Os conceitos da dureza Brinell

O ensaio de dureza Brinell consiste em endentar o material com uma esfera de aço endurecido ou metal duro com 10 mm de diâmetro com uma carga de 3.000 kgf. Para materiais mais moles a carga pode ser reduzida para 1.500 kg ou 500 k para reduzir endentação excessiva. A carga total é normalmente aplicada por 10 ou 15 segundos no caso de ferro fundido ou aço e pelo menos durante 30 segundos para outros metais.

brinell2Da Redação –

Em 1900, Johan August Brinell apresentou esse ensaio que passou a ser largamente aceito e depois normalizado, devido à relação existente entre os valores obtidos no ensaio e os resultados de resistência à tração. O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d. A dureza Brinell é representada pelas letras HB ou Hardness Brinell, que quer dizer dureza Brinell que é a relação entre a carga aplicada (F) e a área da calota esférica impressa no material ensaiado (Ac).

Em resumo, um penetrador (esfera composta de carboneto de tungstênio com diâmetro, D), é pressionado na superfície de um corpo de prova e, após a remoção da força, F, é medido o diâmetro da impressão, d, deixada na superfície. A dureza de Brinell é proporcional ao quociente obtido dividindo a força de ensaio pela área da superfície curva da impressão. Assume-se que a impressão retém a forma do penetrador esférico após a remoção da força de ensaio, e sua área superficial é calculada a partir do diâmetro médio da impressão e do diâmetro da esfera, utilizando a equação apresentada na tabela abaixo.

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A seguir, na figura, um exemplo de designação da dureza Brinell, HBW.

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A NBR ISO 6506-1 de 01/2019 – Materiais metálicos – Ensaio de dureza Brinell – Parte 1: Método de Ensaio especifica o método para o ensaio de dureza Brinell para materiais metálicos. É aplicável a máquinas de ensaios de dureza fixas e portáteis. Para alguns materiais e/ou produtos específicos, existem normas internacionais específicas (por exemplo, ISO 4498) que fazem referência a esta norma.

Em edições anteriores desta norma internacional, quando o uso de uma esfera de aço era permitido, a dureza Brinell foi designada por HB ou HBS. Como aparelhagem, deve-se usar uma máquina de ensaio, capaz de aplicar uma força de ensaio predeterminada ou forças de ensaio na faixa de 9,807 N a 29,42 kN, de acordo com a NBR ISO 6506-2. Usa-se um penetrador, uma esfera polida composta de carboneto de tungstênio, como especificado na NBR ISO 6506-2.

Deve-se incluir um sistema de medição do diâmetro da impressão, como especificado na NBR ISO 6506-2. No corpo de prova o ensaio deve ser realizado em uma superfície lisa e uniforme; livre de oxidação, substâncias estranhas e, em particular, isenta de lubrificantes. O corpo de prova deve ter um acabamento superficial que permita uma medição exata do diâmetro da impressão.

Para impressões feitas com esferas menores, pode ser necessário polir a superfície antes de fazer a impressão. A preparação deve ser realizada de tal forma que seja minimizada qualquer alteração na superfície, por exemplo, devido ao aquecimento excessivo ou a frio. Em geral, recomenda-se que o ensaio seja realizado à temperatura ambiente dentro dos limites de 10°C a 35°C.

No entanto, como a variação de temperatura pode afetar os resultados, os usuários do ensaio Brinell podem escolher controlar a temperatura em uma faixa mais estreita, como (23 ± 5)°C. Antes de realizar qualquer ensaio, confirmar se a verificação foi realizada de acordo com o Anexo A.

Convém que a força de ensaio seja escolhida de modo a que o diâmetro da impressão, d, esteja entre os valores de 0,24 D e 0,6 D. Se o diâmetro da impressão estiver fora desses limites, a relação entre o diâmetro da impressão e o diâmetro do penetrador (d/D) deve ser informado no relatório de ensaio.

O corpo de prova deve ser apoiado sobre um suporte rígido. As superfícies de contato devem estar limpas e isentas de substâncias estranhas (detritos, óleo, sujeira, etc.). É importante que o corpo de prova esteja apoiado firmemente no suporte para que não se desloque durante o ensaio.

Colocar o penetrador em contato com a superfície de ensaio e aplique a força de ensaio em uma direção perpendicular à superfície; sem choque, vibração ou sobrecarga, até que a força aplicada atinja o valor especificado. O tempo transcorrido desde a aplicação inicial da força até o momento em que a força total de ensaio é atingida deve ser de 7 +1/5 s . Manter a força de ensaio em 14 +1 – 4s.

Para certos materiais, onde é necessária uma duração mais longa da força de ensaio, este tempo deve ser aplicado com uma tolerância de ± 2 s. Os requisitos para as durações do tempo são fornecidos com limites assimétricos. Por exemplo, 7 +1/5 s indica que 7 s é a duração do tempo nominal, com um intervalo aceitável de pelo menos 2 s (7 s – 5 s) e não mais de 8 s (7 s + 1 s).

Ao longo do ensaio, a máquina de ensaio deve ser protegida de choque ou vibração significativos, o que pode influenciar no resultado do ensaio. A distância da borda do corpo de prova ao centro de cada impressão deve ser de no mínimo duas vezes e meia o diâmetro médio de impressão. A distância entre os centros de duas impressões adjacentes deve ser pelo menos três vezes o diâmetro médio de impressão.

A medição óptica do diâmetro da impressão pode ser realizada com um sistema de medição manual ou automático. O campo visual para o dispositivo óptico deve ser iluminado uniformemente e o tipo de iluminação deve ser o mesmo daquele utilizado durante as verificações direta e indireta da máquina e de sua verificação diária.

Para sistemas de medição manual, medir o diâmetro de cada impressão em duas direções aproximadamente perpendiculares entre si. A média aritmética das duas leituras deve ser utilizada para o cálculo da dureza Brinell. Para corpos de prova com superfície retificada, recomenda-se que a direção das impressões medidas sejam de aproximadamente 45 ° em relação à direção do polimento.

Convém atentar para o fato de que, para os materiais anisotrópicos, por exemplo, aqueles que foram trabalhados a frio, pode haver uma diferença entre os comprimentos dos dois diâmetros da impressão. A especificação do produto pode indicar limites para estas diferenças.

Para sistemas de medição automática, são permitidos outros algoritmos validados para calcular o diâmetro médio. Esses algoritmos incluem a média de um maior número de medidas, e uma avaliação da área projetada da impressão. A abordagem para determinar a incerteza, apresentada no Anexo A, considera apenas as incertezas associadas ao desempenho geral de medição da máquina de ensaio de dureza em relação aos blocos de referência de dureza.

Essas incertezas de desempenho refletem o efeito combinado de todas as incertezas separadas (verificação indireta). Devido a essa abordagem, é importante que os componentes individuais da máquina estejam operando dentro das tolerâncias. É altamente recomendável que este procedimento seja aplicado por no máximo um ano após a aprovação de uma verificação direta.

A cadeia começa no nível internacional, utilizando definições internacionais das várias escalas de dureza para realizar comparações internacionais. Um número de máquinas padrão de dureza primária no nível nacional “produz” blocos de referência de dureza primários para o nível de laboratório de calibração. Naturalmente, convém que a calibração direta e a verificação dessas máquinas tenham a maior exatidão possível.

A NBR ISO 6506-2 de 01/2019 – Materiais metálicos – Ensaio de dureza Brinell – Parte 2: Verificação e calibração de máquinas de ensaio especifica os métodos de verificação direta e indireta das máquinas de ensaios utilizadas para a determinação da dureza Brinell de acordo com a NBR ISO 6506-1 especificando também quando estes dois tipos de verificação devem ser realizados. A verificação direta envolve a checagem dos parâmetros de performance individual da máquina que estão dentro dos limites especificados, enquanto que a verificação direta utiliza a medição da dureza de blocos de referência, calibrados de acordo com a NBR ISO 6506-3, para verificar o desempenho geral da máquina.

Se a máquina de ensaio for utilizada também para outros métodos de ensaio de dureza, é para ser verificada independentemente de cada método. Este documento se aplica às máquinas de ensaio de dureza fixas e portáteis. Para máquinas que são incapazes de satisfazer às condições especificadas de força-tempo, a verificação direta da força e o ciclo de ensaio podem ser modificados pelo uso do Anexo B.

Antes de iniciar a verificação da máquina de ensaio de dureza, a máquina deve ser checada para garantir se está configurada de acordo com as instruções do fabricante. Recomenda-se que seja checado especialmente: se o suporte de montagem do penetrador desliza corretamente em sua guia; se o penetrador com a esfera utilizada durante a calibração está firmemente montado; se a força de ensaio é aplicada e removida sem choque, vibração ou excesso de velocidade, de tal maneira que as leituras não sejam influenciadas; e se o sistema de medição do diâmetro da impressão está integrado à máquina, a mudança do modo de remoção da força de ensaio para o modo de medição não influencia a medição do diâmetro; a iluminação não afeta a medição do diâmetro, e o centro da impressão está no centro do campo de visão, se necessário.

Recomenda-se que a verificação direta seja realizada à temperatura de (23 ± 5) °C. Se a verificação for feita fora desta faixa de temperatura, isto deve ser relatado no relatório de verificação. Os instrumentos utilizados para a verificação devem ser rastreáveis ao SI.

A verificação direta envolve: a medição da força de ensaio; a medição do diâmetro, dureza e massa específica da esfera; a calibração do sistema de medição do diâmetro da impressão; e a medição do ciclo de ensaio. Para cada um dos itens anteriores, a verificação direta inclui também a avaliação dos resultados em relação às tolerâncias especificadas.

Cada força de ensaio deve ser medida dentro da faixa de trabalho da máquina de ensaio. Quando a força é aplicada em modo de circuito aberto por uma alavanca ou empregando outro sistema predominantemente mecânico, isto deve ser realizado em nada menos que três posições do penetrador espaçadas na faixa de deslocamento durante o ensaio.

Devem ser realizadas três medições para cada força e para cada posição do penetrador. Antes de cada medição, o penetrador deve ser movido na mesma direção que aquela do ensaio. A força de ensaio deve ser medida por um dos dois métodos seguintes: por meio de um instrumento de medição de força, de acordo com a NBR ISO 376:2012, classe 1, ou melhor; por meio de equilíbrio de forças, com exatidão de ± 0,2 %, aplicada por meio de massas calibradas ou por outro método com a mesma exatidão.

Cada medição da força deve estar entre ± 1,0 % da força nominal de ensaio [ver Equação (A.2)], como definido na NBR ISO 6506-1. O penetrador consiste de uma esfera e de um porta-penetrador. A verificação se aplica somente à esfera. Com o objetivo de verificar o tamanho e a dureza das esferas, no mínimo duas esferas selecionadas aleatoriamente de um lote devem ser ensaiadas.

Cada amostra deve ser verificada para o tamanho e a dureza e então descartada. As esferas devem ser polidas e livres de defeitos superficiais. O usuário deve medir as esferas para garantir que elas atendam aos seguintes requisitos ou devem obter esferas de um fornecedor, certificando que as seguintes condições são atendidas.

O diâmetro deve ser determinado tomando-se o valor médio em não menos que três valores de diâmetro medidos em diferentes posições na esfera. Nenhum valor único de diâmetro deve diferir do diâmetro nominal em mais que a tolerância apresentada na tabela abaixo.

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As características das esferas de carboneto de tungstênio devem ser as seguintes. Dureza: A dureza não pode ser menor que 1.500 HV, quando determinada de acordo com a NBR ISO 6507-1. O composto de carboneto de tungstênio pode ser ensaiado diretamente em sua superfície esférica ou pelo seu seccionamento e ensaio em seu interior.

Massa específica: ρ = (14,8 ± 0,2) g/cm3. A densidade pode ser determinada a partir de amostras de esferas, antes do ensaio de dureza, ou a partir de todo o lote. A seguinte composição química é recomendada: carboneto de tungstênio (WC): balanço; total de outros carbonetos: 2,0 %; cobalto (Co): 5,0 % a 7,0 %.

Para sistemas onde o diâmetro da impressão é medido diretamente, a escala do sistema deve permitir a estimativa do diâmetro dentro de ± 0,5 %. O sistema de medição do diâmetro da impressão deve ser calibrado para cada lente objetiva e cada linha de escala incorporada, em dois eixos perpendiculares de medição (se aplicável), por medidas realizadas em uma escala-padrão em no mínimo quatro dispostos centralmente no campo de visão, para cada faixa de trabalho.

Para cada medição, a magnitude da diferença entre os valores medidos e de referência não podem ser maiores que 0,5 %. Para os sistemas em que o diâmetro da impressão é calculado a partir de uma medição da área projetada, o sistema deve ser calibrado para cada lente objetiva por medições em uma faixa de pelo menos quatro imagens padrão de referências circulares cobrindo o intervalo das áreas medidas. O erro máximo não pode exceder 1 % da área.

Todos os sistemas também devem ser verificados fazendo medições em impressões de referência certificadas, como aquelas em blocos de referência de dureza calibrados de acordo com a NBR ISO 6506-3. Para cada tamanho de esfera, pelo menos quatro impressões, que cobrem os diâmetros da faixa de trabalho, devem ser medidas por cada lente objetiva.

Durante estas medições, o tipo de iluminação deve permanecer inalterado. Nenhum diâmetro médio medido deve diferir do diâmetro médio certificado da impressão de referência em mais de 0,5 %. O ciclo de ensaio é para ser verificado pelo fabricante da máquina de ensaio no momento da fabricação e quando a máquina de ensaio é submetida a reparo que pode ter afetado o ciclo de ensaio. A verificação do ciclo de ensaio em outros momentos é realizada conforme especificado na Tabela 4 (disponível na norma).

O ciclo de ensaio deve ser verificado de acordo com o ciclo de ensaio definido na NBR ISO 6506-1, levando em consideração qualquer incerteza associada às medidas de tempo. Recomenda-se que a verificação indireta seja realizada a temperatura de (23 ± 5) °C através de blocos de referência calibrados de acordo com a NBR ISO 6506-3. Se a verificação for feita fora desta faixa de temperatura, isto deve ser relatado no relatório de verificação.

As superfícies de ensaio e inferior dos blocos de referência e as superfícies dos penetradores não podem conter quaisquer aditivos ou produtos de corrosão. A máquina de ensaio deve ser verificada para cada força de ensaio e para cada tamanho de esfera utilizado.

Para cada força de ensaio, devem ser selecionados pelo menos dois blocos de referência a partir dos intervalos de dureza especificados na Tabela 2 (para 0,102 × F/D2 = 30) e Tabela 3 (para outras razões força-diâmetro) (as tabelas podem ser conferidas na norma). Os dois blocos de referência devem ser selecionados de faixas de dureza diferentes, se possível.

O relatório de verificação/certificado de calibração deve incluir as seguintes informações: uma referência a este documento, ou seja, NBR ISO 6506-2; o método de verificação (direto e/ou indireto); os dados de identificação da máquina de ensaio de dureza; os meios de verificação (blocos de referência, instrumentos de medição de força, etc.); o diâmetro da esfera e a força de ensaio; a temperatura de verificação; o resultado obtido; a data da verificação e referência à instituição que realizou a verificação; a incerteza dos resultados da verificação.

A cadeia metrológica necessária para definir e disseminar escalas de dureza é mostrada na NBR ISO 6506-1:2018, Figura C.1. A análise da incerteza de medição é uma ferramenta útil para ajudar a determinar as fontes de erro e a compreender as diferenças entre os valores medidos. Este Anexo fornece uma orientação sobre a estimativa da incerteza, mas os valores obtidos são apenas para informações, exceto se especificamente solicitado pelo cliente.

Os critérios especificados neste documento para o desempenho da máquina de ensaio foram desenvolvidos e refinados durante um período significativo de tempo. Ao determinar uma tolerância específica que a máquina precisa atender, a incerteza associada ao uso de equipamentos de medição e/ou padrões de referência foi incorporada dentro dessa tolerância e, portanto, não seria apropriado fazer qualquer outra tolerância para essa incerteza, por exemplo, reduzindo a tolerância pela incerteza de medição.

Isso se aplica a todas as medidas feitas ao realizar uma verificação direta ou indireta da máquina. Em cada caso, é simplesmente o valor medido resultante do uso do equipamento de medição especificado e/ou padrões de referência que são utilizados para avaliar se a máquina está ou não conforme este documento. No entanto, pode haver circunstâncias especiais em que a redução da tolerância pela incerteza de medição é apropriada. Convém que isto só seja feito com o acordo de todas as partes envolvidas.

A NBR ISO 6506-3 de 01/2019 – Materiais metálicos – Ensaio de dureza Brinell – Parte 3: Calibração de blocos de referência especifica um método para a calibração de blocos de referência a serem utilizados na verificação indireta de máquinas de ensaio de dureza Brinell, conforme descrito na NBR ISO 6506-2. Os procedimentos necessários para assegurar a rastreabilidade metrológica da máquina de calibração também são especificados.

O bloco deve ser especialmente fabricado para ser utilizado como um bloco de referência. Atentar para o fato da necessidade de utilizar um processo de fabricação que dê a homogeneidade necessária, a estabilidade da estrutura e a uniformidade de dureza da superfície.

Cada bloco de metal a ser calibrado deve ter uma espessura não inferior a: 16 mm para esferas de 10 mm, 12 mm para esferas de 5 mm, ou 6 mm para esferas menores. 12 mm para esferas de 10 mm pode ser utilizado somente se a dureza do bloco de referência for superior a 150 HBW.

Os blocos de referência devem estar livres de magnetismo. Recomenda-se que o fabricante assegure que os blocos, se forem de aço, tenham sido desmagnetizados no final do processo de fabricação. A planeza das duas superfícies e o paralelismo do bloco de referência devem estar de acordo com a tabela abaixo.

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Para verificar se nenhum material é removido posteriormente do bloco de referência, a espessura no momento da calibração deve ser marcada no bloco com uma profundidade de até 0,1 mm, ou uma marca de identificação deve ser feita na superfície de ensaio. Além de cumprir os requisitos gerais especificados na NBR ISO 6506-2, Seção 3, a máquina de calibração também deve atender aos requisitos indicados em 4.2 a 4.7.

A máquina deve ser verificada diretamente em intervalos não superiores a 12 meses. A verificação direta envolve a medição das forças de ensaio, a medição do diâmetro, dureza e densidade do penetrador esférico, a calibração do dispositivo de medição do diâmetro da impressão, e a medição do ciclo de ensaio, e se isso não for possível, pelo menos o comportamento da força versus tempo.

Os instrumentos utilizados para a verificação e calibração devem ser rastreáveis ao SI. Cada força de ensaio deve ser medida pelo menos três vezes utilizando um instrumento de medição de força conforme a NBR ISO 376 classe 0,5 ou superior.

Para as máquinas que aplicam a força por sistemas hidráulicos ou por pesos, essas medidas de força devem ser feitas em cada uma das três posições diferentes do penetrador, uniformemente espaçadas ao longo da amplitude de movimento do penetrador durante a operação da máquina. A média das medições (em cada posição de penetração, quando aplicável) deve concordar com o valor nominal dentro de ± 0,1 %.

Os penetradores devem ser medidos como especificado na NBR ISO 6506-2, 4.3, e devem atender aos requisitos de tamanho, dureza e densidade fornecidos por esta norma. A escala do sistema de medição do diâmetro de impressão deve ser graduada para indicar até 0,002 mm para impressões feitas com esferas de 10 mm e 5 mm, e 0,001 mm para impressões feitas com esferas menores que 5 mm de diâmetro.

Cada bloco de referência deve ser marcado conforme a seguir: média aritmética dos valores de dureza encontrados na calibração do bloco, por exemplo: 348 HBW 5/750; nome ou marca do fornecedor ou do fabricante; número de série; nome ou marca da entidade calibradora; espessura do bloco e uma marca de identificação na superfície de ensaio (ver 3.6); ano da calibração, se não estiver indicado no número de série.

Qualquer marca colocada no lado do bloco deve estar na vertical quando a superfície de ensaio for a face superior. Cada bloco de referência entregue deve estar acompanhado de um documento que forneça no mínimo as seguintes informações: uma referência a esta parte da NBR ISO 6506 (ou seja, NBR ISO 6506-3); a identificação do bloco; a data da calibração; a média aritmética dos valores de dureza e sua incerteza associada e o valor que caracteriza a não uniformidade do bloco (ver 7.1); informações sobre a localização da (s) impressão (ões) de referência e as orientações e valores dos diâmetros medidos, juntamente com o (s) diâmetro (s) médio (s) medido (s).

O bloco de referência de dureza só é válido para a escala para a qual foi calibrada. Convém que a validade da calibração seja limitada a uma duração de cinco anos. Atentar para o fato de que, para ligas de alumínio (Al) e de cobre (Cu), a validade da calibração recomendada deve ser reduzida para dois a três anos.

Por fim, a NBR ISO 6506-4 de 01/2019 – Materiais metálicos – Ensaio de dureza Brinell – Parte 4: Tabela de valores de dureza que fornece uma tabela de valores de dureza para uso em ensaios em superfícies planas. Deve-se observar que uma checagem da máquina deve ser realizada a cada dia em que a máquina for utilizada, para cada escala a ser utilizada e em aproximadamente no nível de dureza do material a ser ensaiado.

A checagem envolve pelo menos uma impressão feita em um bloco de referência de dureza, calibrado de acordo com a NBR ISO 6506-3. Se a diferença entre a dureza média medida e o valor certificado do bloco estiver dentro dos limites de erro permitidos, dados na NBR ISO 6506-2:2018, a máquina pode ser considerada satisfatória. Caso contrário, verificar se o penetrador, o suporte da amostra e o instrumento indicador estão em boas condições, e repetir o ensaio.

Se a máquina continuar a falhar no ensaio diário, uma verificação indireta, conforme especificado na NBR ISO 6506-2:2018, Seção 5, deve ser realizada. É uma boa prática metrológica manter um registro desses resultados durante um período de tempo e utilizar esse registro para medir a reprodutibilidade e monitorar a deriva da máquina.

Quanto à incerteza de medição, o Guia de Calibração Euramet aponta que há vários parâmetros que afetam a incerteza de medição de dureza por penetração. A medição de dureza por penetração pode com frequência ser considerada como realmente não destrutiva, visto que a parte ensaiada continua utilizável depois.

Entretanto, a destruição no ponto real do ensaio torna impossível a verificação da incerteza do processo por uma medição repetida no mesmo ponto. Logo, é importante que cada medição simples seja realizada com um alto grau de exatidão, Há vários parâmetros de influência que afetam a incerteza da medição de dureza mais ou menos seriamente e eles estão na tabela abaixo e divididos em grupos de acordo com as suas origens.

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Essa tabela mostra que o material do corpo de prova introduz várias incertezas significativas. Por exemplo, a espessura do corpo de prova pode afetar a dureza medida se for selecionado o método errado. Quanto mais profunda for a impressão, mais espesso ele precisa ser.

O material que é muito fino resultará mais duro por causa do efeito de bigorna. Além disso, se o material for muito fino para suportar a força de ensaio durante a medição, o próprio penetrador poderia ser danificado e isto arruinaria a confiabilidade de qualquer outra medição realizada com este penetrador.

A qualidade superficial do corpo-de-prova pode também influenciar consideravelmente os resultados da medição de dureza. Uma superfície mais áspera requereria uma força maior e/ou um penetrador maior para produzir uma impressão mais larga.

O método Brinell pode ser o mais apropriado, visto que é menos afetado por uma superfície áspera que o Rockwell ou o Vickers. Embora as medições Brinell sejam mais tolerantes às variações de acabamento, há limites para a rugosidade superficial admissível por este método também.

Em geral, a uniformidade do acabamento superficial é importante para resultados exatos e reprodutíveis. A limpeza superficial é também crítica para uma medição de dureza precisa e reprodutível. Se existir na superfície alguns elementos, como graxa, óxidos ou poeira, podem causar desvios consideráveis nos resultados. Além do mais, o material de ensaio ou bloco de referência pode até ser danificado irreversivelmente.



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