Ensaio de Dureza por Microindentação de Aço Ferramenta

O que é o ensaio de microindentação

No ensaio de dureza por microindentação, um indentador de diamante de geometria definida é pressionado contra uma superfície preparada com uma força conhecida de 1 a 1000 gf, que é o que a ASTM E384 estabelece como faixa. Essa mesma faixa às vezes é chamada de microdureza, embora o termo descreva indentações pequenas e não valores baixos de dureza. A prática europeia divide o campo de forma diferente e chama 200 a 3000 gf de faixa de baixa carga, por uma razão que importa aqui: forças abaixo de cerca de 200 gf geralmente produzem números de dureza que diferem daqueles produzidos a 200 gf e acima.

O ensaio Vickers usa uma pirâmide de diamante de base quadrada com ângulo de 136° entre faces opostas. O ângulo foi escolhido em 1925 para aproximar os números o máximo possível da dureza Brinell no mesmo corpo de prova, razão pela qual um valor Vickers fica próximo do valor Brinell para o mesmo aço. Ambas as diagonais da indentação são medidas após a remoção da força e a média é usada, com a dureza calculada a partir da área superficial da indentação dividida pela força aplicada. Diferentemente do Rockwell, uma escala cobre todos os materiais.

O ensaio Knoop usa um diamante romboédrico cuja diagonal longa é cerca de sete vezes a curta. Apenas a diagonal longa é medida, e a dureza é calculada a partir da área projetada da indentação. A forma estreita é a razão pela qual o indentador Knoop é usado em peças cementadas e em seções finas, porque em um gradiente de dureza acentuado a diagonal longa pode ser posicionada perpendicularmente ao gradiente e mantida em material de uma única dureza, enquanto uma indentação Vickers através do mesmo gradiente pode acabar com suas duas metades de comprimentos diferentes e nenhuma medição válida.

Ambos os ensaios são calculados na suposição de que o material não recupera quando a força é removida e o indentador é levantado. Essa suposição raramente se mantém, e embora se diga às vezes que o ensaio Knoop elimina a recuperação, ele não o faz em materiais metálicos. A indentação medida, portanto, nunca é exatamente a indentação que foi formada.

Vickers e Knoop por microindentação lado a lado, compilados a partir do texto do artigo.

Escolha da força de ensaio: mantenha a indentação acima de 20 micrômetros

A força não é uma escolha livre, e este é o ponto que decide se um valor de microdureza vale alguma coisa. A ASTM E384 recomenda que o operador mantenha as indentações com diagonal maior que 20 µm, porque quanto menor a indentação, maior a penalidade para cada micrômetro de erro de medição. Em uma indentação Vickers com diagonal média de 10 µm, uma variação de medição de ±0,5 µm vale aproximadamente um aumento ou queda de 10 por cento na dureza calculada. Em um aço macio isso pode ser tolerável; em um aço ferramenta a 60 HRC, um erro de 10 por cento não é.

Como um aço mais duro produz uma indentação menor na mesma força, quanto mais duro o corpo de prova, maior a força necessária para manter a indentação acima do limite. A consequência prática é que uma força de ensaio que funciona no núcleo de uma matriz pode ser muito baixa em sua camada endurecida, e uma varredura através de uma camada é geralmente executada com uma única força escolhida de modo que a menor indentação da varredura, a do material mais duro, ainda ultrapasse 20 µm. Onde a camada é rasa, as indentações podem ser distribuídas em vários traços paralelos em diferentes profundidades para que o espaçamento não distorça o gradiente.

Um exemplo torna a aritmética concreta. Em uma peça temperada por indução, esperada para ir de cerca de 750 HV na superfície a 250 HV no núcleo, uma força de 100 gf dá uma indentação de menos de 16 µm a 750 HV, o que está abaixo do limite recomendado e é uma má escolha para a extremidade dura da varredura. Uma força de 200 gf dá cerca de 22 µm a 750 HV e cerca de 40 µm a 250 HV. Uma força de 300 gf dá cerca de 27 µm e cerca de 47 µm, e pode ser a escolha ainda melhor, desde que a camada seja profunda o suficiente para uma indentação de 300 gf ficar dentro dela.

Tamanho da impressão em micrômetros em função da força de ensaio, para um percurso transversal em uma peça temperada por indução. Valores lidos aproximadamente da fonte. A ASTM E384 recomenda manter a diagonal acima de 20 µm.

O espaçamento segue a mesma lógica. A indentação cria um campo de deformação elástica e plástica ao redor da impressão, e uma segunda impressão colocada muito próxima é deformada no lado voltado para a primeira, o que produz um número errôneo. O espaçamento de centro a centro deve ser de pelo menos 2,5 vezes a diagonal para uma impressão Vickers, e de pelo menos duas vezes a diagonal curta para uma impressão Knoop. O centro de uma impressão deve ficar a pelo menos 2,5 diagonais de uma borda do corpo de prova, embora 1,8 diagonais tenha se mostrado aceitável.

Produtos finos têm mais um limite além da regra da diagonal. Para folhas e fios em um programa de controle de qualidade, a profundidade da impressão não deve ser superior a 10 por cento da espessura ou do diâmetro. Uma folha dura de 0,002 in. (51 µm) suporta uma força de até cerca de 800 gf, mas a validade do resultado depende da dureza encontrada: se um ensaio de 500 gf nessa folha retornar cerca de 200 HK, a força foi alta demais para que o resultado seja confiável e a folha deve ser reensaiada com no máximo 300 gf.

Por que o mesmo aço ferramenta pode dar dois números de microdureza diferentes

É amplamente afirmado que a dureza Vickers é constante com a força de ensaio na faixa macro, e a literatura que relata uma mudança em forças menores frequentemente atribui isso ao material. Um ensaio interlaboratorial controlado ASTM E4 diz o contrário, e a descoberta vale a pena conhecer antes que um número de microdureza seja usado para aceitar ou rejeitar aço.

Nesse programa, um único operador fez impressões em um conjunto de corpos de prova ferrosos e não ferrosos com forças de 25 a 1000 gf, cinco vezes em cada força, e então duas dúzias de pessoas mediram exatamente as mesmas impressões. Todas as quatro tendências relatadas na literatura para dureza em função da força de ensaio apareceram nos dados de medição para impressões idênticas. Alguns avaliadores produziram dureza decrescente com a força decrescente, um produziu dureza crescente, um não produziu mudança, e outros produziram uma elevação seguida de queda. Laboratórios que foram outliers em outros corpos de prova não concordaram com os demais. Nada no aço diferiu entre os avaliadores; a variação veio apenas de como eles mediram as impressões. A tendência mais frequentemente obtida, e a mais frequentemente relatada na literatura, é a dureza caindo conforme a força cai, o que corresponde a impressões pequenas sendo medidas com tamanho excessivo nas ampliações em uso.

O ensaio Knoop se comporta na direção oposta pelo mesmo motivo subjacente. O contraste nas pontas da diagonal longa é mais fraco do que nos cantos de uma impressão Vickers, então a diagonal longa tem mais probabilidade de ser medida curta, o que retorna um número de dureza alto demais. A dureza Knoop, portanto, sobe conforme a força de ensaio cai, e a elevação é maior em aço mais duro; os resultados são estatisticamente idênticos de 200 a 1000 gf.

Duas conclusões decorrem para o aço ferramenta. Acima de cerca de 100 gf, e em particular entre 200 e 1000 gf, os números Vickers são estáveis o suficiente para comparar entre laboratórios. Abaixo de 100 gf, o número carrega uma incerteza de medição que cresce com a dureza do aço, e uma divergência entre fornecedor e cliente nessas cargas tem mais probabilidade de ser uma divergência de medição do que metalúrgica. A carga e o procedimento de medição devem constar no pedido de compra sempre que um valor de microdureza for usado como critério de aceitação.

Convertendo valores Vickers e Knoop para Rockwell C

As especificações de produto às vezes definem uma profundidade de camada na escala Rockwell C, que é uma escala de ensaio de volume e inadequada para o propósito, mas a prática é comum o suficiente para que a conversão tenha de ser tratada. As conversões de dureza são desenvolvidas empiricamente, e cada uma delas carrega um erro. A fonte primária é a ASTM E140, que lista conversões como tabelas e também como equações, e a maioria dos medidores de microindentação modernos traz essas tabelas para que uma dureza equivalente possa ser impressa ao lado de cada medição.

Converter dados Vickers para outra escala é mais direto do que converter dados Knoop, porque a dureza Knoop varia mais com a carga. As conversões ASTM E140 entre Vickers e outras escalas podem ser usadas em qualquer força de ensaio acima de 100 gf. Uma conversão Knoop é um instrumento específico para a carga: uma publicada para uma carga de 500 gf é melhor nessa carga, razoavelmente precisa em cargas ligeiramente menores, e geralmente adequada em cargas maiores, porque a dureza Knoop se torna razoavelmente constante em 500 gf e acima. A prática segura em um material que você realmente compra é ensaiá-lo nas duas escalas e ver quão bem a tabela concorda com seus próprios corpos de prova antes que a conversão seja escrita em uma especificação. Nossa página sobre conversão de Vickers para Rockwell C para aço ferramenta apresenta a faixa temperada, e a calculadora mais ampla em conversão de dureza de aço ferramenta cobre as faixas HRC e HRB.

A preparação do corpo de prova decide o resultado

A preparação para microindentação não é um assunto menor, e se torna mais crítica conforme a força diminui. De 300 a 1000 gf, um acabamento perfeito não é exigido, mas isso não justifica deixar danos de corte e lixamento no lugar; uma preparação normal pode ser interrompida após lixamento e polimento até um acabamento de diamante de 6, 3 ou 1 µm. Em forças menores, o corpo de prova deve ser preparado até uma condição livre de danos, seguindo a ASTM E3. Danos residuais de corte e lixamento influenciam o resultado, e dependendo de sua natureza podem empurrar a dureza aparente para cima ou para baixo em relação ao valor verdadeiro.

Ensaio próximo a uma borda é onde a preparação e a técnica se encontram, e é exatamente o que uma página sobre aço ferramenta precisa, porque é assim que se mede a dureza de um revestimento, de uma camada cementada ou nitretada, de uma superfície temperada por indução ou de uma pele descarbonetada. A preservação da borda significa planicidade até a borda. Um bom epóxi termofixo, embutido e resfriado de volta à temperatura ambiente sob pressão, equipamento de preparação automatizado e panos sem felpa manterão uma borda bem o suficiente sem revestir o corpo de prova, e corpos de prova maciços não embutidos também podem ser preparados com retenção de borda adequada em equipamento automatizado.

Onde isso é usado em ferramentaria

A aplicação clássica do ensaio de microindentação é a avaliação de uma mudança na dureza superficial. Aumentos por cementação, nitretação ou endurecimento superficial localizado são medidos, e diminuições por descarbonetação ou por aquecimento localizado também. Um percurso de dureza transforma o que o olho pode ver em uma seção transversal polida em um número: a magnitude da mudança e a profundidade em que ela ocorre.

A profundidade de camada em uma ferramenta é normalmente especificada como a profundidade até uma dureza declarada, e 550 HV é o limiar usual para uma peça cementada ou nitretada. O percurso que a produz é uma linha de impressões da superfície para dentro, feita com uma única força e um espaçamento que mantém cada impressão afastada da seguinte, até que a leitura atinja a dureza do núcleo do aço. A descarbonetação é medida da mesma forma na direção oposta: uma pele macia de profundidade mensurável sob uma camada que pode ser perfeitamente aceitável mais adentro. Para um molde que trinca por fadiga térmica ou uma aresta de corte que embota precocemente, um percurso transversal pela superfície falhada é o que separa um problema de aço ou de tratamento térmico de um problema de serviço, porque coloca um número na camada macia em vez de deixá-la como uma impressão.

O que isso significa em um pedido de aço ferramenta

A dureza de entrega em aço ferramenta é um valor de volume em HRC ou HB, medido em uma superfície preparada, e descreve o aço como fornecido. Um valor Vickers ou Knoop descreve um volume menor, e só é comparável com outro valor de microindentação obtido com a mesma força e o mesmo procedimento de medição. Onde um valor de microdureza é um critério de aceitação, para um molde nitretado ou uma lâmina temperada, o pedido deve declarar o método e a força, e onde uma profundidade de camada é especificada, a profundidade até uma dureza declarada em vez de uma única dureza na superfície.

Fonte: ASM Handbook, Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2000. Artigo Microindentation Hardness Testing de George F. Vander Voort, Buehler Ltd. (PDF p469-494).