Avalie, não quebre — Teste de dureza e a fundição

Uma etapa crítica na qualificação de peças metálicas usando uma abordagem não destrutiva

O teste de dureza é um teste de qualidade usado em fundições para medir as propriedades de metais fundidos e sua adequação para diferentes aplicações. Sua popularidade se deve à natureza não destrutiva do teste e sua relação com outras propriedades mecânicas. As fundições inferem a tensão de tração de um material com base no resultado do teste de dureza.

As propriedades dos metais fundidos variam de acordo com a composição do metal, condições do processo e tratamento térmico. É importante certificar os produtos de metal fundido como adequados para a aplicação final desejada. Quatro categorias principais de propriedades são importantes para usuários de metais fundidos:

• Força
• Impacto
• Dureza
• Resistência à corrosão

As fundições às vezes lançam um cupom de teste ao lado da fundição do produto. Os resultados do teste de qualidade do cupom de teste também são válidos para o produto fundido. Alguns testes – como tensão de tração e impacto – destroem a peça de teste no processo. No entanto, os ensaios não destrutivos (END) não destroem a amostra de metal para obter um resultado. A vantagem do END é que os testes podem ser realizados no próprio produto de metal fundido, em oposição a uma peça de teste.

Benefícios dos testes de dureza:

• Capacidade de verificar o tratamento térmico de uma peça em operações de tratamento térmico e análise de profundidade de caso
• Capacidade de determinar se um material possui as propriedades necessárias para o uso pretendido
• Alternativa de teste não destrutivo para qualificar e liberar efetivamente materiais ou componentes para aplicações de destino
• Baixo custo e desempenho rápido

O que é um teste de dureza?

O termo dureza , normalmente implica uma resistência à deformação. Para metais, a propriedade é uma medida de sua resistência à deformação permanente ou plástica. Existem vários testes diferentes para medir a dureza de metais e metais fundidos.

Teste de dureza Brinell

O teste de dureza Brinell usa o método ASTM E10—Método de Teste Padrão para Dureza Brinell de Materiais Metálicos. A American Society for Testing and Measurement (ASTM) é a guardiã deste padrão. É um teste de macro indentação onde uma alta carga é usada para obter a medição. Os metais fundidos requerem testes de macrodureza devido à estrutura do grão do curso e ao potencial de um material não homogêneo.

Para obter um número de dureza Brinell (BHN), uma esfera de metal duro de diâmetro fixo pressiona o metal a uma pressão fixa por um tempo definido. Na remoção da carga, o operador mede o diâmetro do entalhe deixado para trás e o converte no BHN usando a seguinte fórmula:
\(BHN={2PoverπD(D-sqrt{D^2-d^2 })}\)
P =força aplicada (kgf)
D =diâmetro do penetrador (mm)
d =diâmetro de recuo (mm)

Nos Estados Unidos, as cargas de teste para aço e ferro são normalmente fixadas em um máximo de 3.000 kgf com uma esfera de 10 mm. O alumínio usa uma carga de teste menor de 500kgf e, às vezes, um penetrador menor de 5mm. Um BHN típico varia de 50 a 750 para metais. A tabela de dureza Brinell da Engineering Toolbox abaixo lista alguns exemplos de BHN:

Material
Número de dureza Brinell

Latão macio

60

Aço macio

130

Aço cinzel recozido

235

Ferro fundido branco

415

Superfície nitretada

750

A preparação da superfície do metal para o teste de dureza Brinell é muito importante. Uma superfície irregular ou outras imperfeições influenciarão o resultado. É aconselhável lixar a superfície do metal em preparação para o teste para minimizar a variabilidade nos resultados.

As origens do teste de dureza Brinell remontam a 1900. Nos primeiros anos do teste, os resultados foram fortemente influenciados pela perspectiva do operador. Diferentes operadores chegariam a resultados diferentes, levando a uma alta variabilidade na medição. No entanto, com a introdução de equipamentos de medição eletrônica, o nível de consistência melhorou significativamente.

Teste de dureza Rockwell

O teste de dureza Rockwell usa o método ASTM E18 – Métodos de teste padrão para dureza Rockwell de materiais metálicos. O teste Rockwell tem duas etapas. O equipamento aplica uma força de teste preliminar à amostra usando um penetrador de diamante ou esfera. O objetivo desta etapa é romper a superfície do metal e reduzir o efeito do acabamento superficial no resultado final. O operador mede uma profundidade de recuo da linha de base neste ponto. Depois de manter a pré-carga por um tempo definido, uma carga maior é então aplicada. Novamente, a força é mantida por um tempo pré-estabelecido, antes de reduzi-la novamente à força de pré-carga. Uma vez que o tempo tenha decorrido, o operador faz uma medição de profundidade do recuo. O número de dureza Rockwell é baseado na diferença entre as medições de profundidade da linha de base e final.

É importante que a precisão do teste Rockwell para o eixo de teste esteja dentro de dois graus da perpendicular. Uma escala de dureza Rockwell acompanha o teste.
\(RHN={N-(h/S) }\)
N =constante
S =unidade de escala
h =profundidade de recuo

Teste de dureza de rebote Leeb

O teste Leeb usa ASTM A956—Método de Teste Padrão para Teste de Dureza Leeb de Produtos de Aço. O teste de Leeb é uma medida do rebote de um objeto da amostra de teste. A dureza dos metais afeta a energia de rebote – materiais mais duros produzem um rebote maior, enquanto materiais mais macios amortecem a energia de rebote. A velocidade do objeto, antes e depois de atingir a amostra, forma a base para o valor de rebote. O equipamento de teste Leeb contém uma bobina, que mede a tensão induzida da esfera magnética usada para o teste de rebote. Essa tensão induzida está diretamente relacionada à velocidade da bola se movendo pela bobina do equipamento de teste. O valor de dureza Leeb é calculado usando a seguinte fórmula:
\(LHN={Rebote;Velocidade sobre Impacto;Velocidade}x1000\)
As vantagens do método Leeb incluem o fato de que o recuo deixado na amostra de teste é muito menor do que com outros métodos. Também é portátil, fácil de usar e mais rápido que os durômetros Brinell e Rockwell. Uma desvantagem é que pode produzir resultados variáveis ​​onde a superfície da amostra é irregular. A espessura da amostra e o teor de carbono também podem influenciar o resultado.

Conversão do número de dureza

ASTM E140-12be1 fornece tabelas de conversão de dureza padrão para metais para converter de um método de teste de dureza para outro. É importante notar que essas conversões são aproximadas e dependem de fatores como composição do material, microestrutura e tratamento térmico. Embora as tabelas sejam baseadas em um grande número de testes nos diferentes métodos, um resultado de conversão só pode ser considerado como uma estimativa de valores comparáveis.

Número de dureza e tratamento térmico

Os metais fundidos são tratados termicamente para manipular suas propriedades. O tratamento térmico envolve o aumento da temperatura do material para um valor predeterminado. Em seguida, é resfriado a uma taxa específica, dependendo das propriedades desejadas do produto. A temperatura final do ciclo de aquecimento e a taxa de resfriamento têm um impacto direto na microestrutura do metal.

Microestruturas finas de perlita e ferrita causadas por uma taxa de resfriamento mais rápida têm um valor de dureza maior. Se o metal for temperado, o resfriamento rápido resulta em uma microestrutura de martensita, que tem a maior dureza de todas. Devido à relação direta entre microestrutura e dureza, o teste de dureza é um indicador rápido do sucesso ou não do tratamento térmico.

Número de dureza e propriedades do metal fundido

As tabelas mostram como a resistência à tração se correlaciona com a dureza de materiais específicos. Esta é uma correlação útil porque medir a tensão de tração é um processo destrutivo, enquanto os testes de dureza são não destrutivos. No entanto, existem limitações para a conversão de dureza para resistência à tração e essas tabelas são apenas aproximações.

A relação entre o número de dureza Brinell e a tensão de tração:
\(TS(MPa)=begin{cases}3,55 cdot HB(HB le 175 )[2ex]3,38 cdot HB(HB>175 )end{cases}\)\(TS(psi)=begin{cases}515 cdot HB (HB le 175 )[2ex]490 cdot HB(HB>175)end{cases}\)
HB =Dureza Brinell do material (medida com um penetrador padrão e uma carga de 3000kgf)

Produtos de elenco e classificação

Muitos fatores afetam a classificação do aço fundido. A composição do produto, as propriedades químicas e mecânicas e os processos de tratamento térmico desempenham um papel na certificação de cada produto fundido de acordo com a norma ASTM aplicável.

A ASTM define especificações padrão para diferentes graus de produtos metálicos. É importante entender esses graus e suas propriedades para selecionar o grau correto para cada aplicação. ASTM A27 é um padrão que cobre fundidos de aço carbono para aplicações gerais.

Teste de dureza em fundições

O desenvolvimento do teste de dureza tornou mais fácil para as fundições de metal estimar as propriedades de seus produtos com base em um teste simples. É não destrutivo, o que significa que pode ser realizado em produtos acabados sem causar danos. É um processo rápido, dando às fundições um feedback rápido sobre os produtos à medida que saem da linha de produção. A correlação entre o número de dureza e a resistência à tração é um guia útil para fazer uma avaliação inicial do grau do produto. As fundições completam um conjunto completo de testes de certificação antes de liberar os produtos para os clientes.

O teste de dureza também ajuda as fundições a verificar seus processos de tratamento térmico. Os resultados mostram se a microestrutura do material mudou conforme o esperado. O teste de dureza é um componente crítico do controle de qualidade e ajuste de processo para fundições de metal.