Teste de Dureza em Fundições: Garantia de Qualidade Não Destrutiva

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

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. Fundições inferem a tensão de tração de um material baseado no resultado do teste de dureza.

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

• Resistência
• Impacto
• Dureza
• Resistência à corrosão

Fundições às vezes fundem um cupom de teste junto com a fundição do produto. Resultados de testes de qualidade do cupom de teste são assumidos como verdadeiros para o produto fundido também. Alguns testes — como tensão de tração e impacto — destroem a peça de teste no processo. No entanto, testes não destrutivos (NDT) não destroem a amostra de metal para obter um resultado. A vantagem do NDT é que testes podem ser conduzidos 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 tem as propriedades necessárias para seu uso pretendido
• Alternativa de teste não destrutivo para qualificar e liberar efetivamente material ou componentes para aplicações alvo
• Baixo custo e execução rápida

O que é um teste de dureza?

O termo dureza tipicamente implica resistência à deformação. Para metais, a propriedade é uma medida de sua resistência à deformação permanente, ou plástica. Vários testes diferentes existem 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 carga alta é usada para obter a medição. Metais fundidos requerem testes de macro-dureza devido à estrutura de grão grosseiro e o potencial para material inhomogêneo.

Para obter um número de dureza Brinell (BHN), uma esfera de carboneto de diâmetro fixo pressiona o metal em uma pressão fixa por um tempo definido. Na remoção da carga, o operador mede o diâmetro da indentação deixada para trás e a converte no BHN usando a seguinte fórmula:

\(BHN={2P \over \pi D(D-\sqrt{D^2-d^2 })}\)

P = força aplicada (kgf)
D = diâmetro do penetrador (mm)
d = diâmetro da indentação (mm)

Nos Estados Unidos, cargas de teste para aço e ferro são tipicamente definidas no máximo de 3000 kgf com esfera de 10 mm. Alumínio usa uma carga de teste menor de 500 kgf, e às vezes um penetrador menor de 5 mm. Um BHN típico varia de 50-750 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 doce	130
Aço para cinzel recozido	235
Ferro fundido branco	415
Superfície nitretada	750

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

As origens do teste de dureza Brinell remontam a 1900. Nos primeiros anos do teste, os resultados eram fortemente influenciados pela perspectiva do operador. Diferentes operadores chegavam a resultados diferentes levando a alta variabilidade na medição. No entanto, com a introdução de equipamentos de medição eletrônicos, 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 dois estágios. O equipamento aplica uma força de teste preliminar à amostra usando um penetrador de diamante ou esfera. O propósito deste estágio é romper a superfície do metal e reduzir o efeito do acabamento superficial no resultado final. O operador mede uma profundidade de indentação de linha de base neste ponto. Após manter a pré-carga por um tempo definido, uma carga principal é então aplicada. Novamente, a força é mantida por um tempo pré-definido, antes de reduzi-la à força de pré-carga novamente. Uma vez decorrido o tempo, o operador faz uma medição de profundidade da indentação. O número de dureza Rockwell é baseado na diferença entre as medições de profundidade de linha de base e final.

É importante para a precisão do teste Rockwell que o eixo de teste esteja dentro de dois graus de perpendicular. Uma escala de dureza Rockwell acompanha o teste.

\(RHN={N-(h/ S ) }\)

N = constante
S = unidade de escala
h = profundidade de indentação

Teste de dureza por rebote Leeb

O teste Leeb usa ASTM A956 — Método de Teste Padrão para Teste de Dureza Leeb de Produtos de Aço. O teste 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 maior rebote, 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. Equipamento de teste Leeb contém uma bobina, que mede a tensão induzida da esfera magnética usada para o teste de rebote. Esta tensão induzida é diretamente relacionada à velocidade da esfera movendo-se através da bobina do equipamento de teste. O valor de dureza Leeb é calculado usando a seguinte fórmula:

\(LHN={Velocidade_{Rebote} \over Velocidade_{Impacto}} \times 1000\)

Vantagens do método Leeb incluem o fato de que a indentação deixada na amostra de teste é muito menor que com outros métodos. Também é portátil, mais fácil de usar, e mais rápido que os testadores de dureza Brinell e Rockwell. Uma desvantagem é que pode produzir resultados variáveis onde a superfície da amostra é irregular. A espessura da amostra, e teor de carbono, podem influenciar o resultado também.

Conversão de número de dureza

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

Número de dureza e tratamento térmico

Metais fundidos são tratados termicamente para manipular suas propriedades. Tratamento térmico envolve elevar a temperatura do material a um valor predeterminado. É então resfriado a uma taxa específica dependendo das propriedades desejadas do produto. A temperatura final do ciclo de aquecimento e a taxa de resfriamento têm impacto direto na microestrutura do metal.

Microestruturas de perlita fina e ferrita causadas por uma taxa de resfriamento mais rápida têm um valor de dureza maior. Se o metal é 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 de se o tratamento térmico foi bem-sucedido ou não.

Número de dureza e propriedades de metal fundido

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

A relação entre número de dureza Brinell e tensão de tração:

\(TS(MPa)=\begin{cases}3.55 \cdot HB & (HB \le 175) \\ 3.38 \cdot HB & (HB > 175) \end{cases}\)

\(TS(psi)=\begin{cases}515 \cdot HB & (HB \le 175) \\ 490 \cdot HB & (HB > 175) \end{cases}\)

HB = dureza Brinell do material (medida com penetrador padrão e carga de 3000 kgf)

Produtos fundidos e classificação

Muitos fatores afetam a classificação de aço fundido. Composição do produto, propriedades químicas e mecânicas, e processos de tratamento térmico todos desempenham papel na certificação de cada produto fundido contra o padrão ASTM aplicável.

ASTM define especificações padrão para diferentes graus de produtos metálicos. É importante entender estes 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 fundições de metal estimar as propriedades de seus produtos baseados em um teste simples. É não destrutivo, o que significa que pode ser realizado em produtos acabados sem causar dano. É um processo rápido, dando às fundições feedback rápido sobre os produtos conforme saem da linha de produção. A correlação entre número de dureza e resistência à tração é um guia útil para fazer uma avaliação inicial do grau do produto. Fundições completam um conjunto completo de testes de certificação antes de liberar produtos para clientes.

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