Dureza Vickers: Método de Teste Chave para Qualidade e Durabilidade do Aço

Definição e Conceito Básico

A Dureza Vickers (VHN ou HV) é um método de teste de microdureza amplamente utilizado que mede a resistência de um material à deformação plástica localizada. É definida pelo tamanho de uma impressão feita por um penetrador em forma de diamante sob uma carga especificada, fornecendo uma avaliação quantitativa da dureza do aço em escalas micro ou sub-micro.

Fundamentalmente, o teste de Dureza Vickers envolve pressionar um penetrador em forma de pirâmide de diamante na superfície do aço sob uma carga controlada por uma duração fixa. O tamanho da impressão resultante, medido diagonalmente, correlaciona-se diretamente com a dureza do material. Este teste é significativo na avaliação da dureza superficial de componentes de aço, especialmente após tratamentos térmicos, modificações de superfície ou na análise microestrutural.

Dentro do quadro mais amplo da garantia de qualidade do aço, a Dureza Vickers serve como um indicador essencial das propriedades mecânicas, como resistência, resistência ao desgaste e ductilidade. Complementa outros testes de dureza, como Rockwell ou Brinell, oferecendo insights detalhados sobre variações microestruturais, tensões residuais e integridade superficial. Consequentemente, o teste de dureza Vickers é integral para garantir que os produtos de aço atendam aos critérios de desempenho especificados e sejam adequados para suas aplicações pretendidas.

Natureza Física e Fundação Metalúrgica

Manifestação Física

No nível macro, o teste de dureza Vickers não produz defeitos visíveis, mas resulta em uma impressão observável na superfície do aço. Sob microscopia óptica, a impressão aparece como uma impressão quadrada ou em forma de diamante com bordas bem definidas, geralmente medindo alguns micrômetros a centenas de micrômetros, dependendo da carga.

Microscopicamente, a impressão revela uma zona localizada de deformação plástica caracterizada por uma superfície achatada e ligeiramente esticada. A microestrutura dentro e ao redor da impressão pode mostrar características como emaranhados de discordâncias, microfissuras ou transformações de fase, especialmente em aços endurecidos ou temperados. O tamanho e a morfologia da impressão, juntamente com as características microestruturais, servem como os principais identificadores do nível de dureza do material.

Mecanismo Metalúrgico

O teste de dureza Vickers mede a resistência do material à deformação plástica, que é governada por suas características microestruturais. Quando o penetrador de diamante aplica força, as discordâncias dentro da microestrutura do aço se movem e se multiplicam, acomodando a deformação.

Nos aços, a microestrutura—composta por fases como ferrita, perlita, bainita, martensita ou estruturas temperadas—influencia significativamente a dureza. Por exemplo, aços martensíticos exibem alta densidade de discordâncias e forte ligação atômica, resultando em valores de dureza mais altos. Por outro lado, fases mais macias, como ferrita ou estruturas temperadas, apresentam menor resistência à deformação.

A composição química, particularmente elementos de liga como carbono, cromo, molibdênio e níquel, afeta a formação de fases e a dureza. Processos de tratamento térmico, como têmpera e revenimento, alteram características microestruturais, modificando assim a dureza. A presença de tensões residuais, tamanho de grão e homogeneidade microestrutural também influenciam a dureza medida.

Sistema de Classificação

Os valores de dureza Vickers são categorizados com base na magnitude da medição, que reflete o estado microestrutural do aço e suas propriedades mecânicas. A classificação padrão envolve faixas como:

• Aços muito macios: HV menor que 150
• Aços macios: HV 150–250
• Aços de dureza média: HV 250–400
• Aços duros: HV 400–600
• Aços muito duros: HV acima de 600

Essas classificações ajudam na seleção de aços apropriados para aplicações específicas, como ferramentas de corte, superfícies resistentes ao desgaste ou componentes estruturais. Na prática industrial, os limites de dureza são alinhados com os requisitos de desempenho, com maior dureza indicando maior resistência ao desgaste, mas potencialmente reduzindo a tenacidade.

A interpretação dessas classificações depende do contexto—por exemplo, estado microestrutural, histórico de tratamento térmico e condições de serviço—tornando o sistema de classificação uma ferramenta prática para controle de qualidade e seleção de materiais.

Métodos de Detecção e Medição

Técnicas de Detecção Primárias

O método central para medir a dureza Vickers envolve pressionar um penetrador em forma de pirâmide de diamante na superfície do aço sob uma carga especificada, geralmente variando de 1 a 100 kgf (9,8 a 980 N). O processo é automatizado ou manual, com o penetrador mantido no lugar por um tempo de permanência predeterminado, geralmente de 10 a 15 segundos.

Após a impressão, a medição das diagonais da impressão quadrada é realizada usando um microscópio óptico equipado com um ocular de medição ou sistema de imagem digital. As diagonais são medidas em vários pontos para garantir precisão, e o valor médio é usado para o cálculo.

O princípio físico subjacente a este método é a proporcionalidade entre o tamanho da impressão e a dureza do material. Impressões menores indicam maior dureza, enquanto impressões maiores sugerem material mais macio. O uso de um penetrador de diamante garante mínima deformação do próprio penetrador, proporcionando resultados consistentes e confiáveis.

Padrões e Procedimentos de Teste

Padrões internacionais como ASTM E384, ISO 6507 e EN 10545 especificam os procedimentos para o teste de dureza Vickers. O procedimento típico de teste inclui:

• Preparação da superfície da amostra: A superfície deve ser lisa, limpa e livre de defeitos ou contaminantes. O polimento até um acabamento espelhado é frequentemente necessário para garantir uma medição precisa.
• Seleção dos parâmetros de teste: A magnitude da carga, o tempo de permanência e o número de impressões são escolhidos com base na espessura do material, microestrutura e recomendações padrão.
• Processo de impressão: O penetrador é aplicado perpendicularmente à superfície com força controlada, mantida pelo tempo de permanência especificado.
• Medida das diagonais: Após a descarga, as diagonais da impressão são medidas em vários pontos para contabilizar quaisquer irregularidades.
• Cálculo da dureza: O número de dureza Vickers é calculado usando a fórmula:

$$
HV = \frac{1.854 \times F}{d^2}
$$

onde $F$ é a carga aplicada em quilograma-força, e (d) é o comprimento médio das diagonais em milímetros.

Parâmetros críticos como carga, tempo de permanência e precisão de medição influenciam a precisão e repetibilidade dos resultados. A calibração adequada do equipamento e a adesão aos padrões são essenciais para dados confiáveis.

Requisitos da Amostra

As amostras devem ser preparadas com uma superfície plana, lisa e limpa para garantir contato consistente com o penetrador. O acabamento da superfície geralmente envolve polimento com abrasivos progressivamente mais finos para alcançar uma superfície semelhante a um espelho, minimizando a rugosidade da superfície que poderia distorcer as medições.

As amostras devem ser representativas da microestrutura do material e livres de defeitos superficiais, fissuras ou tensões residuais que poderiam afetar a impressão. Para materiais finos, a espessura deve ser suficiente para evitar efeitos de substrato, geralmente pelo menos três vezes a profundidade da impressão.

A seleção dos locais de teste deve considerar a heterogeneidade microestrutural, como limites de grão ou interfaces de fase, para obter valores de dureza representativos. Múltiplas medições em diferentes regiões são recomendadas para confiabilidade estatística.

Precisão da Medição

A precisão das medições de dureza Vickers depende da calibração do equipamento, habilidade do operador e preparação da amostra. A repetibilidade (mesmo operador, mesma amostra, mesmas condições) deve estar dentro de ±2%, enquanto a reprodutibilidade (diferentes operadores ou laboratórios) pode variar ligeiramente.

Fontes de erro incluem desalinhamento do penetrador, rugosidade da superfície, calibração inadequada ou imprecisões de medição das diagon