Teste de Dureza Portátil de Aço Ferramenta

Uma ferramenta de prensa, uma matriz de forjamento ou um cilindro de laminação não podem ser levados a um durômetro de bancada, portanto a leitura de dureza em uma ferramenta grande geralmente é feita com um instrumento portátil. Os três métodos de uso comum não medem todos a mesma coisa, e essa diferença decide para que serve e para que não serve um número obtido na oficina de prensas. Esta página aborda o Escleroscópio, o durômetro Leeb ou Equotip e o durômetro ultrassônico, os limites de cada um, e um caso documentado em que uma leitura no local encontrou um problema que um teste Rockwell de bancada havia aprovado.

Testes de rebote e testes de indentação medem propriedades diferentes

A dureza pode ser relacionada empiricamente à resposta elástica de um material ou à sua deformação plástica, e as duas famílias de teste baseiam-se nesses dois aspectos. Os testes de bancada, Rockwell, Brinell, Vickers e Knoop, determinam a dureza em termos de comportamento plástico medindo o tamanho ou a profundidade de uma indentação. Os testes de rebote portáteis relacionam a dureza à resposta elástica do material. Isso é a primeira coisa a ter em mente quando um número obtido com um instrumento manual é comparado a um valor de dureza em um certificado de usina ou em um desenho, pois os dois números não foram obtidos da mesma forma.

Três métodos cobrem quase todo o trabalho no local em ferramentaria. Dois deles são testes de rebote, o Escleroscópio e o durômetro Leeb, e o terceiro, o durômetro ultrassônico, é um teste de indentação tornado portátil.

Teste de dureza por Escleroscópio

O Escleroscópio é um martelo com ponta de diamante deixado cair de uma altura fixa sobre a superfície da peça. A altura do rebote é a medida da dureza. Foi inventado por Albert F. Shore em 1907 e foi o primeiro durômetro metalúrgico disponível comercialmente fabricado nos Estados Unidos. Não é mais fabricado nos Estados Unidos, mas ainda é usado para testar corpos de prova muito grandes, como cilindros de aço forjado ou de liga de aço trabalhada, que é exatamente a classe de peça com que um fornecedor de aço ferramenta e uma oficina de matrizes lidam.

A escala é definida em aço ferramenta, o que vale a pena saber quando um número de Escleroscópio é citado de volta para você. Cem unidades é o rebote médio do martelo a partir de um aço ferramenta temperado em água até a dureza máxima e deixado sem revenimento. A escala continua acima de 100 para que materiais mais duros que o aço ferramenta totalmente endurecido possam ser medidos, e o instrumento modelo C é graduado de 0 a 140. Como orientação aproximada, aço duro mede cerca de 100, aço de dureza média cerca de 50, e metais macios entre 10 e 15.

Dois modelos foram fabricados. O modelo C lê o rebote diretamente em uma escala vertical através de um tubo de vidro, e pode ser usado sem montagem em peças de tamanho ilimitado, desde que a peça pese pelo menos 2,3 kg (5 lb) para que absorva a inércia do martelo. O modelo D retém o martelo no topo de seu rebote e o lê em um mostrador ou display digital; como seu alinhamento vertical é crítico, não deve ser usado sem montagem. Ambos estão disponíveis em uma calibração padrão que atende à ASTM E448 e se correlaciona diretamente com valores Rockwell C, Brinell e Vickers, e em uma calibração para cilindros conforme ASTM A427 usada para cilindros de aço liga temperado trabalhado homogêneo para produtos laminados planos, simbolizada HFRSc ou HFRSd.

As vantagens do método em ferramentaria grande são que é rápido, mais de 1000 testes por hora são possíveis, não exige operador altamente qualificado, não deixa cratera óbvia em uma superfície acabada, e uma escala cobre toda a faixa do metal mais macio ao mais duro. Suas limitações são igualmente práticas. O instrumento deve ser mantido vertical para que o martelo caia livremente. É mais sensível à condição da superfície do que outros testes de dureza, portanto uma superfície excessivamente grosseira dá leituras erráticas e a superfície pode ter que ser limada, usinada, retificada ou polida, sem superaquecimento ou encruamento. A massa ou a configuração da peça afeta a leitura, e peças finas ou leves devem ser fixadas solidamente; um som oco e vibrante em vez de um baque surdo no impacto significa que a peça não está apoiada adequadamente. Cinco determinações são feitas e calculada a média. As indentações devem ser espaçadas em pelo menos 0,50 mm (0,020 in.) entre si, e uma peça plana com faces paralelas pode ser testada a até 6 mm (0,25 in.) da borda se estiver devidamente fixada.

As espessuras mínimas de chapa que o método aceita estão apresentadas abaixo.

Metal	Espessura mínima, mm	Espessura mínima, in.
Aço endurecido	0.13	0.005
Tira de aço acabada a frio	0.25	0.010
Tira de latão recozido	0.38	0.015
Tira de latão meio-duro	0.25	0.010

Espessura mínima de chapa que pode ser testada quanto à dureza com um Escleroscópio. A chapa deve ser plana e livre de ondulações; uma chapa empenada é colocada com o lado côncavo para cima.

As leituras são indicadas pelo rebote máximo do martelo no primeiro quique, razão pela qual até os operadores mais experientes podem divergir em um ou dois pontos na mesma peça.

Teste de dureza Leeb (Equotip)

Um durômetro Leeb é um instrumento portátil que funciona pelo mesmo princípio de rebote. Um corpo de impacto é impulsionado contra a amostra por uma mola, forma uma pequena indentação e rebate para longe da superfície de acordo com a dureza e a elasticidade do material. Uma bobina de indução eletrônica mede a velocidade do corpo de impacto antes e depois do contato, e o número de dureza Leeb é calculado a partir da razão das duas velocidades. O número é escrito HL seguido de uma ou mais letras de sufixo que identificam o dispositivo de impacto. O método também é conhecido como dureza Equotip, devido à marca registrada, e é padronizado como ASTM A956.

Todos os durômetros Leeb são eletrônicos e exibem o resultado digitalmente, e a escolha do dispositivo de impacto é a primeira decisão em um trabalho. Os dispositivos diferem em dureza máxima e na massa mínima de amostra necessária, porque o teste baseia-se em um rebote e a massa da amostra é, portanto, crítica para o resultado. Uma peça muito leve ainda pode ser testada acoplando-a cuidadosamente a uma massa maior. A tabela abaixo é o guia de seleção.

Dispositivo de impacto	Dureza máx., HRC	Massa mín. da amostra, kg	Massa mín. da amostra, lb	Onde é usada
D	68	5	11	O dispositivo de impacto básico, para a maioria dos testes de aços forjados e fundidos, ligas de alumínio, ligas de cobre e ferros fundidos
DC	68	5	11	Mesmos materiais que o D, conformado para medir em espaços confinados, como furos
D+15	68	5	11	Corpo esbelto com a bobina de medição recuada, para furos e ranhuras pequenos
G	60	15	33	Maior e com energia de impacto mais alta, para peças de teste grandes e pesadas: forjados de aço, ferro fundido, aço fundido
C	68	1.5	3.3	Baixa energia de impacto, para componentes endurecidos superficialmente, revestimentos e peças de aço de parede fina
E	70	5	11	Ponta de teste de diamante sintético, para forjados ou fundidos de aço de dureza extremamente alta

Dispositivos de impacto Leeb e suas aplicações.

Como o número Leeb não é universalmente reconhecido, a maioria dos instrumentos traz uma conversão integrada para Rockwell, Brinell, Vickers e Escleroscópio. O problema com essas conversões é que elas dependem fortemente do material, geralmente através do módulo de elasticidade do material, de modo que um durômetro mantém dados de conversão separados para várias classes de material: aços, ferro fundido, alumínio e latão entre elas. Converter uma leitura Leeb em aço ferramenta com a classe de material errada carregada é uma forma comum de produzir um número que não corresponderá a um teste de bancada.

Três pontos operacionais decidem se uma leitura Leeb significa algo. O primeiro é o ângulo: os durômetros podem trabalhar em vários ângulos, mas precisam de uma correção para a gravidade atuando sobre o corpo de impacto quando o dispositivo não está vertical, e a correção frequentemente é integrada ao instrumento ou fornecida como tabela para subtrair. O segundo é o acabamento superficial, onde uma superfície mais rugosa normalmente dá um resultado mais macio. O terceiro é a curvatura: superfícies côncavas ou convexas podem ser testadas se o raio de curvatura for maior que 30 mm (1,18 in.) para todos os dispositivos, exceto o tipo G, que precisa de 50 mm (2 in.). Adaptadores estão disponíveis para superfícies redondas e de difícil acesso. A calibração só pode ser verificada contra blocos de teste padronizados, com dez leituras calculadas em média na superfície do bloco, considerando-se a unidade calibrada se a média estiver dentro de 13 números do valor do certificado.

Teste de dureza ultrassônico

O método ultrassônico não é um teste de rebote. Um diamante Vickers é fixado a uma extremidade de uma haste metálica magnetostritiva que é excitada à sua frequência natural por um conversor piezoelétrico. Quando a extremidade livre é colocada em contato com um sólido, a frequência de ressonância da haste muda, e uma vez que o instrumento é calibrado para o módulo de elasticidade conhecido do material sendo testado, a área de contato entre a ponta de diamante e a superfície pode ser derivada do desvio de frequência. A força constante, a área de contato é inversamente proporcional à dureza, então a frequência medida converte-se em um número de dureza, exibido diretamente em Vickers ou Rockwell C.

A carga máxima de indentação é de cerca de 800 gf, o que coloca a profundidade de indentação entre 4 e 18 µm. Na grande maioria dos casos a superfície da peça não é danificada e o teste pode ser tratado como não destrutivo. Uma leitura leva menos de 15 segundos, até 1200 peças por hora podem ser testadas, e o instrumento é pequeno o suficiente para funcionar com baterias, permite medições em qualquer orientação através de uma sonda acionada por motor, e precisa apenas de uma calibração de um ponto. É o mais portátil dos microdurômetros e, ao contrário do Escleroscópio, não se importa com o peso da peça.

Há uma vantagem técnica sobre o ensaio de microdureza convencional que vale a pena entender. O instrumento ultrassônico mede a área de contato enquanto a carga ainda está aplicada, enquanto um ensaio Vickers ou Knoop convencional mede a impressão após a remoção da carga, e a recuperação elástica no descarregamento pode influenciar essa medição. O ensaio ultrassônico também usa uma única força de carregamento em vez de uma carga menor e uma carga maior, portanto não precisa do sistema sensível de medição de deslocamento nem da estrutura rígida que o ensaio Rockwell exige, e em muitos casos pode ser usado sem fixação ou suporte rígido da peça.

Os limites vêm do mesmo projeto. Não há sistema óptico, o que torna a sonda pequena e rápida, mas também significa que o penetrador não pode ser posicionado com precisão sobre um microconstituinte, de modo que a dureza de carbonetos individuais está fora do alcance deste instrumento. Também torna difícil um perfil de dureza através de uma camada cementada, porque posicionar o penetrador a 0,05 ou 0,10 mm (0,002 ou 0,004 in.) de uma borda é difícil. A solução é inverter o perfil: fazer a primeira leitura bem dentro da peça, além da profundidade da camada cementada, e avançar para fora em intervalos prescritos até que uma leitura macia mostre que o penetrador atingiu o material de embutimento. Por fim, o ensaio ultrassônico é um ensaio de microdureza, portanto os requisitos de acabamento superficial são rigorosos e tornam-se mais rigorosos à medida que a carga diminui; é necessário um acabamento metalográfico preparado conforme a ASTM E3, e a retificação ou o polimento devem evitar aquecimento e distorção da superfície.

Um molde que passou no ensaio de bancada e ainda assim apresentou trincas térmicas

O valor prático de um método de dureza no local aparece em um caso documentado na fonte. Uma fundição sob pressão tinha problemas com trincas térmicas em moldes feitos de aço ferramenta H13, temperado e revenido. Ensaios de dureza no local com um instrumento ultrassônico provaram que a superfície superficial estava bastante macia em decorrência da descarbonetação, embora as leituras reais de Rockwell C nos mesmos moldes fossem aceitáveis. A camada descarbonetada na superfície era a causa das trincas térmicas, e o procedimento de tratamento térmico foi corrigido.

A ordem das duas leituras é o ponto. Um ensaio Rockwell de bancada em um molde é normalmente feito em uma superfície preparada, e a pele descarbonetada pode ser removida ou ficar fora do volume de medição; a leitura ultrassônica atinge apenas os poucos micrômetros mais externos, que é exatamente onde a descarbonetação se encontra. Para uma ferramenta que falha na superfície, por trincas térmicas, por trincas a partir de uma aresta de trabalho ou por desgaste, uma dureza global que atende ao desenho não é evidência de que a superfície com a qual a ferramenta trabalha esteja íntegra.

Comparando os três métodos

A tabela abaixo coloca os três métodos lado a lado nos pontos que decidem qual usar em uma ferramenta ou um molde. Observe que os métodos de rebote relacionam a dureza à resposta elástica, enquanto o método ultrassônico a relaciona ao comportamento plástico, razão pela qual um número Scleroscope ou Leeb não deve ser apresentado como um valor Rockwell C sem dizer como foi obtido.

	Escleroscópio	Leeb (Equotip)	Ultrassônico
O que mede	Altura de rebote de um martelo deixado cair sobre a superfície	Velocidade de rebote de um corpo de impacto acionado por mola	Deslocamento na frequência de ressonância de uma haste vibratória com uma ponta de diamante
Dureza relacionada a	Resposta elástica	Resposta elástica	Comportamento plástico (área de contato)
Leitura	Número Scleroscope, escala 0-140	Número Leeb HL, com uma letra de sufixo do dispositivo	Vickers ou Rockwell C em um display digital
Carga / energia	Altura de queda fixa, peso do martelo	Impacto acionado por mola, dependente do dispositivo	Cerca de 800 gf no máximo
Profundidade de impressão	. . .	. . .	4-18 µm, superfície normalmente intacta
Padrão	ASTM E448; calibração de rolo ASTM A427	ASTM A956	Específico do instrumento, calibrado em blocos de referência
Pode ser usado sem fixação em um molde grande	Somente modelo C, peça acima de 2,3 kg (5 lb)	Sim, a massa da peça determina a leitura	Sim, portátil ou fixado, qualquer orientação
Principal limite em aço ferramenta	Deve permanecer vertical; a condição da superfície afeta fortemente a leitura	As leituras dependem da massa e do ângulo, e as conversões dependem do material	Requer acabamento superficial metalográfico e não tem óptica para mirar o penetrador

Os três métodos portáteis de dureza usados em ferramental.

O que isso significa em um pedido de aço ferramenta

A dureza de entrega em aço ferramenta é um valor de bancada, obtido em uma superfície preparada de um corpo de prova ou da própria barra, e é cotada em HRC ou HB. Uma leitura feita em um molde acabado com um instrumento portátil é uma medição diferente com uma incerteza diferente, e as duas não devem ser comparadas diretamente sem dizer qual método produziu qual número. Quando uma leitura portátil retorna baixa em uma ferramenta grande, a sequência que resolve isso é a do caso acima: verificar se a leitura baixa é um efeito superficial por descarbonetação ou retificação, verificar o instrumento contra seu bloco de referência, e só então tratá-la como um problema de dureza no aço. Em barra redonda, a geometria da peça também altera a leitura de bancada, o que é abordado em nossa página sobre Fatores de correção do ensaio de dureza para barras redondas, e a menor seção que pode suportar um ensaio de bancada em Espessura mínima para ensaio de dureza.

Antes de citar uma leitura de dureza portátil

Apenas uma tabela de referência, não é uma especificação da Aobo Steel. Uma leitura de rebote e uma leitura de Rockwell de bancada não são a mesma medição, e uma leitura portátil incorpora a condição da superfície, a massa da peça e o operador no número. Confirme o método, o instrumento e sua calibração antes que um valor entre em um desenho, um pedido ou uma decisão de aceitação.

Fonte: ASM Handbook, Volume 8, Mechanical Testing and Evaluation, ASM International, 2000. Seções de escleroscópio, Leeb e ultrassônico de Miscellaneous Hardness Tests por Edward L. Tobolski, Wilson Instrument Division, Instron Corporation (PDF p547-563).