Dureza dos materiais: conceitos, métodos de medição e equipamentos

O que é dureza e por que ela é importante?

Conhecer as propriedades mecânicas dos materiais é fundamental para garantir o desempenho e a confiabilidade dos componentes utilizados na indústria mecânica. Entre essas propriedades, a dureza merece destaque por estar relacionada à resistência do material à deformação localizada e apresentar relação com características como resistência ao desgaste e à riscagem.

Embora seja fácil perceber intuitivamente a diferença entre um material duro e um material macio, definir dureza de maneira precisa é mais complexo. O conceito está relacionado a diferentes propriedades mecânicas, como limite de escoamento, resistência à fratura, elasticidade, fragilidade e ductilidade.

Na prática industrial, a dureza é avaliada por meio de ensaios padronizados que permitem comparar materiais e verificar se atendem aos requisitos especificados para determinada aplicação.

Uma das vantagens desse tipo de ensaio é que a medição normalmente fica concentrada em uma região da superfície da peça. Em muitas situações, isso permite avaliar a dureza sem inutilizar o componente, tornando o método bastante útil no controle de qualidade.

É importante lembrar, entretanto, que a dureza não é uma grandeza física fundamental, como massa, comprimento ou tempo. Ela é um valor obtido por um método de ensaio específico. Por isso, o resultado depende do procedimento utilizado, das condições de medição e do método escolhido.

Quais são os principais métodos de medição de dureza?

Existem diferentes métodos para determinar a dureza de um material. Eles variam conforme o princípio de medição, o tipo de penetrador, a força aplicada e a forma de avaliar a resposta do material.

Entre os métodos apresentados no material técnico da Mitutoyo, os ensaios por penetração estão entre os mais utilizados na indústria.

Nesse tipo de ensaio, um penetrador é pressionado contra a superfície da amostra sob uma força determinada. Após a aplicação da carga, a dureza é calculada com base nas características da marca deixada no material ou na profundidade de penetração.

Outros métodos avaliam o comportamento do material diante de um impacto, da ação de um riscador ou de outras formas específicas de interação.

Ensaio de dureza Brinell

O método Brinell utiliza um penetrador esférico, que pode ser de aço ou de metal duro, pressionado contra a superfície da amostra.

Após a aplicação da força e a retirada do penetrador, mede-se o diâmetro da impressão deixada no material. A dureza é determinada a partir da força aplicada e da área de contato calculada com base nessa impressão.

O método possui diferentes combinações de força e diâmetro do penetrador. Para que os resultados sejam comparáveis, é necessário observar as condições de ensaio estabelecidas pelo método.

A dureza Brinell é identificada pelas siglas HBS, quando se utiliza uma esfera de aço, e HBW, quando o penetrador é de metal duro.

Ensaio de dureza Vickers

O método Vickers utiliza um penetrador de diamante com formato de pirâmide de base quadrada, cujas faces opostas formam um ângulo de 136°.

Após a aplicação da força, são medidas as duas diagonais da impressão deixada na superfície. A média dessas diagonais é utilizada no cálculo da dureza, expressa pela sigla HV.

Uma característica importante do método Vickers é sua versatilidade. Ele pode ser empregado em diferentes materiais e condições de ensaio, inclusive com forças reduzidas para aplicações de microdureza.

A escolha da força de ensaio deve considerar as características do material e da amostra, especialmente sua espessura e a dimensão da impressão produzida.

Ensaio de dureza Rockwell

O método Rockwell determina a dureza a partir da profundidade de penetração do penetrador no material.

Dependendo da escala utilizada, o penetrador pode ser um cone de diamante com ângulo de 120° e ponta com raio de 0,2 mm ou um penetrador esférico de aço ou metal duro.

O ensaio começa com a aplicação de uma força preliminar. Em seguida, aplica-se a força total e, depois, retorna-se à força preliminar. A diferença entre as profundidades de penetração obtidas nas etapas do ensaio é utilizada para determinar o valor de dureza.

Uma característica desse método é que o resultado é obtido pela medição da profundidade, sem a necessidade de medir opticamente o diâmetro ou as diagonais da impressão.

Existem diferentes escalas Rockwell, identificadas por letras como A, B, C e outras. Cada escala corresponde a uma combinação específica de penetrador e força de ensaio, sendo indicada para determinadas faixas de dureza e tipos de material.

Também existe o método Rockwell superficial, que utiliza forças menores e pode ser aplicado em situações específicas, como a avaliação de camadas superficiais endurecidas e materiais de menor espessura.

Atenção: não basta selecionar um durômetro Rockwell. É necessário escolher a escala adequada ao material, à faixa de dureza esperada e às condições da peça.

A espessura da peça influencia a medição?

Sim. A espessura da amostra é um dos fatores que precisam ser considerados na escolha do método e das condições de ensaio.

Durante a medição, a deformação provocada pelo penetrador precisa ser compatível com a geometria da peça. Se a amostra for muito fina para a força aplicada e para a dimensão da impressão, o resultado poderá ser influenciado pelas condições do ensaio.

O material técnico da Mitutoyo apresenta diagramas que relacionam a dureza, a força de ensaio, as dimensões da impressão e a espessura mínima recomendada para a amostra.

Um dos exemplos apresentados para o método Vickers considera uma amostra com espessura de 0,15 mm, dureza de 185 HV1, força de ensaio de 9,807 N — equivalente a 1 kgf — e diagonal de impressão de 0,1 mm.

Esse exemplo demonstra que a escolha da força de ensaio não deve ser feita isoladamente: ela precisa ser compatível com a espessura e as características da amostra.

Além da espessura, a preparação da superfície e as condições de apoio e posicionamento da peça também devem ser consideradas conforme o método utilizado.

Como escolher a escala correta de dureza?

Os métodos de medição possuem escalas e condições de ensaio próprias. Por esse motivo, valores obtidos em escalas diferentes não devem ser considerados diretamente equivalentes.

O material da Mitutoyo apresenta tabelas de referência para conversão de valores de dureza de materiais como aço e latão, relacionando escalas Vickers, Rockwell, Rockwell superficial e Shore, entre outras.

Essas tabelas podem ajudar na comparação de valores quando não há outra informação disponível. Entretanto, os valores convertidos são referências e não substituem uma medição realizada diretamente pelo método apropriado quando é necessária maior exatidão.

Quando a dureza é um requisito especificado em desenho técnico, relatório de inspeção ou procedimento de qualidade, é importante observar o método e a escala exigidos, em vez de escolher uma escala apenas pela facilidade de medição.

Normas e confiabilidade dos resultados

Os ensaios de dureza são apoiados por normas técnicas que estabelecem os procedimentos de medição, os requisitos dos equipamentos e os critérios de verificação dos padrões utilizados.

De forma geral, essas normas podem ser organizadas em quatro grupos:

• Métodos de ensaio: estabelecem como realizar a medição de dureza.
• Verificação dos equipamentos: definem os requisitos para verificar o desempenho dos durômetros.
• Calibração do padrão de dureza: estabelecem procedimentos para calibrar os padrões utilizados na verificação dos equipamentos.
• Métodos específicos de aplicação: tratam de condições particulares de ensaio para determinadas aplicações.

A observância dos procedimentos aplicáveis contribui para a confiabilidade dos resultados e para a comparação das medições realizadas em diferentes momentos ou locais.

Como escolher o equipamento de medição de dureza?

A escolha do equipamento deve começar pela definição da aplicação. O material a ser ensaiado, a geometria e a espessura da peça, a faixa de dureza esperada e o método exigido são alguns dos fatores que precisam ser avaliados.

Também é importante considerar onde a medição será realizada, quais requisitos de precisão devem ser atendidos e como os resultados serão utilizados no controle de qualidade.

Em determinadas situações, um equipamento de bancada pode ser adequado. Em outras, quando a peça possui grandes dimensões ou massa elevada, um durômetro portátil pode ser uma alternativa, desde que a aplicação atenda aos requisitos do instrumento e do método de medição.

A escolha correta evita investimentos em equipamentos que não atendam às necessidades reais do processo e contribui para a obtenção de resultados confiáveis.