Em ciência dos materiais, dureza, cujo antônimo é maciez, é uma medida da resistência à deformação localizada, como uma indentação ou um risco, produzida mecanicamente por prensagem ou abrasão. Nos ensaios usuais de metais, essa resistência envolve principalmente a deformação plástica. Em borrachas, a dureza medida por durômetros depende da resposta elástica e viscoelástica, sem exigir uma deformação permanente. Em geral, os materiais apresentam diferentes graus de dureza. Metais como o titânio e o berílio, por exemplo, são mais duros que o sódio e o estanho metálico, ou que a madeira e os plásticos comuns. A dureza depende das ligações entre os átomos e da estrutura do material. Nos sólidos moleculares, as forças intermoleculares também participam dessa resposta. O comportamento dos sólidos sob a ação de forças permite medir a dureza de diferentes maneiras, como a dureza ao risco, a dureza por indentação e a dureza por rebote.
A interpretação dessas medições envolve propriedades como ductilidade, rigidez elástica, plasticidade, resistência mecânica, tenacidade, viscoelasticidade e viscosidade. Essas propriedades não são equivalentes à dureza. Exemplos comuns de matéria dura são as cerâmicas, o concreto, certos metais e os materiais superduros, que podem ser contrastados com a matéria mole.
Medição miniatura|Durômetro Vickers
Há três tipos principais de medição de dureza: por risco, por indentação e por rebote. Cada classe possui escalas próprias. Por razões práticas, utilizam-se tabelas de conversão para estimar valores em outras escalas, mas essas conversões são aproximadas e têm limites de aplicação.
Um resultado de dureza precisa ser acompanhado da escala utilizada. A geometria do penetrador, a força aplicada e o tempo de aplicação fazem parte da definição do ensaio e afetam a leitura.
Dureza ao risco
A dureza ao risco mede a resistência à formação de um risco permanente quando uma ponta é deslocada sobre a superfície sob carga. O princípio é que um objeto feito de um material mais duro risca outro feito de um material mais macio. Em ensaios quantitativos, pode-se calcular a dureza a partir da força aplicada e da largura do risco residual. Um dos instrumentos utilizados nessa medição é o esclerômetro.
Os ensaios de risco também podem avaliar a falha de revestimentos. Em revestimentos cerâmicos, a carga que provoca fratura ou desprendimento depende das propriedades do revestimento, de sua aderência e do substrato. Esse resultado não mede apenas a dureza.
A escala de Mohs, empregada na mineralogia, ordena dez minerais de referência, do talco, com dureza 1, ao diamante, com dureza 10. Ela permite comparar a resistência ao risco, mas seus números não correspondem a intervalos iguais de dureza. Em cristais, o resultado também pode variar com a direção do risco. A cianita, por exemplo, apresenta dureza diferente conforme a direção cristalográfica examinada.
Outro instrumento utilizado nesses ensaios é o durômetro de bolso Hoffman. Ele consiste em um braço graduado preso a um carrinho de quatro rodas. Uma ferramenta de riscamento com uma borda afiada é montada em um ângulo predeterminado em relação à superfície de ensaio. Para utilizá-lo, coloca-se um peso de massa conhecida sobre o braço, em uma das marcações, e então o instrumento é arrastado sobre a superfície. O peso e as marcações permitem aplicar uma força conhecida sem a necessidade de equipamentos mais elaborados. Para películas, pode-se determinar a força necessária para cortar o revestimento até atingir o substrato.
Filmes de tintas e outros revestimentos orgânicos também podem ser avaliados pelo ensaio de dureza a lápis. Nesse procedimento, grafites de dureza conhecida são aplicados à superfície. O resultado depende do revestimento, do substrato e dos lápis utilizados, de modo que diferenças entre fabricantes ou lotes podem prejudicar a comparação entre ensaios.
Dureza por indentação
A dureza por indentação mede a resistência de uma amostra à deformação causada pela penetração de um corpo de geometria especificada, submetido a uma carga de compressão. Esses ensaios são utilizados principalmente na engenharia e na metalurgia. Seu princípio consiste em medir as dimensões da impressão ou a profundidade de penetração sob condições definidas. Entre as escalas mais comuns estão a Rockwell, a Vickers, a Shore e a Brinell.
+ Exemplos de ensaios de dureza por indentação Método Penetrador ou instrumento Medição e aplicações Brinell Esfera de carbeto de tungstênio Mede-se o diâmetro da impressão. É utilizado em metais e em peças com grãos grandes ou estrutura heterogênea, como produtos fundidos e forjados. Rockwell Cone de diamante ou esfera, conforme a escala Mede-se o aumento permanente da profundidade após a aplicação e retirada da carga adicional, mantendo-se a carga preliminar. As escalas usam combinações distintas de penetrador e carga. Vickers Pirâmide de diamante de base quadrada Medem-se as duas diagonais da impressão. Pode ser empregado em ensaios de macrodureza e microdureza, inclusive na avaliação de revestimentos e soldas. Meyer Esfera Calcula-se a razão entre a força aplicada e a área projetada da impressão, obtida de seu diâmetro. Knoop Pirâmide de diamante com base alongada Mede-se a diagonal maior da impressão. É utilizado em microdureza, particularmente em materiais frágeis e regiões estreitas, como camadas superficiais. Shore por indentação Penetrador com geometria e força definidas para cada tipo de durômetro Mede-se a profundidade de penetração sob carga. É utilizado em borrachas, elastômeros e outros polímeros. IRHD Esfera rígida Mede-se a diferença de penetração entre duas condições de carga e converte-se o resultado em graus internacionais de dureza da borracha. Barcol Durômetro portátil Barcol Determina a resistência à indentação de plásticos rígidos, com ou sem reforço, em corpos de prova ou peças fabricadas.
A leitura de um durômetro Shore depende da resposta elástica e viscoelástica do material, sem exigir que a impressão permaneça após a retirada da carga. As escalas dos durômetros Shore não devem ser confundidas com as do escleroscópio Shore, que utiliza rebote. Tampouco existe uma conversão simples e geral entre resultados obtidos com diferentes tipos de durômetro.
Microdureza
Os ensaios de microdureza utilizam cargas pequenas e impressões que podem ser examinadas ao microscópio. Nos procedimentos Vickers e Knoop abrangidos pela norma ASTM E384, as forças vão de aproximadamente 0,0098 N a 9,8 N. Isso permite avaliar constituintes individuais de uma microestrutura, peças pequenas e variações de dureza entre a superfície e o interior do material.
Medições em diferentes profundidades permitem examinar camadas endurecidas por cementação ou nitretação. Como uma impressão pequena pode atingir apenas um constituinte, uma leitura isolada nem sempre caracteriza a peça inteira. Quando o objetivo é obter um valor representativo de uma região heterogênea, são necessárias medições em mais de um ponto.
O penetrador Knoop produz uma impressão alongada e menos profunda que a do Vickers em condições comparáveis. Essa geometria facilita a medição de camadas estreitas, embora também aumente a sensibilidade ao estado da superfície.
Indentação instrumentada miniatura|Curva esquemática de carga P em função da profundidade h em um ensaio de indentação instrumentada. Os ramos correspondem ao carregamento e ao descarregamento. A inclinação inicial do descarregamento, dP/dh, é utilizada na determinação da rigidez de contato.
Na indentação instrumentada, a força e a profundidade de penetração são medidas durante o carregamento e o descarregamento. A curva obtida e a geometria calibrada do penetrador permitem determinar a dureza e estimar um módulo elástico reduzido, que combina a resposta da amostra com a do penetrador. Para calcular o módulo de Young da amostra, também são necessários seu coeficiente de Poisson e as constantes elásticas do penetrador, sob as hipóteses do modelo de contato utilizado. Esse procedimento é empregado na nanoindentação, em que as impressões podem ser pequenas demais para uma medição óptica convencional.
A dureza de indentação instrumentada pode ser expressa por
em que é a força máxima aplicada e é a área projetada de contato nessa carga. Essa área não deve ser confundida com a área da impressão residual depois da retirada do penetrador, pois parte da deformação é recuperada elasticamente.
Em escalas pequenas, o valor medido também pode variar com a profundidade de penetração. Esse comportamento é chamado de efeito de tamanho da indentação e deve ser distinguido das mudanças de dureza causadas pelo tamanho dos grãos do material.
Dureza por rebote
A dureza por rebote é uma medição dinâmica determinada pela resposta do material ao choque de um corpo de impacto. No escleroscópio, um pequeno martelo com ponta de diamante cai de uma altura fixa sobre o material, e mede-se a altura atingida no rebote. A resposta depende das propriedades elásticas e plásticas do material.
No ensaio de dureza Leeb, sensores medem as velocidades do corpo de impacto antes e depois do choque. O número de dureza é calculado por
em que e são os módulos das velocidades de rebote e de impacto, respectivamente. Nesse método, a grandeza medida é a razão entre esses valores, não a altura de rebote.
Impedância de contato ultrassônico
O método de impedância de contato ultrassônico, ou UCI, determina a dureza pela mudança de frequência de uma haste oscilante quando sua ponta é pressionada contra a amostra sob uma força de ensaio definida. A haste consiste em um eixo metálico com um elemento vibratório e um diamante em forma de pirâmide montado em uma das extremidades. A frequência medida em contato com o material é comparada à frequência de oscilação livre.
A mudança de frequência depende da área de contato e das propriedades elásticas do material. Por isso, a calibração precisa ser adequada ao material examinado. Uma calibração feita para aço pode produzir resultados incorretos em materiais com módulo de elasticidade diferente.
O UCI não é um ensaio por rebote. Seus resultados são convertidos em valores de escalas usuais, como Vickers ou Rockwell. A medição caracteriza a região superficial em contato com o penetrador, sem determinar diretamente a dureza no interior da peça.
Condições de ensaio e conversão de escalas
A superfície precisa permitir a leitura da impressão ou da profundidade sem interferência de sujeira, rugosidade excessiva ou movimentação da amostra. O preparo depende do método e da carga. Nos ensaios de microdureza, o polimento tem maior importância porque defeitos superficiais podem ter dimensões próximas às da impressão. O preparo também não deve introduzir deformação ou danos que alterem a dureza da região examinada.
A espessura da amostra, o apoio da peça e a distância entre impressões precisam ser adequados ao ensaio. Uma impressão modifica o material ao seu redor, de modo que outra medição feita muito perto pode ser afetada pela anterior. Nos ensaios usuais de indentação de metais, a impressão residual altera localmente a superfície, embora muitas peças possam ser utilizadas depois do ensaio.
As tabelas de conversão são estabelecidas para grupos de materiais e condições determinados. Composição da liga, tamanho de grão e tratamento térmico podem mudar a relação entre duas escalas. Mesmo dentro do grupo previsto por uma tabela, o valor convertido é uma estimativa. A norma ASTM E140 recomenda evitar a conversão quando for possível medir diretamente na escala desejada.
Endurecimento
Entre os mecanismos de endurecimento dos metais estão o refino de grão, relacionado ao efeito Hall-Petch, o encruamento, o endurecimento por solução sólida, o endurecimento por precipitação e a transformação martensítica.
Na mecânica dos sólidos