Guia e gráfico definitivo da escala de dureza de Mohs

Entendendo as escalas de dureza

Introdução à dureza

A dureza é uma propriedade crítica do material que mede a resistência de um material à deformação, principalmente à indentação permanente, arranhões, cortes ou abrasão. Ela é essencial em vários campos, incluindo manufatura, metalurgia e engenharia, para garantir que os materiais atendam a critérios específicos de desempenho. Os testes de dureza fornecem dados valiosos para a seleção de materiais, controle de qualidade e previsão de resistência ao desgaste.

Tipos de testes de dureza

Teste de dureza Brinell

O teste de dureza Brinell envolve forçar uma esfera de aço duro ou de carboneto na superfície de um material sob uma carga específica. A dureza é determinada medindo-se o diâmetro da indentação resultante e calculando-se o número de dureza Brinell (BHN). Por exemplo, uma aplicação típica é o teste de ferro fundido, que pode produzir um BHN de cerca de 150 a 200. Esse método é particularmente útil para materiais com estruturas de grãos grosseiros ou não uniformes, pois calcula a média da dureza em uma área maior.

Teste de dureza Rockwell

O teste de dureza Rockwell mede a dureza determinando o aumento líquido na profundidade de uma impressão à medida que uma carga é aplicada. Ele usa uma carga menor para assentar o indentador e, em seguida, uma carga maior para criar a indentação. A diferença de profundidade entre as cargas menor e maior fornece o número de dureza Rockwell. Diferentes escalas (A, B, C, etc.) são usadas dependendo do tipo de indentador e da carga de teste. Por exemplo, a escala Rockwell C, que usa um cone de diamante de 120 graus com uma carga de até 150 kg, é comumente usada para facas de máquinas industriais, normalmente variando de RC 40 a RC 65.

Teste de dureza Vickers

O teste de dureza Vickers usa um indentador de pirâmide de diamante para criar uma indentação quadrada na superfície do material. A diagonal da indentação é medida opticamente, e o número de dureza Vickers (VHN) é calculado. Esse método pode ser aplicado a materiais macios e duros e é adequado para testes de microdureza. Por exemplo, o teste de um pedaço de aço endurecido pode produzir um VHN de cerca de 600.

Outros testes de dureza

• Teste de dureza Knoop: Usado para materiais finos ou frágeis, esse teste emprega uma pirâmide alongada para fazer uma indentação rasa. A medida da diagonal longa é usada para calcular a dureza Knoop. É frequentemente usado para testar cerâmica ou vidro.
• Teste de dureza de Mohs: Uma escala qualitativa que classifica os minerais de 1 a 10 com base em sua resistência a arranhões. Por exemplo, o talco é classificado como 1, enquanto o diamante é classificado como 10.
• Teste de dureza Shore: Usado para materiais mais macios, como elastômeros e plásticos, esse teste usa um indentador com mola (durômetro) para medir a profundidade da penetração. O durômetro é um instrumento que mede a dureza dos materiais por meio da aferição da profundidade de uma indentação criada por uma determinada força.

Escalas de dureza e seu significado

Balanças Rockwell

A escala de dureza Rockwell é amplamente utilizada e reconhecida, especialmente no setor siderúrgico. Ela inclui várias escalas, como A, B, C, etc., cada uma adequada a diferentes materiais. A escala Rockwell C é particularmente comum para facas de máquinas industriais e varia de RC 40 a RC 65. Por exemplo, uma lâmina de faca de aço com alto teor de carbono pode ter uma dureza de cerca de RC 58.

Escala Brinell

O número de dureza Brinell (HB) é calculado com base na carga e na área da superfície da indentação. Ele é expresso em um formato como "75 HB 10/500/30", indicando a dureza, o diâmetro da esfera, a carga e a duração do teste. Essa escala é frequentemente usada para testar metais não ferrosos e ferro fundido.

Escala Vickers

O número de dureza Vickers (VHN) é calculado a partir da medida diagonal da indentação quadrada. Essa escala é contínua e pode ser usada em uma ampla gama de materiais. Por exemplo, uma peça de liga de alumínio pode ter um VHN de 120.

Pontos-chave e aplicações

• Dureza e ductilidade: À medida que a dureza aumenta, a ductilidade geralmente diminui. Os materiais mais duros são mais resistentes ao desgaste, mas também são mais frágeis e menos capazes de absorver energia antes de quebrar.
• Resistência ao desgaste: A dureza é diretamente proporcional à resistência ao desgaste. Os materiais duros não se desgastam facilmente sob pressão, o que os torna adequados para aplicações como ferramentas de corte e rebolos.
• Aplicativos do setor: O teste de dureza é crucial em vários setores, incluindo o aeroespacial, o automotivo e o de construção. Ele ajuda na comparação de materiais, na seleção e no controle de qualidade dos processos de endurecimento. Por exemplo, no setor automotivo, os testes de dureza garantem que os componentes do motor possam suportar altas tensões e temperaturas.

Medição e interpretação

• Cargas e indentadores: Diferentes testes de dureza usam cargas e indentadores diferentes. Por exemplo, o teste Rockwell usa uma carga menor e uma maior, enquanto o teste Vickers usa um indentador de pirâmide de diamante com cargas variáveis.
• Cálculo da dureza: O valor da dureza é calculado com base na medição da indentação. Por exemplo, no teste Rockwell, o número de dureza é derivado da diferença de profundidade entre as cargas menor e maior.

Avanços modernos nos testes de dureza

Os recentes avanços nos testes de dureza incluem máquinas automatizadas de teste de dureza e métodos de teste não destrutivos. Essas tecnologias aumentam a precisão e a eficiência das medições de dureza, facilitando o teste de formas e materiais complexos em tempo real. Por exemplo, os testadores de dureza portáteis agora permitem testes no local, fornecendo resultados imediatos sem a necessidade de condições laboratoriais.

Escala de dureza de Moh

Há dois métodos para medir a dureza dos materiais: dureza de arranhões e dureza de indentação de carga estática. A dureza de arranhões, também conhecida como dureza de Mohs, é uma dureza relativa e é bastante áspera.

Ele usa dez minerais naturais como padrões. A ordem de dureza não representa o tamanho absoluto da dureza de um determinado mineral, mas indica que um mineral de ordem de dureza mais alta pode arranhar um mineral de ordem mais baixa. A dureza de outros minerais é determinada pela comparação com esses minerais padrão.

A unidade de dureza de Mohs é o quilograma-força por centímetro quadrado (kgf/cm²), denotado como [Pa]. É um padrão para expressar a dureza de um mineral, proposto pela primeira vez em 1824 pelo mineralogista alemão Frederich Mohs. A dureza é representada pela profundidade do arranhão feito na superfície do mineral testado usando o método de arranhão com uma agulha de diamante em forma de pirâmide.

A escala de dureza é a seguinte: talco 1 (mais macio), gesso 2, calcita 3, fluorita 4, apatita 5, ortoclásio (também conhecido como feldspato ou periclásio) 6, quartzo 7, topázio 8, coríndon 9, diamante 10 (mais duro). A dureza de Mohs também é usada para expressar a dureza de outros materiais sólidos.

Para um método mais específico: o mineral a ser testado seria riscado em relação à dureza padrão na escala de dureza de Mohs para determinar a dureza do mineral testado.

Por exemplo, se um mineral pode arranhar a calcita e ser arranhado pela fluorita, então a dureza desse mineral está entre 3 e 4. Como alternativa, pode-se usar uma unha (dureza de 2 a 2,5), uma moeda (dureza de 3,5) ou uma faca pequena (dureza de 5,5) para arranhar o mineral a fim de determinar sua dureza de modo geral.

O que é a dureza de Mohs?

A dureza de Mohs é um padrão que indica a dureza dos minerais, proposto pela primeira vez em 1824 pelo mineralogista alemão Friedrich Mohs. Esse padrão é estabelecido usando-se uma broca de diamante em forma de pirâmide para arranhar a superfície de um mineral, sendo que a profundidade do arranhão indica a dureza.

A dureza de um mineral refere-se à sua capacidade de resistir a determinadas forças mecânicas externas, como arranhões, indentação ou moagem. Na mineralogia, a dureza frequentemente mencionada é a dureza de Mohs, que é a dureza de arranhões em comparação com a escala de dureza de Mohs.

A escala de dureza de Mohs é baseada em dez minerais de diferentes durezas, divididos em dez níveis, de baixo a alto: 1. talco; 2. gipsita; 3. calcita; 4. fluorita; 5. apatita; 6. ortoclásio; 7. quartzo; 8. topázio; 9. coríndon; 10. diamante.

Em uso, os minerais padrão são riscados contra minerais de dureza desconhecida. Se o mineral puder ser riscado pela apatita, mas não pela fluorita, sua dureza será determinada como sendo entre 4 e 5.

Esse método foi estabelecido e nomeado pelo professor de mineralogia alemão Friedrich Mohs (1773-1839). No entanto, a medição precisa da dureza mineral ainda requer um testador de microdureza ou um testador de dureza. A dureza mineral também é uma das propriedades físicas dos minerais. Os minerais com alta dureza têm sido amplamente utilizados na tecnologia industrial.

Diamantes, corindo e outros minerais não são usados apenas na indústria, mas também se tornam pedras preciosas. Como pedras preciosas, elas geralmente têm alta dureza.

Por exemplo, a dureza da opala é de 5,5 a 6,5, a do quartzo é de 6,5 a 7, a da esfalerita é de 7,5 a 8, a da tsavorita é de 8,5 e a dureza das safiras e dos rubis é de 9, perdendo apenas para os diamantes. As pessoas escolhem minerais de alta dureza como pedras preciosas, provavelmente porque são resistentes ao desgaste, simbolizando seu valor atemporal!

De acordo com as necessidades, as pessoas também desenvolveram uma escala de dureza de gemas para identificar a dureza mineral das gemas, dos minerais mais macios aos mais duros: talco, gesso, calcita, fluorita, apatita, zircão, coríndon, carbeto de silício, carbeto de boro, diamante etc.

Quando não há um mineral de dureza padrão, a maneira mais simples de medir a dureza é com uma unha ou uma faca pequena. A dureza de uma unha é de 2,5, a de uma moeda de cobre é de 3 e a do vidro e de uma faca pequena é de 5. As durezas acima de 6 são quase todas de minerais semelhantes a pedras preciosas.

Fatores que afetam a precisão da conversão

Propriedades do material

As propriedades intrínsecas do material que está sendo testado podem afetar significativamente a precisão das conversões de dureza. Por exemplo, em ligas de aço, as variações na estrutura de grãos devido ao tratamento térmico podem levar a diferentes medições de dureza. Uma estrutura de granulação fina pode gerar valores de dureza mais altos em comparação com uma estrutura de granulação grossa. Essas diferenças exigem o uso de tabelas de conversão específicas do material, como as fornecidas na ASTM E140 ou na ISO 18265, para garantir conversões precisas.

Metodologia de teste

A precisão da conversão da dureza depende muito da metodologia de teste utilizada. Diferentes testes de dureza usam vários indentadores e cargas, o que pode levar a discrepâncias. Por exemplo, o teste de dureza Rockwell usa um cone de diamante ou um indentador de esfera de aço para medir a profundidade da indentação, enquanto o teste de dureza Leeb mede a velocidade de rebote usando uma esfera de carboneto de tungstênio. Como esses testes operam com princípios diferentes, é necessária uma análise cuidadosa e, às vezes, conversões intermediárias (por exemplo, HLD para HV para HRC) para obter resultados precisos.

Calibração de equipamentos

A calibração adequada do equipamento de teste de dureza é essencial para conversões precisas. Dispositivos descalibrados podem produzir valores de dureza errôneos, levando a conversões imprecisas. A calibração regular com materiais de referência padrão, conforme especificado em diretrizes como a ASTM E140, garante a confiabilidade das medições. Por exemplo, calibrar um testador de dureza Leeb com um bloco de referência certificado com um valor de dureza conhecido pode ajudar a manter a precisão.

Preparação da superfície

A condição da superfície do material pode afetar os resultados do teste de dureza e, consequentemente, a precisão das conversões. Uma superfície áspera ou contaminada pode levar a leituras de dureza imprecisas. A preparação adequada da superfície, como polimento e limpeza, é essencial para obter medições consistentes e confiáveis. Por exemplo, uma superfície polida e limpa produzirá valores de dureza Rockwell mais precisos em comparação com uma superfície áspera e não preparada.

Habilidade do operador

A habilidade e a experiência do operador que realiza o teste de dureza podem influenciar a precisão dos resultados. A aplicação inconsistente do procedimento de teste, como o posicionamento inadequado do indentador ou a aplicação incorreta da carga, pode levar a leituras de dureza variáveis. O treinamento e a adesão a protocolos de teste padronizados são essenciais para minimizar os erros induzidos pelo operador.

Fatores ambientais

As condições ambientais, como temperatura e umidade, podem afetar as medições de dureza. Temperaturas extremas podem alterar as propriedades do material, afetando as leituras de dureza. Os testes devem ser realizados em condições ambientais controladas para garantir a precisão. Por exemplo, o teste em temperatura ambiente (aproximadamente 20 a 25 °C) é ideal para a maioria dos testes de dureza.

Qualidade de dados empíricos

A qualidade dos dados empíricos usados para desenvolver tabelas de conversão afeta diretamente a precisão das conversões de dureza. As tabelas de conversão baseadas em dados empíricos extensos e bem documentados fornecem resultados mais confiáveis. É essencial consultar padrões reconhecidos e tabelas de conversão validadas pelo setor, como as da ASTM E140 ou da ISO 18265, para garantir a precisão.

Consistência em unidades de medição

O uso consistente de unidades de medida em diferentes escalas de dureza é fundamental para conversões precisas. Discrepâncias nas unidades, como o uso de quilogramas-força (kgf) em vez de newtons (N) para medições de carga, podem levar a erros. Certifique-se sempre de que as unidades sejam consistentes e aplicadas corretamente em todo o processo de conversão.

Precisão da escala intermediária

Ao usar escalas intermediárias para conversão, a precisão de cada etapa deve ser considerada. A conversão de HLD para HV e, em seguida, de HV para HRC envolve várias etapas, cada uma com seu próprio potencial de erro. Garantir a alta precisão em cada etapa intermediária melhora a precisão geral da conversão.

Verificação de dados

A verificação dos resultados da conversão de dureza usando várias fontes ou métodos aumenta a precisão. A referência cruzada de resultados com diferentes tabelas de conversão ou a realização de testes de dureza adicionais usando métodos alternativos pode validar a conversão inicial. Por exemplo, verificar uma conversão de HLD para HRC realizando também um teste de dureza Vickers e comparando os resultados acrescenta uma camada extra de confiança.

Ao compreender e levar em conta esses fatores, você pode melhorar a precisão das conversões de dureza, garantindo avaliações confiáveis e consistentes da propriedade do material.

Perguntas frequentes

Veja abaixo as respostas para algumas perguntas frequentes:

Como você converte HLD para HRC com precisão?

Para converter a dureza Leeb (HL) em dureza Rockwell C (HRC) com precisão, é necessário compreender as diferenças entre essas escalas de dureza e usar os métodos de conversão adequados.

A dureza Leeb (HL) é determinada por um teste de rebote em que um indentador de esfera de carboneto de tungstênio impacta a superfície, e a dureza é calculada com base na razão entre a velocidade de rebote e a velocidade de impacto. Em contrapartida, a dureza Rockwell C (HRC) é medida usando um indentador de diamante sob uma carga específica, com a dureza calculada a partir da profundidade da indentação.

Para converter HL em HRC com precisão, você deve usar tabelas de conversão pré-estabelecidas específicas para o material que está sendo testado. Essas tabelas são baseadas em dados empíricos abrangentes e levam em conta as diferenças nos métodos de teste.

Por exemplo, se você tiver um valor de HL de 50 e precisar convertê-lo em HRC, você fará referência a uma tabela de conversão. Se a tabela mostrar que 49 HL corresponde a 112 HRC e 51 HL corresponde a 113 HRC, você interpolaria entre esses valores. Em geral, para uma estimativa conservadora, você pode usar o valor mais baixo, de modo que 50 HL corresponderia a aproximadamente 112 HRC.

É importante observar que a precisão dessa conversão depende das propriedades do material. Materiais diferentes exigem tabelas de conversão separadas porque a dureza é influenciada por uma combinação de fatores, não apenas por uma única propriedade fundamental. Além disso, a precisão dos valores de entrada é fundamental para obter resultados precisos, pois o módulo de elasticidade e a profundidade de indentação desempenham papéis significativos.

Para simplificar o processo, podem ser usadas calculadoras de conversão de dureza, mas essas ferramentas também se baseiam nas mesmas tabelas de conversão subjacentes e podem fornecer valores aproximados. Portanto, o uso de tabelas de conversão específicas e precisas é o melhor método para obter resultados precisos na conversão de HL para HRC.

Por que as tabelas de conversão são necessárias para os valores de dureza?

As tabelas de conversão para valores de dureza são essenciais devido às diferenças inerentes aos métodos de teste de dureza, aos desafios práticos de testar vários materiais e à necessidade de comunicação padronizada entre os setores. Diferentes testes de dureza, como Vickers, Knoop e Rockwell, usam indentadores e cargas diferentes, resultando em medições de dureza variadas para o mesmo material. As tabelas de conversão padronizam esses valores, garantindo consistência e compatibilidade.

Na prática, alguns materiais podem não ser adequados para métodos de teste específicos devido ao seu tamanho, espessura ou fragilidade. Por exemplo, amostras pequenas ou delicadas podem exigir testes Vickers ou Knoop em vez de Rockwell. As tabelas de conversão permitem a conversão dos valores de dureza entre essas diferentes escalas, possibilitando a avaliação de materiais que não podem ser testados sob as condições especificadas.

No entanto, é importante reconhecer que as conversões de dureza são aproximadas e baseadas em dados empíricos. Fatores como a composição da liga, a estrutura do grão e o tratamento térmico podem influenciar as medições de dureza, tornando as conversões precisas um desafio. Normas como a ASTM E140 fornecem diretrizes para essas conversões, mas enfatizam a cautela e a necessidade de interpretar os valores convertidos dentro do contexto das propriedades do material e do histórico de tratamento.

Em última análise, as tabelas de conversão desempenham um papel crucial no controle de qualidade e nos processos de tomada de decisão. Elas fornecem uma estrutura para a comparação de valores de dureza entre diferentes métodos de teste, o que pode afetar a aceitação ou rejeição de materiais. Entretanto, essas tabelas devem ser usadas criteriosamente, reconhecendo suas limitações e a natureza aproximada das conversões que oferecem.

Quais são os desafios na conversão de HLD para HRC?

A conversão de valores de dureza de Leeb Hardness (HLD) para Rockwell Hardness (HRC) é repleta de vários desafios. Uma das principais dificuldades é a ausência de uma fórmula matemática direta para a conversão. Em vez disso, o processo se baseia em dados experimentais e no uso de tabelas ou curvas de conversão derivadas de várias medições. Essas curvas de conversão são aproximações e, inerentemente, apresentam algum nível de incerteza.

A variabilidade do material acrescenta outra camada de complexidade. Mesmo dentro da mesma classe de material, diferenças na microestrutura, condições de processamento e pequenas variações na composição química podem resultar em valores de dureza diferentes. Consequentemente, uma curva de conversão válida para um material específico pode não ser precisa para outro, mesmo que ambos os materiais pertençam à mesma categoria geral.

Os fatores dependentes do usuário também desempenham um papel significativo, especialmente com métodos de teste de dureza portáteis, como o teste Leeb. Esses métodos, embora convenientes, exigem manuseio e calibração cuidadosos para minimizar os erros, introduzindo incerteza adicional.

As tabelas e curvas de conversão geralmente são específicas para cada material e podem não ser universalmente aplicáveis. Por exemplo, uma tabela de conversão projetada para aço pode não ser precisa para outros metais ou ligas. Além disso, o mesmo material pode apresentar diferentes valores de dureza sob diferentes condições de teste, o que complica ainda mais o processo de conversão.

Devido a esses desafios, geralmente recomenda-se usar a escala nativa do método de teste para evitar incertezas associadas às conversões. Se for viável, a adoção de uma única escala de dureza em toda a cadeia de produção pode simplificar os processos de garantia de qualidade e reduzir os erros.

Em termos práticos, ao usar tabelas ou curvas de conversão, é fundamental garantir que o material que está sendo testado corresponda de perto ao material para o qual a conversão foi estabelecida. As correções simples de deslocamento de um ponto geralmente são insuficientes para materiais com uma ampla faixa de valores de dureza, sendo necessário o uso de curvas de conversão multiponto mais precisas.

Em resumo, a conversão de HLD para HRC envolve desafios significativos devido à natureza empírica das conversões, à variabilidade do material e à possibilidade de erros dependentes do usuário. O conhecimento dessas limitações é essencial, e as tabelas e curvas de conversão devem ser usadas criteriosamente.

O tipo de material pode afetar os resultados da conversão de dureza?

Sim, o tipo de material pode afetar significativamente os resultados da conversão de dureza. Diferentes materiais exibem microestruturas exclusivas influenciadas por fatores como tratamento térmico, condições de processamento e composição química. Mesmo dentro da mesma categoria geral de material, essas variações podem levar a valores de dureza diferentes. As curvas de conversão de dureza, que são determinadas empiricamente para grupos de materiais específicos, não são universalmente aplicáveis e podem introduzir erros quando usadas em diferentes materiais. Isso exige correções específicas do material para garantir a precisão.

Além disso, o acabamento da superfície e a integridade estrutural do material desempenham papéis cruciais na medição da dureza. Fatores como rugosidade da superfície, gradientes de endurecimento por trabalho e metal deformado próximo à superfície podem afetar as leituras de dureza. Métodos padronizados e adequados de preparação de amostras, adaptados a cada tipo de material, são essenciais para atenuar essas influências.

Para minimizar as incertezas, recomenda-se usar a escala nativa do método de teste em vez de fazer a conversão entre escalas. Por exemplo, manter a escala Rockwell ao usar um teste Rockwell evita os possíveis erros associados às curvas de conversão. Em resumo, o tipo de material é um fator crítico na conversão da dureza devido às variações na microestrutura, à natureza empírica das curvas de conversão e à necessidade de correções específicas do material e de métodos de teste padronizados.

Onde posso encontrar tabelas confiáveis de conversão de HLD para HRC?

Para encontrar tabelas de conversão confiáveis de HLD (dureza Leeb) para HRC (escala Rockwell Hardness C), consulte várias fontes confiáveis:

O Documento da Eagle Technologies sobre peneiramento fornece um gráfico abrangente de conversão de dureza que inclui as escalas de dureza Leeb (HLD) e outras escalas de dureza, como Brinell, Vickers e Rockwell. Esse gráfico é particularmente útil para converter HLD em HRC, entre outras escalas.