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Dureza

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.
 Nota: Não confundir com Dureza da água.

Em ciência dos materiais, dureza, cujo antônimo é maciez, é uma medida da resistência à deformação localizada, como uma indentação ou um risco, produzida mecanicamente por prensagem ou abrasão. Nos ensaios usuais de metais, essa resistência envolve principalmente a deformação plástica. Em borrachas, a dureza medida por durômetros depende da resposta elástica e viscoelástica, sem exigir uma deformação permanente.[1][2] Em geral, os materiais apresentam diferentes graus de dureza. Metais como o titânio e o berílio, por exemplo, são mais duros que o sódio e o estanho metálico, ou que a madeira e os plásticos comuns. A dureza depende das ligações entre os átomos e da estrutura do material. Nos sólidos moleculares, as forças intermoleculares também participam dessa resposta. O comportamento dos sólidos sob a ação de forças permite medir a dureza de diferentes maneiras, como a dureza ao risco, a dureza por indentação e a dureza por rebote.

A interpretação dessas medições envolve propriedades como ductilidade, rigidez elástica, plasticidade, resistência mecânica, tenacidade, viscoelasticidade e viscosidade. Essas propriedades não são equivalentes à dureza. Exemplos comuns de matéria dura são as cerâmicas, o concreto, certos metais e os materiais superduros, que podem ser contrastados com a matéria mole.

Medição

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Durômetro Vickers

Há três tipos principais de medição de dureza: por risco, por indentação e por rebote. Cada classe possui escalas próprias. Por razões práticas, utilizam-se tabelas de conversão para estimar valores em outras escalas, mas essas conversões são aproximadas e têm limites de aplicação.[3]

Um resultado de dureza precisa ser acompanhado da escala utilizada. A geometria do penetrador, a força aplicada e o tempo de aplicação fazem parte da definição do ensaio e afetam a leitura.[4]

Dureza ao risco

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A dureza ao risco mede a resistência à formação de um risco permanente quando uma ponta é deslocada sobre a superfície sob carga.[5] O princípio é que um objeto feito de um material mais duro risca outro feito de um material mais macio. Em ensaios quantitativos, pode-se calcular a dureza a partir da força aplicada e da largura do risco residual. Um dos instrumentos utilizados nessa medição é o esclerômetro.[6]

Os ensaios de risco também podem avaliar a falha de revestimentos. Em revestimentos cerâmicos, a carga que provoca fratura ou desprendimento depende das propriedades do revestimento, de sua aderência e do substrato. Esse resultado não mede apenas a dureza.[7]

A escala de Mohs, empregada na mineralogia, ordena dez minerais de referência, do talco, com dureza 1, ao diamante, com dureza 10. Ela permite comparar a resistência ao risco, mas seus números não correspondem a intervalos iguais de dureza. Em cristais, o resultado também pode variar com a direção do risco. A cianita, por exemplo, apresenta dureza diferente conforme a direção cristalográfica examinada.[8]

Outro instrumento utilizado nesses ensaios é o durômetro de bolso Hoffman. Ele consiste em um braço graduado preso a um carrinho de quatro rodas. Uma ferramenta de riscamento com uma borda afiada é montada em um ângulo predeterminado em relação à superfície de ensaio. Para utilizá-lo, coloca-se um peso de massa conhecida sobre o braço, em uma das marcações, e então o instrumento é arrastado sobre a superfície. O peso e as marcações permitem aplicar uma força conhecida sem a necessidade de equipamentos mais elaborados. Para películas, pode-se determinar a força necessária para cortar o revestimento até atingir o substrato.[9]

Filmes de tintas e outros revestimentos orgânicos também podem ser avaliados pelo ensaio de dureza a lápis. Nesse procedimento, grafites de dureza conhecida são aplicados à superfície. O resultado depende do revestimento, do substrato e dos lápis utilizados, de modo que diferenças entre fabricantes ou lotes podem prejudicar a comparação entre ensaios.[10]

Dureza por indentação

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A dureza por indentação mede a resistência de uma amostra à deformação causada pela penetração de um corpo de geometria especificada, submetido a uma carga de compressão. Esses ensaios são utilizados principalmente na engenharia e na metalurgia. Seu princípio consiste em medir as dimensões da impressão ou a profundidade de penetração sob condições definidas. Entre as escalas mais comuns estão a Rockwell, a Vickers, a Shore e a Brinell.[4]

Exemplos de ensaios de dureza por indentação
Método Penetrador ou instrumento Medição e aplicações
Brinell Esfera de carbeto de tungstênio Mede-se o diâmetro da impressão. É utilizado em metais e em peças com grãos grandes ou estrutura heterogênea, como produtos fundidos e forjados.[11]
Rockwell Cone de diamante ou esfera, conforme a escala Mede-se o aumento permanente da profundidade após a aplicação e retirada da carga adicional, mantendo-se a carga preliminar. As escalas usam combinações distintas de penetrador e carga.[12]
Vickers Pirâmide de diamante de base quadrada Medem-se as duas diagonais da impressão. Pode ser empregado em ensaios de macrodureza e microdureza, inclusive na avaliação de revestimentos e soldas.[13]
Meyer Esfera Calcula-se a razão entre a força aplicada e a área projetada da impressão, obtida de seu diâmetro.[14]
Knoop Pirâmide de diamante com base alongada Mede-se a diagonal maior da impressão. É utilizado em microdureza, particularmente em materiais frágeis e regiões estreitas, como camadas superficiais.[15]
Shore por indentação Penetrador com geometria e força definidas para cada tipo de durômetro Mede-se a profundidade de penetração sob carga. É utilizado em borrachas, elastômeros e outros polímeros.[2]
IRHD Esfera rígida Mede-se a diferença de penetração entre duas condições de carga e converte-se o resultado em graus internacionais de dureza da borracha.[16]
Barcol Durômetro portátil Barcol Determina a resistência à indentação de plásticos rígidos, com ou sem reforço, em corpos de prova ou peças fabricadas.[17]

A leitura de um durômetro Shore depende da resposta elástica e viscoelástica do material, sem exigir que a impressão permaneça após a retirada da carga. As escalas dos durômetros Shore não devem ser confundidas com as do escleroscópio Shore, que utiliza rebote. Tampouco existe uma conversão simples e geral entre resultados obtidos com diferentes tipos de durômetro.[2]

Microdureza

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Os ensaios de microdureza utilizam cargas pequenas e impressões que podem ser examinadas ao microscópio. Nos procedimentos Vickers e Knoop abrangidos pela norma ASTM E384, as forças vão de aproximadamente 0,0098 N a 9,8 N. Isso permite avaliar constituintes individuais de uma microestrutura, peças pequenas e variações de dureza entre a superfície e o interior do material.[18]

Medições em diferentes profundidades permitem examinar camadas endurecidas por cementação ou nitretação. Como uma impressão pequena pode atingir apenas um constituinte, uma leitura isolada nem sempre caracteriza a peça inteira. Quando o objetivo é obter um valor representativo de uma região heterogênea, são necessárias medições em mais de um ponto.[18]

O penetrador Knoop produz uma impressão alongada e menos profunda que a do Vickers em condições comparáveis. Essa geometria facilita a medição de camadas estreitas, embora também aumente a sensibilidade ao estado da superfície.[15]

Indentação instrumentada

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Curva esquemática de carga P em função da profundidade h em um ensaio de indentação instrumentada. Os ramos correspondem ao carregamento e ao descarregamento. A inclinação inicial do descarregamento, dP/dh, é utilizada na determinação da rigidez de contato.

Na indentação instrumentada, a força e a profundidade de penetração são medidas durante o carregamento e o descarregamento. A curva obtida e a geometria calibrada do penetrador permitem determinar a dureza e estimar um módulo elástico reduzido, que combina a resposta da amostra com a do penetrador. Para calcular o módulo de Young da amostra, também são necessários seu coeficiente de Poisson e as constantes elásticas do penetrador, sob as hipóteses do modelo de contato utilizado. Esse procedimento é empregado na nanoindentação, em que as impressões podem ser pequenas demais para uma medição óptica convencional.[19]

A dureza de indentação instrumentada pode ser expressa por

em que é a força máxima aplicada e é a área projetada de contato nessa carga. Essa área não deve ser confundida com a área da impressão residual depois da retirada do penetrador, pois parte da deformação é recuperada elasticamente.[14][19]

Em escalas pequenas, o valor medido também pode variar com a profundidade de penetração. Esse comportamento é chamado de efeito de tamanho da indentação e deve ser distinguido das mudanças de dureza causadas pelo tamanho dos grãos do material.[14]

Dureza por rebote

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A dureza por rebote é uma medição dinâmica determinada pela resposta do material ao choque de um corpo de impacto. No escleroscópio, um pequeno martelo com ponta de diamante cai de uma altura fixa sobre o material, e mede-se a altura atingida no rebote.[1] A resposta depende das propriedades elásticas e plásticas do material.[20]

No ensaio de dureza Leeb, sensores medem as velocidades do corpo de impacto antes e depois do choque. O número de dureza é calculado por

em que e são os módulos das velocidades de rebote e de impacto, respectivamente. Nesse método, a grandeza medida é a razão entre esses valores, não a altura de rebote.[21]

Impedância de contato ultrassônico

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O método de impedância de contato ultrassônico, ou UCI, determina a dureza pela mudança de frequência de uma haste oscilante quando sua ponta é pressionada contra a amostra sob uma força de ensaio definida. A haste consiste em um eixo metálico com um elemento vibratório e um diamante em forma de pirâmide montado em uma das extremidades. A frequência medida em contato com o material é comparada à frequência de oscilação livre.[22]

A mudança de frequência depende da área de contato e das propriedades elásticas do material. Por isso, a calibração precisa ser adequada ao material examinado. Uma calibração feita para aço pode produzir resultados incorretos em materiais com módulo de elasticidade diferente.[23]

O UCI não é um ensaio por rebote. Seus resultados são convertidos em valores de escalas usuais, como Vickers ou Rockwell. A medição caracteriza a região superficial em contato com o penetrador, sem determinar diretamente a dureza no interior da peça.[24]

Condições de ensaio e conversão de escalas

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A superfície precisa permitir a leitura da impressão ou da profundidade sem interferência de sujeira, rugosidade excessiva ou movimentação da amostra. O preparo depende do método e da carga. Nos ensaios de microdureza, o polimento tem maior importância porque defeitos superficiais podem ter dimensões próximas às da impressão.[4] O preparo também não deve introduzir deformação ou danos que alterem a dureza da região examinada.[18]

A espessura da amostra, o apoio da peça e a distância entre impressões precisam ser adequados ao ensaio. Uma impressão modifica o material ao seu redor, de modo que outra medição feita muito perto pode ser afetada pela anterior.[13][12] Nos ensaios usuais de indentação de metais, a impressão residual altera localmente a superfície, embora muitas peças possam ser utilizadas depois do ensaio.

As tabelas de conversão são estabelecidas para grupos de materiais e condições determinados. Composição da liga, tamanho de grão e tratamento térmico podem mudar a relação entre duas escalas. Mesmo dentro do grupo previsto por uma tabela, o valor convertido é uma estimativa. A norma ASTM E140 recomenda evitar a conversão quando for possível medir diretamente na escala desejada.[3]

Endurecimento

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Entre os mecanismos de endurecimento dos metais estão o refino de grão, relacionado ao efeito Hall-Petch, o encruamento, o endurecimento por solução sólida, o endurecimento por precipitação e a transformação martensítica.[25]

Na mecânica dos sólidos

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Diagrama de uma curva tensão-deformação, que mostra a relação entre a tensão, ou força aplicada por unidade de área, e a deformação específica de um metal dúctil

Na mecânica dos sólidos, os sólidos podem apresentar respostas distintas à força, dependendo de sua intensidade e do tipo de material:

  • Apresentam elasticidade, a capacidade de mudar temporariamente de forma e retornar à forma original após a retirada da carga. A resistência à mudança elástica de forma é expressa pela rigidez de um objeto ou pelos módulos de elasticidade de um material. Ela não deve ser confundida com a dureza.
  • Apresentam plasticidade, a capacidade de mudar permanentemente de forma sem se dividir. O limite de escoamento caracteriza o início de uma deformação plástica mensurável. A resposta após o escoamento é expressa pela curva tensão-deformação e participa dos resultados de dureza ao risco e por indentação. Alguns materiais também apresentam componentes elásticos e viscosos em sua resposta à deformação, comportamento chamado de viscoelasticidade.
  • Sofrem fratura, dividindo-se em duas ou mais partes.

A resistência mecânica é expressa por valores de tensão que caracterizam o escoamento ou a ruptura sob uma condição de carregamento. Pode ser quantificada como resistência à compressão, resistência ao cisalhamento ou resistência à tração. No ensaio de tração, o limite de resistência é a maior tensão nominal alcançada, calculada pela divisão da força máxima pela área inicial da seção transversal do corpo de prova. Não se trata apenas da força máxima suportada pela peça.[26]

A fragilidade, em seu uso técnico, é a tendência de um material a fraturar com pouca ou nenhuma deformação plástica detectável antes da fratura. Um material pode, assim, ser frágil e apresentar resistência mecânica elevada. No uso cotidiano, "fragilidade" frequentemente significa a tendência de fraturar sob uma força pequena, confundindo a ausência de deformação plástica com a baixa resistência. Um material que rompe antes de apresentar escoamento plástico mensurável pode não ter um limite de escoamento determinado naquele ensaio. O oposto da fragilidade é a ductilidade.[26]

A tenacidade está relacionada à energia que um material absorve antes de fraturar. Em um ensaio de tração, a área sob a curva de tensão nominal em função da deformação nominal até a fratura fornece a energia absorvida por unidade de volume inicial. Isso difere da intensidade da força que pode ser aplicada. A tenacidade tende a ser baixa nos materiais frágeis porque a deformação plástica permite absorver energia antes da ruptura.[26]

Em muitos metais policristalinos, a dureza aumenta quando diminui o tamanho dos grãos. Esse comportamento é relacionado ao efeito Hall-Petch. Em certos materiais nanocristalinos, porém, uma redução adicional do tamanho de grão pode diminuir a resistência à deformação, comportamento chamado de efeito Hall-Petch inverso. A passagem entre esses regimes depende do material e de sua microestrutura.[27]

Em geral, a dureza não pode ser deduzida de um único módulo elástico. O módulo de cisalhamento, o módulo volumétrico e o módulo de Young quantificam respostas elásticas diferentes, enquanto a dureza por indentação também depende dos mecanismos de deformação permanente e das condições do ensaio. Baixa compressibilidade e elevada resistência à indentação não são propriedades equivalentes.[14] No caso do ósmio, a hipótese de um módulo volumétrico superior ao do diamante não foi confirmada por cálculos relativísticos comparativos, que obtiveram valores maiores para o diamante.[28]

Mecanismos e teoria

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Representação da rede cristalina que mostra os planos de átomos

A microestrutura dos metais ajuda a explicar os mecanismos responsáveis pela dureza. Ela abrange a organização dos grãos e das fases, além dos defeitos presentes no material. Muitas propriedades utilizadas na fabricação de produtos metálicos dependem dessa organização.[25] Em escala atômica, os átomos de um metal cristalino estão organizados em um arranjo tridimensional ordenado chamado rede cristalina. Um metal pode constituir um monocristal, mas as peças metálicas comuns geralmente contêm muitos grãos. Cada grão possui sua própria orientação cristalográfica e pode conter irregularidades.

Entre as irregularidades que afetam a deformação estão os defeitos pontuais e os defeitos lineares. Um defeito pontual ocorre em uma região localizada da rede cristalina. Se faltar um átomo em uma posição que normalmente estaria ocupada, forma-se uma vacância. Se um átomo de outro elemento ocupar uma posição da rede, há um defeito substitucional. Se um átomo ocupar um espaço entre as posições regulares, há um defeito intersticial.

Os defeitos lineares se estendem ao longo de uma linha no cristal. As discordâncias são defeitos desse tipo. Em uma discordância de aresta, a linha do defeito corresponde à extremidade de um semiplano adicional de átomos. Em uma discordância em hélice, os planos atômicos formam uma disposição helicoidal em torno da linha do defeito.[29]

Nos vidros, a dureza pode ser relacionada ao número de restrições topológicas que atuam entre os átomos da rede. Modelos baseados na teoria da rigidez levam em conta a dependência das restrições com a temperatura para estimar a dureza à temperatura ambiente em função da composição.[30]

Arranjo de planos atômicos em torno de uma discordância de aresta

As discordâncias permitem o deslizamento progressivo de partes do cristal e, com isso, a deformação plástica ou permanente.[25] À medida que uma discordância se desloca, o rearranjo dos átomos ocorre em sua vizinhança, sem exigir o deslocamento simultâneo de um plano inteiro. Quando esse movimento ocorre com facilidade, o material oferece menor resistência à deformação plástica.

Uma forma de dificultar o deslizamento consiste em criar obstáculos ao movimento das discordâncias. As interações entre elas podem formar pontos de ancoragem ou configurações que exigem maior tensão para continuar o movimento. Átomos intersticiais também podem interagir com os campos de deformação das discordâncias e dificultar seu deslocamento.[31]

Ao variar a presença de átomos intersticiais e a densidade de discordâncias, é possível modificar a dureza de um metal. O aumento da densidade de discordâncias durante a deformação plástica favorece suas interações e dificulta movimentos posteriores, mecanismo responsável pelo encruamento. O endurecimento por átomos em solução sólida também depende da resistência que esses átomos oferecem ao movimento das discordâncias.[25]

Relação entre o número de dureza e a curva tensão-deformação

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A relação entre um número de dureza e a curva tensão-deformação de um material exige cuidado. Essa curva, obtida convencionalmente por um ensaio de tração, caracteriza a resposta do material às condições do ensaio. Nos modelos de plasticidade isotrópica baseados no critério de von Mises, ela pode ser expressa como uma relação entre tensão equivalente e deformação plástica equivalente. Antes da estricção, enquanto a deformação é uniforme, a curva de tensão nominal em função da deformação nominal pode ser convertida em uma curva de tensão verdadeira e deformação verdadeira. Para obter a deformação plástica usada no modelo, subtrai-se da deformação total a parcela elástica, calculada pela razão entre a tensão verdadeira e o módulo de Young quando se admite elasticidade linear.[32]

Essa relação pode ser utilizada para calcular a resposta a outras condições de carregamento, desde que as hipóteses do modelo sejam adequadas ao material. É comum utilizar o método dos elementos finitos, ou MEF, para esse fim. Isso também se aplica à simulação de um ensaio de indentação com penetrador de tamanho e forma determinados e uma dada carga aplicada.

Embora o número de dureza dependa da relação tensão-deformação, inferir essa relação a partir de um único número não é simples. Os ensaios convencionais de dureza não procuram determinar toda a curva.[33] A plastometria por indentação utiliza informações adicionais, como o perfil da impressão residual, e as compara com simulações iterativas pelo MEF para estimar uma curva tensão-deformação. O resultado depende do modelo de plasticidade adotado e está fora do procedimento dos ensaios convencionais.[34]

Um número de dureza resume a resposta a um procedimento de medição. Em muitos métodos de indentação, seu cálculo utiliza uma razão entre força e área, mas a definição da área varia entre métodos. Outros, como Rockwell e os durômetros Shore, utilizam medidas de profundidade. Os valores obtidos para um material podem diferir entre métodos e, em determinadas condições, variar com a carga aplicada.

Por vezes, procura-se estabelecer expressões que permitam estimar propriedades da curva tensão-deformação, especialmente a tensão de escoamento e o limite de resistência à tração, a partir de um tipo de número de dureza.[35][36][37][38][39]

Essas relações podem ser empíricas ou incorporar modelos mecânicos e simulações, com limites de aplicação ligados ao material e às hipóteses adotadas.[35] Metais com diferentes combinações de tensão de escoamento e capacidade de encruamento podem apresentar o mesmo número de dureza.[33] Por isso, a estimativa de outras propriedades mecânicas a partir da dureza exige que sejam respeitados os limites do método utilizado. Essa restrição não impede o uso quantitativo da própria medição de dureza quando o método e as condições do ensaio estão definidos.

Ver também

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  • Tenacidade, capacidade de absorver energia antes da fratura
  • Encruamento, endurecimento causado pela deformação plástica
  • Nanoindentação, medição de propriedades mecânicas em pequenas profundidades de penetração
  • Teste de dureza Janka, ensaio de dureza utilizado para madeiras
  • Tribologia, estudo do atrito, do desgaste e da lubrificação
  • Tratamento térmico, processos de aquecimento e resfriamento que modificam propriedades dos materiais

Referências

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Leitura adicional

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  • Revankar, Gopal (2000). «Introduction to Hardness Testing». In: Kuhn, Howard; Medlin, Dana. Mechanical Testing and Evaluation. Col: ASM Handbook (em inglês). 8. [S.l.]: ASM International. pp. 197–202. doi:10.31399/asm.hb.v08.a0003270 

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