O ensaio/teste de dureza é uma característica fundamental na análise das propriedades de um componente. Como uma importante ferramenta nos ensaios dos materiais, este parâmetro crítico pode ser determinado e medido por diversos métodos e técnicas
Embora alguns tipos de ensaio de dureza, como o ensaio de dureza Rockwell, sejam um ensaio rápido, com o resultado baseado na profundidade de penetração, muitos dos ensaios utilizados, como Vickers, Knoop e Brinell, requerem um processo secundário para determinação do tamanho da área de superfície da endentação (em mícrons ou milímetros). Estes processos secundários podem ser demorados, subjetivos ou ineficientes e propensos a erros. Uma forma de melhorar a produtividade, ao mesmo tempo em que se proporciona consistência ao processo, é por meio da endentação automatizada e leitura das impressões utilizando-se um analisador de imagens.
Nos últimos anos ocorreram melhorias significativas na instrumentação dos ensaios de dureza, bem como nos computadores, produtos eletrônicos, algoritmos de imagem e capacidade dos softwares. Estas melhorias têm aberto a porta para ensaios extremamente precisos e confiáveis, os quais fornecem resultados mais rápidos do que nunca. Esses componentes e técnicas têm provado serem benéficos para aumentar a eficiência, rapidez e precisão a níveis nunca antes alcançados.
Por que um ensaio de dureza automatizado?
Dois ensaios de dureza comuns são os de dureza Vickers e Knoop, que podem ser utilizados em ensaios de micro e / ou macrodureza para determinar a dureza dos materiais baseados na medida do tamanho da impressão da forma do diamante deixada após a aplicação de uma força especificada.
O diamante Knoop produz uma base romboédrica alongada e a forma da endentação com o diamante tem uma relação entre a diagonal maior e a menor de cerca de 7 para 1. Os ensaios de dureza Knoop são, em geral, realizados com forças variando entre 10 e 1.000 g e são classificados como ensaios de microdureza ou microendentação. É a melhor escolha para ensaios em áreas pequenas ou em materiais frágeis, devido à mínima deformação que ocorre na área diagonal menor.
O diamante utilizado na dureza Vickers produz uma base piramidal quadrada com uma profundidade de endentação de cerca de 1/7 do comprimento da diagonal. O ensaio Vickers tem duas faixas distintas de força aplicada – micro (10 a 1.000g) e macro (1 a 100 kg) –, as quais cobrem diversos requisitos de ensaio. Os ensaios Vickers são tipicamente referidos como ensaios de macrodureza e são utilizados em uma ampla faixa de materiais, incluindo materiais cementados e componentes de aço. As impressões Vickers são menos sensíveis às condições superficiais do que as impressões Knoop. A natureza destes tipos de ensaios, em geral, dita a força a ser aplicada com a natureza do material sendo testado, geralmente resultando em impressões extremamente pequenas que precisam ser medidas no nível micrométrico.
As técnicas tradicionais, ainda hoje utilizadas amplamente, envolvem um microscópio, com objetivas de variadas resoluções, acoplado ao durômetro. As objetivas são utilizadas para medir manualmente as impressões, totalmente baseadas na interpretação humana. Como é de se prever, este método consome bastante tempo, é ineficiente e, na correria atual, é cada vez mais inaceitável. Não é comum que um técnico produza e meça “no olho” centenas de endentações durante um dia, com o cansaço comprometendo o processo de medição conforme se aumenta a quantidade de endentações. Adicionado a isto, há a necessidade de se produzir uma análise completa de dureza, a qual frequentemente consiste em mais de 15 endentações cada (muitas vezes numa mesma amostra), além da importância de resultados precisos e bem reportados. Assim, torna-se evidente a necessidade de técnicas mais avançadas e automatizadas (Fig. 1).
Técnicas Automatizadas de Ensaio de Dureza
Ao longo dos últimos anos e, sem dúvida, cada vez mais no futuro, esses processos manuais têm dado e continuarão a dar de forma rápida caminho para a automação em todos os aspectos do processo dos ensaios de dureza. Aos ensaios de dureza industriais têm sido introduzidas técnicas novas e extremamente eficientes de preparação e manuseio de materiais, montagem, deslocamento, interpretação e análise dos resultados e emissão de relatórios. Uma tecnologia importante e produtiva que tem sido integrada a vários sistemas ao redor do mundo é o estágio de deslocamento automático e análise de imagens para as endentações Knoop, Vickers e Brinell.
Um sistema automatizado de dureza consiste tipicamente de um equipamento completamente controlável, incluindo um sistema de auto-rotação ou de revólver rotativo, bem como a atuação no eixo Z, que pode ser tanto do compartimento cabeça / endentador ou de um sistema do eixo orientado utilizado tanto para aplicar uma carga predeterminada ao endentador, bem como para focar automaticamente a amostra. Adicionado a isso, um computador padrão com software de dureza dedicado, um estágio automatizado para a movimentação X-Y e uma câmera de vídeo USB, e o resultado é um poderoso sistema de ensaio de dureza, totalmente automático. Após uma configuração inicial com amostras, determinação da movimentação transversal e parâmetros do programa, o sistema pode ser deixado sozinho para automaticamente criar, medir e fornecer relatórios sobre um número quase ilimitado de endentações transversais (Fig. 2).
Esta tecnologia mais nova elimina muito do hardware, que no passado causava desafios operacionais e espaços desordenados de trabalho. Por exemplo, no projeto atual os estágios são movidos por um joystick virtual e os controladores de estágio são completamente integrados dentro de um sistema de estágios em alguns sistemas. Avanços nos algoritmos de movimentação dos estágios e no projeto mecânico têm feito a movimentação X-Y mais precisa com uma repetibilidade nunca vista antes, o que é de suprema importância nas necessidades de precisão transversal como, por exemplo, na análise de camadas endurecidas.
Análise de Imagens
A análise de imagens não é algo novo, mas a sua tecnologia continua avançando. O processo de medida das endentações pode ser melhorado consideravelmente, eliminando-se medidas inadequadas, obtendo-se amostras com bom acabamento superficial. Este alto nível de exigência em relação à preparação das superfícies, juntamente a restrições do processo, implicaram em sistemas anteriores com falta de eficácia, não apresentando uma solução completa.
Agora, por exemplo, a tecnologia das câmeras evoluiu de placa de captura para Firewire IEEE para formatos USB, eliminando um hardware adicional e, ao mesmo tempo, aumentando a resolução e as possibilidades do campo de visão. As capacidades das câmeras atuais e em desenvolvimento, juntamente à capacidade de processamento dos PCs de hoje e de melhorias constantes nos pacotes de software, têm melhorado significativamente a precisão, a repetibilidade e a confiabilidade de leitura automática das impressões. Todas as câmeras digitais possuem matrizes de pixels. Cada pixel pode estar ligado ou desligado. Se uma imagem em preto e branco é projetada na matriz de pixels, os pixels nas áreas escuras estarão desligados e nas claras estarão ligados. Contando-se o número de desligados, o tamanho do local escuro na imagem pode ser determinado e, subsequentemente, a área da imagem. O tamanho do penetrador é utilizado em combinação com o penetrador e a força aplicada para determinar o valor da dureza.
Agora é possível ler com precisão e repetibilidade impressões menores do que nunca e localizar e analisar impressões em superfícies e materiais nos quais anteriormente isto não era possível (por exemplo, vidro). Além disso, novos desenvolvimentos nas objetivas dos microscópios e na tecnologia de zoom digital permitem uma faixa de aumento maior (Fig. 3).
Movimento Transversal Automático
Para expandir a produtividade ainda mais, há a capacidade de se utilizar um movimentador automático transversal maior, nos estágios XY, capaz de manter duas, quatro ou até seis amostras de cada vez em uma diversidade de tipos de montagem. Abre-se um pré-programa já salvo de movimentação transversal, as amostras são alinhadas nos suportes e, com um único clique, a endentação, a leitura e o relatório de diversas transversais são iniciados em cada amostra. O autofoco diminui pequenas variações de paralelismo e de posição. Softwares mais recentes permitem até mesmo diferentes escalas, forças e objetivas dentro e entre as transversais, criando novas possibilidades para múltiplas amostras e análises de profundidade de camada tratada. Isto deixa o operador totalmente livre de mover a amostra manualmente de um ensaio para outro, considerando tanto a movimentação transversal quanto o processo de medição, propiciando um processo rápido, no qual é evidente e clara a capacidade de se avaliar uma variedade de materiais.
Outras Aplicações
Os ensaios automatizados também aumentam os benefícios para o ensaio de dureza Rockwell, particularmente em aplicações que requerem um modelo repetitivo de medições, como por exemplo o ensaio Jominy, no qual diversas barras podem ser ensaiadas e relatadas automaticamente após um clique com o mouse. O uso do estágio automático e do software integrado com o durômetro Rockwell permite uma atuação automática em diversas amostras ao mesmo tempo. Em alguns casos, os produtores já estão ensaiando de forma automática mais de 15 peças em um estágio com múltiplas endentações em cada peça (Figs. 4 e 5).
Assim como nos ensaios Knoop e Vickers, o ensaio Brinell, por natureza, requer um trabalho intensivo e um processo manual que, no seu estado convencional, requer a intervenção e processamento humano constante. Como o ensaio de dureza Brinell tradicional consiste de uma carga única e controlada com diâmetro específico do penetrador esférico de carbeto de tungstênio, a impressão resultante precisa ser medida oticamente (diâmetro em mm) para determinar a dureza do material. Em geral, é realizado utilizando um microscópio de baixa potência, em um processo trabalhoso e subjetivo. Assim como nos ensaios Knoop e Vickers, a fadiga do operador pode conduzir a erros durante medidas repetitivas e o processo por si só pode ser ineficiente e demorado.
Como muitos processos requerem 100% de inspeção e ao mesmo tempo produtividade (a qual depende da velocidade do ensaio), não é de se causar surpresa a demanda por um processo acelerado e que diminua os possíveis erros induzidos pela medição manual. O melhor método a ser aplicado depende de uma variedade de fatores, incluindo o tempo necessário para o ensaio, a geometria das amostras, as técnicas de carregamento e descarregamento da carga, as propriedades dos materiais, as normas ASTM aplicáveis e a aderência a elas, e, com certeza, um alinhamento com o orçamento.
O ensaio Brinell de produção é o único método de determinar de forma automática e precisa a dureza Brinell no ambiente de produção. Utilizando-se do princípio do ensaio Rockwell de medir a profundidade de penetração para determinar a dureza, o ensaio Brinell de produção elimina os procedimentos caros e demorados associados com o ensaio Brinell convencional. Primeiro, a amostra é pré-fixada com uma pressão suficiente para prevenir a sua movimentação durante o procedimento do ensaio. Depois, o ensaio é realizado aplicando-se a pré-carga e a carga completa por um período de tempo especificado. A peça então é solta até que o tempo se complete. O resultado do ensaio é obtido, após a recuperação, medindo-se a diferença entre a profundidade de referência e a profundidade final. Há uma norma ASTM (ASTM E103 – Standard Test Method for Rapid Indentation Hardness Testing of Metallic Materials) para este tipo de ensaio. Esta norma de ensaio cobre o procedimento para o ensaio de dureza com rápida penetração para materiais metálicos, como uma alternativa ao método na norma ASTM E-10 que cobre o procedimento da dureza Brinell padrão e inclui métodos de verificação do equipamento para ensaios de dureza com rápida penetração. O sistema Brinell de produção pode ser integrado em linhas de produção automatizadas ou autônomas para realizar ensaios Brinell rápidos e consistentes. Eles estão disponíveis em uma variedade de formatos e configurações que podem ser customizados para se atingir as necessidades de aplicação. Se o ensaio precisar ser mais próximo do comum, padrões Brinell óticos, ASTM E-10, então, outros meios de realizar o ensaio ótico estão disponíveis.
Quando se utiliza um equipamento Brinell, modelo convencional, de chão ou de bancada, que executa somente a parte de penetração do ensaio, uma alternativa ao processo manual portátil envolve a utilização de uma câmara digital manual que pode medir com precisão e de forma eficiente o diâmetro da impressão, automaticamente usando as técnicas de análise de imagem, como já descrito. Como resultado, tornou-se relativamente fácil a medição da dureza Brinell com a utilização de uma câmara. Se um sistema de imagem portátil, que requer a intervenção manual, está deixando a desejar em relação ao nível de produção, um sistema Brinell ótico, completamente automático, pode proporcionar aderência com a norma ASTM E-10, permitindo um ensaio ótico completamente automatizado.
Um sistema ótico integrado de ensaio Brinell totalmente automatizado pode executar rapidamente e com precisão todo o processo do ensaio de dureza Brinell de acordo com a norma ASTM E-10. Isso inclui a aplicação precisa da endentação e um sistema de análise de imagem para autofocar e identificar e registrar o tamanho da endentação e a dureza medida. Tudo isto, associado ao uso de um software flexível e de fácil utilização, dá ao operador uma extensa capacidade de geração de ensaios, com análise completa e geração de relatórios. O operador somente precisa colocar a amostra no durômetro e pressionar o botão “iniciar”. As impressões são automáticas, assim como a rotação para a objetiva do microscópio. O foco automático e o processamento da imagem são então iniciados, e os resultados são devolvidos rapidamente tanto como diâmetro da impressão quanto como dureza Brinell.
As limitações do passado em relação ao acabamento superficial, iluminação, pré-definição da calibração e tamanho de pixel têm sido mitigadas e estão sob constante melhora. O resultado é um aumento na habilidade e dependência no “deixe o instrumento trabalhar”, contribuindo para um aumento substancial da produção e consistente, ao mesmo tempo em que deixa o operador livre para outras responsabilidades. Com um sistema totalmente integrado, o trabalho intensivo de laboratório, subjetivo e propenso a erros é virtualmente eliminado e substituído por um processo significativamente mais preciso e produtivo.
Para mais informações, contate: Bill O’Neill, gerente de vendas, Wilson Instruments, MA, EUA; tel: +1 781-5757-5873; e-mail: bill_oneill@instron.com. Para informações sobre os sistemas automatizados para determinação da dureza, visite www.wilson-hardness.com.
