrica da indentação:
É possível observar que, desde que F/D permaneça constante, a HB depende apenas do ângulo de pressão φ.
F/D2 proporção: 30, 15, 10, 5, 2,5, 1,25, 1
De acordo com as normas de engenharia, a proporção de F/D2 é 30, 10 e 2,5, que são selecionados de acordo com a dureza do material e a espessura da amostra.
Consulte vários padrões e especificações de teste para obter detalhes.
Fig. 1-21 Aplicação do princípio da similaridade
Tabela de seleção do teste 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 |
| Metal ferroso | 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 |
O experimento mostra que a HB é estável e comparável quando 0,25D<d<0,5D.
Se tiver influência no teste, ele deverá ser realizado em estrita conformidade com os regulamentos, geralmente 10s e 30s.
Esse método é adequado para materiais grossos ou heterogêneos devido à sua grande área de indentação e alta precisão de medição. No entanto, devido ao grande tamanho da indentação, a inspeção de produtos acabados pode ser um desafio.
Ele é utilizado principalmente para inspecionar matérias-primas, e o material do indentador é limitado a materiais mais macios (HB450~650). Além disso, a eficiência da medição de indentação é relativamente baixa.
A profundidade da indentação pode ser usada para refletir a dureza dos materiais.
Para se adaptar a diferentes materiais macios e duros, muitos tipos de testadores de dureza usam indentadores e cargas diferentes.
Um grau comum é o C, HRC, que usa uma carga total de 150 kgf e um indentador de cone de diamante de 120° que é carregado duas vezes.
Primeiro, uma carga inicial de P1=10kgf é aplicada para garantir o contato adequado entre o indentador e a superfície do material. Em seguida, a carga principal de P2=140kgf é adicionada.
Após a remoção do P2, a profundidade da indentação é medida e usada para determinar a dureza do material.
Fig. 3-17 Diagrama esquemático do princípio e do processo de teste do teste de dureza Rockwell
(a) Adicionar pré-carga (b) Adicionar carga principal (c) Descarregar carga principal
| Símbolo de dureza | Cabeça usada | Força total do teste N | Escopo de aplicação | Faixa aplicada |
| HRA | Cone de diamante | 588.4 | 20-88 | Carbeto, liga dura, aço para ferramentas temperado, aço para endurecimento de caixa rasa |
| HRB | φ Esfera de aço de 1,588 mm | 980.7 | 20-100 | Aço macio, liga de cobre, liga de alumínio, ferro fundido maleável |
| HRC | Cone de diamante | 1471 | 20-70 | Aço temperado, temperado e revenido aço, aço endurecido 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 esfera de aço e 100 para o indentador de diamante
Tabela 3-6 Especificação de teste e aplicação da dureza Rockwell
| Régua | Tipo de indentador | Força de teste inicial/N | Força de teste principal/N | Força total de teste/N | Constante K | Faixa de dureza | Exemplos de aplicativos |
| A | Dimensão circular do diamante | 100 | 500 | 600 | 100 | 60~85 | Peças finas de alta dureza e carbonetos cimentados |
| B | φ1.588mm esfera 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 com tratamento térmico | |
| D | Cone de diamante | 900 | 1000 | 100 | 40-77 | Superfície de aço endurecido | |
| E | φ3.175mm esfera 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 esfera de aço | 1400 | 1500 | 130 | 31~94 | Aço perlítico, cobre, níquel, liga de zinco | |
| H | φ3.175mm esfera de aço | 500 | 600 | 130 | - | Liga de cobre recozido | |
| K | φ3.175mm esfera de aço | 1400 | 1500 | 130 | 40~100 | Metais não ferrosos e plásticosMateriais macios e materiais macios não metálicosPeças finas de alta dureza e carbonetos cimentadosMetais não ferrosos, ferro fundido maleável e outros materiais | |
| L | φ6.350mm esfera de aço | 500 | 600 | 130 | - | ||
| M | φ6.350mm esfera de aço | 900 | 1000 | 130 | - | ||
| P | φ6.350mm esfera de aço | 1400 | 1500 | 130 | - | ||
| R | φ12.70mm esfera de aço | 500 | 600 | 130 | - | Aço estrutural e aço para ferramentas com tratamento térmico | |
| S | φ12.70mm esfera de aço | 900 | 1000 | 130 | - | ||
| V | φ12.70mm esfera de aço | 1400 | 1500 | 130 | - |
Características e aplicação da dureza Rockwell
(1) Esse método permite a leitura direta do valor da dureza e é altamente eficiente, o que o torna 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) Entretanto, o tamanho pequeno da indentação pode resultar em pouca representatividade e, portanto, não é adequado para materiais grosseiros ou não uniformes.
(4) O teste de dureza Rockwell é dividido em várias escalas, cada uma com uma ampla gama de aplicações.
(5) É importante observar que os valores de dureza Rockwell obtidos em diferentes escalas não são comparáveis.
Pressione uma pirâmide de diamante na superfície do metal com uma determinada carga F para formar uma indentação piramidal.
O valor da carga na área de indentação da unidade é a dureza Vickers do material metálico.
Quando a unidade de força de teste F é kgf:
Quando a unidade de força de teste 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 a 15s, ele poderá ser registrado como 270HV
Dureza Vickers com carga muito pequena, a carga é de 5-200gf.
Indicado por Hm, ele pode ser usado para testar a dureza de um único grão ou fase.
| Teste de dureza Vickers | Teste Vickers de baixa carga | Teste de dureza Micro Vickers | |||
| Símbolo de dureza | Força de teste/N | Símbolo de dureza | Força de teste/N | Símbolo de dureza | Força de teste/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 |
| Observação: 1. o teste de dureza Vickers pode usar uma força de teste superior a 980,7N; 2. recomenda-se a força de teste 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 de indentação do cone do canto é distinto, resultando em alta precisão de medição.
(3) O indentador de diamante tem uma ampla gama de aplicações e pode fornecer escalas de dureza consistentes para vários materiais.
(4) A eficiência da medição de 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 heterogêneos.
Entretanto, as amostras metalográficas podem ser usadas 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 | Condição | Dureza/(kgf/mm ²） | |
| Materiais metálicos | 99,51AlumínioTP3T | recozimento | 20 |
| laminação a frio | 40 | ||
| Liga de alumínio (A-Zn Mg Cu)Aço doce (tc=0,2%) | recozimento | 60 | |
| Endurecimento por precipitação | 170 | ||
| Aço para rolamentosLiga de alumínio (A-Zn Mg Cu) | normalização | 120 | |
| laminação a frio | 200 | ||
| Aço macio (tc=0,2%) | normalização | 200 | |
| Resfriamento (830 ℃) | 900 | ||
| Têmpera (150 ℃) | 750 | ||
| materiais cerâmicos | WC | aglutinação | 1500~2400 |
| Cermet (Co=6%, permissão WC) | 20℃ | 1500 | |
| 750℃ | 1000 | ||
| Al2O3 | ~1500 | ||
| B4C | 2500~3700 | ||
| Material | Condição | Dureza/(kgf/mm²） |
| BN (metro cúbico) | 7500 | |
| diamante | 6000-10000 | |
| Vidro | ||
| Sílica | 700-750 | |
| Vidro de cal sodada | 540~580 | |
| vidro óptico | 550-600 | |
| Polímero | ||
| Polietileno de alta pressão | 40-70 | |
| Plástico fenólico (enchimento) | 30 | |
| poliestireno | 17 | |
| vidro orgânico | 16 | |
| cloreto de polivinila | 14~17 | |
| ABS | 8-10 | |
| policarbonato | 9-10 | |
| Polioximetileno | 10~11 | |
| Óxido de politetraetileno | 10~13 | |
| polissulfona | 10~13 |
Ligação covalente ≥ ligação iônica>ligação metálica>ligação de hidrogênio>ligação de Van
② O método é simples, não destrutivo e adequado para inspeção em campo;
③ O significado físico não é claro, e é difícil projetar 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 | |
| Metal ferroso | 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 | |
Observação: Unidade de dureza!
Durante o processo de carga, a deformação elástica ocorre primeiro na superfície do corpo de prova. À medida que a carga aumenta, a deformação plástica aparece gradualmente e também aumenta.
O processo de descarregamento é principalmente a recuperação da deformação elástica, enquanto a deformação plástica acaba causando a formação de uma indentação na superfície da amostra.
Curva de deslocamento de carga da nanoindentação
Princípio do teste de nanoindentação
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 de superfície da indentação da base durante o processo de indentação da amostra, que é uma medida da capacidade da amostra de suportar a carga de contato;
Dureza Vickers é definido como a força média por unidade de área na área de superfície da indentação retida após a descarga do indentador, o que reflete a capacidade do corpo de prova de resistir à deformação residual linear.
No processo de medição da dureza, se a deformação plástica dominar o processo, os resultados das duas definições serão semelhantes. Entretanto, se o processo for dominado pela deformação elástica, os resultados serão diferentes.
No contato elástico puro, a área de contato residual é muito pequena. Portanto, a definição tradicional de dureza produzirá um valor infinito, impossibilitando a obtenção do verdadeiro valor de dureza da amostra.
Além disso, as faixas de medição dos dois métodos são diferentes. A medição tradicional da dureza só é aplicável a amostras de grande porte, não só devido às limitações do instrumento de medição, mas também porque a indentação residual não pode refletir com precisão a verdadeira dureza da amostra nas escalas micro e nano.
Novas técnicas de medição e métodos de cálculo são usados para a medição da nano dureza, que pode refletir com mais precisão as características de dureza da amostra em escala micro e nano.
A principal diferença entre os dois métodos é o cálculo da área de indentação. A medição da nanodureza envolve a medição da profundidade da indentação e, em seguida, o cálculo da área de contato usando uma fórmula empírica, enquanto a medição da dureza tradicional envolve a obtenção da área de superfície da indentação a partir de fotos tiradas após a descarga.
Os componentes básicos de um testador de nano dureza podem ser divididos em várias partes, incluindo o sistema de controle, o sistema de bobina móvel, o sistema de carregamento e o indentador.
Os indentadores de diamante, que normalmente são cones triangulares ou dimensões de quatro bordas, são comumente usados.
Durante o teste, os parâmetros iniciais são inseridos primeiro, e o processo de detecção subsequente é totalmente automatizado pelo microcomputador.
A manipulação do sistema de carga e a ação do indentador podem ser obtidas alterando a corrente no sistema de bobina móvel.
A medição e o controle da carga de pressão do indentador são realizados pelo strain gauge, que também fornece feedback ao sistema de bobina móvel para controle de loop fechado, permitindo a conclusão do teste de acordo com as configurações dos parâmetros de entrada.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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