Universidade de So PauloEscola de Engenharia de So CarlosDepartamento de Engenharia de Materiais Aeronutica e Materiais, Automobilstica

ENSAIO DE DUREZA E DE IMPACTO

SMM0342- Introduo aos Ensaios Mecnicos dos Materiais Prof. Dr. Cassius O.F.T. Ruckert

Dureza

Definio: Definio: Medida da resistncia de um material a uma deformao plstica (permanente) localizada (pequena impresso ou risco) risco) Principais Vantagens: Vantagens: Fcil execuo e barato (muito utilizado na indstria) Rapidez na execuo Ensaio pode ser considerado no destrutivo (tamanho impr.) impr. Conhecimento aproximado da resistncia mecnica atravs do uso de tabelas de correlao Introduo

DurezaPrincipais objetivos: objetivos: Conhecimento d resistncias mecnica e ao d C h i das i i i desgaste; desgaste; Controle de qualidade nos processos de conformao plstica e nas condies d f b i l ti di de fabricao; fabricao; Verificao das condies de tratamento trmico. trmico. Mtodos de medio: medio: Dureza d risco ( D de i (escala d M h ) l de Mohs Mohs) Dureza de choque ou ressalto (Shore) Shore) Dureza de penetrao (Brinell, Meyer, Rockwell, Vikers, Brinell, Rockwell, Vikers, Knoop) Knoop)

Introduo

Dureza Mohs - riscoO primeiro mtodo padronizado de ensaio de dureza foi baseado no processo de riscagem de minerais padres, desenvolvido por Mohs, Mohs, em 1822. 1822. Indicao essencialmente qualitativa por comparao com outros minerais (qquer. mineral daA AUMENT DA D TO DUREZA

escala risca o que os precede e riscado pelo seguinte)

Pouco utilizada (imprecisa) metais (dureza entre 4 a 8)

nos

Ex. ao dctil corresponde a uma dureza de 6 Mohs, a mesma dureza Mohs de um ao temperado.

Dureza Shore (HS) choque ou ressaltoShore props uma medida de dureza por choque que mede a altura do ressalto de um peso que cai livremente at bater na superfcie lisa e plana de d um CP. E t altura d ressalto mede a perda CP. Esta lt de lt d d de energia cintica do peso, absorvida pelo CP. CP.

Caractersticas e vantagens:Normalmente utilizao; equip. porttil e de fcil

Bancada

Possibilidade de medir durezas de peas de grandes dimenses que no cabem em g q mquinas de penetrao; p p q Impresso muito pequena sendo utilizada em peas acabadas (controle qualidade); Utilizado em polmeros, borracha e metais.

Portteis

Dureza Shore

Dureza Shore

Dureza por (princpios gerais)Cuidados na realizao dos ensaios: ensaios:

penetrao

Perpendicularidade entre a fora e a superfcie da pea; pea; Aplicao lenta da carga; carga; Preparao correta d superfcie d pea; P t da f i da pea; Tempo de espera aps aplicao da carga antes da descarga (f d (fenmeno d fl i transitria). de fluncia t transitria). it i )

So os ensaios de dureza mais utilizados na atualidade

Dureza Brinell (HB) Ano 1900 ( )Consiste em comprimir lentamente uma esfera de ao endurecido ou de carbeto de tungstnio (CW) d di t d t t i (CW), de dimetro D D, sobre uma superfcie polida e limpa de um metal atravs de uma carga F F, durante um tempo t. Penetrador esfrico : 1,2 ,5 ou 10 mm Cargas: entre 500 e 3000 kg Tempo: entre 10 e 30 sDureza Brinell P = prof. de impresso (da calota)

Dureza Brinell (HB)

Relao carga (F) dimetro do penetrador (D)A relao carga aplicada e dimetro do penetrador dada por:

F

D

2

= K = Cte.

(Fator de carga)

Dureza Brinell

Dureza Brinell (HB)O dimetro da esfera (D) determinado em funo da espessura do CP ensaiado (e). No caso da norma brasileira, a espessura mnima do material ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade da calota (p) (p).

e

Dureza Brinell

Mecanismo de Medio Brinell

HB =

2F

D( D D d )2 2

D dimetro D=dimetro da esfera d=dimetro da impresso*

*medido atravs de microscpio especial, utilizando uma escala gravada em sua ocular

Dureza Brinell

Dureza Brinell (HB)A unidade kgf/mm2, que deveria ser sempre colocada aps o valor de HB omitida uma vez que a dureza HB, omitida, Brinell no um conceito fsico satisfatrio, pois a fora aplicada no material tem valores diferentes em cada ponto da calota.

Tabela que fornece os valores de dureza Brinell normal, em funo de um dimetro de impresso d.

Relao entre dureza Brinell e limite de resistnciaNo caso dos aos existe uma relao emprica entre dureza Brinell e o limite de resistncia, r, dada por:

r = 0,36 * HB

[kgf/mm2]

Segundo ONeill o valor de 0 36 vale para aos doces O Neill, 0,36 doces, entretanto este valor pode mudar para: 0,49 para Ni recozido 0,41 para Ni e lato encruado 0,52 0 52 para cobre recozido b id 0,40 para alumnio e suas ligas.

Dureza Brinell

Dureza Brinell (HB)Vantagens e limitaesVantagens: Vantagens: p g Conhecimento aproximado da resistncia do material sem atingir a ruptura; Baixo custo e simples operao; A deformao produzida no afeta o comportamento do material; Ensaio pode ser considerado no destrutivo (depende do tamanho da impresso final e do uso do componente) Limitaes: Limitaes: No aplicvel em peas muito finas e em materiais muito duros; Mtodo relativamente lento para a produo industrial; A impresso obtida muito grande para peas acabadas.

Dureza Rockwell (HR) - 1922 Mtodo mais utilizado para se medir dureza Eli i Elimina o t tempo necessrio para a medio i di de qualquer dimenso da impresso causada, p pois o resultado diretamente lido na mquina q de ensaio, sendo portanto rpido e livre de erros humanos; Fcil execuo, facilidade em detectar pequenas diferenas de durezas e pequeno tamanho da impresso; Ensaio Rockwell superficial realizado em corpos de prova mais finos (delgados).

Dureza Rockwell (HR) ( )

Mtodo de Medio Rockwellndice (HR) determinado pela diferena na profundidade de penetrao de uma carga inicial (prcarga) seguida de uma carga principal. Penetradores do ensaio Rockwell: Rockwell:

Ensaio Rockwell Pr-carga = 10 kgf Principal = 60 100 e 150 kgf 60,100 Ensaio Rockwell Superficial Pr-carga = 3 kgf Principal = 15, 30 e 45 kgf

Esferas de ao endurecidas com :1/16 1/8 1/4 e pol :1/16,1/8,1/4 pol. Penetradores cnicos de diamante (brale) usado para materiais mais duros d

Dureza RockwellHR = E e E-eOnde: e = aumento permanente da profundidade de penetrao devido carga maior F1 medido em unidades de 0,002 mm E = constante que depende do formato do endentador: 100 para endentador de diamante, 130 para endentador de esfera de ao HR = valor da dureza Rockwell F0 = pr-carga em kgf F1= carga em kgf F =Fo+F1= carga total em kgf

F=Fo+F1

pr-carga Fo de 10 kgf.

F=Fo+F1

pr-carga Fo de 3 kgf.

Dureza Vickers (HV) - 1925O mtodo baseado na penetrao de uma pirmide i id de d base b quadrada, com ngulo entre as faces opostas de p 136 feita de diamante; Adequado para regies pequenas e selecionadas do corpo de prova; Impresso observada p em um microscpio e medida.

136 2 Fsen 2 = 1,8544 F HV = 2 2

D

D

Dureza Vickers (HV) - 1925Vantagens e limitaesVantagens: Vantagens: escala contnua de dureza; impresses muito pequenas que no i ili i i inutilizam a pea; grande preciso das medidas: muito utilizada em pesquisa; aplicao d t d a gama d d li de toda de durezas encontradas nos dif t d diferentes materiais; t t i i deformao nula do penetrador (diamante); aplicao em qualquer espessura de material podendo portanto medir durezas superficiais; diversas formulaes de converses para outras escalas. Limitaes: Limitaes: morosidade do ensaio; ensaio; exige preparao cuidadosa da superfcie para tornar ntida a impresso; impresso; processo muito caro. caro.

Dureza Vickers

Indentao Vickers

Indentao Vickers

Ensaios de dureza KnoopMicrodureza Knoop: utiliza o mesmo princpio de ensaio de dureza Vickers, mas o penetrador possui geometria diferente

FraturaFratura consiste na separao de um corpo em d i em resposta a dois t uma tenso imposta. So possveis dois modos de fratura: dctil e frgil baseado na habilidade de um material em experimentar uma deformao plstica d f l ti

Navio petroleiro rompido catastroficamente no porto de Nova York em 1975.

DuctilidadeIndicao de quanto uma estrutura ir se deformar antes d f t t da fratura Especifica o grau de deformao permissvel durante operaes de fabricao (extrus,Lam. etc..) Materiais q que apresentam deformao antes da fratura inferior a 5% so chamados h d frgeis.

Material Frgil

Material Dctil (Mole)

Fratura dctil e frgil gO processo de fratura envolve duas etapas: formao e p p propagao das trincas. A modalidade da fratura dependente do mecanismo de propagao das trincas

Fratura dctilExtensa deformao plstica na vizinhana da trinca. Processo prossegue de maneira lenta (trinca estvel) Presena de deformao p plstica d um alerta de que uma q fratura iminente Mais energia de deformao p g necessria pois geralmente so mais tenazes

Fratura frgilTrincas se espalham de maneira extremamente rpida com muita p pouca deformao p plstica (trinca instvel) Ocorre repentinamente e , q catastroficamente, conseqncia da espontnea e rpida propagao de trincas

Fratura dctilO processo d f t de fratura dctil ocorre normalmente em vrios d til l t i estgios

(a) Empescoamento inicial (b) Pequenas cavidades ou microvazios se formam (c) Microvazios aumentam, se unem e coalescem para formar uma trinca elptica (d) Rpida propagao da trinca (e) Fratura final por cisalhamento em um ngulo de 45o em relao direo de trao

(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Lea arning, Inc. Thomson Lear rning is a trademark used d herein under license. u

(a) (b)

(c)(d) (e) (e)

Fratura frgilFratura frgil ocorre sem qualquer deformao aprecivel e atravs de uma rpida propagao de trincas

(a) algumas peas de ao apresentam uma srie de marcas d de sargento com t formato em V apontando para trs em direo ao ponto de p iniciao de trinca (b) outras superfcies apresentam linhas ou nervuras que se irradiam a partir da origem da trinca em forma de leque

Ensaio de ImpactoO ensaio de impacto, pela sua facilidade de ensaio e baixo custo de confeco dos CPs fez dele um dos primeiros e mais empregados para o estudo de f fratura f frgil nos metais. Pode-se determinar a tendncia de um material a se comportar de maneira frgil. As condies escolhidas para o ensaio so as mais severas em relao ao potencial de ocorrncia de uma fratura (agravam tenac) tenac) Deformao a uma temperatura relativamente baixa (Tend. Fragil) Elevada taxa de deformao (Tendncia a fratura frgil)

Estado de tenso triaxial ( introduzido pela presena de um entalhe - tendncia a fratura frgil)

Taxa de Solicitao ao ImpactoA velocidade de impacto tm um efeito significativo no comportamento do material metlico ou polimrico. Em baixa velocidade de impacto o material pode apresentar um comportamento de fratura dctil e em altas velocidades frgeis.

Efeito Geometria do Entalhe

A restrio plstica no entalhe produz um estado de tenso triaxial, sendo a concentrao de tenso no entalhe dada por:

onde ngulo interior do entalhe.

K = 1 + 2 2

Efeito Geometria do Entalhe

Tanto a profundidade quanto o raio de curvatura da extremidade do entalhe tm efeito significativo no comportamento a f t t t fratura d material do t i l

Efeito Temperatura na Res Impacto Res.

Polmeros

Metais

Mquina de Ensaio Charpy

Tcnicas de Ensaios de Impacto: Charpy e Izod

As tcnicas Charpy e Izod so utilizadas para medir a energia de impacto. d i t O corpo de prova possui o formato de uma seo quadrada com um entalhe em V Diferena entre as tcnicas Charpy e Izod como o corpo de prova sustentado A energia absorvida medida atravs da diferena entre h e h e corresponde energia de impacto

Ensaio de ImpactoPara os ensaios com o pndulo (Ch P i d l (Charpy e I d) a Epot d elevao Izod Izod) d) da l do martelo se transforma em Ecin na descida. Parte desta energia descida. transferida para o CP , provocando sua ruptura. p p ruptura. p

Eabs a energia absorvida pelo CP

Ensaio Impacto Charpy

Ensaio Impacto Charpy

Principais Configurao CPs Charpy

Ensaio de Impacto IZOD (ASTM D256) ou Charpy (ASTM D6110)

Energia: J J/m (espessura) J/m2 (rea da seco transversal)

Ensaio Impacto IZOD

Principais Configurao CPs IZOD

Transio Dctil - FrgilUma das principais funes dos ensaios de impacto determinar se um material apresenta transio dctil frgil com a di i i d t diminuio da temperatura. t Uma anlise da superfcie de fratura de CPs testados em diferentes temperaturas indicam a transio dctil-frgil pelo % de fratura dctil e frgil em cada temperatura.

Desta forma o ensaio de impacto mais significativo quando realizado em um intervalo de temperatura, de maneira que pode ser determinado a temperatura de transio quando a fratura passa de dtil para frgil, como observado na figura. Pode ser adotado pelo menos cinco critrios para a temperatura de transio. p

A temperatura de transio sensvel composio e microestrutura da liga

Tamanho de gro Temperatura de transio Teor de carbono T Temperatura d de transio

Transio Dctil - Frgil

Em um ao em temperaturas elevadas a energia relativamente grande e a medida que a temperatura reduzida, a energia de impacto cai para um valor constante, p porm pequeno, i., o p q modo de fratura frgil.

Ser que todos os metais apresentam temperatura de transio dtil frgil?

Caso sim, como transportamos nitrognio lquido? Temperatura de -196 oC 196 C.

Transio Dctil - FrgilAo inox austentico No apresenta p transio dcltil/frgil

CFC93 oC

Recipiente R i i t inox i nitrognio lquido ( (-197 oC) possui ) p uma Estrutura CFC

CCC0 oC

Ao Carbono

204 oC

Transio Dctil - Frgil

Materiais que apresentam esse comportamento devem ser usados somente em temperaturas acima da temperatura de transio para evitar fraturas frgeis catastrficas

A temperatura de transio sensvel composio e microestrutura da liga Tamanho de gro g Temperatura de transio Teor de carbono Temperatura de transio

Transio Dctil - Frgil

Ensaio de Impacto PolmerosParmetros que afetam as propriedades sob impacto em polmeros: Taxa ou velocidade de solicitao sob impacto; Sensibilidade ao entalhe; Temperatura; Orientao Molecular Oi t M l l Condies e tipo de processamento; Grau de cristanilidade e massa molar; ( ; ) Mtodo de solicitao (Pndulo; Dardo etc..) Espessura do corpo de prova

Ensaio de Impacto Polmeros

ASTM D5420

ASTM D3763

ASTM D256 ASTM D6110

ASTM D1822

ASTM D4508

Equipamentos Impacto PolmerosImpacto/TraoAntes impacto

Dardo

Aps impacto

ExerccioOs dados da tabela abaixo foram obtidos a partir de uma srie de ensaios de impacto realizados em quatro aos, com diferentes porcentagens de Si. Desenhe a curva de energia X temperatura de ensaio e determine: A temperatura de transio definida como a mdia das energias obtidas no incio da regio dctil e incio da regio frgil e compare com a tcnica de 20J energia. Coloque em grfico este valor em funo do teor de Si e comente. t Qual seria o teor de Si mnimo permitido se a pea destes aos tivesse que trabalhar a 0C.Energia de Impacto, J Temp. Temp de teste,C teste C 2,55 2 55 % Si 2,85 2 85 % Si 3,25 3 25 % Si 3,63 3 63 % Si

-50 50 -25 0 25 50 75 100 125

2,5 25 3,0 6,0 13,0 17,0 19,0 19 0 19,0 19,0

2,5 25 2,5 5,0 10,0 14,0 16,0 16 0 16,0 16,0

2,0 20 2,0 3,0 7,0 12,0 16,0 16 0 16,0 16,0

2 2 2,5 4,0 8,0 13,0 13 0 16,0 16,0

Principais Normas Referente ao Ensaio de Impacto (Metais, Polmeros e Compsitos)ABNT NBRNM 281-1 (11/2003) Materiais metlicos - Parte 1: Ensaio de impacto por pndulo Charpy NBR NM281-2 (11/2003) Materiais metlicos - Parte 2: Calibrao de mquinas de ensaios de impacto por pndulo Charpy NBR6157 (12/1988) Materiais metlicos - Determinao da resistncia ao impacto em corpos-de-prova entalhados simplesmente apoiados t lh d i l t i d NBR8425_MB1694 Plsticos Rgidos Determinao da Resistncia ao Impacto Izod NBR9564_MB2440 Plsticos Rgidos - Determinao da Resistncia ao Impacto Charpy NBR 10437; NBR14262; NBR14289; NBR14470; NBR14689 etc... ASTM E23-05 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials (2005) (cobre Charpy e Izod) ASTM E2248 - 09 Standard Test Method for Impact Testing of Miniaturized Charpy V Notch Specimens V-Notch D256 Standart Test Methods for Determining the Izod Pendulum Impact Resistence of Plastics D1709 - Standart Test Methods forImpact Resistance of Plastic Film by the Free Falling Dart Method D1790 Standart Test Method for Brittleness Temperature of Plastic Sheeting by Impact D1822 Standard Test Method for Tensile-Impact Energy to Break Plastics and Electrical Insulating Materials D2444 - St d t T t M th d f D t Standart Test Methods for Determination of th I i ti f the Impact R i t t Resistence of Th f Thermoplastic Pi and Fitti l ti Pipe d Fittings by Means of a Tup (Falling Weight) D4812 - Standart Test Methods for Unnotched Cantilever Beam Impact Strength of Plastics F2231-02e1 Standard Test Method for CHARPY Impact Test on Thin Specimens of Polyethylene Used in Pressurized Pipes (2002) ASTM D880 - 92(2008) Standard Test Method for Impact Testing for Shipping Containers and Systems

D2463, D3420, D3763, D4272, D4508, D5420, D6110, D2444, etc... ASTM D7136 / D7136M - 07 Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event ASTM D3763 - Standard Test Method for High Speed Puncture Properties of Plastics using Load and Displacement Sensors. Geometry: 3" diameter anvil/clamp; " hemispherical striker Geometry: Charpy & Izod

Estudo de caso: TITANIC13/04/1912

Obteno das amostras

Em 1996, pesquisadores utilizando submarinos robs trouxeram pedaos de ao do casco do TITANIC para anlise p metalrgica.

Composio Qumica

No ao do casco do TITANIC constata-se elevados de P S que associados ao baixo teor P, (baixa relao Mn/S) so responsveis pela tendncia ao comportamento frgil em temperaturas . t t

teores de Mn maior baixas

Microestrutura

Atravs de anlise metalogrfica convencional pode-se notar severo bandeamento, principalmente na seo longitudinal. Na seo longitudinal constata-se tambm grandes g g quantidades de partculas de sulfeto de mangans (dentro das elipses).

Microestrutura (A36 x Titanic)Na micrografia pode-se notar o tamanho de gro bem maior no ao do TITANIC em comparao ao ao A36.

ASTM A36

Atravs da anlise com um microscpio eletrnico d l t i de varredura pode-se d d observar partculas de MnS ( estruturas elpticas) p )

Ensaio de impacto: Charpy

Realizou-se ensaios Charpy em uma ea ou se e sa os C a py e u a faixa de temperaturas entre -55C e 179C em trs sries de corpos de prova de dimenses padro padro. A fi figura il t ilustra uma superfcie f i Charpy recm fraturada a 0C. Planos de clivagem na ferrita so g bastante evidentes A figura ilustra uma regio da superfcie contendo MnS

Ensaio de impacto: CharpyOs resultados de impacto das trs sries de CPs :Em altas temperaturas, as amostras longitudinais do casco tem melhor propriedade que as transversais. transversais. Em baixa temperatura, as amostras longitudinais e transversais tem a mesma energia de impacto. g impacto. p A temperatura de transio dctil frgil para energia de impacto de 20J de 20J 27 27C ( S (ASTM A 36) 32C ( 36), 32 ), (casco longitudinal) e 56 C(casco transversal). transversal). Durante a coliso a temperatura da coliso, gua do mar era de -2oC

Ensaio de impacto: CharpyEsta forma de mensurar as mudanas de tenacidade com a temperatura consiste em se avaliar o aspecto da fratura em termos de frao de rea fibrosa (dctil) em relao ao total da rea transversal do corpo de prova. Utilizando-se como referncia o valor de 50 % de fratura fibrosa, as temperaturas de transio para cada amostra testada seriam de: -3 C (para ASTM A36), 49 C ( (casco longitudinal) e 59 C (casco g ) ( transversal).

ConclusoFatores que contriburam para o naufrgio do TITANIC:Deteco tardia da presena de iceberg g ( (sem tempo p p para manobras evasivas)`; Velocidade de navegao elevada; l d ngulo de impacto que propiciou aberturas em vrios compartimentos; Ao com grande tendncia ao comportamento f il ( porm o t t frgil melhor da poca).

Bibliografia RecomendadaEnsaios Mecnicos de Materiais Metlicos. Fundamentos tericos e prticos. Souza, Sergio Augusto. Editora Blucher. 5o. Edio.

Garcia, Amauri; Spim, Jaime Alvares; Santos, Carlos Alexandre Ensaio dos Materiais Canevarolo, Sebastio V. Tcnicas de Caracterizao de Polmeros Editora Artliber Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture and Fatigue Norman E. Dowling. Normas Mencionadas de Ensaios Mecnicos

http://www.eesc.usp.br/smm/materiais/