A dureza é uma propriedade essencial dos materiais, especialmente em aplicações que exigem resistência ao desgaste. Por exemplo, nos tornos, as ferramentas de corte são fabricadas a partir de materiais com dureza suficiente para cortar materiais mais resistentes, como os aços de alta velocidade. As válvulas de motor, os rolamentos e as engrenagens nas indústrias automóvel e aeroespacial são fabricados com materiais endurecidos devido ao elevado atrito e às cargas a que estão sujeitos. Graças à sua dureza, os discos de retificação e os discos de lixa apresentam um desempenho eficiente na remoção de material, com durabilidade a longo prazo. Mas o que é a dureza?
A dureza é a medida da resistência de um material à deformação permanente localizada. Enquanto alguns materiais são naturalmente duros, como o tungsténio, outros adquirem dureza através de métodos de tratamento, como o tratamento térmico. Estes materiais não podem ser aplicados diretamente num contexto de engenharia sem serem efetivamente testados. Existem diferentes métodos que os engenheiros podem utilizar para testar esta dureza. Neste guia, abordamos os três métodos mais comuns de ensaio de dureza: as escalas de dureza Shore, Rockwell e Brinell. O guia também ajuda a compreender os critérios de seleção entre as três escalas de dureza. Antes de aprofundarmos os três tipos de escalas de dureza, é essencial que abordemos brevemente o conceito de dureza.
Quais são os diferentes tipos de dureza dos materiais?
Diferentes materiais apresentam comportamentos distintos sob diferentes tipos de carga, mesmo que possam ser todos classificados como materiais duros. Por exemplo, um metal pode suportar um impacto único de grande intensidade sem falhar. No entanto, o mesmo material pode não conseguir suportar uma carga contínua, acabando por falhar. Isto deve orientar os engenheiros a realizar ensaios de dureza, de modo a fazerem uma escolha razoável na seleção de materiais. Os três ensaios de dureza mais comuns em aplicações de engenharia incluem a dureza por indentação, por risca e por ressalto.
Dureza por indentação
Quando os engenheiros e metalurgistas falam de dureza, referem-se, na verdade, à dureza por indentação. Isto deve-se ao facto de a maioria das aplicações de carga na engenharia serem contínuas. A dureza por indentação é a resistência de um material à deformação permanente quando submetido a uma carga contínua. Os técnicos estão mais interessados em medir este tipo de dureza, uma vez que é amplamente utilizada na conceção de engenharia.
Dureza ao arranhão
Alguns materiais de engenharia, como a cerâmica, não sofrem deformação plástica e são considerados frágeis. Quando submetidos a determinadas forças, apresentam riscos na superfície. Tecnicamente, os riscos são indentações estreitas e contínuas na camada superior, que ocorrem quando um material entra em contacto com materiais mais afiados e mais duros. A capacidade de um material resistir a riscos na sua superfície denomina-se dureza ao risco. Os ensaios de resistência ao risco são extremamente importantes, especialmente na seleção de materiais para aplicações sujeitas a atrito, como as camisas de cilindro dos motores. Uma camisa deve ter uma dureza superior à do material com que entra em contacto.
Dureza de ressalto ou dureza dinâmica
A dureza por rebote é um tipo de dureza elástica. Na dureza por indentação ou por risca, um material responde através da resistência à deformação plástica. Na dureza por rebote ou dinâmica, um material absorve a energia do impacto e devolve-a ao indentador. O indentador é a fonte do impacto.
Todos estes tipos de dureza exigem ferramentas diferentes para serem medidos. Vamos agora abordar as diferentes escalas de dureza utilizadas na medição destes tipos de dureza.
O que é a escala de dureza Shore?
A escala de dureza Shore é um tipo específico de procedimento de medição da dureza destinado a avaliar a resistência de materiais elastoméricos, plásticos e outros polímeros [1]. Esta medição determina o grau de flexibilidade, rigidez e durabilidade de um material antes de o selecionar para aplicações específicas. Este método de medição é realizado com recurso a um durómetro.
Como funciona um durómetro?
Um durómetro Shore utiliza um pino ou cone de aço acionado por mola para exercer pressão sobre os materiais. O instrumento apresenta leituras entre 0 e 100, que podem ser interpretadas como a dureza do material. No caso de materiais mais duros, a leitura é mais elevada, o que significa que o pino não consegue penetrar nos materiais. Se a escala apresentar valores relativamente mais baixos, isso significa que o pino penetra mais profundamente no material. O material é então considerado macio. As medições obtidas a partir da escala do durómetro são relativas e as unidades físicas não são absolutas.
Tipos de balanças de costa
Dispomos de diferentes tipos de balanças Shore, com diferentes intervalos de medição para diversos materiais. A tabela seguinte resume estes tipos de balanças.
| Tipo de costa | Aplicação |
|---|---|
| A | Utilizado para materiais macios, tais como elastómeros, silicone, TPU e alguns tipos de plástico. |
| D | Utilizado para materiais mais rígidos, tais como plásticos duros, nylon, polipropileno e alguns tipos de borracha. |
| B | Utilizado para materiais intermédios entre as escalas A e D, tais como borracha natural, neoprene e EPDM. |
| 00 | Utilizado para materiais muito macios, como os géis. |
| E | Utilizado para espuma de baixa densidade e materiais macios. |
As escalas Shore A e Shore D são as duas mais utilizadas. O intervalo típico para a escala Shore A é de 20 a 95A, enquanto o da escala Shore B é de 30 a 90B.
A dureza do material é influenciada por vários fatores. Um desses fatores é a composição química e a estrutura molecular. Os componentes com ligações covalentes fortes são, geralmente, duros. A dureza Shore também varia com a temperatura. Quanto mais elevadas forem as temperaturas, menor será o grau de dureza.
Vantagens e desvantagens dos ensaios com a escala de dureza Shore
A tabela seguinte resume as vantagens e as limitações dos ensaios com a escala de dureza Shore.
Vantagens
- Testes muito rápidos (normalmente menos de 2 segundos)
- Equipamento portátil
- Preparação mínima da amostra
- Ideal para materiais flexíveis
- Baixo custo dos testes
Limitações
- Não adequado para metais
- Sensível à espessura da amostra
- A técnica do operador afeta a repetibilidade
- A temperatura influencia os resultados
O que é a dureza Rockwell?
A dureza Rockwell consiste na pressão de um indentador endurecido contra uma amostra do material em ensaio. Este ensaio aplica testes de carga em duas etapas: carga principal e cargas secundárias. O ensaio e a curva traçada dependem do tipo de escala utilizada.
Como é realizado o ensaio de dureza Rockwell?
Este ensaio utiliza um cone de diamante ou uma esfera de aço endurecido para deixar uma marca no material a ser ensaiado [2]. Sempre que se realiza um ensaio, são aplicadas duas cargas à amostra. Primeiro, o indentador é forçado a penetrar no material sob uma carga menor. A profundidade inicial sob esta carga menor é então registada. Com a carga menor ainda aplicada, é adicionada uma carga adicional, denominada carga maior. Esta carga maior aumenta a profundidade de penetração no material. A carga principal é então removida, fazendo com que a força aplicada volte a ser a carga menor.
O valor da dureza Rockwell é calculado a partir do aumento da profundidade de penetração resultante da aplicação e da remoção da carga principal.
Tipos de escalas de Rockwell
A tabela abaixo apresenta as cinco principais escalas de Rockwell e as respetivas aplicações. O número total de escalas é de 17, sendo que cada uma tem uma aplicação específica.
| Escala | Abreviatura | Carga máxima (kgf) | Penetrador | Utilização |
|---|---|---|---|---|
| A | HRA | 60 | Diamante cónico esférico† | Carbonetos cimentados, aço fino, aço com cementação superficial |
| B | HRB | 100 | Esfera de 1/16 pol. (1,59 mm) | Ligas de cobre, aços macios, ligas de alumínio, ferro maleável |
| C | HRC | 150 | Diamante cónico esférico† | Aço, aços inoxidáveis, ferros fundidos duros, ferro maleável perlitico, titânio, ligas de titânio, aço com cementação profunda, outros materiais com dureza superior a 100 HRB |
| D | RH | 100 | Diamante cónico esférico† | Aço fino, aço com cementação média e ferro maleável perlitico |
| E | HRE | 100 | Esfera de 1/8 pol. (3,18 mm) | Ferro fundido, ligas de alumínio e magnésio, metais para rolamentos, plásticos termoendurecíveis |
Vantagens e limitações da escala de dureza Rockwell
A tabela seguinte resume as vantagens e as limitações da escala de Rockwell.
Vantagens
- Elevada repetibilidade
- Adequado para a produção
- Influência mínima do operador
- Excelente para metais submetidos a tratamento térmico
- Tempos de ciclo rápidos
Limitações
- O acabamento da superfície afeta os resultados
- Os materiais finos requerem balanças especiais
- Não adequado para borracha muito macia
O que é a dureza Brinell?
A dureza Brinell é uma medida da resistência de um material à indentação, determinada através do ensaio de dureza Brinell. Neste ensaio, uma esfera de aço duro ou de carboneto é pressionada contra a superfície do material sob uma carga específica, sendo depois medido o diâmetro da indentação resultante [3]. O Índice de Dureza Brinell (BHN) é calculado dividindo a força aplicada pela área da indentação. Este método é frequentemente utilizado para testar metais e fornece informações valiosas sobre a resistência de um material e a sua adequação a diversas aplicações.
Tipos de escalas para a escala de dureza Brinell
O ensaio de dureza Brinell utiliza uma única escala contínua, designada por HB ou HBW no caso das esferas de carboneto de tungsténio. Recorre a cerca de 25 combinações padrão de diâmetros das esferas, incluindo 1, 2,5, 5 ou 10 mm. O ensaio utiliza uma força de ensaio de 1 kgf a 3 000 kgf, agrupada por relações força/diâmetro F/D².
F/D² é simplesmente designado por «rácio». Por exemplo, um rácio de 30 significa que F/D² = 30 mm, enquanto um rácio de 2,5 significa que F/D² = 2,5 mm. A tabela seguinte apresenta os rácios mais comuns utilizados na dureza Brinell e as suas aplicações.
| Rácio (F/D²) | Utilizações |
|---|---|
| 30 | Utilizado para metais duros, como aços e ferro fundido. A força de ensaio padrão é normalmente de 3000 kgf com uma esfera de 10 mm (HBW 10/3000) |
| 10 | Utilizado para ligas de cobre (como latão e bronze), aços de dureza média e ferros. A carga habitual é de 1000 kgf com uma esfera de 10 mm (HBW 10/1000) |
| 5 | Utilizado para ligas de cobre mais macias e ligas de alumínio mais duras |
| 2.5 | Utilizado para ligas macias de alumínio e magnésio. |
| 1 | Utilizado para metais extremamente macios, como o chumbo, o estanho e os metais brancos macios. |
Vantagens e limitações da dureza Brinell
Vantagens
- Excelente para materiais heterogéneos
- Bom efeito de homogeneização devido à grande indentação
- Ideal para peças fundidas
- Amplamente aceite na indústria pesada
Limitações
- As amolgadelas profundas danificam as superfícies acabadas
- Processo de teste moroso
- Requer medição ótica
- Não adequado para secções finas
Como comparar e selecionar a escala de dureza adequada?
Os três métodos são relevantes e nenhum é melhor do que os outros. No entanto, partindo do princípio de que todos os métodos são aplicáveis com base no material disponível para ensaio, pode optar por um método que seja rápido e económico. A dureza Shore tem o tempo de ensaio mais rápido, de 1 a 2 segundos, seguida pela dureza Rockwell, que demora entre 5 e 15 segundos. O ensaio de dureza Brinell demora entre 30 e 60 segundos. No que diz respeito à utilização em produção, tanto a dureza Shore como a Rockwell proporcionam excelentes resultados, enquanto a dureza Brinell oferece uma proteção moderada. A dureza Shore é adequada para borrachas, elastómeros e materiais relacionados com o plástico. A dureza Rockwell é selecionada quando se trabalha com plásticos de engenharia. Por outro lado, pode optar pela dureza Brinell se estiver a lidar com peças fundidas, forjadas e metais de grão grosso.
Referências
[1] TWI Global. (s.d.). O que são os ensaios mecânicos? (Um guia completo). Perguntas frequentes sobre conhecimentos técnicos globais da TWI. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-mechanical-testing
[2] ASTM International. (2024). ASTM E18-22: Métodos de ensaio normalizados para a dureza Rockwell de materiais metálicos. Normas ASTM. https://www.astm.org/e0018-22.html
[3] TWI Global. (s.d.). Ensaio de dureza — Parte 1. Conhecimentos Profissionais da TWI Global. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-part-1-074
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