ensaios de materias
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UNIVERS. DO EST. DE STA . CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPTO. DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM
ENSAIOS DE
MATERIAIS METÁLICOS
André Olah Neto Revisão Agosto / 2010
UDESC – CCT – DEM ENSAIOS DE MATERIAIS METÁLICOS
ANDRÉ OLAH NETO
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ÍNDICE
CAPÍTULO I - CLASSIFICAÇÃO DOS ENSAIOS : 5
CAPÍTULO II - ENSAIO DE DUREZA : 8
01) Classificação dos métodos 02) Método Brinell 03) Método Rockwell 04) Método Vickers 05) Método Knopp 06) Método Shore ou escleroscópica 07) Dureza superficial e microdureza 08) Escolha do método de medição de dureza 09) Cuidados especiais para medição de dureza 10) Equipamentos de medição de dureza 11) Equivalência das escalas de dureza 12) Relação entre dureza e resistência mecânica 13) Normas técnicas
CAPÍTULO III - ENSAIOS MECÂNICAS : 34
01) Resistência à tração 02) Resistência à compressão 03) Resistência à flexão e ao dobramento 04) Resistência à torção 05) Resistência ao cizalhamento 06) Normas técnicas
CAPÍTULO IV - ANÁLISE METALOGRÁFICA : 56
01) Análise da fratura 02) Macrografia 03) Micrografia 04) Micrografia eletrônica de varredura 05) Micrografia eletrônica de transmissão 06) Normas técnicas
CAPÍTULO V - ENSAIO DE IMPACTO : 68
01) Ensaio Charpy 02) Ensaio Izod 03) Curva dúctil-frágil 04) Normas técnicas
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CAPÍTULO VI – ENSAIO DE FADIGA : 71
01) Fadiga rotativa 02) Tração 03) Normas técnicas
CAPÍTULO VII –ENSAIO DE FLUÊNCIA : 76
1) Definição do ensaio 2) Avaliação dos resultados
CAPÍTULO VIII – ANÁLISE DE CONFORMABILIDADE : 79
01) Embutimento – ensaio Erichsen 02) Ensaio de tração 03) Índice de anisotropia 04) Envelhecimento 05) Normas técnicas
CAPÍTULO IX – ENSAIOS NÃO-DESTRUTIVOS : 82
01) Ensaio visual 02) Ensaio de fluorescência ou magna-flux 03) Ensaio de ultra-sons 04) Ensaio de raios-X 05) Ensaio de líquidos-penetrantes 06) Ensaios de raios gama 07) Ensaio eletromagnético ou magna-test 08) Normas técnicas
CAPÍTULO X – RESISTÊNCIA AO DESGASTE : 87
01) Método 02) Normas técnicas
CAPITULO XI – ANALISE DA TEMPERABILIDADE : 90
01) Método 02) Análise dos resultados 03) Normas técnicas
BIBLIOGRAFIA : 92
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CAPÍTULO I
CLASSIFICAÇÃO DOS ENSAIOS
Os materiais metálicos são aplicados em função de suas características e propriedades,
que necessitam ser medidas e controladas através de ensaios, no sentido de garantir o
desempenho esperado e o sucesso de sua utilização. Os principais objetivos de se ensaiar os
materiais são:
• Possibilitar a escolha e seleção adequada do material;
• Permitir o dimensionamento adequado das peças e componente;
• Permitir a inspeção do material quando do recebimento
• Determinar seu comportamento em serviço;
• Obter o melhor custo benefício.
As características mais requisitadas dos materiais são:
a) ASSOCIADA A APLICAÇÃO DO MATERIAL:
• Resistência à tração;
• Resistência ao impacto;
• Resistência ao desgaste;
b) ASSOCIADA AO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DO MATERIAL:
• Conformabilidade;
• Usinabilidade;
• Fundibilidade;
Os ensaios realizados em materiais metálicos podem ser classificados da seguinte forma:
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a) QUANTO SUA DESTRUIÇÃO:
• DESTRUTIVOS = necessariamente envolve a destruição do material para permitir
sua análise. Ex: ensaio de tração;
• NÃO DESTRUTIVOS = os materiais não necessitam ser necessariamente destruídos.
Ex: ensaio de dureza.
b) QUANTO A NORMALIZAÇÃO:
• OFICIAIS = os métodos de ensaio são padronizados e normalizados através de
normas técnicas. Ex: ensaio de tração;
• NÃO OFICIAIS = os métodos não são padronizados, os ensaios são feitos de forma
empírico e os resultados são comparativos com outros ensaios, realizados em
condições específicas. Ex: usinabilidade.
c) QUANTO SUA OBJETIVIDADE:
• DIRETOS = medem diretamente a propriedade requerida.m Ex: ensaio de tração;
• INDIRETOS = medem a propriedade requerida de forma indireta. Ex: a) dureza é
uma grande indicação da resistência ao desgaste, b) a composição química é uma boa
indicação da resistência a tração, c) a microestrutura é uma boa indicação da dureza.
As APLICAÇÕES dos materiais são determinadas pelas suas PROPRIEDADES E
CARACTERÍSTICAS , que por sua vez são determinas pela sua ESTRUTURA CRISTALINA ,
que por sua vez é determina por sua COMPOSIÇÃO QUÍMICA, TRATAMENTO
TÉRMICO E TRATAMENTO MECÂNICO.
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Tabela I - Ensaios típicos realizados em materiais metálicos.
DESTRUTIVO ENSAIO TIPO Sim Não
FUNÇÃO
Tração X Compressão X
Flexão X Dobramento X
Torção X
MECÂNICOS
Cizalhamento X
Avaliar propriedades mecânicas
Charpy X IMPACTO Izod X
Tenacidade
Rotativo X FADIGA Flexão X
Resistência a fadiga
FLUÊNCIA X Deformação a quente Brinell X
Rockwel X DUREZA
Vickers X
Dureza
MAGNATEST X Caracterização do material ULTRASON X
MAGNAFLUX X LÍQUIDO PENETRANTE X
Detecção de trincas
Ótico X Estrutura cristalina MACROSCOPIA Estereoscópio X Defeitos superficiais
Ótica (metalográfico) X Eletrônica de transmissão X Eletrônica de varredura X
Estrutura cristalina MICROSCOPIA
Microanálise X Microanálise X
Composição química RAIO-X
Transmissão X Detecção de trincas
Absorção X EXPECTRÔMETRIA Radiação X
ANÁLISE QUÍMICA A úmido - convencional X
Composição química
SALT-SPRAY X Resistência a corrosão Elétrica Avaliar condutibilidade
elétrica CONDUTIBILIDADE
Térmica Avaliar condutibilidade térmica
VISCOSIDADE DENSIDADE
REFLETÂNCIA
Avaliar características físicas
Alongamento X CONFORMABILIDADE Embutimento X
Avaliar conformabilidade
JOMINY X Avaliar temperabilidade FLUIDEZ Avaliar fundibilidade
USINABILIDADE X Avaliar usinabilidade TENSÃO SUPERFICIAL Avaliar a soldabilidade
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CAPÍTULO II
ENSAIO DE DUREZA
01) CLASSIFICAÇÃO DOS MÉTODOS:
Os métodos de medição de dureza de um material se baseiam em determinar a sua
resistência à penetração a um corpo sob pressão estática ou um choque dinâmico. Este corpo é
chamado de penetrador e é confeccionado de um material mais duro do que o material que se
deseja ensaiar. A dureza é medida através da impressão que este penetrador deixa sobre a
superfície. Todos os métodos de medição de dureza utilizados são normalizados e são
considerados não-destrutivos.
Em relação ao tipo de aplicação os métodos de medição de dureza podem ser classificados
em:
• DUREZA NORMAL = utilizado para aplicação geral;
• DUREZA SUPERFICIAL = utiliza cargas menores do que nos método normais e
são aplicados na determinação da dureza de camadas superficiais, como cementação,
nitretação, etc;
• MICRODUREZA = utilizada cargas muito pequenas e são aplicados para medir a
dureza de camadas muito finas ou detalhes da estrutura do material, como inclusões,
precipitados, carbonetos, etc.
Em relação ao método os ensaio de ensaio podem ser classificados em:
• BRINELL = utiliza penetrador esférico de aço;
• ROCKWELL = utiliza penetrador esférico de aço ou cone de diamante;
• VICKERS = utiliza penetrador de diamante de forma piramidal;
• SHORE OU ESCLEREOSCÓPICA = utiliza um peso em queda sobre a superfície;
• KNOPP = utiliza penetrador de diamante na forma de losango;
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02) MÉTODO BRINELL :
O método de dureza Brinell (HB) consiste em medir a profundidade de medição ou o
diâmetro da impressão deixada, quando se utiliza um penetrador esférico de aço temperado com
diâmetro que varia de 1,0 até 10,0, submetido a certa carga que varia entre 30 e 50.000 N, como
mostrado na figura a seguir.
O valor da dureza é determinado em função do diâmetro da impressão (calota) deixada
pela esfera, que é medido com o auxílio de uma pequena lupa graduada, ou através do visor da
máquina de ensaio. A medida encontrada é transformada em valor de dureza através de uma
tabela (ver anexo). A dureza Brinell, cuja unidade é HB, é expressa pela relação entre a carga
aplicada sobre a esfera e a superfície de impressão do material. Embora menos utilizado, por ser
menos preciso, alguns métodos medem a profundidade da impressão, o que permite
automatização do processo de medição.
Figura 1 – Ensaio de dureza Brinell, onde se pode observar a calota deixada pela impressão.
A determinação do valor da dureza, a partir do diâmetro da calota e da carga, pode ser
feita de forma prática através de tabelas, ou mesmo através da seguinte fórmula:
HB = F/S = 2F / (Pi D (D – (D2 – d2 )1/2 ))
onde: F = Força aplicada (Kp); S = Área da calota esférica (mm2)
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D = Diâmetro do penetrador (mm); d = diâmetro da calota (mm).
Pelo menos teoricamente poder-se-ia utilizar quaisquer esferas ou quaisquer cargas para
um mesmo material e se se obteria o mesmo resultado, no entanto a escolha do tamanho do
penetrador e a carga aplicada podem ser feitas de acordo com o tipo de material, como mostrada
na tabela a seguir.
Quando da medição da dureza deve-se ter os seguintes cuidados especiais:
• A espessura da peça a ser medida deve ser no mínimo igual a 2 vezes o diâmetro da
impressão obtida;
• A superfície a medir deve ter um raio de curvatura mínimo de 5 vezes o diâmetro da
esfera utilizada;
• Cada impressão deve estar distante de uma impressão vizinha no mínimo 2,5 vezes o
seu diâmetro (distância de centro a centro);
• A carga deve ser mantida sobre a peça a ser medida no mínimo durante 30 segundos e
para materiais moles 60s;
• O resultado de medição deve ser expresso acompanhado da unidade HB, seguido das
condições de ensaio (esfera e carga);
• O uso do método Brinell é limitado pela dureza da esfera. Se utilizado para medição
de aço temperado o valor deve ser limitado a 500 Kp/mm2.
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Tabela I – Valor da carga a ser aplicada na Dureza Brinell em função do tipo de material e do diâmetro da esfera.
CARGA (N) Diâmetro
da esfera D (mm)
Espessura mínima da peça (mm)
F=300D2 F=100D2 F=50D2 F=25D2 F=12,5D2
10,0 6 30000 10000 5000 2500 1250 5,0 3 7500 2500 1250 625 312,5 2,5 2 1875 625 312,5 156 78,12 1,0 300 100 50 Faixa de dureza
abrangida 95,5 a 450 31,8 a 200 15,9 a 100 7,9 a 50 4 a 25
APLICAÇÕES
Ferro, ferro
fundido, aço
fundido, ligas de titânio, ligas de níquel e cobalto usados à
alta temperatur
a.
Ligas de alumínio, de
cobre, de magnésio, de zinco, latões,
bronzes, cobres e níquel puros.
Metais leves como
alumínio, magnésio,
cobre e zinco puro
e latão fundido.
Metais macios como
ligas de chumbo
e de estanho.
Metais macios como
chumbo, estanho e
metal patente.
03) MÉTODO ROCKWELL :
O método de dureza Rockwell é baseado na medição na profundidade de penetração de
uma ponta quando submetida a certa carga. Como ponta ou penetrador é utilizado um cone de
diamante ou uma esfera de aço temperado com diâmetro desde “1/16” até ‘1/2”. A carga varia de
60 a 150 Kp, dependendo do material que está sendo medido e o nível da dureza.. Como pode
ser observado através da figura a seguir, o método é realizado em três etapas, qual sejam:
• Submete-se a peças a uma pré-carga (Fo) e acerta-se o medidor em “0”;
• Aplica-se a carga (F) que somada a pré-carga resulta a carga nominal do ensaio
(Fo+F) até o ponteiro do indicador ficar parado;
• Retira-se a carga suplementar e faz-se a leitura.
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Figura 2 – Esquema de dureza Rockwell “C” e “B”.
Existem basicamente dois métodos de medição, o Rockwell Normal e o Rockwell
Superficial, o qual será abordado mais a seguir. Com relação ao método Rockwell Normal
existem inúmeras variações conforme o tipo de penetrador e de carga utilizado, como pode ser
observado a partir da tabela a seguir, no entanto para medição da dureza de materiais metálicos os
mais utilizados são o Rockwell “B”, para peças mais moles como os materiais brutos ou
recozidos, e o Rockwell “C”, para peças mais duras como os aços temperados, por exemplo. Os
outros métodos são auxiliares e utilizados em casos particulares como também para a medição de
materiais não metálicos. Na escolha do método a ser utilizado deve ser levado em consideração: o
tipo de material, o tipo de tratamento térmico realizado, a espessura a ser controlado e a eventual
presença de porosidades.
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Tabela II – Tipos de métodos de dureza Rockwell.
ESCALA (HR”X”)
CARGA (Kp)
TIPO DE PENETRADOR
CAMPO DE APLICAÇÃO
A
60 Diamante Aços endurecidos ou cementados com pequena espessura de endurecimento,
etc. B 100 Esfera “1/16” Ligas de cobre e alumínio, aços
recozidos, ferro maleável ferrítico, etc.
C 150 Diamante Aços e ferros fundidos beneficiados, ferros fundidos maleáveis perlíticos, titânio e outros metais mais duros do
que 100 HRB. D 100 Diamante Idem HRA, porém com maior espessura
endurecida, ferro fundido maleável perlítico, etc.
E 100 Esfera “1/8” Ferro fundido, ligas de alumínio e magnésio, metais utilizados para
mancais, etc. F 60 Esfera “1/16” Ligas recozidas de cobre, chapas finas
de metais moles. G 150 Esfera “1/16” Ferro fundido maleável, ligas Cu-Ni-Zn
e cupro-níqueis. Não utilizar para durezas acima de 92 HRG.
H 60 Esfera “1/8” Alumínio, zinco e chumbo. K 150 Esfera “1/8” L 60 Esfera “1/4” M 100 Esfera “1/4” P 150 Esfera “1/4” R 60 Esfera “1/2” S 100 Esfera “1/2” V 150 Esfera “1/2”
Metais para mancais e outros muito moles ou finos. Recomenda-se utilizar
a menor esfera e a maior carga possíveis.
Em todos os casos utilizar pré-carga de 10 Kp É recomendada uma espessura mínima da peça a ser medida seja igual ou superior a 10 vezes o valor da profundidade de penetração. Na tabela a seguir são feitas algumas recomendações.
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Tabela III – Espessura mínima recomendada da pela para medição da dureza Rockwell.
DUREZA MÉTODO PENE- TRADOR
CARGA (Kp)
ESCALA 20 30 40 50 60 70 80 90
60 A 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 100 D 1,4 1,3 1,1 1,0 0,8 0,7
C Diamante 120º
150 C 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 60 F 1,5 1,4 1,2 1,1 1,0 100 B 1,5 1,4 1,2 1,1 1,0 1,4 1,2 1,0
B Esfera 1/16’’
150 G 2,8 2,5 2,2 1,9 1,5
04) MÉTODO VICKERS :
O método consiste em medir a resistência à penetração de um penetrador de diamante
com forma de pirâmide de base quadrada com ângulo de 136º entre as faces opostas sob a ação de
uma determinada carga onde se mede as diagonais da impressão deixada sobre o material, como
pode ser visto através da figura a seguir.
Figura 3 – Esquema de medição da dureza pelo sistema Vickers.
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As cargas aplicadas podem ser quaisquer, pois as impressões são sempre proporcionais às
cargas aplicadas, para um mesmo material. As cargas mais utilizadas são 1 – 2 – 3 – 5 – 10 – 30 –
50 – 100 e 150 Kg. Para ensaio de microdureza as cargas utilizadas vão desde 1 até 1000 gf. A
escolha da carga vai depender da precisão exigida, pois quanto maior a carga maior o tamanho da
impressão e maior a precisão envolvida em sua medição, bem como do tamanho de superfície
disponível e do tipo de peça, pois a medição de camadas superficiais exige cargas menores.
As aplicações são tipicamente as mesmas dos ensaios de dureza Rockwell Normal e
Rockwell Superficial para medição de dureza tanto de peças moles como duras temperadas. Além
disto, permitir a utilização de cargas extremamente pequenas e, portanto pode ser utilizado para a
medição de dureza superficial de peças cementadas, nitretadas, cromadas, com profundidades
inferiores a 1,27 mm, e de camadas metálicas eletrostáticas, além de peças bastante finas.
O valor da dureza pode ser medido através da fórmula abaixo, ou de forma mais direta por
intermédio de tabelas para cada tipo de carga utilizada.
HV = F/S = 1,8544 P / D2 (Kp/mm2)
onde:
F =Carga aplicada (Kp); S = Área da superfície; D = Diagonal da impressão (mm)
Os cuidados para medição da dureza Vickers são:
• O tempo de aplicação de carga é de 15 a 30 segundos para materiais cuja dureza seja
maior que 140 Kp/mm2;
• A precisão do aparelho de medição da diagonal deve ser de 0,001mm e em aparelhos
para medição de micro-dureza de até 0,0001mm;
• A espessura mínima do material a ser medido deve ser 10 vezes a profundidade de
penetração. Pode ser considerado que a profundidade de penetração é igual a 1/7 da
diagonal.
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05) MÉTODO KNOPP:
É baseado na resistência que o material oferece à penetração de um diamante na forma de uma
pirâmide com quatro faces, com base na forma de um losango, cuja diagonal maior é 7,11
vezes maior que a diagonal menor, tendo ângulos entre faces de 172º30’ e 130º
respectivamente, sob uma determinada carga, conforme mostrada na figura a seguir.
A dureza é determinada a partir da medição da diagonal maior da impressão, com auxilio de um
microscópio, calculo do valor a partir da fórmula a seguir ou de tabelas.
HK = F/S = F / 0,07028 D2 (Kp/mm2) onde: F = Carga aplicada (Kp); S = Área projetada D = Diagonal maior da impressão
Figura 4 – Princípio de medição da dureza pelo método Knopp.
É método Knopp é especialmente empregado em micro dureza e em peças muito
pequenas. Comparativamente ao método Vickers a vantagem de fazer uma impressão menos
profunda e uma diagonal maior, facilitando a medição e diminuindo o erro de leitura. É utilizado
para o ensaio de materiais muito duros e ao mesmo tempo frágeis, como por exemplo, para medir
a dureza de pinos ou de lâminas de molas, cujas dimensões são da ordem de alguns centésimos de
milímetro.
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Figura 5 – Micrografia mostrando a impressão da dureza Knopp sobre uma fase precipitada.
06) MÉTODO SHORE OU ESCLEROSCÓPICA:
A Dureza Shore ou Dureza Escleroscópica consiste em arremessar ou deixar cair um
corpo duro com um determinado peso (ou energia) sobre a superfície da peça que se deseja medir.
Este corpo em função da intensidade de impacto sofrido tende criar uma reação e gerar um
“ricochete”. Dependendo da altura do retorno do corpo, mede-se a dureza do material, através de
uma escala Escleroscópica dividindo-se a escala vertical fixa no aparelho em 100 unidades, o que
permite testar desde materiais mais moles (menor valor) até os mais duros, temperado (maior
valor), como pode ser visto através da figura a seguir.
Apresenta a vantagem de ser rápido, simples e ser portátil permitindo ser utilizado para
medições portáteis (in loco) em grandes peças, blocos ou ferramentas tratadas, em função de seu
elevado peso e dificuldade de locomoção. É possível fazer-se uma equivalência entre a dureza
Escleroscópica e os outros métodos de medição, como Brinell, Vickers e Rockwell. Também é
utilizado para medição de materiais não metálicos como plásticos e borrachas.
Para garantir a precisão do resultado é preciso manter o aparelho em posição
absolutamente perpendicular a superfície que está se medindo, como também está mais sujeita a
variação operacional bem como mais sensível as condições superficiais da peça do que os outros
processos.
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Figura 6 – Esquema de medição de dureza Shore o u Escleroscópica.
07) DUREZA SUPERFICIAL E MICRODUREZA :
A dureza superficial é utilizada principalmente para medição de camadas superficialmente
endurecidas, como peças cementadas, nitretadas, carbonitretadas, nitrocarbonetadas, boretadas,
etc, bem como em peças com paredes muito finas. Para medição de dureza superficial utilizam-se
os métodos Rockwell e Vickers. Na tabela a seguir são apresentadas as variáveis do método
Rockwell Superficial.
No processo de medição de dureza superficial deve-se ter o cuidado de utilizar a carga
adequada, pois se forem utilizadas cargas muito elevadas o penetrador ultrapassará a camada e se
estará medindo a dureza abaixo da mesma, ou mesmo provocando um forte encruamento ao redor
da região de medição em peças muito finas, pois o material estará sendo “espremido” entre o
penetrador e a base da máquina. Em ambos os casos ocorrerá um grave erro de medição.
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Tabela IV – Variáveis do método Rockwell Superficial.
CARGA (MPA)
ESCALA N (diamante)
ESCALA T (esfera “1/16”)
ESCALA W (esfera“1/8”)
ESCALA X (esfera”¼”)
ESCALA Y (esfera”½”)
15 15-N 15-T 15-W 15-X 15-Y 30 30-N 30-T 30-W 30-X 30-Y 45 45-N 45-T 45-W 45-X 45-Y
Escala N Aplicações similares às utilizadas pelas escalas HRD, HRC E HRA. Utilização de cone de diamante de 120º. Utilizado para aço cementado e temperado.
Escala T Aplicações similares às utilizadas pelas escalas HRB, HRF E HRG. Utilização de um penetrador de esfera “1/16”. Utilizado para aço, ferro e outros metais até 240 Brinell, chapas, etc.
Utilização
Escalas W, X, Y
Aplicações em metais muito moles.
Em todos os casos utilizar uma pré-carga de 3 Kp.
Freqüentemente as especificações de dureza de camada indicam métodos convencionais
de medição que, se utilizados, resultarão em resultados errôneos. Recomenda-se que a
profundidade alcançada pelo penetrador não ultrapasse a décima parte da espessura da peça, ou
da camada endurecida. Em função disto os valores mais indicados de dureza são apresentados na
tabela a seguir.
A microdureza é realizada a partir dos métodos Vickers e Knopp, onde utilizam-se cargas
muito pequenas, da ordem de gramas, a partir de equipamentos especiais, como microscópios, de
forma a permitir a medição da impressão com precisão.
Através deste método é capaz de se medir a dureza de camadas muito finas, da ordem de
microns de espessura, como é o caso da nitretação ou revestimentos superficiais, bem como a
dureza de fases internas presentes na estrutura dos materiais, como os carbonetos, nitretos,
sulfetos, etc.
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Tabela V – Dureza superficial recomendada em função da espessura da peça ou da camada
(a) (b)
Figura 7 – Penetradores Knopp (a) e Vickers (b) para a medição de micro dureza.
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08) ESCOLHA DO MÉTODO DE MEDIÇÃO DE DUREZA :
Os critérios utilizados para a escolha do método de medição de dureza são:
• TIPO DE MATERIAL = deve-se considerar se são materiais mais duros, como os
aços e ferros fundidos, materiais de dureza intermediária como as ligas de cobre,
níquel e magnésio, ou os metais mais moles como o alumínio, estanho e chumbo;
• TRATAMENTO TÉRMICO REALIZADO = deve-se considerar se são materiais
moles como os recozidos ou muito duros como os aços temperados;
• ESPESSURA = deve-se considerar a espessura da camada que está se medindo ou a
espessura da peça;
• PRESENÇA DE INCLUSÕES = alguns materiais apresentam inclusões como os
aços mais comuns ou precipitados como os ferros fundidos. A utilização de métodos
de dureza com penetradores muito pontuais, como Vickers e Rockwell, normalmente
levam a erros grosseiros de medição se o penetrador incidir sobre uma destas
heterogeneidades.
Na tabela a seguir são relacionados os métodos mais usuais de medição de dureza com
suas aplicações típicas.
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Tabela VI – Relação entre métodos de medição de dureza.
TIPO UNIDADE PENETRADOR CARGA (F) UTILIZAÇÃO BRINELL HB Esfera de aço
com diâmetro 2,5/5,0/10,0 mm
Depende do tipo de material e do diâmetro do penetrador.
(para ligas ferrosas
F=300D2)
Uso geral para peças moles.
Muito utilizado para ferros fundidos.
ROCKWELL B
HRB Esfera diâmetro 1/16"
Pré-carga 100 Kp + carga 900
Kp (total 1000N)
Uso geral para peças moles.
Muito utilizado para ferros fundidos.
ROCKWELL C
HRC Cone de diamante de 120o
Pré-carga 100 Kp + carga
1400 Kp (total 1500N)
Peças duras temperadas.
ROCKWELL SUPERFICIAL
HRC Cone de diamante de 120o
Muito pequenas,
15N/30N/45N
Aço cementado ou nitretado
com camadas muito finas e
duras. VICKERS HV Pirâmide de
diamante Entre 49 e
980N. Uso geral. Pode
ser utilizado para todas as
faixas de dureza.
MICRO VICKERS
HV Pirâmide de diamante
Cargas pequenas entre 1,96 a 49N.
Aço cementado ou nitretado
com camadas finas e duras.
MICRO VICKERS
HV Pirâmide de diamante
Cargas muito pequenas, entre 0,0098 a 1,96N.
Aço cementado ou nitretado
com camadas muito finas e
duras.
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09) CUIDADOS ESPECIAIS PARA MEDIÇÃO DE DUREZA :
Quando da medição de dureza devem ser tomados os seguintes cuidados:
• No caso da dureza Rockwell e Vickers a superfície da peça a ser medida deve ser
rigorosamente lixada, polida, limpa e seca. No caso da dureza Brinell normalmente
um bom esmerilhamento da superfície já é suficiente;
• A superfície da peça deverá ser posicionada a 90o em relação ao eixo do penetrador. É
tolerada uma inclinação de no máximo 7o;
• A peça deve ser perfeitamente apoiada, de modo a não sofrer oscilações ou
escorregamentos quando da aplicação da carga. Se isto ocorrer poderá, além de
provocar um erro na medição, danificar o penetrador. Na tabela a seguir são dadas
orientações a respeito da melhor alternativa para apoiar a peça;
• Ao se fazer ensaio Rockwell não deve ser considerado o resultado do primeiro ensaio
após a troca do penetrador devido ao mesmo não estar perfeitamente assentado no seu
alojamento;
• Não deve ser utilizado um penetrador de esfera em uma peça temperada. Se isto por
acaso ocorrer o penetrador deve ser inutilizado, pois sofreu deformação permanente.
• A carga deve ser aplicada sem choque e sem vibrações. Recomenda-se colocar sobre
o aparelho de medição um amortecedor;
• A aplicação da dureza deve durar de 6 a 10 segundos. Em metais moldes pode ser
prolongada até 30 segundo, quando o ponteiro do indicador deverá ficar imóvel;
• Exprimir o resultado da dureza e indicar a escala e a unidade correspondente (Brinell
= HB, Vickers = HV, Rockwell B = HRB, Rockwell C = HRC)
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Tabela VII – Orientação para apoio e fixação da peça medição de dureza.
No caso da medição de superfícies cilíndricas ou curvas, o valor da medição deve sofrer uma correção em função da curvatura ou do diâmetro, conforme mostrado no monograma a seguir.
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Tabela VIII – Monograma para correção dos valores de dureza Rockwell “C”, medida sobre
superfícies cilíndricas.
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Tabela IX – Exemplos de falhas do processo de medição de dureza, com penetradores esféricos.
10) EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO DE DUREZA :
O equipamento de dureza consiste basicamente de uma base onde a peça ou o material
que se deseja medir a dureza e apoiado ou fixado, de um penetrador, de um sistema de pesos
aplicados sobre este penetrador para promover a impressão e de um sistema que permita a
medição ou a leitura, com a precisão desejada da medição, da impressão, o que pode ocorrer
através da sua projeção horizontal ou de sua profundidade. Na figura a seguir se tem um esquema
deste equipamento.
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Os equipamentos de dureza podem ser classificados em:
• UNIVERSAIS = são equipamentos que permitem praticamente a medição de todos
os tipos de dureza, bastando somente à mudança do tipo de penetrador e da carga.
Normalmente são utilizados em laboratórios;
• ESPECÍFICOS = normalmente são dedicados a medição de somente um tipo de
dureza ou adequado para a medição de uma categoria específica de peças. São mais
utilizados para controle de dureza no processo produtivo;
• AUTOMÁTIZADOS = utilizado para medição de dureza em grande seriação,
permitindo inclusive a separação das peças que estão dentro ou fora da faixa de
dureza especificada. Utilizado normalmente no controle final do processo de
fabricação ou na inspeção de recebimento;
• MANUAIS = utilizado para medição da dureza de peças de grandes tamanhos “in
loco”, devido a dificuldade de movimentação da peça.
Figura 8 – Esquema do equipamento de dureza
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Figura 9 – Equipamento Universal de medição de dureza.
Figura 10 – Equipamento específico para a medição de dureza em um girabrequim.
Figura 11 – Equipamento de dureza automatizado, para medição de dureza seriada.
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Figura 12 – Equipamento de dureza manual. 11) EQUIVALÊNCIA DAS ESCALAS DE DUREZA :
Embora os métodos de medição de dureza sejam diferentes é possível fazer uma
correlação entre todos, como pode ser observado através das tabelas a seguir.
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Tabela X - Equivalência de dureza com base na dureza Brinell.
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Tabela XI - Equivalência de dureza com base na dureza Rockwell.
OBSERVAÇÕES:
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• As tabelas são válidas para aços ao carbono e aços ligados nas condições recozidos,
normalizada e temperada e revenida, sendo menos precisa para aços encruados e aços
austeníticos;
• Os valores entre parênteses encontram-se além da escala normal sendo apenas
informativos;
• Os valores das durezas Brinell baseiam-se nos diâmetros da impressão dos testes.
Caso ocorram deformações da esfera durante os testes, os valores medidos
apresentarão variações, proporcionais às deformações sofridas. Portanto, para durezas
elevadas, as equivalências entre as durezas Brinell, Vickers e Rockwell são afetadas
pelo tipo de esfera utilizada;
• As esferas de aço tendem a deformar mais que as de carbeto de tungstênio, resultando
em impressões de maior diâmetro e, portanto em valores de dureza Brinell mais baixas.
12) RELAÇÃO ENTRE DUREZA E RESISTÊNCIA MECÂNICA :
A resistência mecânica dos materiais metálicos pode ser determinada ou pelo menos
estimada em relação à dureza obtida, conforme mostrado na tabela a seguir.
Tabela XII – Relação de dureza X resistência mecânica de aços.
DUREZA TIPO DE AÇO (MPa)
HRC HRB HB SHORE HV COMUM
Cr, Mn e
Cr-Mn
Ni, Cr-Ni e Cr-Mo
68 97 940 67 95 900 66 92 865 2666 2597 2519 65 739 91 832 2607 2538 2460 64 722 88 800 2548 2479 2401 63 706 87 772 2489 2421 2352 62 688 85 746 2430 2362 2293 61 670 83 720 2362 2303 2234 60 654 81 697 2303 2244 2176 59 634 80 674 2234 2176 2117 58 615 78 653 2166 2107 2048 57 595 76 633 2097 2038 1980 56 577 75 613 2038 1980 1921 55 560 74 595 1980 1921 1862 54 543 72 577 1911 1862 1813 53 525 71 560 1852 1803 1754 52 512 69 544 1803 1754 1705 51 496 68 528 1754 1705 1656 50 482 67 513 1705 1656 1607 49 468 66 498 1646 1607 1558 48 455 64 484 1607 1558 1519 47 442 63 471 1558 1519 1470
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46 432 62 458 1529 1480 1441 45 421 60 446 1490 1441 1401 44 409 58 434 1441 1401 1362 43 400 57 423 1411 1372 1333 42 390 56 412 1372 1343 1294 41 381 55 402 1343 1303 1274 40 371 54 392 1313 1274 1235 39 362 52 382 1274 1245 1205 38 353 51 372 1245 1215 1176 37 344 50 363 1215 1176 1147 36 336 49 354 1186 1156 1117 35 327 48 345 1156 1117 1088 34 319 47 336 1127 1098 1068 33 311 46 329 1098 1068 1039 32 301 44 318 1058 1029 1000 31 294 43 310 1039 1009 980 30 286 42 302 1009 990 951 29 279 41 294 980 960 931 28 271 41 286 960 960 902 27 264 40 279 931 902 882 26 258 39 272 911 882 862 25 253 38 266 892 872 843 24 247 37 260 872 843 823 23 243 36 254 853 833 813 22 100 240 35 240 843 823 804 21 99 234 34 234 823 804 784 20 98 228 33 228 804 784 764 97 222 32 222 784 764 745 96 216 31 216 764 745 715 95 210 30 210 745 725 696 94 205 30 205 725 706 686 93 200 29 200 706 686 666 92 195 28 195 686 666 657 91 190 28 190 666 657 637 90 185 27 185 657 637 617 89 180 27 180 637 617 598 88 176 26 176 617 608 588 87 172 26 172 598 588 578 86 169 25 169 598 578 568 85 165 25 165 578 568 549 84 162 24 162 568 559 539 83 159 21 159 559 549 529 82 156 21 156 549 539 519 81 153 21 153 539 529 510 80 150 20 150 529 519 500 79 147 20 147 519 510 490 78 144 20 144 510 490 480 77 141 141 500 480 470 76 139 139 490 470 461 75 137 137 480 461 461 74 135 135 480 451 451 73 132 132 470 451 441 72 130 130 451 441 431 71 127 127 451 431 421 70 125 125 441 421 421 69 123 123 431 412 412 68 121 121 431 412 402 67 119 119 421 412 402 66 117 117 412 402 392 65 116 116 412 402 382 64 114 114 402 392 382 63 112 112 392 382 372 62 110 110 392 382 363 61 108 108 382 372 363 60 107 107 382 372 353
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13) NORMAS TÉCNICAS:
Tabela XIII – Normas técnicas ABNT sobre ensaio de dureza.
NORMA DESCRIÇÃO NBR 06394 Determinação da dureza Brinell de materiais metálicos NBR 06442 Tabelas de valores de dureza Brinell (HB) para materiais metálicos NBR 06671 Materiais metálicos - Determinação da dureza Rockwell NBR 06672 Materiais metálicos - Determinação da dureza Vickers NBR 06679 Tabela de valores de dureza Vickers (HV) para materiais metálicos NBR 06680 Bloco padrão para ensaio de dureza Vickers. NBR 07407 Folhas-de-flandres - Determinação da dureza Rockwell. NBR 10295 Aferição de máquinas de ensaio de dureza Vickers.
NBR NM 146-1 Materiais metálicos - Dureza Rockwell - Parte 1 - Medição da dureza
Rockwell (escalas A, B, D, E, F, G, H e K) e Rockwell superficial (escalas 15N, 30N, 45N, 15T, 30T E 45T)
NBR NM 146-2 Materiais metálicos - Dureza Rockwell - Parte 2 - Calibração de máquinas de
medir dureza Rockwell (escalas A, B, D, E, F, G, H e K, N e T)
NBR NM 146-3 Materiais metálicos - Dureza Rockwell - Parte 3 - Calibração de blocos padrão
a serem utilizados na calibração de máquinas de medir dureza Rockwell (escalas A, B, D, E, F, G, H e K, N e T)
NBR NM 171 Tubos de aço - Ensaio de dureza. NBR NM 187-1 Materiais metálicos - Dureza Brinell - Parte 1 - Medição da dureza Brinell
NBR NM 187-2 Materiais metálicos - Dureza Brinell - Parte 2 - Calibração de máquinas para
medir dureza Brinell
NBR NM 187-3 Materiais metálicos - Dureza Brinell - Parte 3 : Calibração de blocos-padrão a
serem utilizados na calibração de máquinas de medir dureza Brinell NBR NM 188-1 Materiais metálicos - Dureza Vickers - Parte 1 : Medição de dureza Vickers
NBR NM 188-2 Materiais metálicos - Dureza Vickers - Parte 2 : Calibração de máquinas de
medir dureza Vickers
NBR NM 188-3 Materiais metálicos - Dureza Vickers - Parte 3 : Calibração de blocos-padrão a
serem utilizados na calibração de máquinas de medir dureza Vickers
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CAPÍTULO III
ENSAIOS MECÂNICOS
1) RESISTÊNCIA A TRAÇÃO :
1.1) ENSAIO:
O ensaio consiste em tracionar, com o auxílio de uma máquina de tração, um corpo de
prova padronizado do material que se deseja avaliar, no sentido do seu eixo, até a sua ruptura,
registrando os dados em um gráfico denominado curva tensão-deformação.
Figura 1 – Princípio do ensaio de tração
1.2) MÁQUINA DE TRAÇÃO:
As máquinas de ensaio podem ser de acionamento mecânico ou hidráulico. Importante
durante o ensaio é a velocidade de tração, que deve seguir valor indicado e ser constante durante
d todo o ensaio. O corpo de prova deve ser bem fixado e estar adequadamente alinhado com o
eixo da máquina de tração
1.3) CORPO DE PROVA:
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O formato e as dimensões dos corpos de prova para o ensaio de tração são padronizados,
segundo normalização técnica, e devem ser bem acabados para eliminar eventuais pontos de
nucleação de trincas, que poderiam levar a uma ruptura prematura do material e a erros de
resultados. A cabeça do corpo de prova pode ser lisa ou rosqueada para facilitar sua fixação na
máquina. É possível medir através do ensaio de tração:
• Corpos de prova cilíndricos usinados = amostras com seção circular, obtida a partir de
barras, tarugos, blocos ou diretamente a partir de uma peça fundida ou forja;
• Corpos de prova estampados = amostras com seção retangular, obtida a partir de
chapas de aços planos, fitas, lâminas, etc;
• Arames, fios e cabos = correntes, cabos, cordoalhas, etc;
• Corpos de prova de peças soldadas = obtida diretamente da região da solda.
• Peças prontas = parafusos
Figura 2 – Máquina de ensaio de tração mecânica.
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(a) (b)
Figura 3 – Corpos de prova de tração cilíndrica (a) e para chapas (b).
1.4) GRÁFICO TENSÃO-DEFORMAÇÃO:
A carga e a deformação do corpo de prova sofrido durante o ensaio são registrados num
gráfico designado “Carga (N) X Variação de comprimento (mm)”. A carga é medida através do
dinamômetro ou célula de carga da máquina de tração e a variação de comprimento medido
através do extensômetro instalado junto ao corpo de prova. A partir desta curva é possível obter-
se a curva “Tensão X Deformação”, transformando-se a carga em tensão e o comprimento em
alongamento, através das seguintes equações:
σ = Q / S onde: σ = Tensão (MPa); Q = Carga aplicada (N); S = Área da seção transversal do corpo de prova (mm2).
ε = (Lf – Lo) / Lo X 100 onde: ε = Alongamento do corpo de prova (%); Lo = Comprimento inicial do corpo de prova (mm); Lf = Comprimento final do corpo de prova (mm);
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1.5) GRÁFICO DE TENSÃO-DEFORMAÇÃO REAL:
Considera a variação do corpo de prova na zona plástica. Elimina erros, mas dá mais
trabalho. Usado em pesquisa no desenvolvimento de novos produtos. Normalmente não é levado
em consideração, pois se considera que após o limite máximo de tensão o material está entrando
em colapso.
Figura 4 – Curva típica tensão-deformação, onde de pode notar o corpo de prova em regime elástico, plástico e em estricção.
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Figura 5 - Gráfico tensão-deformação real e nominal.
1.6) INFORMAÇÕES QUE PODEM SER OBTIDAS:
A partir do ensaio de tração podem ser obtidas as seguintes informações:
a) SOBRE A CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO:
• Limite de proporcionalidade (Lei de Hook);
• Limite de elasticidade;
• Módulo de elasticidade (Módulo de Young);
• Módulo de resiliência;
• Tensão de escoamento;
• Tensão máxima ou limite de resistência;
• Tensão de ruptura;
• Coeficiente de “Poisson”;
• Campo elástico X plástico;
b) SOBRE O CORPO DE PROVA:
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• Alongamento;
• Estricção;
1.7) INTERPRETAÇÃO DO ENSAIO:
A partir da curva tensão-deformação é se realizar as seguintes interpretações:
• DUCTILIDADE OU FRAGILIDADE = pela forma da curva e pelo tamanho do
campo plástico ou elástico.
• TENACIDADE = pela área total sob a curva;
• RESISTÊNCIA = pelo valor da resistência máxima de ruptura
• RIGIDEZ = pelo seu módulo de resiliência, módulo de elasticidade ou a pela área
sob a curva no regime elástico;
• CONFORMABILIDADE = pelo valor do alongamento e pela relação entre tensão
de escoamento e tensão de ruptura, que determina o campo plástico.
• ÍNDICE DE ANISOTROPIA = propriedades mecânicas variam de acordo com
direção de trabalho, principalmente em materiais laminados, forjados e estampados.
1.8) REGIME ELÁSTICO E MÓDULO DE ELASTICIDADE:
Onde existe uma proporcionalidade entre a carga aplicada e a deformação sofrida pelo
corpo de prova, seguindo, portanto a “Lei de Hook” e onde é possível determinar o “MÓDULO
DE ELASTICIDADE” que é o relacionamento da tensão pela deformação relativa, em qualquer
ponto dentro do regime elástico, o que também indica a inclinação da curva neste regime. Nesta
condição ainda não existem deformações permanentes.
E = σ´ / ε´ = σ´´ / ε ´´ onde: E = Módulo de elasticidade (MPa); σ´ = Tensão em um ponto qualquer (MPa); ε´ = Deformação em um ponto qualquer (MPa).
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O módulo de elasticidade, juntamente com a resiliência, define a rigidez do material, ou
seja, a capacidade de um determinado material, peça ou componente resistir à deformação,
quando da aplicação de uma determinada carga. É de fundamental importância quando do projeto
de peças, pois entende-se que uma peça deva ser rígida o suficiente para jamais entrarem regime
plástico.
Coeficiente de Poisson é a energia de deformação por unidade de volume para tencionar
um material até o limite de proporcionalidade. Pode ser calculado a partir da seguinte equação:
γ = ε´ / ε ´´ onde: γ = Coeficiente de Poisson ε´ = Deformação lateral ε ´´ = Deformação no sentido da tensão
Figura 6 – Determinação do módulo de elasticidade.
Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando deformado
elasticamente e liberá-la quando descarregado. Pode ser calculado através da seguinte equação:
Ur = σp2 / 2 E onde:
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Ur = Módulo de resiliência; σp = Limite de proporcionalidade ou de escoamento; E = Módulo de elasticidade.
A resiliência hiperelástica também pode ser calculada através da área sob a curva no
regime elástico, como segue:
Figura 7 – Figura mostrando a resiliência.
1.9) TENSÃO DE ESCOMENTO:
A Tensão de escoamento pode ser calculada a partir da seguinte equação:
σ = Qn / So onde: σ e = Tensão de escoamento (MPa); Qn = Carga no ponto de escoamento (N); So = Área transversal do corpo de prova (mm2).
Para certos materiais, devido ao arranjo cristalino, a deformação não é instantânea,
dificultando a obtenção exata do valor da tensão de escoamento. Neste caso considera-se a tensão
de escoamento com o alongamento permanente
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• Geral = 0,2% de Lo;
• Cobre e suas ligas = 0,5% de Lo;
• Casos especiais como em ligas duras = 0,1 % Lo
Figura 8 – Sistema de medição da tensão de escoamento.
1.10) REGIME PLÁSTICO E ALONGAMENTO
Onde as deformações crescem mais rapidamente que as tensões aplicadas e onde as
deformações sofridas já passam a serem permanentes. Neste regime é possível medir o
ALONGAMENTO , que consiste na medição da variação de comprimento do corpo de prova, a
partir de um determinado segmento linear pré-definido, antes e após o ensaio, a partir da seguinte
equação:
A = (Lo – Lf) / Lo . 100
onde:
A = Alongamento (%);
Lo = Comprimento inicial do corpo de prova (mm);
Lf = Comprimento final do corpo de prova (mm).
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O entendimento do regime elástico é fundamental quando do processamento da peça
através de processos que envolvam conformação, pois se deseja que quando da aplicação de uma
carga a peça ou componente adquira deformações permanentes no sentido de lhe conseguir dar a
forma e precisão desejados.
1.11) ESTRICÇÃO E LIMITE DE RUPTURA:
Onde ocorre diminuição localizada da área do corpo de prova na região de ruptura. A
estricção se inicia após o material atingir a tensão máxima. Neste regime o corpo de prova está
preste a entrar em colapso. Embora pouco usada, devido a pouca precisão, pode ser uma medida
do alongamento do material.
O valor da estricção pode ser calculado a partir da seguinte equação:
φ = (Do – Df) . Do . 100 onde: φ = Estricção (%) Do = Diâmetro inicial do corpo de prova (mm2); Df = Diâmetro final do corpo de prova (mm2).
Figura 9 – Estricção do corpo de prova.
O valor do limite de ruptura pode ser calculado através de:
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σf = Qf / So onde: Qf = Carga quando da ruptura (N); So = Área inicial do corpo de prova (mm2);
1.12) FRATURA DÚCTIL:
Figura 10 – Curva tensão-deformação típica de um material dúctil. (3pag71)
Figura 11 – Exemplo de um corpo de prova tracionado com fratura dúctil.
1.13) FRATURA FRÁGIL:
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Figura 12 – Curva tensão deformação típica de um material frágil.
Figura 13 – Exemplo de um corpo de prova tracionado com fratura frágil.
Figura 14 – Curva tensão-deformação de materiais diversos.
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Figura 15 – Curvas tensão-deformação de um aço com diferentes graus de encruamento.
Figura 16 – Curva tensão-deformação de aços com diferentes teores de carbono.
1.14) TENACIDADE:
É a capacidade de o material absorver energia na zona plástica, por unidade de volume, no
ensaio de tração, até a ruptura. Pode ser calculado a partir da seguinte equação:
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Ut = ( σe + σr) / 2 . εf onde: Ut = Tenacidade; σe = Tensão de escoamento; σr = Tensão de ruptura εf = Deformação
Figura 17 – Representação das propriedades resiliência e tenacidade mediante o gráfico tensão-deformação.
Figura 18 – Representação esquemática de resiliência e tenacidade de dois tipos de aços.
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Figura 19 – Curva tensão-deformação de um material encruado, que apresenta um comportamento mais frágil, com resiliência grande mas tenacidade pequena, contra um material
recozido, que apresenta um comportamento mais dúctil, uma resiliência pequena mas uma tenacidade elevada.
1.15) INDICE DE ANISOTROPIA:
Os materiais apresentam propriedades mecânicas diferentes dependendo da direção em
que foram obtidos. Isto ocorre porque principalmente no trabalho mecânico existe uma orientação
preferencial do grão após a deformação, ocorre certo alinhamento de inclusões, vazios,
segregações ou precipitados de segunda fase. O índice de anisotropia pode ser calculado através
de:
r = (ln (wf / wo)) / ln (tf / to) onde: r = Índice de anisotropia; wo , to = Largura e espessura iniciais;; wf , tf = Largura e espessuras finais, após aplicação da carga Q específica.
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ou
r = (ln (wo / wf)) / ln (lf.wf / lo.wo) onde: lo, lf = Comprimentos iniciais e finais Variação r
∆r = ro + r90 – 2r45 onde: ∆r = Variação r ro = Valor de r calculado a partir do corpo de prova 0o; r90 = Valor de r calculado a partir do corpo de prova obtido 90o; r45 = Valor de r calculado a partir do corpo de prova obtido a 45º. A anisotropia normal é dada por:
rr rr = (ro + r90 + 2r45) / 4 02) RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO:
Figura 20 - Esquema de um ensaio de compressão.
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Figura 21 – Exemplos de corpos de prova comprimidos, com comportamento dúctil (a) e frágil (b).
03) RESISTÊNCIA A FLEXÃO E DOBRAMENTO :
Figura 22 – Esquema de um ensaio de flexão.
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Figura 23 – Ângulo de dobramento segundo a ABNT.
Figura 24 – Ensaio de dobramento livre.
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Figura 25 – Exemplos de corpos de prova flexionados, com fratura dúctil (a) e frágil (b).
04) RESISTÊNCIA A TORÇÃO:
Figura 26 – Corpos de prova e dispositivo utilizado no ensaio de torção.
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Figura 27 – Esquema de um ensaio de torção.
Figura 28 – Exemplo de um corpo de prova tracionado, com comportamento dúctil (a) e frágil (b).
05) RESISTÊNCIA AO CIZALHAMENTO :
Figura 29 – Esquema de um ensaio de cisalhamento.
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Figura 30 – Curvas típicas de cisalhamento de um material dúctil e frágil.
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06) NORMAS TÉCNICAS:
Tabela I – Normas técnicas ABNT sobre ensaios mecânicos.
NORMA DESCRIÇÃO
NBR 06152 Materiais metálicos - Determinação das propriedades mecânicas a tração NBR 06153 Produto metálico - Ensaio de dobramento semi-guiado NBR 06154 Tubo de aço de seção circular - Ensaio de achatamento NBR 06155 Determinação da resistência ao dobramento alternado de produtos metálicos
planos com espessura inferior a 3 mm. NBR 06205 Tubo de aço de seção circular - Ensaio de flangeamento. NBR 06206 Tubo de aço de seção circular - Ensaio de alargamento. NBR 06338 Tubo de aço de seção circular - Ensaio de dobramento. NBR 06673 Produtos planos de aço - Determinação das propriedades mecânicas à tração. NBR 07433 Produtos tubulares de aço - Determinação das propriedades mecânicas de tração. NBR 08164 Folhas e chapas de aço de baixo carbono - Determinação da anisotropia plástica
e do expoente de encruamento. NBR 08649 Ferro fundido cinzento - Avaliação da resistência à tração através do ensaio por
pressão de cunha. NBR 09979 Determinação do fator de rigidez K de um ensaio de tração. NBR 10130 Chapas de aço - Determinação da redução do percentual de área pelo ensaio de
tração na direção da espessura. NBR ISO 6892 Materiais metálicos - Ensaio de tração a temperatura ambiente
NBRNM COPANT 0010
Tubos de aço - Método de ensaio de dobramento.
NBRNM COPANT 1550
Seleção e preparação de amostras e corpos-de-prova de aços trabalhados - Parte 1 : Amostras e corpos-de-prova para ensaio mecânico.
NBRNM 0168 Tubos de aço - Ensaio de alargamento. NBRNM ISO 0783 Materiais metálicos - Ensaio de tração a temperatura elevada
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CAPÍTULO IV
ANÁLISE METALOGRÁFICA
01) ANÁLISE DA FRATURA :
Analisa-se a forma da fratura, em função do tipo de material, por exemplo:
• FRATURA FRÁGIL = típico em ferros fundidos cinzentos, aços temperados e ligas
não-metálicas duras. A fratura normalmente é mais granular e brilhante;
• FRATURA DÚCTIL = ocorre tipicamente em metais mais moles como aços
recozidos, ligas de chumbo, estanho e ouro. Sofrem grande deformação plástica antes
da ruptura e a fratura ocorre por cisalhamento prolongado nos planos de
escorregamento do cristal;
Os tipos de fraturas podem ser:
• TRANSGRANULAR = a fratura se propaga através dos grãos do metal, cisalhando-
os. Típico de materiais de comportamento dúctil/frágil;
• INTERGRANULAR = a fratura se propaga ao longo dos contornos de grão,
normalmente acompanhada da presença de uma fase frágil em contornos de grão.
Figura 1 – Fratura de um material por fadiga.
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02) MACROGRÁFIA :
A análise macrográfica através de superfície polida consiste no exame do aspecto de uma
peça ou amostra metálica, segundo ma seção plana devidamente polida, podendo ser atacada com
reagente específico, obtendo-se uma revelação de detalhes da macro-estrutura. O exame
normalmente é feito a vista ou com o auxílio de uma lupa. A macrografia também é empregada
quando ocorrem reproduções em filmes fotográficos com ampliações de até 10 vezes o tamanho
natural. Também pode ser utilizada para avaliações superficiais de peças ou outros detalhes a
partir de um esteroscópio, que consiste de um microscópio para pequenos aumentos, como
mostrado a seguir.
Figura 2 – Aspecto de uma macroscopia.
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Figura 3 – Estereoscópio utilizado tanto da análise da fratura como da macroscopia.
A microscopia serve para os seguintes tipos de determinações:
• Nível de segregações;
• Linhas de deformação;
• Seqüência de solidificação;
• Determinação de falhas macroscópicas, etc.
03) MICROGRAFIA :
Consiste na análise da estrutura metalográfica dos materiais, através de uma amostra
devidamente preparada, por intermédio de um microscópio ótico.
3.1) PREPARAÇÃO DA AMOSTRA:
A seqüência de preparação de uma amostra para metalografia é:
• CORTE;
• EMBUTIMENTO ;
• LIXAMENTO = (seqüência lixas, 100/200/00/600 mesh)
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• POLIMENTO = (alumina ou pasta de diamante);
• ATAQUE = com reagentes específicos, em função do que se necessita avaliar;
Figuras 4 – Alternativas de preparação de corpos de prova. 3.2) ANÁLISE DA AMOSTRA:
A análise da amostra pode-se utilizar os seguintes métodos:
• Convencional a frio = a observação através de um microscópio ótico cujo aumento
pode ser de 100 até 1000 X;
• A quente;
• Quantitativa;
• Colorida.
Podem-se utilizar os seguintes tipos de equipamentos:
• Microscópio convencional;
• Microscópio de platina invertida;
• Microscópio de câmara quente;
• Microscópio com recursos fotográficos;
• Banco metalográfico;
• Microscópio portátil.
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Figura 5 – Esquema microscópio.
Figura 6 – Microscópio convencional (a) e de platina invertida (b).
Figura 7 – Microscópio com recurso fotográfico.
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Figura 8 – Banco metalográfico.
Figura 9 – Microscópio de câmara quente.
Figura 10 – Microscópio portátil.
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3.3) ANÁLISE QUALITATIVA:
Através da análise metalográfica normalmente é possível de ser determinado:
• Tipo de estrutura presente (ferrita, perlita, etc);
• Presença de precipitações (grafita, carbonetos, etc);
• Presença de inclusões (óxidos, sulfetos, silicatos, etc);
• Presença de partículas de segunda fase (nitretos, carbonetos, etc);
• Presença de fases intermetálicas;
• Tipo de grão (tamanho, forma, etc);
• Espessura e tipo de camadas superficiais (cementação, nitretação, etc);
• Presença de falhas (trincas, porosidades, etc).
Figura 11 – Micrografia de um aço hipereutetóide.
Figura 12 – Micrografia mostrando a presença de inclusões de silicatos.
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Figura 12 – Micrografia mostrando a presença de inclusões de sulfetos.
Figura 13 – Micrografia mostrando a formação de camadas superficiais. 3.4) ANÁLISE QUANTITATIVA:
Figura 14 – Micrografias mostrando a aplicação de análise quantitativa em ferro fundido nodular.
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3.5) ANÁLISE COLORIDA:
Figura 15 – Foto colorida de diversas fases.
Figura 16 – Foto colorida de uma região com solda.
Figura 17 – Foto colorida da martensita.
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04) MICROGRAFIA ELETRÔNICA DE VARREDURA :
Figura 18 – Esquema um microscópio eletrônico de varredura.
Figura 19 – Foto obtida a partir de um microscópio de varredura.
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05) MICROGRAFIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO :
Figura 20 – Foto de uma discordância no molibdênio, obtida a partir de um microscópio de
transmissão, com 120.000 vezes de aumento. 06) NORMAS TÉCNICAS:
Tabela I – Normas técnicas ABNT sobre ensaio metalográfico.
NORMA DESCRIÇÃO
NBR 06000 Materiais metálicos - Determinação do tamanho de grão NBR 06346 Aço - Determinação de microinclusões pelo método da fratura azul. NBR 06593 Morfologia de grafita em ferro fundido. NBR 06849 Ferro fundido cinzento - Determinação do número e tamanho das células
eutéticas. NBR 07401 Folhas-de-flandres - Determinação do tamanho de grão de estanho. NBR 07555 Aço - Revelação do grão austenítico. NBR 08653 Metalografia e tratamento termoquímico e térmico de ligas ferro carbono NBR 09208 Aço - Determinação do nível de microinclusões. NBR 11298 Aço - Análise por macro ataque. NBR 11299 Aços - Determinação da profundidade de descarbonetação NBR 11565 Impressão de Baumann (impressão de enxofre). NBR 11568 Determinação do tamanho de grão em materiais metálicos. NBR 13178 Aços - Determinação e verificação da profundidade de cementação
NBR 14147 Aço - Determinação e verificação de profundidade de endurecimento por
têmpera superficial.
NBR 14677 Aço - Determinação do grau de esferoidização de carbonetos - método de
ensaio NBR NM 241 Determinação do tamanho de grãos em materiais metálicos - Procedimento
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CAPÍTULO V
ENSAIO DE IMPACTO
1) ENSAIO CHARPY:
Figura 1 – Esquema ensaio de impacto.
Figura 2 – Corpos de prova típicos para o ensaio de impacto.
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2) ENSAIO IZOD:
Figura 3 – Corpos de prova utilizados no ensaio de impacto é forma de prendê-los na máquina.
3) CURVA DÚCTIL-FRÁGIL :
Figura 4 – Curvas de transição dúctil-frágil para alguns tipos de aço levantado a partir do ensaio
de impacto.
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Figura 5 – Natureza de variação, com a temperatura, da energia para ruptura nos ensaios de choque de materiais.
4) NORMAS TÉCNICAS:
Tabela I – Normas técnicas ABNT sobre ensaio de impacto.
NORMA DESCRIÇÃO
NBR 01158 Método de ensaio Charpy para determinação da resistência ao impacto
de materiais plásticos.
NBR 06147 Materiais metálicos - Determinação da resistência ao impacto em
corpos-de-prova entalhados simplesmente apoiados.
NBR 06157 Materiais metálicos - Determinação da resistência ao impacto em
corpos de prova entalhados simplesmente apoiados
NBR 09978 Aço carbono ou de baixa liga - Determinação da porcentagem de área dúctil da fratura pelo ensaio de impacto por queda de peso em corpos
de prova.
NBR NM 281-1 Materiais metálicos - Parte 1 - Ensaio de impacto por pêndulo Charpy
- Procedimento
NBR NM 281-2 Materiais metálicos - Parte 1 - Calibração de máquinas de ensaios de
impacto por pêndulo Charpy
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CAPÍTULO VI
ENSAIO DE FADIGA
1) FADIGA ROTATIVA :
Figura 1 – Esquema do ensaio de fadiga rotativa.
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Figura 2 – Ensaio de fadiga em máquinas de dobramento rotativo.
Figura 3 – Esquema da máquina de fadiga rotativa
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Figura 4 – Corpos de prova típicos para o ensaio de fadiga rotativa, por flexão e torção.
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2) FADIGA POR TRAÇÃO :
Figura 5 – Esquema do ensaio de fadiga por tração.
Figura 6 – Ciclos de tensão de fadiga: a)tensões reversíveis,
b)tensões repetitivas, e c)tensão a esmo.
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Figura 7 – Corpo de prova de fadiga pelo teste de propagação de trinca.
03) NORMAS TÉCNICAS:
Tabela I – Normas técnicas sobre ensaio de fadiga.
NORMA DESCRIÇÃO
NBR 06742 Utilização da distribuição de Weibull para a interpretação dos ensaios de
durabilidade por fadiga. NBR 07478 Método de ensaio de fadiga de barras de aço para concreto armado.
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CAPÍTULO VII
ENSAIO DE FLUÊNCIA
1) DEFINIÇÃO DO ENSAIO :
Mede o comportamento do material a elevadas temperaturas:
Figura 1 – Equipamento para ensaio de fluência.
Figura 2 – Curva típica de fluência – deformação em função do tempo.
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2) AVALIAÇÃO DOS RESULTADOS :
Figura 3 – Relação tensão-temperatura para três tipos de aços, baseado numa deformação por fluência de 1% em 100.000 horas.
Figura 4 – Curva fluência-tempo para um aço com 0,17% C a 400 oC.
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Figura 5 – Curva típica de fluência com carga constante, mostrando os três estágios da conformação (1/204).
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CAPÍTLO VIII
ANÁLISE DA CONFORMABILIDADE
1) ENSAIO DE EMBUTIMENTO :
1.1) EMBUTIMENTO – ENSAIO ERICHSEN:
Figura 1 – Esquema do ensaio de embutimento Erichsen. 1.2) EMBUTIMENTO – ENSAIO PERSOZ:
Figura 2 – Esquema do ensaio de embutimento Persoz.
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2) ENSAIO DE TRAÇÃO:
É possível medir a conformabilidade em um ensaio de tração a partir de:
• Alongamento do corpo de prova;
• Estricção do corpo de prova;
• Forma da curva dúctil-frágil
Figura 3 – Curva tensão-deformação de um material encruado, que apresenta um comportamento
mais frágil, contra um material recozido, que apresenta um comportamento mais dúctil. 3) ENSAIO DE ANISOTROPIA : Os materiais apresentam propriedades mecânicas diferentes dependendo da direção em que foram
obtidos. Isto ocorre porque principalmente no trabalho mecânico existe uma orientação
preferencial do grão após a deformação, ocorre certo alinhamento de inclusões, vazios,
segregações ou precipitados de segunda fase. O índice de anisotropia pode ser calculado através
de:
r = (ln (wf / wo)) / ln (tf / to) onde:
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r = Índice de anisotropia; wo , to = Largura e espessura iniciais;; wf , tf = Largura e espessuras finais, após aplicação da carga Q específica. ou
r = (ln (wo / wf)) / ln (lf.wf / lo.wo) onde: lo, lf = Comprimentos iniciais e finais Variação r
∆r = ro + r90 – 2r45 onde: ∆r = Variação r ro = Valor de r calculado a partir do corpo de prova 0o; r90 = Valor de r calculado a partir do corpo de prova obtido 90o; r45 = Valor de r calculado a partir do corpo de prova obtido a 45º. A anisotropia normal é dada por:
rr rr = (ro + r90 + 2r45) / 4 4) ENSAIO DE ENVELHECIMENTO :
Os materiais metálicos que sofreram um processo de conformação mais severo, como é o
caso da laminação, acumulam tensões internas residuais que com o tempo acabam relaxando. Isto
provoca certa variação das propriedades mecânica, e conseqüentemente da conformabilidade,
com o tempo, o qual é designado de envelhecimento.
5) NORMAS TÉCNICAS:
Tabela I – Normas técnicas sobre ensaio de embutimento.
NORMA DESCRIÇÃO
NBR 05902 Determinação do índice de embutimento em chapas de aço pelo método de
Erichsen modificado.
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CAPÍTULO IX
ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS
01) ANÁLISE VISUAL :
Os ensaios não destrutivos se servem para definir as descontinuidades presentes, que estão
associadas principalmente a presença de trincas, porosidades ou macro inclusões, que podem ser
localizadas nas seguintes regiões da peça:
• SUPERFICIAIS = afloram na superfície;
• SUB-SUPERFICIAIS = logo abaixo da superfície;
• INTERNAS = localizadas mais na parte interior do material.
Os ensaios mais comuns para detectar estas falhas superficiais, visualmente, são:
• AO OLHO NU ;
• ATRAVÉS DE UMA LENTE = utilizando-se uma lupa de maior aumento;
• ESTEREOSCÓPIO = dotado de sistema de iluminação adequado;
Figura 1 – Estereoscópio utilizado tanto da análise da fratura como da macroscopia.
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82
02) ENSAIO DE FLUORESCÊNCIA OU MAGNA-FLUX :
Figura 2 – Formação de ondas magnéticas ao redor da trinca.
Figura 3 – Foto de uma peça com formação de trincas, detectada no ensaio de magna-flux.
Figura 4 – Máquina de ensaio de magna-flux.
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83
Figura 5 – Máquina portátil de aplicação de magna-flux.
Figura 6 – Cabeçotes de aplicação de corrente num ensaio de magna-flux em peças de grande tamanho.
03) ENSAIO DE ULTRA-SOM:
Figura 7 – Determinação de descontinuidade através de Ultra-som.
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04) ENSAIO DE RAIOS-X:
Figura 8 – Método de determinação de descontinuidade através de Raios-X. 05) ENSAIO DE LÍQUIDOS PENETRANTES:
Consiste em três etapas:
• Aplicação de um líquido desengordurante, sob a forma de spray, sobre a região da
peça que se deseja analisar, para remover o óleo ou impurezas presentes na superfície
e principalmente nas partes mais internas das trincas eventualmente presentes;
• Aplicação de um líquido base sobre a região, que irá penetrar e se alojar no interior
das trincas;
• Remoção do excesso de material que não penetrou no interior das trincas, com auxílio
de um pano ou estopa;
• Aplicação de um líquido contrastante para revelar o líquido base contido no interior
das trincas, revelando assim a presença de trincas superficiais.
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06) NORMAS TÉCNICAS:
Tabela I – Normas técnicas ABNT sobre ensaios destrutivos.
NORMA DESCRIÇÃO NBR 06002 Determinação de descontinuidades em chapas grossas de aço por ultra-som. NBR 01216 Ensaio de ultra-som de juntas soldadas em materiais metálicos ferríticos.
NBR 01217 Ensaios por meio de partículas magnéticas em juntas soldadas de materiais
metálicos NBR 01218 Ensaios por líquido penetrante de juntas soldadas de materiais metálicos NBR 08049 Materiais metálicos - Detecção de descontinuidades - ensaio radiográfico NBR 09437 Materiais metálicos - Ultra-som em soldas NBR 09440 Materiais metálicos - Detecção de descontinuidades por meio de ultra-som.
NBR NM 266 Ensaios não-destrutivos - Exame eletromagnético (correntes induzidas) de produtos tubulares soldados sem costura, de aço inoxidável austenítico e
ligas similares.
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CAPÍTULO X
RESISTÊNCIA AO DESGASTE
01) MÉTODO:
O método de medição de resistência ao desgaste consiste em promover o atrito entre duas
superfícies.
Figura 1 – Máquina de realização do ensaio de desgaste.
Na figura a seguir são mostrados os ensaios típicos e na tabela os tipos de ensaios de
desgaste segundo a ASTM.
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Figura 1 – Configurações de ensaios de desgaste típicos.
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02) NORMAS TÉCNICAS:
Tabela I - Ensaios de Desgaste segundo ASTM .
ASTM MATERIAL APLICAÇÕES EQUIPAMENTOS
B611 Carbeto tungstênio Abrasão úmida Plano contra disco rebolo C131 Agregado mineral Resistência ao impacto Moinho de bolas C418 Concreto Jateamento Areia soprada com ar C448 Cerâmica Porcelana Máquina de lapidação NBS C501 Cerâmica Azulejo, piso C585 Agregado mineral Resistência a britagem Moinho de bolas C704 Cerâmica Tijolo refratário Jato erosivo à temp. ambiente C779 Concreto Impacto por deslizamento abrasivo Vários equipamentos C808 Carbono - grafite Selos C944 Concreto Corte rotativo Pressionar com broca D658 Revest. orgânico Pintura, verniz D968 Revest. orgânico Pintura, verniz D1395 Revest. orgânico Revestimento de pisos Como na D658 e D968 D1630 Borracha Sola de sapato e saltos Máquina abrasão a tambor NBS D2714 Metal, Cerâmica e
Plástico Desgaste por escorregamento Bloco sobre anel, Máquina
Falex D2981 Lubrificante umido Deslizamento oscilante Anel sobre bloco máquina
Falex D3181 Têxteis Roupas Dado humano subjetivo D3702 Metais Materiais
auto-lubrificados Máquina Falex p/ arruelas sob
pressão D3884 Têxteis Resistência à abrasão D3885 Têxteis Abrasão Cilindro oscilante D3886 Têxteis Abrasão F510 Revest. orgânico Revestimento de pisos G6 Isoladores Revestimento em tubulações Tambor giratório G32 Metal, Cerâmica
Plástico Cavitação Vibração em banho líquido
G56 Tecido Cinta, faixa pintada Tira enrolada em tambor G65 Metais Abrasão por areia seca Fluxo de areia, roda de borracha G73 Metal, Plástico Erosão líquida G75 Metais Abrasão p/ partícula em suspensão Sobrep. alternada, abrasivo em
suspensão G76 Metal, Cerâmica e
Plástico Erosão Partículas contra plano ou
placa G77 Metal, Cerâmica
Plástico Desgaste por escorregamento Anel sobre bloco Máquina
Falex G81 Metais, compósitos Desgaste em britador de mandíbulas Placas de britador angulosas G83 Metais Desgaste p/ deslizamento Cilindros cruzados G99 Metal e cerâmica Desgaste por deslizamento Pino-sobre-disco G105 Metais Abrasão p/ part. em suspensão Semelhante a G65
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CAPÍTULO XI
ANÁLISE DA TEMPERABILIDADE
1) MÉTODO:
A temperabilidade pode ser medida e avaliada através do Ensaio Jominy, como mostrada
abaixo. O ensaio consiste em se aquecer um corpo de prova apropriado até a temperatura ideal de
tempera, posicioná-lo no equipamento e aplicar um jato de água através de sua extremidade
inferior, provocando um resfriamento direcionado, simulando desta forma a condição de
resfriamento da peça quando da tempera.
Figura 1 – Ensaio Jominy mostrando o dispositivo e o corpo de prova.
Após resfriado mede-se a dureza do corpo de superficial do corpo de prova de sua
extremidade onde o resfriamento foi mais intenso para a outra, se lançado os resultados numa
curva, conforme mostrado a seguir. Através desta curva pode-se avaliar se o material apresenta
maior ou menor temperabilidade, através do grau e penetração da dureza para o interior da peça.
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2) ANÁLISE DOS RESULTADOS:
Figuras 2 – Curvas de endurecibilidade típicas, obtidas a partir do Ensaio Jominy.
03) NORMAS TÉCNICA:
Tabela I – Normas técnicas ABNT para análise de temperabilidade.
NORMA DESCRIÇÃO NBR 06339 Determinação da temperabilidade – Jominy.
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BIBLIOGRAFIA
1) Souza, Sérgio Augusto de – Ensaios mecânicos de materiais metálicos – Ed. Edgard Blucher
– 5º edição – 1982 – São Paulo/SP.
2) Colpaert, Hubertus - Metalografia dos produtos metalúrgicos comuns – Ed. Edgard Blucher
– 1969.
3) Remy, A. et all – Materias – Ed Hemus – São Paulo/SP
4) Leite, Paulo Gomes de Paula – Ensaios não-destrutivos – Ed. ABM - 1979.
5) Bressan, José Divo, et all – Nova metodologia para medir resistência ao desgaste no ensaio
pino-sobre-disco – Trabalho apresentado na Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais –
ABMM no 3º Encontro de Integrantes da Cadeia Produtiva de Ferramentas, Moldes e Matrizes.
28 a 30 de Outubro/2005. São Paulo/SP.
6) Subbarao, E.C. et all - Experiência de ciência dos materiais – Edit. Edgard Blucher Ltda –
São Paulo/SP – 1973.
7) ASM Internacional Handbook – Volume 8 – USA 1985
8) ASM Internacional Handbook – Volume 9 – Metallography and Microestructures - USA -
1985-