1. Visão Geral
Dureza: a capacidade de resistir à deformação por indentação local ou fratura por arranhão.
Dois tipos de tabelas de sequência de dureza de Mohs
| Ordem | Material | Ordem | Material |
| 1 | talco | 1 | talco |
| 2 | gusto | 2 | gusto |
| 3 | calcita | 3 | calcita |
| 4 | fluorita | 4 | fluorita |
| 5 | apatita | 5 | apatita |
| 6 | ortoclásio | 6 | ortoclásio |
| 7 | quartzo | 7 | SiO2 vidro |
| 8 | topázio | 8 | quartzo |
| 9 | Corindon | 9 | topázio |
| 10 | Adamas | 10 | granada |
| – | 11 | Zircônia fundida | |
| – | 12 | Corindon | |
| – | 13 | carboneto de silício | |
| – | 14 | Galpão de carbonização | |
| – | 15 | diamante | |
2. Dureza Brinell
(1) Princípio
Para determinar a dureza Brinell de um material metálico, aplique uma certa carga F com um penetrador esférico de diâmetro D em sua superfície e mantenha-a por um período específico. Este processo resultará na formação de uma reentrância esférica, e o valor da carga por unidade de área da reentrância é considerado como a dureza Brinell do material metálico.
Medindo o diâmetro da indentação
Material do penetrador:
- Esfera de liga dura (HBW) HB=450~650
- Esfera de aço temperado (HBS) HB<450
(2) Método de representação
Por exemplo: 280HBS10/3000/30
1kgf=9,81N
- 280 – Valor de dureza
- HBS – Símbolo de dureza
- 10 – Diâmetro da esfera de aço mm
- 3000 – Tamanho da carga kgf
- 30 – Tempo de retenção de carga s
Condições gerais: diâmetro da esfera de aço de 10mm; Carga de 3000kg; Tempo de retenção de pressão de 10s, ou seja, HB280
(3) Etapas de teste
(4) Seleção de F e D (princípio da similaridade geométrica de recuo)
Ao medir a dureza Brinell com penetradores de diferentes diâmetros e cargas de diferentes tamanhos, o princípio da similaridade geométrica deve ser atendido para obter o mesmo valor de HB, ou seja, o ângulo de aberturaφ da endentação é igual.
Método: O mesmo HB deve ser medido para amostras com o mesmo material, mas com espessuras diferentes, ou materiais com dureza e maciez diferentes.
Ao selecionar D e F, F/D2 será o mesmo.
Princípio da similaridade geométrica de recuo:
Pode-se observar que enquanto F/D permanecer constante, HB depende apenas do ângulo de prensagem φ.
F/D2 proporção: 30,15,10,5,2,5,1,25,1
De acordo com os regulamentos de engenharia, a relação F/D2 é 30, 10 e 2,5, que são selecionados de acordo com a dureza do material e a espessura da amostra.
Consulte vários padrões e especificações de teste para obter detalhes.
Fig. 1-21 Aplicação do princípio de similaridade
Tabela de seleção do teste de dureza Brinell P/D2
| Tipo de material | Número de dureza Brinell/HB | Espessura da amostra/mm | Relação entre a carga P e o diâmetro do penetrador D | Diâmetro do penetrador D/nm | Carga P/kgf | Tempo/s de retenção de carga |
| Metal ferroso | 140~450 | 6~3 4-2 <2 |
P=30D2 | 1052,5 | 3.000 750 187,5 |
10 |
| <140 | >6 6~3 <3 |
P=10D2 | 1052,5 | 1000 250 62,5 |
10 | |
| Metais não ferrosos | >130 | 6~3 4-2 <2 |
P=30D2 | 1052,5 | 3.000 750 187,5 |
30 |
| 36~130 | 9~3 6~2 <3 |
P=10D2 | 1052,5 | 1000 250 62,5 |
30 | |
| 8-35 | >6 6~3 <3 |
P=2,5D2 | 1052,5 | 250 62,5 15.6 |
60 |
A experiência mostra que o HB é estável e comparável quando 0,25D
(5) Tempo de retenção de carga:
Caso tenha influência no teste, este deverá ser realizado em estrita conformidade com a regulamentação, geralmente 10s e 30s.
(6) Características e Aplicação da Dureza Brinell
Este método é adequado para materiais grossos ou heterogêneos devido à sua grande área de indentação e alta precisão de medição. No entanto, devido ao grande tamanho da indentação, a inspeção de produtos acabados pode ser um desafio.
É utilizado principalmente para inspecionar matérias-primas e o material do penetrador é limitado a materiais mais macios (HB450~650). Além disso, a eficiência da medição de indentação é relativamente baixa.
3. Dureza Rockwell
A profundidade de indentação pode ser usada para refletir a dureza dos materiais.
Para se adaptar a diferentes materiais macios e duros, muitos tipos de testadores de dureza usam penetradores e cargas diferentes.
Uma classe comum é C, HRC, que usa uma carga total de 150 kgf e um penetrador cônico de diamante de 120° que é carregado duas vezes.
Primeiramente, uma carga inicial de P1=10kgf é aplicada para garantir o contato adequado entre o penetrador e a superfície do material. Em seguida, soma-se a carga principal de P2=140kgf.
Após a remoção de P2, a profundidade do recuo é medida e utilizada para determinar a dureza do material.
Fig. 3-17 Diagrama esquemático do princípio e processo de teste do teste de dureza Rockwell
(a) Adicionar pré-carga (b) Adicionar carga principal (c) Descarregar carga principal
| Símbolo de dureza | Cabeça usada | Força total de teste N | Âmbito de aplicação | Faixa aplicada |
| RH | Cone de diamante | 588,4 | 20-88 | Metal duro, liga dura, aço para ferramentas temperado, aço para endurecimento superficial superficial |
| HRB | φ esfera de aço de 1,588 mm | 980,7 | 20-100 | Aço macio, liga de cobre, liga de alumínio, ferro fundido maleável |
| CDH | Cone de diamante | 1471 | 20-70 | Aço temperado, aço temperado e revenido, aço endurecido profundo |
Indentador: cone de diamante 120 ou esfera de aço temperado
Definição de dureza Rockwell:
A profundidade de indentação residual de 0,002 mm é uma unidade de dureza Rockwell.
K – constante, 130 para penetrador de esfera de aço e 100 para penetrador de diamante
Tabela 3-6 Especificação de teste e aplicação de dureza Rockwell
| Governante | Tipo de penetrador | Força de teste inicial/N | Força de teste principal/N | Força total de teste/N | Constante K | Faixa de dureza | exemplos de aplicação |
| A | Dimensão circular do diamante | 100 | 500 | 600 | 100 | 60~85 | Peças finas de alta dureza e metal duro |
| B | esfera de aço de φ1.588mm | 900 | 1000 | 130 | 25~100 | Metais não ferrosos, ferro fundido maleável e outros materiais | |
| C | Dimensão circular do diamante | 1400 | 1500 | 100 | 20~67 | Aço estrutural tratado termicamente e aço para ferramentas | |
| D | Cone de diamante | 900 | 1000 | 100 | 40-77 | Aço endurecido de superfície | |
| E | esfera de aço de φ3.175mm | 900 | 1000 | 130 | 70~100 | Plástico | |
| F | esfera de aço de φ1.588mmm | 500 | 600 | 130 | 40~100 | Metais não ferrosos | |
| G | esfera de aço de φ1.588mm | 1400 | 1500 | 130 | 31~94 | Aço perlítico, cobre, níquel, liga de zinco | |
| H | esfera de aço de φ3.175mm | 500 | 600 | 130 | – | Liga de cobre recozida | |
| K | esfera de aço de φ3.175mm | 1400 | 1500 | 130 | 40~100 | Metais não ferrosos e plásticosMetais macios e materiais macios não metálicosPeças finas de alta dureza e carbonetos cimentadosMetais não ferrosos, ferro fundido maleável e outros materiais | |
| eu | esfera de aço de φ6.350mm | 500 | 600 | 130 | – | ||
| M | esfera de aço de φ6.350mm | 900 | 1000 | 130 | – | ||
| P | esfera de aço de φ6.350mm | 1400 | 1500 | 130 | – | ||
| R | esfera de aço de φ12,70mm | 500 | 600 | 130 | – | Aço estrutural tratado termicamente e aço para ferramentas | |
| S | esfera de aço de φ12,70mm | 900 | 1000 | 130 | – | ||
| V | esfera de aço de φ12,70mm | 1400 | 1500 | 130 | – |
Características e aplicação da dureza Rockwell
(1) Este método permite a leitura direta do valor de dureza e é altamente eficiente, tornando-o adequado para inspeção de lotes.
(2) O recuo é pequeno e geralmente considerado “não destrutivo”, tornando-o adequado para inspeção de produtos acabados.
(3) No entanto, o pequeno tamanho da indentação pode resultar em baixa representatividade e, portanto, não é adequado para materiais grosseiros ou não uniformes.
(4) O teste de dureza Rockwell é dividido em várias escalas, cada uma com uma ampla gama de aplicações.
(5) É importante notar que os valores de dureza Rockwell obtidos em diferentes escalas não são comparáveis.
4. Dureza Vickers
1. Princípio
Pressione uma pirâmide de diamante na superfície do metal com uma certa carga F para formar uma reentrância da pirâmide.
O valor da carga na área de indentação da unidade é a dureza Vickers do material metálico.
Quando a unidade da força de teste F é kgf:
Quando a unidade da força de teste F é N:
Material do penetrador: pirâmide de diamante com ângulo incluído de 136°
2. Método de representação
Por exemplo: 270HV30/20, se o tempo de espera for 10-15s, pode ser registrado como 270HV
- 270 – Valor de dureza
- 30 – Tamanho da carga kgf
- 20 – Tempo de retenção de carga s
3. Microdureza
Dureza Vickers com carga muito pequena, a carga é de 5-200gf.
Indicado por Hm, pode ser utilizado para testar a dureza de grão único ou fase.
| Teste de dureza Vickers | Teste Vickers de baixa carga | Teste de dureza Micro Vickers | |||
| Símbolo de dureza | Força de teste/N | Símbolo de dureza | Força de teste/N | Símbolo de dureza | Força de teste/N |
| HV5 | 49.03 | HVO.2 | 1.961 | HVO.01 | 0,09807 |
| HV10 | 98.07 | HVO.3 | 2.942 | HVO.015 | 0,1471 |
| HV20 | 196,1 | HVO.5 | 4.903 | HVO.02 | 0,1961 |
| HV30 | 294,2 | HV1 | 9.807 | HVO.025 | 0,2452 |
| HV50 | 490,3 | HV2 | 19.61 | HVO.05 | 0,4903 |
| HV100 | 980,7 | HV3 | 29.42 | HVO.1 | 0,9807 |
| Nota: 1. O teste de dureza Vickers pode usar uma força de teste superior a 980,7N;2. A força de teste micro Vickers é recomendada. | |||||
Características e aplicação da dureza Vickers
(1) A forma geométrica do recuo é sempre semelhante, embora a carga possa ser variada.
(2) O contorno do recuo do cone do canto é distinto, resultando em alta precisão de medição.
(3) O penetrador de diamante tem uma ampla gama de aplicações e pode fornecer escalas de dureza consistentes para vários materiais.
(4) A eficiência da medição de indentação é baixa, tornando-a inadequada para inspeção de lote no local.
(5) O recuo é pequeno e não é apropriado para materiais grosseiros ou heterogêneos.
No entanto, amostras metalográficas podem ser usadas para medir a dureza ou distribuição de dureza de várias fases.
5. Melhoria da relação dureza-resistência e método de teste
(1) Características do teste de dureza
① O estado de tensão é muito suave (α>2), amplamente aplicável;
Dureza de alguns materiais
| Material | Doença | Dureza/(kgf/mm ²） | |
| Materiais Metálicos | 99,5% alumínio | anelamento | 20 |
| laminação a frio | 40 | ||
| Liga de alumínio (A-Zn Mg Cu)Aço macio (tc = 0,2%) | anelamento | 60 | |
| Endurecimento por precipitação | 170 | ||
| Liga de aço e alumínio para rolamento (A-Zn Mg Cu) | normalizando | 120 | |
| laminação a frio | 200 | ||
| Aço macio (tc=0,2%) | normalizando | 200 | |
| Têmpera (830 ℃) | 900 | ||
| Têmpera (150 ℃) | 750 | ||
| materiais cerâmicos | Banheiro | aglutinação | 1500 ~ 2400 |
| Cermet (Co=6%, subsídio WC) | 20°C | 1500 | |
| 750°C | 1000 | ||
| Al2Ó3 | ~1500 | ||
| B4C | 2500~3700 | ||
| Material | Doença | Dureza/(kgf/mm²） |
| BN (metro cúbico) | 7500 | |
| diamante | 6.000-10.000 | |
| Vidro | ||
| Sílica | 700-750 | |
| Copo de refrigerante de limão | 540~580 | |
| vidro óptico | 550-600 | |
| Polímero | ||
| Polietileno de alta pressão | 40-70 | |
| Plástico fenólico (enchimento) | 30 | |
| poliestireno | 17 | |
| vidro orgânico | 16 | |
| cloreto de polivinila | 14~17 | |
| abdômen | 8-10 | |
| policarbonato | 9-10 | |
| Polioximetileno | 10~11 | |
| Óxido de politetraetileno | 10~13 | |
| polissulfona | 10~13 |
Ligação covalente ≥ ligação iônica> ligação metálica> ligação de hidrogênio> ligação de Van
② O método é simples, não destrutivo e adequado para inspeção de campo;
③ O significado físico não é claro e é difícil projetar quantitativamente.
(2) Relação entre dureza e resistência
σb≈KH
Aço: K = 0,33 ~ 0,36
Liga de cobre, aço inoxidável, etc.: K = 0,4 ~ 0,55
Relação entre dureza e resistência de metais recozidos
| Nome do metal e liga | HB | σb/MPa | k（σb/HB） | σ-1/MPa | σ（σ-1/HB） | |
| Metais não ferrososMetais ferrososMetais não ferrosos | Cobre | 47 | 220h30 | 4,68 | 68,40 | 1,45 |
| Liga de alumínio | 138 | 455,70 | 15h30 | 162,68 | 1.18 | |
| Duralumínio | 116 | 454,23 | 3,91 | 144,45 | 1,24 | |
| Metal ferroso | Ferro puro industrial | 87 | 300,76 | 3,45 | 159,54 | 1,83 |
| 20 aço | 141 | 478,53 | 3,39 | 212,66 | 1,50 | |
| 45 aço | 182 | 637,98 | 3,50 | 278.02 | 1,52 | |
| 18 Aço | 211 | 753,42 | 3,57 | 264,30 | 1,25 | |
| Aço T12 | 224 | 792,91 | 3,53 | 338,78 | 1,51 | |
| 1Cr18Ni9 | 175 | 902.28 | 5.15 | 364,56 | 2.08 | |
| 2Cr13 | 194 | 660,81 | 3h40 | 318,99 | 1,64 | |
Nota: Unidade de dureza!
(3) Teste de nano indentação
Durante o processo de carregamento, a deformação elástica ocorre primeiro na superfície da amostra. À medida que a carga aumenta, a deformação plástica aparece gradualmente e também aumenta.
O processo de descarga é principalmente a recuperação da deformação elástica, enquanto a deformação plástica causa a formação de uma reentrância na superfície da amostra.
Curva de deslocamento de carga de nano indentação
Princípio do teste de nano indentação
- H – Nanodureza;
- S – Rigidez de contato;
- A – Área de contato;
- β – Constantes relacionadas à geometria do penetrador;
- Er – módulo equivalente
Existem diferenças importantes entre a nanodureza e a dureza tradicional:
Em primeiro lugar, as duas definições são diferentes.
Nanodureza: a força instantânea suportada por uma área unitária na projeção da área superficial do recuo da base durante o processo de recuo da amostra, que é uma medida da capacidade da amostra de suportar a carga de contato;
Dureza Vickers é definido como a força média por unidade de área na área superficial da indentação retida após a descarga do penetrador, o que reflete a capacidade da amostra de resistir à deformação residual linear.
No processo de medição da dureza, se a deformação plástica dominar o processo, os resultados das duas definições serão semelhantes. Contudo, se o processo for dominado pela deformação elástica, os resultados serão diferentes.
No contato elástico puro, a área de contato residual é muito pequena. Portanto, a definição tradicional de dureza produzirá um valor infinito, impossibilitando a obtenção do verdadeiro valor de dureza da amostra.
Além disso, as faixas de medição dos dois métodos são diferentes. A medição de dureza tradicional só é aplicável a amostras de grande porte, não apenas devido às limitações do instrumento de medição, mas também porque a indentação residual não pode refletir com precisão a verdadeira dureza da amostra nas escalas micro e nano.
Novas técnicas de medição e métodos de cálculo são usados para medição de nanodureza, que podem refletir com mais precisão as características de dureza da amostra nas escalas micro e nano.
A principal diferença entre os dois métodos é o cálculo da área de recuo. A medição da nanodureza envolve medir a profundidade da indentação e, em seguida, calcular a área de contato usando uma fórmula empírica, enquanto a medição tradicional da dureza envolve a obtenção da área superficial da indentação a partir de fotos tiradas após o descarregamento.
(4) Método de teste de nanoindentação
Os componentes básicos de um testador de nanodureza podem ser divididos em várias partes, incluindo o sistema de controle, sistema de bobina móvel, sistema de carregamento e penetrador.
Indentadores de diamante, que normalmente são cones triangulares ou dimensões de quatro arestas, são comumente usados.
Durante o teste, os parâmetros iniciais são inseridos primeiro e o processo de detecção subsequente é totalmente automatizado pelo microcomputador.
A manipulação do sistema de carregamento e a ação do penetrador podem ser obtidas alterando a corrente no sistema de bobina móvel.
A medição e o controle da carga de prensagem do penetrador são realizados pelo extensômetro, que também fornece feedback ao sistema de bobina móvel para controle em malha fechada, permitindo a conclusão do teste de acordo com as configurações dos parâmetros de entrada.
