Conversão de Dureza e Relações entre Propriedades do Aço

O que a conversão de dureza realmente significa

A conversão de dureza é uma relação empírica entre escalas de ensaio. Ela não altera o material, não reproduz a indentação original nem revela um valor “verdadeiro” oculto de dureza. Quando um aço é ensaiado pelo método Brinell e o resultado é informado como 210 HBW, esse número provém de um penetrador, uma força, um tempo de permanência e uma medição da indentação definidos. Se o mesmo resultado for informado como aproximadamente 21 HRC por meio de uma tabela de conversão, o ensaio Rockwell não foi realizado. O valor HRC é inferido a partir de uma relação estabelecida com o uso de materiais e condições de ensaio comparáveis.

Essa distinção é importante porque as escalas de dureza medem respostas relacionadas, mas diferentes. A dureza Brinell utiliza o diâmetro de uma indentação relativamente grande produzida por uma esfera de carboneto. A dureza Vickers utiliza uma pirâmide de diamante e calcula a dureza a partir da força aplicada e das duas diagonais da impressão. A dureza Rockwell determina a profundidade sob forças preliminar e total especificadas; a escala HRC utiliza um cone de diamante e uma força total de 150 kgf. Seus números não são unidades diferentes de uma única grandeza física universal.

Dureza medida versus dureza convertida

Um valor medido está associado ao ensaio efetivamente realizado. Um relatório laboratorial que indique 210 HBW 10/3000 identifica a escala Brinell, uma esfera de carboneto de 10 mm e uma força nominal de 3000 kgf. “500 HV10” identifica um ensaio Vickers realizado com uma força de 10 kgf. “32 HRC” identifica um resultado Rockwell C obtido nas condições prescritas para essa escala. Os sufixos e os detalhes do ensaio fazem parte do resultado, não são elementos decorativos opcionais.

A dureza convertida deve ser informada separadamente da escala medida diretamente. Strong evidence

Um valor convertido deve ser identificado como tal. Por exemplo, “210 HBW, aproximadamente 21 HRC conforme ASTM E140-12” comunica dois fatos distintos: o primeiro valor foi medido, enquanto o segundo foi obtido por consulta ou cálculo a partir de uma correlação aceita. Informar apenas “21 HRC” pode fazer com que um valor inferido pareça ter sido medido diretamente, o que é enganoso quando a condição da superfície, a espessura da seção ou a seleção da escala podem afetar o resultado.[1][1] Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International. ASTM International standard, 2012.

ASTM E140-12, Tabelas-padrão de conversão de dureza para metais, apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados. Suas tabelas incluem aços-carbono, aços-liga e aços-ferramenta homogêneos, mas a existência de uma categoria de aço não torna todos os graus intercambiáveis. A ASTM declara que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). Um aço 4140 temperado e revenido, um aço AISI 1020 normalizado e um aço inoxidável 301 encruado podem apresentar relações diferentes mesmo quando suas leituras em uma escala são semelhantes.

A geometria também afeta a validade de uma medição antes que qualquer conversão seja tentada. Uma chapa fina pode sofrer influência excessiva da superfície oposta em um ensaio Brinell ou Vickers. Uma peça curva pode produzir uma indentação alterada ou uma profundidade Rockwell interpretada incorretamente. Uma pequena indentação posicionada próxima a uma borda, a outra indentação, a uma solda ou a uma superfície descarbonetada pode não representar o material a granel. A conversão não pode corrigir um local de ensaio mal selecionado ou inválido.

Tabelas de conversão, correlações e estimativas

Uma tabela de conversão é um resumo ajustado de resultados de ensaios, geralmente dividido por grupo de materiais e faixa de dureza. Ela não é uma identidade matemática entre escalas. Dentro da faixa utilizada para construir a tabela, a diferença média entre as escalas medidas pode ser pequena; fora dessa faixa, o erro pode aumentar acentuadamente. A interpolação dentro de uma faixa declarada é, em geral, mais defensável do que a extrapolação além dela.

As equações fornecem o mesmo tipo de relação sob outra forma. Uma correlação pode ser linear em uma faixa limitada, polinomial ou baseada em uma regressão ajustada a uma população específica de aços. Os coeficientes descrevem essa população. Eles não estabelecem uma lei física para todos os aços. A dispersão pode resultar da geometria do penetrador, da recuperação elástica, do escoamento plástico, da anisotropia, da preparação da superfície e de variações na microestrutura.[2][2] Metallic materials—Conversion of hardness values. International Organization for Standardization. ISO standard, 2013.

A ISO 18265 limita a aplicabilidade direta dos valores convertidos ao material exato ensaiado e classifica as estimativas de resistência à tração como menos confiáveis. Strong evidence

A ISO 18265:2013, Materiais metálicos — Conversão de valores de dureza, especifica princípios para converter valores de dureza entre escalas e para estimar a resistência à tração. Ela alerta que “os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado” e identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis (International Organization for Standardization, 2013). Esse alerta estabelece a ordem adequada de confiança: um resultado direto de dureza é o mais confiável, uma conversão para outra escala de dureza é menos certa e uma estimativa de resistência à tração é ainda menos certa.[3][3] Empirical Rockwell–Brinell relationships. National Institute of Standards and Technology. NIST Journal of Research, 1929.

O estudo mais antigo do NIST sobre relações empíricas Rockwell–Brinell, publicado em 1929, constatou que a resistência à tração do aço muitas vezes podia ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais. “Fins comerciais” é uma ressalva importante. Isso dá suporte à triagem, às verificações de processo e à comparação aproximada de materiais; não substitui um ensaio de tração quando uma especificação, um cálculo de projeto, uma investigação de falha ou uma decisão de aceitação depende do limite de escoamento, da resistência à tração, do alongamento ou da redução de área.

A relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS aplica-se somente a alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência. Limited evidence

Uma relação frequentemente repetida é Hᵥ ≈ 3σUTS para alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência, com a dureza expressa em uma unidade de tensão compatível. Uma pesquisa publicada em Materials Science and Engineering: A em 2012 associou essa aproximação a classes específicas de materiais e também mostrou que as razões entre dureza e resistência dependem da microestrutura e da morfologia da indentação. Portanto, a expressão deve ser tratada como uma estimativa específica para determinada classe, e não como uma regra de conversão para todo aço-carbono ou aço-liga.

Por que um único número não pode representar todos os aços

O grau do aço descreve a composição química e a especificação, não uma única condição mecânica. O AISI 1045 pode ser fornecido laminado a quente, normalizado, recozido, temperado e revenido ou endurecido superficialmente. Cada condição altera a distribuição de fases, o tamanho dos grãos, as tensões residuais e o comportamento à deformação. Portanto, o mesmo grau nominal pode apresentar relações diferentes entre dureza e resistência. Uma leitura superficial em um 8620 cementado pode descrever uma camada martensítica, enquanto uma leitura mais profunda descreve um núcleo com menor teor de carbono; um único número convertido não pode representar ambas as regiões.[4][4] Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE International. SAE technical report, 1967.

O relatório técnico da SAE Ensaios de dureza e conversões de números de dureza (1967) declara que conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, porque o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação. Isso é especialmente relevante para conjuntos soldados, peças forjadas, zonas afetadas pelo calor e componentes com fortes gradientes térmicos.

Uma pesquisa divulgada em Materials Today: Proceedings em 2023 identificou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços estruturais não ligados, históricos e contemporâneos, na condição bruta ou normalizada. Esse resultado é útil precisamente porque seus limites são declarados. Ele não deve ser transferido sem validação para aço-ferramenta temperado e revenido, aço inoxidável endurecido por precipitação, chapa bainítica ou um produto fortemente encruado.

A regra prática é simples: uma conversão só é significativa dentro da família de materiais, da condição, da faixa de ensaio e da geometria para as quais a relação foi desenvolvida. Se uma decisão depender das propriedades de tração, realize um ensaio de tração. Se um valor de dureza convertido precisar ser informado, mantenha a escala diretamente medida, identifique a norma ou a equação de conversão, declare a condição e a faixa do material e rotule o resultado como aproximado.

As escalas de dureza utilizadas para o aço

Dureza dinâmica de reboteDureza dinâmica de rebote Dureza inferida a partir da razão entre as velocidades de impacto e de rebote, e não a partir de uma indentação estática.

A dureza do aço é expressa em várias escalas porque nenhum ensaio é adequado para todas as seções, superfícies ou microestruturas. O resultado pode provir de uma grande indentação estática, de uma pequena impressão de diamante ou de um evento dinâmico de ressalto. Por definição, essas medições não são intercambiáveis. Um valor medido como HRC não representa a mesma grandeza física que um valor expresso como HBW, mesmo quando uma tabela de conversão atribui a eles números aproximadamente equivalentes.

A seleção da escala depende da dureza esperada, da espessura da seção, do acabamento superficial, do suporte sob o local do ensaio e da presença de gradientes locais no aço resultantes de cementação, nitretação, soldagem ou revenimento. Uma peça fina pode se dobrar ou sofrer escoamento sob a ação de um penetrador grande. Uma superfície rugosa pode acrescentar erro a uma medição de pequena profundidade. Uma camada cementada microscópica pode ser considerada em média juntamente com seu núcleo mais macio se a impressão for grande demais.

Dureza Brinell: HBW e grandes impressões

O método Brinell pressiona uma esfera dura contra o aço com uma força especificada e, em seguida, mede o diâmetro da impressão permanente, aproximadamente circular. As designações modernas utilizam HBW, em que o W identifica uma esfera de carboneto de tungstênio. Um resultado completo pode ser escrito, por exemplo, como 220 HBW 10/3000, indicando uma dureza Brinell de 220, obtida com uma esfera de 10 mm e uma força nominal de 3000 kgf. A norma do ensaio é a ASTM E10; a ISO 6506 utiliza o mesmo método básico.

As esferas Brinell comuns têm diâmetros de 1, 2,5, 5 ou 10 mm. A força aplicada é selecionada considerando o diâmetro da esfera e o material; forças como 500, 1500 e 3000 kgf são típicas em ensaios de aço. A máquina de ensaio mantém a força durante um período de permanência especificado, após o qual o operador ou o sistema óptico mede o diâmetro da impressão. O valor HBW é calculado a partir da força, do diâmetro da esfera e do diâmetro da impressão, e não apenas da profundidade da indentação.

A impressão é grande em comparação com as produzidas por ensaios Rockwell ou de microdureza. Isso é útil quando o aço contém ferrita, perlita, bainita ou martensita revenida distribuídas em um volume representativo, pois o resultado calcula a média de vários grãos e de pequenas variações locais. Isso também constitui uma limitação. Uma esfera de 10 mm pode ser inadequada próximo a uma borda, em uma chapa fina, ao lado de uma solda ou sobre uma camada endurecida de pequena profundidade. O local do ensaio precisa ter espessura suficiente e um apoio rígido, para que o corpo de prova não se flexione nem se deforme durante a aplicação da carga. A superfície deve ser razoavelmente plana e estar livre de carepa, descarbonetação e marcas profundas de usinagem.

O ensaio Brinell é amplamente utilizado em peças fundidas, forjadas, aços normalizados e outras peças nas quais um grande volume representativo é importante. É menos adequado para aços muito duros, caso a esfera possa se deformar, para pequenos componentes acabados e para zonas estreitas afetadas pelo calor. Uma esfera menor e uma força mais baixa podem reduzir a impressão, mas o resultado passa a exigir um controle mais rigoroso do espaçamento, da espessura e da preparação da superfície.

Dureza Rockwell: HRC, HRB e escalas superficiais

A dureza Rockwell mede o aumento permanente da profundidade de indentação sob uma carga menor, seguida de uma carga maior. Ela não mede o diâmetro da impressão. Primeiro, a máquina aplica uma carga menor de 10 kgf para estabelecer uma posição de referência; depois aplica a carga maior, remove essa carga mantendo a carga menor e converte a profundidade residual em um número de dureza. Nas escalas Rockwell comuns, cada ponto de dureza corresponde a 0,002 mm de variação de profundidade.

A escala HRC utiliza um cone de diamante de 120 graus, comumente denominado penetrador Brale, e uma carga maior de 150 kgf. Ela é destinada a aços mais duros, incluindo aços-ferramenta temperados e revenidos e muitos aços-liga endurecidos. A escala HRB utiliza uma esfera de carboneto de tungstênio ou de aço endurecido de 1/16 de polegada e uma carga maior de 100 kgf, sendo adequada para aços mais macios, classes de baixo carbono recozidas, ligas de cobre e materiais semelhantes. Outras escalas Rockwell comuns utilizam esferas ou cargas diferentes; por isso, a letra é essencial: “Rockwell 60” sem a indicação da escala é uma informação incompleta.

O resultado Rockwell é obtido rapidamente porque a máquina faz a leitura direta da profundidade, e a pequena impressão geralmente deixa uma marca visível menor que a de Brinell. Essa pequena área de contato também torna o ensaio sensível à rugosidade superficial, à curvatura, às camadas descarbonetadas e a constituintes individuais duros ou macios. O corpo de prova deve ser suficientemente espesso e rígido para resistir a movimentos. Uma leitura realizada próxima demais de uma borda, de outra indentação ou de uma descontinuidade do apoio pode apresentar valores falsamente altos ou baixos.

As escalas Rockwell superficial utilizam o mesmo princípio de medição da profundidade, mas com forças menores para seções finas, peças pequenas e camadas superficiais. Uma carga menor de 3 kgf é seguida por uma carga maior de 15, 30 ou 45 kgf, dependendo da escala e do tipo de penetrador selecionados. Designações como 30N, 45N, 30T e 15T identificam a força e a família do penetrador; a designação da escala deve ser informada exatamente, em vez de ser substituída por HRC ou HRB convencional. Os ensaios superficiais reduzem o risco de atravessar uma camada endurecida fina ou deformar uma seção leve, mas não fornecem automaticamente um resultado mais preciso. A superfície ainda precisa de preparação adequada, e a profundidade afetada deve ser suficientemente grande em relação à indentação.

Microdureza Vickers e Knoop

O método Vickers pressiona contra o corpo de prova uma pirâmide de diamante de base quadrada, com ângulo de 136 graus entre faces opostas. Após a remoção da carga, o operador mede opticamente as duas diagonais da impressão residual e calcula HV, ou dureza Vickers. As forças de ensaio variam desde cargas de microdureza de alguns gramas-força até cargas convencionais próximas de 100 kgf. Uma designação como 600 HV 0.5 identifica a dureza e a força de ensaio de 0,5 kgf.

Como o diamante não altera sua forma na faixa normal de dureza dos aços, o ensaio Vickers pode abranger aços macios e muito duros com uma única geometria de penetrador. Ele é valioso para seções transversais de soldas, verificações de descarbonetação, camadas nitretadas, camadas cementadas e perfis de dureza através de gradientes locais. A impressão é muito menor que uma impressão Brinell, portanto são necessárias uma preparação polida e um espaçamento cuidadoso. Em cargas muito baixas, a rugosidade superficial, a recuperação elástica, a resolução da medição e as fases individuais podem afetar substancialmente o valor. O aço deve estar firmemente apoiado; uma lâmina fina ou uma borda sem apoio pode se dobrar em vez de receber uma indentação válida.

A microdureza Knoop também utiliza um diamante, mas sua forma é alongada e assimétrica. Mede-se a diagonal maior da impressão, produzindo um valor de dureza Knoop comumente designado por HK. Knoop é particularmente útil para revestimentos muito finos, pequenas profundidades de camada endurecida e regiões frágeis ou pequenas, porque a impressão é rasa e alongada. Sua geometria torna o resultado sensível à orientação, à preparação da superfície, à formação de trincas e à direção das características microestruturais. Os valores Knoop e Vickers não devem ser tratados como idênticos simplesmente porque ambos utilizam penetradores de diamante.

Métodos Leeb e Scleroscope

A dureza Leeb é um método dinâmico de ressalto, e não um ensaio de indentação estática. Um corpo de impacto acionado por mola, geralmente equipado com uma esfera de carboneto de tungstênio ou outra ponta especificada, atinge a superfície. O instrumento mede a velocidade de impacto e a velocidade de ressalto e informa um valor Leeb, geralmente HL, com base na razão entre essas velocidades. A marca de contato resultante é pequena, mas a leitura depende fortemente do acabamento superficial, da curvatura, da massa, da espessura, do apoio e da direção do impacto. A ASTM A956 abrange os ensaios Leeb.

O método Leeb é útil para grandes peças forjadas, máquinas instaladas e locais nos quais não é possível posicionar um durômetro convencional de bancada. A peça deve ser pesada ou estar firmemente acoplada a um suporte rígido; caso contrário, a vibração absorve energia e reduz o valor de ressalto. A conversão de HL para HRC, HBW ou outra escala exige o dispositivo de impacto, a direção e a família de materiais corretos. Ela não é um substituto direto para um ensaio de indentação estática.

O método Scleroscope também se baseia no ressalto. Um martelo com ponta de diamante é liberado de uma altura fixa dentro de um tubo vertical, e observa-se ou mede-se eletronicamente a altura até a qual ele retorna ao atingir a superfície do aço. O resultado é expresso em unidades de dureza Scleroscope, comumente escritas como HS. Diferentemente de Brinell ou Vickers, o método não calcula a dureza a partir de uma impressão permanente medida. Por isso, a limpeza da superfície, o alinhamento vertical, a massa, o apoio e a rugosidade exercem efeitos importantes.

A ASTM E140-12 fornece relações aproximadas entre valores HBW, HV, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono, aços-liga e aços-ferramenta homogêneos. A ASTM declara que a liga, a estrutura dos grãos e o tratamento térmico afetam as conversões. A ISO 18265:2013 também estabelece princípios para conversão e adverte que os valores convertidos se aplicam diretamente apenas ao material exato ensaiado; as estimativas de resistência à tração são as conversões menos confiáveis. Portanto, a escolha da escala deve primeiro produzir um valor medido válido. Um número convertido é uma evidência secundária, e não um substituto para o ensaio direto quando a resistência do aço ou sua aceitação depender desse resultado.

ASTM E140 e ISO 18265: o que as normas permitem

As normas de conversão de dureza não transformam o resultado de um ensaio em uma medição equivalente realizada por outro método. Elas fornecem relações empíricas entre escalas de dureza, geralmente expressas em tabelas. A distinção é importante: um valor medido é obtido diretamente pela aplicação de um penetrador, uma força, um tempo de permanência e um procedimento especificados à peça; um valor convertido é calculado a partir dessa medição; e uma resistência à tração estimada é uma inferência adicional baseada na dureza. Cada etapa pode acrescentar incerteza.

O escopo da ASTM E140-12

A ASTM E140-12, Tabelas-padrão de conversão de dureza para metais, apresenta relações aproximadas entre escalas de dureza especificadas para metais especificados. Suas tabelas incluem valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb. O documento não é uma equação geral que torne todas as escalas de dureza intercambiáveis. Trata-se de uma referência para casos em que o material e as condições de ensaio se enquadram na experiência representada pela tabela aplicável.

Para o aço, a norma inclui tabelas para aços-carbono homogêneos, aços-liga e aços-ferramenta. O termo “homogêneo” é importante. Não se pode presumir que uma tabela desenvolvida para um aço razoavelmente uniforme descreva uma camada cementada, uma superfície descarbonetada, uma zona termicamente afetada por soldagem, um produto laminado com bandeamento ou uma peça que contenha um gradiente acentuado de dureza. O penetrador pode amostrar apenas uma região superficial, enquanto a conversão solicitada pressupõe implicitamente um material uniforme abaixo dela.

A ASTM International afirma diretamente que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (2012). Essas variáveis alteram a resposta à deformação sob o penetrador. Dois aços podem ter a mesma dureza Brinell, mas diferentes proporções de ferrita, perlita, bainita, martensita ou austenita retida. Portanto, podem apresentar diferentes resistências à tração, comportamentos de escoamento e resultados em outra escala de dureza. Mesmo dentro de um mesmo grau, as condições normalizada, temperada e revenida, recozida e encruada não necessariamente seguem a mesma curva de conversão.

As tabelas também dependem da faixa de dureza abrangida. Uma conversão próxima ao meio de uma tabela não é automaticamente confiável em seu limite superior ou inferior. A extrapolação não é um substituto permitido para uma entrada de tabela. Tampouco se deve converter um resultado Rockwell C para Brinell quando a impressão estiver muito próxima de uma borda, de outra impressão, de uma superfície de apoio ou de um limite de solda. Um resultado numérico claro não corrige um ensaio inadequado.

A seleção da escala vem antes da conversão. O ensaio Brinell é frequentemente útil para aços relativamente grosseiros, heterogêneos ou de grandes seções, porque sua grande impressão calcula a média de um volume mais amplo. O ensaio Vickers pode abranger uma ampla faixa de dureza e ser aplicado com baixas cargas, mas as pequenas impressões são mais sensíveis à preparação da superfície, às fases locais e à resolução da medição. Os métodos Rockwell são rápidos e práticos para muitas verificações de produção, enquanto as escalas Rockwell superficiais reduzem a força e a penetração para seções mais finas ou camadas tratadas superficialmente. Os métodos Leeb e Scleroscope são ensaios dinâmicos cujas leituras dependem fortemente da massa, do apoio, da orientação, da condição da superfície e da calibração do instrumento.

A ASTM E140-12 não elimina essas diferenças entre os métodos. Uma tabela pode indicar uma relação aproximada entre HRC e HB, por exemplo, mas não pode estabelecer que uma determinada peça foi ensaiada corretamente ou que sua microestrutura pertence à população a partir da qual a relação foi derivada. Portanto, o resultado relatado deve manter a escala e o método originais. “62 HRC, convertido para aproximadamente 700 HV” transmite mais informação do que relatar apenas “700 HV”, porque o primeiro valor é medido e o segundo é inferido.

A mesma cautela se aplica quando a dureza é usada para inferir a resistência à tração. O estudo do NIST sobre relações empíricas Rockwell–Brinell, publicado em 1929, relatou que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais. Essa constatação apoia a estimativa prática dentro de uma população de aços apropriada; ela não estabelece a resistência à tração como uma função universal de HB. O ensaio de tração mede um comportamento relacionado à fratura em um corpo de prova com geometria definida, enquanto a indentação mede a resistência plástica localizada sob um estado de tensão diferente.

Os princípios da ISO 18265:2013

A ISO 18265:2013, Materiais metálicos — Conversão de valores de dureza, estabelece princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração. A norma trata a conversão como condicionada pelo material, pelo método de dureza, pela faixa aplicável e pelas evidências que fundamentam a relação. Portanto, ela se aproxima mais de uma estrutura para o uso responsável do que de uma afirmação de que todas as escalas possuem uma única equivalência matemática fixa.

Uma limitação central é explicitada: “Os valores convertidos são diretamente aplicáveis somente ao material exato ensaiado” (International Organization for Standardization, 2013). Na prática, “material exato” inclui mais do que uma designação nominal de grau, como ASTM A36, AISI 4140 ou UNS S30400. Inclui a composição dentro dos limites relevantes, a forma do produto, a estrutura dos grãos, a condição da superfície, o tratamento térmico, a deformação anterior e, em muitos casos, a rota específica de fabricação. Uma barra de 4140 temperada e revenida a 600 °C não é intercambiável com um dente de engrenagem de 4140 cementado ou com um eixo endurecido por indução simplesmente porque todos possuem a mesma designação básica de grau.

A ISO 18265:2013 também identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis. Essa classificação é metalurgicamente coerente. A conversão entre duas escalas de indentação já depende da maneira como diferentes penetradores e cargas interagem com o mesmo material. A passagem da dureza para a resistência à tração introduz dependências adicionais relacionadas ao encruamento, aos defeitos, à anisotropia, à geometria do corpo de prova e ao comportamento de fratura. Um número de dureza pode indicar a possibilidade de um tratamento térmico incorreto, mas não pode, por si só, demonstrar a conformidade com uma faixa especificada de resistência à tração quando essa propriedade é um requisito de projeto ou de aceitação.

Uma relação frequentemente repetida ilustra o perigo de remover as qualificações das evidências. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência. Aqui, $H_V$ é a dureza expressa em uma unidade de tensão compatível e ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ é a resistência à tração máxima. A relação é específica para uma classe de materiais, e não uma lei aplicável a todos os aços. O mesmo estudo relatou que as razões entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. Aplicar o fator três a um ferro fundido, a um aço-carbono de baixo teor de carbono, macio e recozido, a um aço inoxidável endurecido por precipitação e a um aço-ferramenta martensítico revenido não seria defensável sem as devidas qualificações.

Há casos mais restritos nos quais uma relação empírica é útil. Um estudo de 2023 sobre aços estruturais históricos e contemporâneos não ligados encontrou uma relação geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços na condição bruta ou normalizada. Esse resultado pode apoiar uma estimativa específica de uma planta ou de uma família de produtos quando o material ensaiado permanece dentro da população estudada. Ele não justifica transferir a reta para um aço-liga temperado e revenido, um arame trefilado a frio ou uma junta soldada.

Tabelas aproximadas versus calibração específica do material

Uma tabela de referência padronizada e uma correlação de qualificação respondem a perguntas diferentes. A ASTM E140-12 pergunta, na prática, qual valor aproximado de dureza pode corresponder a um valor medido para uma classe especificada de metais, dentro do escopo declarado pela norma. Uma correlação de qualificação pergunta qual relação foi demonstrada para um aço, uma rota de processo, uma condição e uma peça definidos.

Por exemplo, um fabricante ou laboratório poderia ensaiar aço 1045 normalizado proveniente de uma rota de produção identificada, medir a dureza Brinell e a resistência à tração em corpos de prova correspondentes e ajustar uma regressão ao longo da faixa de produção real. A equação resultante pode ser adequada para essa condição do 1045, desde que seja verificada em novos lotes e respaldada por uma análise de incerteza. Ela não deve ser aplicada automaticamente ao 1045 endurecido por indução, nem substituir os ensaios de tração quando um contrato especificar diretamente o limite de escoamento ou a resistência máxima.

O relatório técnico da SAE de 1967, Ensaios de dureza e conversões de números de dureza, apresenta esse ponto em termos práticos: conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, porque o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação. O tamanho e a massa da peça são especialmente relevantes para métodos dinâmicos e para seções finas que não podem oferecer apoio adequado. A preparação da superfície, a curvatura, o espaçamento entre impressões e a dureza do apoio também podem alterar o valor medido antes que qualquer conversão seja tentada.

Um relatório defensável registra a dureza medida, a norma e a escala, a força ou carga de ensaio, o penetrador, o local, a condição da superfície, o grau do material e a condição do tratamento térmico. Se um valor convertido for necessário, ele deve ser identificado como convertido e associado à ASTM E140-12 ou à ISO 18265:2013, incluindo, quando viável, a tabela ou a faixa utilizada. Se a resistência à tração for estimada, o relatório deve identificar o modelo empírico, a população de calibração, a dispersão e os limites de uso.

Quando o resultado afeta um projeto crítico quanto à fratura, a liberação de um tratamento térmico ou a aceitação formal com base em propriedades de tração, o ensaio de tração direto é a evidência apropriada, salvo quando um procedimento qualificado separadamente tiver estabelecido a correlação. A conversão de dureza é valiosa para comparação e controle de processo. Ela não autoriza tratar um número conveniente como um substituto universal.

Por que o Grau e a Composição Química do Aço Alteram a Conversão

Um número de dureza descreve a resistência a um penetrador específico sob um ciclo de aplicação de carga específico. Ele não identifica a resistência completa, a ductilidade, o comportamento à fratura ou a microestrutura do aço. Dois corpos de prova podem apresentar 200 HBW, mas atingir esse valor por meio de proporções muito diferentes de ferrita, perlita, bainita, martensita, carbonetos e austenita retida. Suas resistências à tração podem ser diferentes, e seus valores em outra escala de dureza podem não corresponder ao número sugerido por uma tabela geral de conversão.

Essa distinção separa a dureza medida da dureza convertida e da resistência à tração estimada. Um valor medido de 200 HBW é um resultado de um ensaio Brinell definido. Um valor como 92 HRB obtido de uma tabela é um resultado convertido. Uma resistência à tração inferida a partir de qualquer um desses valores é uma estimativa adicional, com incerteza maior. A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, apresenta relações aproximadas para metais e escalas de dureza especificados, mas a ASTM declara claramente que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012).

Carbono, elementos de liga e temperabilidade

O carbono altera a dureza do aço por meio de vários mecanismos interligados. Em um aço ferrítico de baixo carbono, grande parte do carbono permanece na ferrita ou forma quantidades relativamente pequenas de perlita. O aumento do teor de carbono geralmente aumenta a fração de perlita em uma estrutura resfriada lentamente e eleva a quantidade de carbono disponível para formar martensita durante a têmpera. A martensita é muito mais dura que a ferrita, mas sua dureza também depende fortemente do teor de carbono e da condição de revenimento. Portanto, um aço com 0,40% de C temperado e um aço com 0,20% de C temperado não podem receber a mesma relação resistência à tração–dureza apenas porque uma leitura superficial, por acaso, apresenta valor semelhante.

TemperabilidadeTemperabilidade Capacidade de um aço de desenvolver martensita até uma determinada profundidade sob uma condição de resfriamento especificada; não é o mesmo que dureza máxima.

Os elementos de liga alteram tanto as fases presentes quanto o percurso pelo qual elas se formam. Manganês, cromo, molibdênio e níquel podem retardar as transformações da perlita e da bainita, aumentando a temperabilidade — a profundidade até a qual um aço pode desenvolver martensita sob uma taxa de resfriamento especificada. O AISI 1045 pode produzir uma superfície martensítica dura e um núcleo ferrítico-perlítico mais macio em uma seção que resfria rapidamente na superfície. O AISI 4140, com adições de cromo e molibdênio, pode endurecer em maior profundidade sob tratamento comparável. Se ambas as peças receberem a mesma têmpera nominal, seus gradientes de dureza e suas propriedades de tração podem ser diferentes, mesmo quando uma indentação local apresenta o mesmo valor de HRC.

A distinção entre dureza e temperabilidade é importante em seções espessas. Temperabilidade não significa que todos os pontos se tornarão igualmente duros; significa que o aço resiste à transformação difusional durante o resfriamento. O tamanho da seção, o meio de têmpera, a agitação e a geometria da peça determinam o histórico de resfriamento. Por isso, o relatório técnico da SAE de 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, declara que conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, pois o tamanho, a massa, a composição e o processamento afetam essa relação (SAE International, 1967).

Os carbonetos acrescentam outra fonte de divergência. Carbonetos ricos em cromo presentes em um aço-ferramenta ou inoxidável, carbonetos de vanádio em alguns aços rápidos ou em graus produzidos por metalurgia do pó e carbonetos de ferro na perlita não interagem com uma indentação da mesma maneira que uma matriz martensítica uniforme. Uma elevada população de carbonetos pode aumentar a resistência à indentação, reduzindo, ao mesmo tempo, a relação entre a dureza e a deformação à tração da matriz. A austenita retida pode produzir a complicação oposta: um corpo de prova pode apresentar elevada dureza após a têmpera, mas uma transformação subsequente durante o serviço ou a retificação pode alterar suas dimensões e sua dureza medida.

O tratamento de revenimento também é importante. Martensita revenida, bainita e perlita fina podem ocupar faixas de dureza sobrepostas, embora apresentem diferentes relações entre limite de escoamento e resistência à tração, além de diferentes respostas à fratura. O tamanho da indentação, as tensões residuais, o encruamento e a anisotropia também influenciam a leitura. A mesma dureza nominal não constitui uma análise de fases.

Aços estruturais não ligados e correlações comerciais

Uma tendência geral entre dureza e resistência ainda pode ser útil dentro de uma família restrita de aços. Aços estruturais não ligados, na condição bruta ou normalizada, frequentemente contêm ferrita e perlita cujas proporções variam com o teor de carbono e o histórico de resfriamento. Aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos estudados em 2023 apresentaram uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração nessas condições (Materials Today: Proceedings, 2023). Esse resultado explica por que estimativas de resistência baseadas na dureza Brinell podem funcionar razoavelmente para um grupo controlado de aços estruturais comuns.

A relação é empírica, não uma lei física. Para graus como EN 10025-2 S275JR e EN 10025-2 S355JR, uma leitura de dureza pode subsidiar uma verificação de processo ou uma estimativa preliminar aproximada quando se sabe que o material é um aço estrutural não ligado ou de baixa liga, na condição de fornecimento esperada. Ela não pode comprovar a conformidade com as faixas especificadas de limite de escoamento e resistência à tração sem o ensaio de tração exigido. A normalização refina a estrutura dos grãos e altera o equilíbrio ferrita–perlita; o histórico de laminação e a segregação podem alterar novamente o resultado.

Um estudo do NIST de 1929 sobre relações empíricas Rockwell–Brinell relatou que a resistência à tração do aço frequentemente pode ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais (NIST, 1929). “Frequentemente” é o limite operacional. Essa estimativa é útil para uma correlação aproximada dentro da população a partir da qual foi derivada, mas não autoriza substituir um ensaio de tração para todos os graus de aço.

A ISO 18265:2013 estabelece princípios para converter valores de dureza entre escalas e para estimar a resistência à tração, mas adverte que os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado e identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis (ISO, 2013). Assim, uma entrada de tabela para HBW–HRC não deve ser tratada como evidência de que o valor convertido de HRC prevê a resistência à tração com o mesmo grau de confiança.

Aços-ferramenta, aços inoxidáveis e pressupostos não aplicáveis

Aços-ferramenta e aços inoxidáveis expõem os limites das correlações gerais para aços-carbono. O AISI D2 pode conter uma quantidade substancial de carbonetos ricos em cromo em uma matriz endurecida e revenida. O AISI H13 pode conter martensita ligada revenida após o tratamento de aço-ferramenta para trabalho a quente. O aço inoxidável AISI 420 pode variar de um material recozido relativamente macio a um material martensítico duro após têmpera e revenimento. Cada condição altera a resposta à indentação, e nenhuma delas deve receber uma conversão para aço-carbono simplesmente porque seu valor de HRC ou HV se encontra na mesma faixa numérica.

Aços inoxidáveis austeníticos, como o AISI 304 e o AISI 316, apresentam um problema diferente. Sua matriz cúbica de face centrada pode sofrer forte encruamento durante a indentação, e a redução a frio pode produzir martensita induzida por deformação em algumas composições. Portanto, a dureza medida após o trabalho a frio reflete tanto a composição inicial quanto o histórico de processamento. Graus inoxidáveis ferríticos, duplex, endurecíveis por precipitação e martensíticos exigem pressupostos separados, pois seu equilíbrio de fases e seus mecanismos de endurecimento são diferentes.

A aproximação frequentemente citada Hᵥ ≈ 3σUTS foi identificada para alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência, mas um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A enfatiza que as relações entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação (Materials Science and Engineering: A, 2012). Ela não é uma conversão universal para o aço.

O ensaio direto de tração continua necessário quando as propriedades de tração controlam a aceitação, o projeto ou a avaliação de falhas, salvo quando uma correlação qualificada for aprovada. Strong evidence

Os relatórios devem, portanto, informar a escala medida, a norma do ensaio, a força ou a designação da esfera, quando aplicável, o local e a condição do material. Se um valor convertido for informado, deve ser identificado como convertido, com indicação da tabela ou norma aplicável. Se a resistência à tração for estimada, deve ser identificada como estimativa, e deve-se declarar a faixa de materiais que a fundamenta. Quando a aceitação, os valores admissíveis de projeto ou a avaliação de falhas dependerem das propriedades de tração, o ensaio de tração direto continuará sendo necessário.

Tratamento térmico e microestrutura: as principais fontes de erro

O tratamento térmico é uma variável de primeira ordem em qualquer relação de dureza. Ele não pode ser tratado como uma nota de rodapé abaixo da designação do aço. Dois corpos de prova com a mesma composição química nominal podem apresentar dureza, resistência à tração, ductilidade e resposta à indentação substancialmente diferentes após recozimento, normalização, têmpera, revenimento, cementação, nitretação ou têmpera por indução. Uma conversão de dureza que ignore a condição do material pode produzir um número com aparência de precisão, mas com pouca validade física.

Essa distinção é importante porque três grandezas diferentes são frequentemente confundidas. A dureza medida é o resultado obtido em um ensaio especificado, como 220 HBW ou 62 HRC. A dureza convertida é uma estimativa aproximada em outra escala, como um valor Rockwell C inferido a partir da dureza Vickers. A resistência à tração estimada é uma inferência adicional baseada na dureza e é menos confiável do que uma conversão entre escalas. A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono homogêneos, aços-liga e aços-ferramenta. A norma também afirma que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico”.

A ISO 18265:2013 explicita a mesma limitação. Ela especifica princípios para converter valores de dureza entre escalas e para estimar a resistência à tração, mas declara que os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado. Suas estimativas de resistência à tração são identificadas como as conversões menos confiáveis. Essas restrições são especialmente importantes quando a superfície medida não representa toda a seção transversal.

Condições recozida, normalizada, temperada e revenida

Em um aço recozido, o resfriamento lento geralmente produz uma estrutura relativamente grosseira de ferrita–perlita, ou outra estrutura amolecida selecionada para usinagem e conformação. Uma indentação Brinell nessa condição amostra um volume comparativamente grande contendo colônias de ferrita e perlita. A dureza resultante frequentemente acompanha a resistência à tração de maneira razoável dentro de uma família estreita de aços de baixo carbono, mas a relação ainda varia com o teor de carbono, a fração de perlita, o espaçamento entre colônias e o tamanho de grão. Um aço recozido de baixo carbono e um aço recozido de maior teor de carbono podem apresentar superfícies de ensaio visualmente semelhantes, mas relações resistência–dureza diferentes.

A normalização altera essa comparação. O aquecimento acima da faixa crítica, seguido de resfriamento ao ar, geralmente produz ferrita e perlita mais finas do que o resfriamento lento no forno. O refino de grão pode elevar o limite de escoamento e a resistência à tração sem produzir o mesmo aumento proporcional na dureza por indentação. O estudo de 2023 publicado em Materials Today: Proceedings sobre aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos encontrou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços na condição bruta ou normalizada. Esse resultado apoia a estimativa prática dentro da população estudada; ele não torna a relação transferível para um aço-liga temperado e revenido ou para um componente endurecido superficialmente.

A têmpera cria martensita, frequentemente com austenita retida e tensões de transformação. A dureza pode aumentar acentuadamente porque o penetrador encontra uma fase de alta resistência e resistente ao cisalhamento, mas a resposta à tração também depende do teor de carbono, do tamanho de grão da austenita prévia, da dissolução de carbonetos, da austenita retida e da sensibilidade à formação de trincas. Um corpo de prova de SAE 1045 temperado e um corpo de prova de AISI 4140 temperado podem apresentar ambos uma leitura próxima de um valor elevado na escala Rockwell C, embora difiram em resistência à tração e tenacidade. Seus elementos de liga alteram a temperabilidade e a resposta ao revenimento; portanto, o mesmo HRC nominal não garante as mesmas propriedades de tração.

O revenimento decompõe ou modifica a martensita, reduz as tensões residuais e altera a distribuição de carbonetos. O revenimento em baixa temperatura pode manter uma dureza elevada, ao mesmo tempo que alivia parte das tensões de têmpera. O revenimento em temperatura mais alta reduz a dureza, mas pode melhorar a tenacidade e produzir uma relação resistência–dureza diferente daquela da condição temperada. Um eixo de AISI 4140 temperado e revenido, por exemplo, deve ser comparado com dados de conversão para uma liga e uma condição semelhantes, e não com uma tabela genérica para aço-carbono. Mesmo dentro de uma única classe, a temperatura e o tempo de revenimento podem conduzir o material a diferentes combinações de dureza, limite de escoamento, resistência à tração e alongamento.

O estudo do NIST sobre relações empíricas Rockwell–Brinell, publicado em 1929, relatou que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais. “Frequentemente” é a palavra determinante. O resultado descreve uma população empírica, e não uma lei física que permaneça válida diante de toda mudança no tratamento térmico. O relatório técnico da SAE de 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, também enfatizou que conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, porque o tamanho, a massa, a composição e o processamento afetam a relação.

Endurecimento superficial e gradientes ao longo da espessura

A cementação, a nitretação e a têmpera por indução tornam um único valor de dureza ainda menos representativo. A cementação enriquece em carbono a superfície de um aço de baixo carbono, seguida de têmpera para formar uma camada cementada martensítica dura sobre um núcleo mais tenaz e de menor teor de carbono. Uma leitura superficial pode ser de 60 HRC ou mais, enquanto o núcleo é muito mais macio. Converter esse valor superficial em resistência à tração para todo o componente é um erro de categoria: o ensaio mede a camada cementada, e não a seção transversal resistente à carga como se fosse um material uniforme.

A nitretação produz uma zona de difusão enriquecida em nitrogênio e, próxima à superfície, uma camada de compostos contendo nitretos de ferro, como ε-Fe₂–₃N e γ′-Fe₄N. A camada pode ser muito dura e fina. Os ensaios convencionais Rockwell ou Brinell podem ser inadequados porque sua penetração e sua zona plástica se estendem abaixo da região tratada; frequentemente é necessário um perfil de microdureza Vickers ou Knoop para resolver o perfil de dureza. Mesmo um valor de microindentação pode ser distorcido pelo substrato se a indentação for muito profunda em relação à espessura da camada.

Nível de dureza

A têmpera por indução cria uma zona martensítica endurecida cuja profundidade depende da frequência, da potência, da velocidade de varredura, da geometria e das condições de têmpera. A dureza muda continuamente da superfície, passando pela região de transição, até o núcleo mais macio. Um valor informado de “62 HRC” é incompleto, a menos que a localização e a profundidade de medição sejam especificadas. O mesmo componente pode produzir diferentes conversões na superfície, na profundidade efetiva da camada endurecida e no núcleo.

Esses gradientes também afetam a geometria da indentação. Uma indentação rasa posicionada sobre uma camada dura pode ser restringida pelo material mais macio subjacente; uma indentação mais profunda produz uma média de várias regiões. A curvatura da superfície, a espessura da seção, a distância da borda e a massa da peça podem alterar o campo de tensões. As tabelas da ASTM E140-12 destinam-se às faixas de materiais e às condições de ensaio representadas nas tabelas, e não a perfis arbitrários endurecidos superficialmente. A exigência da ISO 18265:2013 de que uma conversão seja diretamente aplicável apenas ao material exato ensaiado é particularmente relevante nesse contexto.

Estrutura dos grãos, fases e morfologia da indentação

A dureza é uma resistência local à indentação, e não uma medição direta da resistência à tração. O penetrador produz deformação elástica e plástica em um volume finito. O tamanho de grão, a textura cristalográfica, os contornos de fase, as inclusões, os carbonetos e as tensões residuais influenciam esse volume. Uma estrutura fina de ferrita–perlita pode distribuir a deformação de maneira diferente da perlita grosseira. Regiões de bainita, martensita, ferrita, austenita retida e ricas em carbonetos podem produzir valores médios de dureza semelhantes por meio de diferentes mecanismos de deformação.

A tensão residual de compressão pode aumentar a resistência aparente à indentação, enquanto a tensão residual de tração pode reduzi-la ou promover a formação de trincas. Assim, queima de retificação, descarbonetação, granalhagem e danos de usinagem podem alterar uma leitura superficial sem modificar as propriedades de tração do volume na mesma proporção. A posição da indentação também é importante: uma impressão sobre um carboneto grande, próxima a um contorno de fase ou perto de uma indentação anterior pode não representar a matriz.

A morfologia da indentação fornece outro alerta. Os métodos Brinell e Vickers baseiam-se no tamanho e na forma de uma impressão permanente; os métodos Rockwell baseiam-se na profundidade de penetração. O pile-up ao redor de uma indentação pode fazer com que a área de contato seja menor do que a assumida por uma análise idealizada, enquanto o sink-in faz com que ela seja maior. Em aços anisotrópicos, multifásicos ou com alto encruamento, esses efeitos alteram a relação entre dureza e tensão de escoamento. Um estudo revisado por pares publicado em 2012 em Materials Science and Engineering: A relatou que as relações entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. O estudo identificou a relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS para alguns materiais metálicos de alta resistência e dúcteis, mas essa expressão é específica da classe de material, e não uma equação universal para aços.

Consequentemente, um relatório deve informar a classe do aço, a condição de tratamento térmico, o método de ensaio, a escala, a localização e qualquer informação sobre a profundidade da camada endurecida. Um valor medido como 245 HBW não é intercambiável com um valor convertido como 23 HRC, e nenhum dos dois corresponde automaticamente a uma resistência à tração estimada. Quando a aceitação, o risco de fratura ou o projeto estrutural dependem das propriedades de tração, a resposta apropriada é realizar um ensaio de tração direto ou utilizar uma correlação validada e específica para a classe e a condição do material — não uma conversão sem fundamento a partir de um valor de dureza conveniente.

Relações de Conversão entre Brinell, Rockwell e Vickers

As tabelas de conversão de dureza não tornam as medições HBW, HRC e HV intercambiáveis. Elas apresentam um valor estimado em uma escala a partir de um valor medido em outra. Essa distinção é importante porque cada método utiliza um penetrador, uma força, uma geometria de contato e um procedimento de cálculo diferentes. Um resultado Brinell como 220 HBW é medido a partir do diâmetro de uma impressão relativamente grande; 220 HBW convertido para 21 HRC é uma estimativa de tabela, não um segundo ensaio Rockwell.

A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados. Suas tabelas para aço incluem aços-carbono homogêneos, aços-liga e aços-ferramenta. A ressalva é importante: a ASTM declara que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico”. A ISO 18265:2013 também estabelece princípios para a conversão entre escalas de dureza e para a estimativa da resistência à tração, mas afirma que os valores convertidos se aplicam diretamente apenas ao material exato ensaiado. Portanto, uma tabela permite a comparação dentro do material e da faixa especificados; ela não estabelece uma identidade física entre números de dureza.

Como ler tabelas de HBW para HRC e de HRC para HBW

Primeiro, identifique o ensaio efetivamente realizado e sua designação completa. HBW significa dureza Brinell medida com uma esfera de carboneto de tungstênio; o diâmetro da esfera e a força aplicada também podem ser informados, como em 220 HBW 10/3000. HRC significa dureza Rockwell C, normalmente obtida com um cone de diamante e uma força total de 150 kgf segundo o procedimento Rockwell. Um simples “HB” ou “HR” é incompleto para fins de relatório técnico, porque o material da esfera, o diâmetro da esfera, a escala Rockwell e a força de ensaio podem afetar o resultado.

Para converter 220 HBW em HRC, localize 220 na coluna HBW da tabela aplicável da ASTM E140-12 ou da ISO 18265:2013 e leia o valor correspondente na coluna HRC. Se a linha indicar 21 HRC, o relatório correto é aproximadamente 21 HRC convertido a partir de 220 HBW, e não simplesmente “21 HRC”, como se um ensaio Rockwell C tivesse sido realizado. A conversão inversa exige a mesma disciplina: comece com o valor HRC medido, selecione a tabela correta para o aço e leia a estimativa correspondente em HBW. A consulta inversa não necessariamente reproduzirá o número original, porque a relação tabelada é arredondada e pode ter sido construída a partir de uma relação ajustada ou empírica, e não de uma equação reversível.

Entradas adjacentes não são equivalentes exatas. Suponha que uma tabela indique 210 HBW como 19 HRC e 230 HBW como 22 HRC. Um valor medido de 220 HBW situa-se entre essas linhas, mas não possui simultaneamente um valor preciso de 20,5 HRC e um valor Rockwell fisicamente verificado. A interpolação linear poderia produzir aproximadamente 20,5 HRC como auxílio de relatório, caso a norma aplicável permita a interpolação nessa faixa; ainda assim, o resultado permanece uma estimativa cuja incerteza inclui a dispersão da relação de conversão e a incerteza da medição original.

A classe do material deve corresponder à peça. Um aço 4140 temperado e revenido até obter uma estrutura martensítica não necessariamente segue a mesma relação HBW–HRC que um AISI 1020 normalizado, um AISI 1045 recozido ou um aço-ferramenta de alto carbono. A razão é mecânica, e não apenas tabelar: a resposta à indentação depende do limite de escoamento, do encruamento, da distribuição de carbonetos, da austenita retida, do tamanho dos grãos, das tensões residuais e da deformação ao redor da impressão. O relatório de 1967 da SAE International, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, afirma que conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição do aço, o tratamento térmico e a peça específicos, porque o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam essa relação.

O ensaio Rockwell é rápido e conveniente para inspeções repetitivas, mas pode ser sensível a condições que uma impressão Brinell grande tende a promediar. Seções finas podem flexionar ou permitir que o campo de tensões da impressão interaja com a superfície oposta. Um corpo de prova mal apoiado pode produzir um resultado falso. A seleção da escala também é importante: usar HRC quando HRB é apropriado, ou aplicar uma escala Rockwell superficial sem identificar sua força e seu penetrador, invalida a comparação. Carepa superficial, descarbonetação, rugosidade, curvatura e espaçamento insuficiente entre as impressões podem alterar a leitura. Um valor HRC convertido não pode corrigir uma medição HBW inadequada nem compensar uma configuração Rockwell imprópria.

Quando Vickers oferece uma ponte útil

A dureza Vickers, relatada como HV com a força de ensaio identificada quando necessário, utiliza uma pirâmide de diamante e calcula a dureza a partir das duas diagonais da impressão. Sua geometria a torna útil em uma faixa de dureza mais ampla do que a de uma única escala Rockwell e em condições nas quais uma esfera Brinell é grande demais. Uma impressão Vickers pode examinar uma camada endurecida pequena, um cordão de solda ou uma zona afetada pelo calor, uma região de fase individual ou uma seção fina, desde que a força, a preparação da superfície, o espaçamento entre as impressões e a medição óptica atendam ao método aplicável.

Vickers pode atuar como uma ponte quando HBW e HRC são limitados pelas respectivas escalas. Por exemplo, uma camada cementada pode ser fina demais para uma impressão Brinell convencional e pode produzir resultados instáveis em um ensaio Rockwell padrão se a impressão ultrapassar a camada. Uma varredura Vickers com baixa força pode mostrar o gradiente de dureza desde a superfície até o núcleo. Essa informação é mais útil do que atribuir um único número HRC convertido a uma estrutura estratificada. O mesmo se aplica ao metal de solda e às zonas afetadas pelo calor, nas quais várias microestruturas podem existir em poucos milímetros.

Vickers não é automaticamente mais preciso. A medição das diagonais é afetada pelo acabamento superficial, pela resolução óptica, pelo julgamento do operador, pelo acúmulo ou afundamento de material ao redor da impressão e pela força selecionada. Impressões muito pequenas amplificam o erro de medição. Um valor HV medido localmente também pode corresponder a um carboneto, a uma ilha de martensita ou a uma região descarbonetada, em vez de representar o aço em volume amostrado por uma impressão Brinell. Portanto, a conversão de HV para HRC ou HBW só é significativa quando a tabela abrange a classe de aço, o intervalo de dureza e as condições de força de ensaio relevantes.

As fórmulas que relacionam dureza e resistência exigem ainda mais cautela. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS para alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência, ao mesmo tempo que mostrou que as razões entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. Essa não é uma equação geral para aços-carbono e aços-liga. A ISO 18265:2013 identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis. Um estudo do NIST de 1929 constatou que a resistência à tração do aço muitas vezes pode ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, mas essa constatação sustenta uma estimativa empírica controlada, e não uma substituição universal do ensaio de tração.

Limites de faixa, interpolação e descontinuidades

Use uma conversão somente dentro da faixa de dureza e da categoria de material indicadas na tabela. Se uma tabela termina em 60 HRC, um valor medido de 64 HRC não deve ser extrapolado a partir das linhas finais. Se a peça for de aço inoxidável endurecido por precipitação, mas a tabela abranger aços-carbono, aços-liga e aços-ferramenta homogêneos, selecionar a linha visualmente mais próxima não torna a conversão válida. A designação do grau também pode ser insuficiente: condições normalizadas, recozidas, temperadas, revenidas, cementadas e encruadas podem produzir relações diferentes para a mesma composição nominal.

A interpolação só é aceitável quando a norma ou um procedimento aprovado a sustenta e quando as entradas adjacentes formam uma seção contínua adequada. Ela deve ser identificada como interpolação, com arredondamento sensato que não implique uma precisão sem respaldo. Relatar 21,37 HRC a partir de uma tabela Brinell geralmente afirma uma certeza maior do que a fonte pode fornecer. Relate primeiro o valor medido e, em seguida, o valor convertido e a referência, por exemplo: “220 HBW; aproximadamente 21 HRC convertido conforme a ASTM E140-12”.

Podem surgir descontinuidades quando uma tabela muda de classe de material, escala Rockwell, penetrador ou intervalo de dureza. Elas também podem refletir transições na mecânica da indentação, e não uma mudança abrupta no aço. Não suavize a curva através de tal limite nem faça a média de valores de tabelas separadas. Quando a aceitação depender de propriedades de tração, profundidade de camada, qualificação de solda ou uma condição especificada do grau do material, realize o ensaio direto exigido. A conversão é uma ferramenta de comparação; não é evidência de que o ensaio não realizado teria sido aprovado.

Dureza e Resistência à Tração: Uma Relação, Não uma Identidade

A dureza e a resistência à tração estão relacionadas porque ambas dependem da resistência de um metal à deformação plástica, mas não são propriedades intercambiáveis. Um ensaio de dureza produz uma pequena impressão em um único local. Um ensaio de tração solicita um corpo de prova padronizado através de um volume muito maior até que ocorram escoamento, fluxo plástico e fratura. Portanto, os dois ensaios amostram volumes diferentes de material, impõem estados de tensão diferentes e produzem tipos diferentes de medições.

Um valor de dureza pode ser medido diretamente nas escalas Vickers, Brinell, Rockwell, Knoop ou em outra escala. Um valor de dureza convertido é calculado a partir de uma escala medida diferente, utilizando uma relação publicada. Uma resistência à tração estimada é uma etapa adicional: ela infere uma propriedade de tração a partir da dureza. Cada etapa acrescenta premissas e possíveis erros. Tratar uma resistência à tração estimada como se fosse um resultado de ensaio de tração é uma prática inadequada de relatório, especialmente quando uma especificação, um cálculo de projeto ou uma investigação de falha depende do limite de escoamento, da resistência à tração ou do alongamento.

O que a dureza mede mecanicamente

A dureza é a resistência à deformação plástica localizada. Em um ensaio Vickers, uma pirâmide de diamante é pressionada contra a superfície com uma força especificada; em seguida, medem-se as duas diagonais da impressão. O número de dureza Vickers, $H_{\mathrm{V}}$, é calculado a partir da força aplicada e da área projetada da impressão. Em um ensaio Brinell, uma esfera de metal duro é pressionada contra o material, relacionando-se a força ao diâmetro da impressão resultante. Já o ensaio Rockwell mede a profundidade de penetração sob cargas menor e maior definidas, com o resultado informado em uma escala especificada, como HRC ou HRB.

O penetrador cria um campo de tensões tridimensional complexo sob a área de contato. Esse campo inclui componentes de compressão, cisalhamento e tração, e o material próximo à impressão pode sofrer deformação plástica severa. A resposta medida é afetada pelo encruamento, pela recuperação elástica, pelo atrito, pela geometria do penetrador, pela preparação da superfície e pelo tamanho da zona plasticamente deformada. Ela também reflete o material imediatamente abaixo da superfície ensaiada, e não necessariamente as propriedades médias de uma peça inteira.

Esse caráter local explica por que a dureza é útil para verificar gradientes e efeitos de processamento. Uma camada martensítica temperada e revenida, uma superfície descarbonetada, uma zona termicamente afetada pela soldagem ou uma camada cementada podem apresentar um valor de dureza que difere acentuadamente do núcleo. O espaçamento entre impressões, a distância até a borda, a espessura do corpo de prova, a curvatura e a rugosidade superficial também podem distorcer o resultado. Um número de dureza sem sua escala, método de ensaio, carga e condição é incompleto. “60” poderia significar 60 HRC, 60 HRB, 60 HRA ou aproximadamente 60 HV sob uma carga especificada; esses valores não são equivalentes.

A resistência à tração, por outro lado, é a tensão de engenharia máxima atingida durante um ensaio de tração uniaxial. O corpo de prova é tracionado ao longo de um comprimento de referência, e a resistência à tração máxima informada, ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, é calculada dividindo-se a carga máxima pela área original da seção transversal. O ensaio captura a deformação em um volume de referência relativamente grande e revela propriedades adicionais, incluindo o comportamento no escoamento, o alongamento uniforme, o alongamento total e a redução de área. Uma impressão de dureza não pode fornecer essas medições de deformação em tração.

A distinção é importante no caso de aços heterogêneos. Um ensaio de dureza superficial pode ser dominado por uma fina camada endurecida, mesmo quando o núcleo apresenta menor resistência à tração. Inversamente, uma região de granulação grosseira, uma microestrutura bandeada, uma população de inclusões ou uma variação local do tratamento térmico podem influenciar um corpo de prova de tração de maneira diferente de uma pequena impressão. A dureza e a resistência podem acompanhar-se mutuamente dentro de uma família de produção controlada, mas essa correlação é um resultado empírico, não uma definição.

A relação aproximada $H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$

Uma regra frequentemente repetida afirma:

$$H_{\mathrm{V}}\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$$

Quando a dureza Vickers e a resistência à tração são expressas em unidades compatíveis, essa relação às vezes é útil como uma comparação aproximada de ordem de grandeza. Por exemplo, um material com $H_{\mathrm{V}}=600$ poderia ser associado a uma resistência à tração próxima de $2,000\text{MPa}$ segundo uma relação desse tipo. Esse cálculo não constitui um certificado do material e não deve ser apresentado como tal.

A relação foi identificada para alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A relatou que a razão entre dureza e resistência depende da classe do material, da microestrutura e da morfologia da impressão. Essas ressalvas são decisivas. O fator três não é uma equação geral para todos os aços, todas as escalas de dureza ou todos os tratamentos térmicos. Ele não é válido simplesmente porque o número medido é denominado dureza Vickers.

Do ponto de vista mecânico, a aproximação tem uma base plausível. A deformação plástica sob um penetrador requer uma alta tensão de escoamento representativa, enquanto a resistência à tração reflete o nível de tensão atingido durante a deformação uniaxial e o encruamento. Em uma classe restrita de materiais, com uma relação consistente entre a pressão de indentação representativa, a tensão de escoamento e a resposta à tração, pode surgir uma razão quase constante. Se o mecanismo de deformação ou o comportamento de encruamento mudar, a razão também mudará.

O mesmo grau de aço pode afastar-se da aproximação após diferentes rotas de processamento. Ferrita-perlita, bainita, martensita revenida e martensita temperada não endurecem sob carregamento da mesma maneira. A austenita retida, a distribuição de carbonetos, o tamanho de grão, as tensões residuais e a deformação prévia podem alterar a forma da impressão e a curva de tração. Um aço-ferramenta de alto carbono, um aço estrutural de baixo carbono e um aço inoxidável austenítico podem apresentar razões diferentes entre dureza e resistência à tração, mesmo com valores nominais de dureza semelhantes.[5][5] Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings authors. Materials Today: Proceedings, 2023.

Trabalhos empíricos publicados sustentam um uso limitado e específico para determinadas condições, e não uma substituição universal. Uma pesquisa publicada em Materials Today: Proceedings em 2023 encontrou uma relação geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços estruturais não ligados, históricos e contemporâneos, na condição bruta ou normalizada. Esse resultado é útil para essa população de materiais e condição. Ele não estabelece a mesma reta para aço-liga temperado e revenido, chapas encruadas, componentes endurecidos superficialmente ou conjuntos soldados.

As unidades também exigem atenção. A dureza Vickers é convencionalmente expressa como um número de dureza adimensional, embora esteja relacionada à força por unidade de área. A resistência à tração normalmente é expressa em MPa ou N/mm². Como $1{\text{kgf/mm}}^2$ equivale aproximadamente a $9.807\text{MPa}$, a mistura descuidada das convenções de dureza com as unidades de tensão do SI pode produzir um erro de quase uma ordem de grandeza. Um relatório tecnicamente adequado informa a equação, as unidades, a população de materiais e a incerteza.

Por que as estimativas de resistência à tração são as conversões menos confiáveis

A conversão entre escalas de dureza e a estimativa da resistência à tração não são tarefas equivalentes. A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, apresenta relações aproximadas entre os valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços homogêneos ao carbono, ligados e para ferramentas. A ASTM International afirma que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura de grãos e pelo tratamento térmico”. Portanto, as tabelas descrevem populações empíricas definidas; elas não transformam todo valor de dureza em uma propriedade universal do material.

A ISO 18265:2013, Metallic materials—Conversion of hardness values, especifica princípios para converter valores de dureza entre escalas e para estimar a resistência à tração. Ela também adverte que “os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado” e identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis. Essa classificação decorre da cadeia de inferências. Converter HRC em HV já pressupõe uma relação entre dois métodos de indentação. Estimar ${\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ a partir de qualquer um desses valores pressupõe adicionalmente uma relação entre a plasticidade localizada da indentação e a deformação uniaxial em grande volume.

O estudo da NIST publicado em 1929 sobre relações empíricas Rockwell–Brinell observou que a resistência à tração do aço muitas vezes pode ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais. Trata-se de uma observação prática, não de uma declaração de identidade física. O termo “muitas vezes” depende da população de aços, da condição e do erro permitido. A observação da NIST não elimina a necessidade de validar a relação com dados de tração do grau de aço e da rota de processamento relevantes.

O relatório técnico da SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions, publicado em 1967, tornou a mesma limitação ainda mais explícita: conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, pois o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação. Um forjado espesso, uma tira fina e um pequeno pino tratado termicamente podem produzir correlações diferentes, mesmo quando seus graus nominais são idênticos. A geometria altera a restrição ao redor da impressão, enquanto a massa e o tamanho da seção influenciam a velocidade de resfriamento e, consequentemente, a microestrutura.

Para decisões de aceitação, uma resistência à tração derivada da dureza deve ser identificada como uma estimativa e acompanhada da escala medida, da norma de ensaio, do local, do grau do material, da condição de tratamento térmico, da população de calibração e da incerteza esperada. Se um desenho ou uma especificação de material exigir resistência à tração, a evidência adequada é um ensaio de tração realizado segundo a norma aplicável, e não um número convertido escolhido por parecer próximo do requisito. A dureza pode ser usada para triagem, comparação e monitoramento. Por si só, ela não pode comprovar o comportamento completo à tração de uma peça de aço.

Geometria, Tamanho, Massa e Local do Ensaio

Um valor de dureza descreve a resposta de um determinado volume de material sob um determinado penetrador. Ele não descreve apenas a composição. Dois corpos de prova cortados do mesmo aço tratado termicamente podem produzir leituras diferentes quando um deles é fino, tem pouco apoio, é curvo, apresenta rugosidade, está descarburizado ou é medido próximo de uma indentação anterior. Portanto, o valor medido pode mudar mesmo que a liga e o tratamento térmico não tenham mudado.

Isso é importante antes de qualquer tentativa de conversão. Uma tabela de conversão pode relacionar uma medição válida Brinell, Rockwell ou Vickers a um valor aproximado em outra escala; ela não pode corrigir uma indentação distorcida por flexão, vibração, danos superficiais ou um local de ensaio inadequado. O relatório técnico da SAE Hardness Tests and Hardness Number Conversions (1967) enfatiza especificamente que relações precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, pois o tamanho, a massa, a composição e o processamento afetam o resultado.

Espessura mínima e distância da borda

A peça de ensaio deve ser suficientemente espessa para que a zona de deformação plástica sob a indentação não alcance a superfície oposta. Se isso ocorrer, o material de apoio deixará de restringir a indentação da mesma forma que em um corpo de prova maciço. O penetrador poderá penetrar mais profundamente, ou a geometria de contato poderá mudar, produzindo um valor de dureza menor ou de outro modo tendencioso em relação ao de uma seção suficientemente espessa. A espessura mínima permitida depende da escala de dureza, do penetrador, da força aplicada e da faixa de dureza; uma chapa fina adequada para o ensaio Rockwell superficial pode não ser adequada para o ensaio Rockwell padrão ou Brinell.

Peças pequenas criam um problema relacionado. Um componente de baixa massa pode se mover, inclinar-se ou deformar-se elasticamente sob a força de ensaio. Mesmo um pequeno deslocamento altera a profundidade de penetração em um ensaio Rockwell e pode afetar a medição do diâmetro em um ensaio Brinell. O dispositivo de fixação pode parecer firme enquanto a própria peça se curva. Flanges finos, nervuras estreitas e as paredes de seções ocas são especialmente sensíveis.

A distância até uma borda também é importante. Uma indentação colocada muito próxima de uma borda dispõe de menos material ao redor para resistir ao escoamento plástico. O material pode formar uma saliência em direção à borda livre, e a diagonal ou a profundidade da indentação medida pode se afastar do comportamento de uma indentação em uma superfície sem restrições. O mesmo problema se aplica a furos, ranhuras, rasgos de chaveta e mudanças abruptas de seção. Uma leitura ao lado de uma ranhura usinada não é automaticamente representativa da área plana adjacente.

Indentações próximas também podem interferir. A deformação plástica de uma indentação anterior deixa uma região localmente endurecida e deslocada. Se a próxima indentação estiver muito próxima, seu tamanho ou profundidade poderá mudar. Os requisitos de espaçamento variam conforme o método e a dureza; portanto, a norma aplicável deve prevalecer, e não uma regra prática conveniente. Uma sequência de leituras colocadas muito próximas pode dar uma falsa impressão de repetibilidade, porque cada ensaio influencia o seguinte.

Apoio, curvatura e massa do componente

A bigorna de apoio faz parte do sistema de medição. Um apoio duro, estável e corretamente assentado limita o movimento e fornece a força de reação necessária para uma indentação controlada. Um suporte complacente, carepa retida, rebarba, fragmento de tinta ou dispositivo de fixação irregular permite um assentamento local. O penetrador então mede a resposta combinada do aço, do apoio e de qualquer material entre eles.

A vibração tem efeito semelhante. Ensaiar ao lado de uma prensa, esmerilhadeira ou máquina-ferramenta pode perturbar a aplicação da força ou a medição da profundidade. Em um componente leve, a vibração pode ser amplificada pela própria flexibilidade da peça. Uma leitura obtida em um bloco maciço e outra obtida em um componente fino apoiado sobre um dispositivo de fixação flexível não são equivalentes apenas porque ambas utilizam a mesma escala Rockwell.

A curvatura altera a geometria de contato. Em uma superfície convexa, o penetrador entra em contato com uma quantidade menor de material ao redor do que entraria em uma superfície plana, e a superfície pode se afastar da carga por deflexão. Em uma superfície côncava, o acesso e o alinhamento podem ser igualmente problemáticos. O raio de curvatura em relação ao tamanho da indentação é importante: uma curva ampla e suave pode ter pouco efeito, enquanto um eixo ou tubo de pequeno raio pode produzir um desvio significativo. O penetrador deve estar normal à superfície local, e não simplesmente alinhado com o componente como um todo.

Peças cilíndricas também levantam questões quanto ao local da medição. Uma leitura na geratriz superior de um eixo, próxima à sua lateral ou em uma área de ensaio aplainada pode representar diferentes condições de restrição. Se uma área for usinada para o ensaio, sua remoção poderá expor uma profundidade diferente e talvez já não represente a superfície em serviço. O relatório de ensaio deve identificar o local, a orientação, a espessura da seção e a condição de apoio, para que leituras posteriores possam ser comparadas de maneira significativa.

Essas restrições se aplicam com ainda mais força às estimativas convertidas de dureza e resistência. A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, fornece relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços homogêneos ao carbono, ligados e para ferramentas. A ASTM afirma que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico”. Um erro induzido pela geometria não é eliminado pela seleção de outra coluna nessa tabela.

Preparação da superfície e descarburização

A condição da superfície pode alterar o resultado antes que o penetrador alcance um aço representativo. Carepa de óxido, ferrugem, revestimento, tinta, marcas de usinagem e rugosidade superficial interferem no assentamento e na medição óptica de uma impressão Brinell ou Vickers. Uma superfície rugosa pode dificultar a localização das bordas de uma pequena indentação, enquanto um fragmento solto de óxido pode colapsar sob a carga. O método de preparação deve remover a contaminação sem alterar a condição metalúrgica que está sendo medida.

A retificação não é automaticamente inofensiva. Uma retificação intensa pode gerar uma camada afetada pelo calor, revenimento local, tensões residuais ou uma camada superficial encruada. Pressão excessiva pode criar uma superfície mais dura ou mais macia que o material abaixo dela. Resfriamento, cortes leves e remoção adequada de material ajudam a reduzir esse risco, mas a profundidade necessária depende do processo e do componente. Uma superfície polida pode melhorar a medição óptica e, ainda assim, representar material danificado se a preparação tiver sido agressiva demais.

O tratamento térmico também pode criar gradientes de dureza intencionais ou acidentais. Uma camada cementada é mais dura que seu núcleo de baixo carbono, e uma indentação rasa pode medir apenas a camada. À medida que a indentação se torna maior ou mais profunda, o substrato mais macio começa a influenciar o resultado. Nesse caso, uma conversão baseada em aço homogêneo é inadequada. A descarburização tem o efeito oposto: o aquecimento em uma atmosfera descarburizante pode remover carbono da superfície, deixando uma camada macia sobre um aço mais duro. Consequentemente, um ensaio de dureza superficial pode reprovar uma especificação mesmo quando o interior a atende, ou parecer aceitável se a força de ensaio penetrar além da camada.

Medições locais exigem ainda mais cuidado. O metal de solda, a linha de fusão e a zona afetada pelo calor (ZAC) podem conter microestruturas e gradientes de dureza diferentes em distâncias muito pequenas. Uma impressão Brinell convencional pode ser grande demais para isolar uma única zona, enquanto um ensaio de micro-Vickers ou Knoop pode resolver o gradiente, mas exige melhor preparação e controle do espaçamento. O relatório deve declarar se o valor é proveniente do metal de solda, da ZAC, do metal-base não afetado ou de uma distância especificada em relação à linha de fusão.

A ISO 18265:2013 estabelece princípios para a conversão de escalas de dureza e a estimativa da resistência à tração, mas afirma que os valores convertidos se aplicam diretamente apenas ao material exato ensaiado e identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis. O estudo do NIST sobre relações empíricas Rockwell–Brinell (1929) constatou que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais; essa constatação não transforma uma leitura superficial de uma peça curva e descarburizada em um ensaio de tração. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para alguns metais dúcteis de alta resistência, mostrando, ao mesmo tempo, que a razão depende da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. A geometria e a preparação devem ser controladas primeiro. Caso contrário, a conversão acrescenta uma precisão aparente a uma medição que nunca representou o volume de material pretendido.

Gradientes de Dureza, Profundidade da Camada e Aço Soldado ou Processado

Uma conversão de dureza se torna especialmente incerta quando a dureza varia ao longo de alguns décimos de milímetro. Aços cementados, nitretados, endurecidos por indução, processados a laser, soldados e fabricados por manufatura aditiva podem conter várias regiões microestruturais dentro do tamanho de uma única impressão ou do espaçamento utilizado em inspeções de rotina. Uma “resistência à tração convertida” assim relatada dá uma falsa impressão de uniformidade. Ela pode descrever apenas a superfície ensaiada, uma impressão influenciada por duas zonas ou uma média que oculta a região responsável por trincamento, desgaste ou deformação.

A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals (2012), apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono, aços-liga e aços-ferramenta homogêneos. Sua advertência é fundamental neste contexto: “As conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico.” Um gradiente acrescenta outra variável: a localização. A ISO 18265:2013 estabelece que os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado, enquanto as estimativas de resistência à tração são o tipo menos confiável de conversão. Portanto, um valor local de dureza pode ser útil para verificar um processo sem constituir uma estimativa defensável da resistência à tração do material integral da peça.

Perfis de endurecimento superficial

A cementação cria uma superfície enriquecida em carbono que normalmente se transforma em martensita de alto teor de carbono após a têmpera, enquanto o núcleo com menor teor de carbono mantém uma resposta diferente à temperabilidade e uma tenacidade distinta. A nitretação produz uma camada de compostos e uma zona de difusão cuja dureza diminui com a profundidade; o perfil depende da composição química do aço, do potencial de nitretação, da temperatura, do tempo e do revenimento anterior. O endurecimento por indução produz uma camada martensítica temperada rapidamente sobre uma região de transição e um núcleo mais macio. O endurecimento a laser ou a liga a laser podem criar zonas ainda mais estreitas e de formato irregular, especialmente quando a sobreposição da varredura, a taxa de resfriamento ou a diluição variam.

A dureza da superfície e a dureza do núcleo respondem a perguntas diferentes. Uma medição próxima à superfície pode verificar se uma camada cementada atingiu uma dureza especificada, mas não pode substituir as propriedades de tração do núcleo de baixo teor de carbono. Inversamente, uma medição no núcleo diz pouco sobre a resistência à fadiga de contato ou ao desgaste adesivo na superfície de trabalho. Um único resultado Rockwell C em uma camada fina é particularmente vulnerável à influência do substrato: o campo de deformação se estende abaixo da camada endurecida, de modo que o núcleo mais macio pode reduzir o valor aparente. Curvatura superficial excessiva, suporte insuficiente ou uma camada de compostos rugosa podem acrescentar outros erros.

Um perfil normalmente é obtido preparando-se uma seção transversal, polindo-a cuidadosamente e posicionando impressões Vickers em profundidades medidas a partir da superfície. A carga de ensaio deve produzir impressões suficientemente grandes para serem medidas com confiabilidade, mas pequenas o bastante para resolver o gradiente. Impressões posicionadas muito distantes entre si não detectam a transição; impressões posicionadas muito próximas interagem por meio da sobreposição dos campos de deformação plástica. A ISO 6507-1 e a ASTM E384 especificam requisitos para ensaios Vickers e Knoop, incluindo limites relacionados ao espaçamento, às bordas e à medição. A norma aplicável e a força de ensaio devem ser registradas, em vez de o resultado ser relatado simplesmente como “microdureza”.

A profundidade da camada não é apenas a profundidade do ponto de maior dureza. Uma profundidade efetiva da camada é comumente definida como a profundidade na qual a dureza cai até um valor-limite especificado, mas esse valor-limite depende da especificação do produto, do aço e do método. Um relatório válido deve identificar a preparação da superfície, a força de ensaio, o tipo de penetrador, a origem da profundidade, o espaçamento entre as impressões, a escala de dureza e o critério utilizado para a profundidade efetiva. Uma curva de aparência uniforme não elimina a incerteza; a dispersão pode refletir a distribuição de carbonetos, a austenita retida, a descarbonetação local ou a resolução da medição.

Metal de solda e zonas afetadas pelo calor

Uma seção transversal de uma solda é uma sequência de zonas, e não um único material. O metal de solda por fusão pode diferir da chapa-mãe em composição e estrutura de solidificação. Imediatamente ao lado dele, a zona afetada pelo calor (ZAC) pode conter regiões de granulação grosseira, granulação fina, intercríticas e subcríticas. Em aços-carbono e aços de baixa liga, uma ZAC de granulação grosseira resfriada rapidamente pode formar martensita ou bainita duras, enquanto uma região revenida ou intercrítica pode ser mais macia e suscetível ao amolecimento local. O reforço da solda, a raiz, a linha de fusão e o metal de base não afetado podem produzir leituras diferentes.

A posição da impressão é importante. Uma impressão centralizada na linha de fusão pode amostrar um campo de deformação misto do metal de solda e da ZAC, de modo que seu número não pode ser atribuído com segurança a nenhuma das duas zonas. A primeira impressão deve estar suficientemente afastada da linha de fusão e da borda do corpo de prova para atender à norma de ensaio aplicável, mas a sequência ainda deve estar suficientemente próxima para resolver a zona mais estreita. Um mapeamento prático utiliza uma malha ou uma varredura documentada, com espaçamento menor através da linha de fusão e das transições de dureza do que no metal de base uniforme. O espaçamento exato deve seguir o método selecionado e a especificação de aceitação; ele não deve ser escolhido apenas por conveniência.

A dureza da solda é frequentemente verificada para controle do processo, avaliação do risco de trincamento induzido por hidrogênio ou confirmação de um procedimento de soldagem qualificado. Essa finalidade não a transforma em um ensaio de tração. Uma dureza local elevada na ZAC pode indicar uma estrutura martensítica e maior suscetibilidade ao trincamento, enquanto um valor baixo pode indicar revenimento excessivo ou perda de resistência. Nenhum dos dois resultados estabelece a resistência à tração de toda a junta soldada. A resistência da junta também depende da geometria da solda, dos defeitos, das tensões residuais, do grau de restrição, da tenacidade e da região local mais fraca.

Mapeamento da dureza local sem criar médias enganosas

O mapeamento de dureza deve preservar a localização, em vez de reduzir todas as leituras a uma única média. Registre as coordenadas a partir de uma superfície de referência ou da linha central da solda, identifique a zona microestrutural e apresente os valores individuais ou um perfil de profundidade plotado. A média pode ocultar um máximo ou mínimo estreito: dez leituras no metal de base macio podem sobrepor-se a duas leituras críticas em uma ZAC frágil. Se uma média for necessária, relate juntamente com ela a amplitude, o desvio-padrão, o número de leituras e as regras de exclusão.

O mesmo princípio se aplica a trilhas processadas a laser e a aços fabricados por manufatura aditiva. Limites de poças de fusão, interfaces entre camadas, rotações da varredura, defeitos de falta de fusão, porosidade e faixas reaquecidas podem produzir dureza dependente da direção. Uma malha superficial pode não detectar uma faixa subsuperficial; uma seção transversal pode não detectar a variação ao longo da trajetória de varredura. Portanto, quando a anisotropia for plausível, as medições devem acompanhar a geometria do processo em mais de uma direção.

A dureza medida diretamente continua sendo o resultado principal. Um valor Brinell, Rockwell ou Vickers convertido deve ser identificado como convertido e relacionado à tabela especificada, à condição do material e ao local do ensaio. O estudo do NIST de 1929 constatou que a resistência à tração do aço podia frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, e um estudo de 2023 encontrou uma relação Brinell geralmente linear para aços estruturais não ligados em condições brutas ou normalizadas. Essas constatações não validam a conversão de uma camada superficial, de uma ZAC ou de uma superfície processada por manufatura aditiva em resistência à tração do material integral. Mesmo a relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS, relatada em um estudo de 2012 da Materials Science and Engineering: A, aplica-se a alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência, não a todo aço ou microestrutura. Quando o projeto, a aceitação ou a avaliação de falhas dependerem das propriedades de tração, realize um ensaio de tração em material representativo.

Como Escolher uma Conversão para um Determinado Aço

Uma conversão de dureza deve começar pelo resultado medido, não pelo número exigido por uma especificação. Registre a escala original exatamente — como 220 HBW, 32 HRC, 410 HV ou 72 HRA — juntamente com o método de ensaio, o penetrador, a força de ensaio, a preparação da superfície e o local da medição. “Dureza” sem uma escala é uma informação incompleta. Um valor convertido não é uma segunda medição; é uma estimativa produzida por meio de uma relação empírica.

Identifique o grau, a forma do produto e a condição

Primeiro, identifique o aço com a maior precisão permitida pelos registros disponíveis. Uma designação como AISI 1045, ASTM A36, AISI 4140, ASTM A240 Type 304 ou ASTM A681 W1 descreve uma família de materiais, mas, por si só, não estabelece a relação de dureza. A composição química dentro da faixa especificada pode alterar a resposta à indentação, e dois produtos com o mesmo grau nominal podem apresentar diferentes distribuições de carbono, tamanhos de grão, inclusões ou fases retidas.

Registre a forma do produto: chapa grossa, chapa fina, barra, fio, tubo, peça forjada, fundido, conjunto soldado ou componente usinado. A espessura e a dimensão local da seção são importantes porque a indentação deve ser apoiada por uma quantidade suficiente de material. Uma indentação Brinell em uma peça forjada espessa de aço 4140 amostra um volume maior do que uma impressão Vickers próxima à superfície de uma chapa de 1 mm. Os dois resultados podem não representar a mesma região microestrutural, mesmo que ambos sejam relatados como números de dureza.

A condição é igualmente importante. Declare se o material está recozido, normalizado, temperado e revenido, tratado por precipitação, trabalhado a frio, cementado, nitretado, endurecido por indução ou submetido a outro tratamento superficial. Por exemplo, AISI 1045 normalizado e AISI 1045 temperado e revenido podem apresentar diferentes estruturas ferrítico-perlíticas ou martensíticas e, portanto, diferentes relações entre dureza e resistência à tração. Um componente de AISI 8620 cementado pode apresentar alta dureza superficial, enquanto seu núcleo permanece muito mais macio. Uma conversão baseada em aço homogêneo não é uma descrição confiável desse gradiente.

O registro também deve indicar se o ensaio foi realizado em uma superfície retificada, polida, descarbonetada, oxidada, revestida ou submetida a jateamento com granalha. As camadas superficiais podem dominar um resultado Vickers, Knoop ou Rockwell superficial realizado com pequena profundidade. Por outro lado, uma grande impressão Brinell pode obter a média da camada superficial com o núcleo subjacente. Se o local medido estiver próximo a uma solda, zona afetada pelo calor, borda, furo ou dobra, essa localização deve constar do resultado.

A ASTM E140-12, Tabelas-Padrão de Conversão de Dureza para Metais, declara que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura de grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). Essa advertência é uma regra de seleção, não apenas uma ressalva geral. Uma entrada de tabela para aços-carbono, aços-liga ou aços-ferramenta homogêneos não deve ser aplicada automaticamente a uma camada endurecida superficialmente, a uma microestrutura duplex ou a uma zona de solda.

Compatibilize as escalas original e de destino

Em seguida, determine o que o valor de destino deve comunicar. Converter 32 HRC para aproximadamente 300 HBW é uma comparação entre escalas. Converter 32 HRC para uma resistência à tração estimada é uma operação diferente e menos confiável. O primeiro resultado deve ser relatado como dureza convertida; o segundo deve ser relatado como resistência à tração estimada, com sua base e suas limitações.

Escolha a escala de ensaio com base na geometria e na condição do material antes de escolher uma tabela de conversão. O ensaio Brinell, especificado pela ASTM E10 ou pela ISO 6506-1, costuma ser adequado para aços suficientemente espessos e relativamente homogêneos, porque sua impressão maior calcula a média das variações locais. Ele é pouco adequado para uma seção estreita, uma parede fina, um raio pequeno ou uma superfície próxima a uma borda. As escalas Rockwell, abrangidas pela ASTM E18 ou pela ISO 6508-1, fornecem resultados rápidos, mas a escala selecionada deve ser compatível com a dureza e a espessura do material. Rockwell C não é um substituto geral para todos os ensaios em aço; aços mais macios podem exigir Rockwell B, enquanto seções finas ou camadas endurecidas superficiais e rasas podem exigir uma escala Rockwell superficial.

O ensaio Vickers segundo a ASTM E384 ou a ISO 6507-1 é útil quando a área disponível é pequena ou quando é necessário determinar a dureza ao longo da profundidade de uma camada endurecida ou de uma solda. O ensaio Knoop pode ser preferível para camadas muito finas ou regiões estreitas, pois sua impressão alongada permite uma medição localizada. O ensaio Leeb portátil pode ajudar no caso de componentes grandes que não podem ser levados a uma máquina fixa, mas a condição da superfície, a massa do componente, a curvatura, o apoio, a direção do impacto e a calibração afetam o resultado. Portanto, uma conversão de Leeb para Rockwell deve estar vinculada ao dispositivo Leeb permitido e à classe do material, e não ser tratada como intercambiável com um ensaio Rockwell direto.

A mecânica da indentação também limita a comparação. Diferentes escalas empregam diferentes formatos de penetrador e forças, produzindo diferentes zonas plásticas. Uma conversão funciona apenas na medida em que o aço ensaiado se comporta como os materiais utilizados para estabelecer a relação. Um valor elevado de dureza próximo ao limite superior de uma escala pode não ser convertido de forma confiável para outra escala, mesmo quando ambas as leituras estão tecnicamente dentro de suas faixas nominais.

A relação entre dureza e resistência à tração é especialmente condicionada. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência, mas também relatou que as razões entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação. A expressão não é uma equação universal para aços. Da mesma forma, um estudo de 2023 sobre aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos encontrou uma relação geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços na condição bruta ou normalizada. Essa constatação não estabelece a mesma relação para o aço 4340 temperado e revenido, o 4140 nitretado ou um aço-ferramenta martensítico.

Verifique o escopo e a faixa da norma

Depois de identificar o material e selecionar as escalas, leia o escopo e as notas da norma aplicável. A ASTM E140-12 apresenta relações aproximadas entre valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono, aços-liga e aços-ferramenta homogêneos. A tabela deve abranger tanto a categoria de material relevante quanto a faixa de dureza medida. Não extrapole além dos limites apenas porque a tendência numérica parece contínua.

A ISO 18265:2013 estabelece princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração. Ela declara que os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado e identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis. Isso torna o grau, a condição e o histórico do produto evidências essenciais quando uma tabela ISO é citada.

As tabelas publicadas são mais defensáveis quando o aço é quimicamente e metalurgicamente semelhante à população que serviu de base para a tabela, o ensaio está bem dentro da faixa declarada, a geometria do corpo de prova atende ao método original e o resultado não está sendo utilizado como um certificado de propriedades de tração. Uma conversão de tabela pode ser adequada para o monitoramento de processos ou para uma comparação preliminar. Por si só, ela não é adequada quando um contrato, uma avaliação de segurança ou um cálculo de projeto depende do limite de escoamento, da resistência à tração ou do desempenho à fratura.

Para decisões críticas, realize uma correlação laboratorial. Ensaie peças representativas — ou corpos de prova adjacentes provenientes da mesma corrida, forma de produto, espessura e lote de tratamento térmico — utilizando o método de dureza original e o método de destino desejado ou um ensaio de tração. As medições emparelhadas devem abranger a faixa real de operação, incluir leituras repetidas e ser analisadas com limites de predição, e não com uma única reta ajustada. O relatório técnico da SAE Ensaios de Dureza e Conversões de Números de Dureza (1967) apresenta diretamente o ponto central: conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, porque o tamanho, a massa, a composição e o processamento afetam a relação. Um estudo do NIST de 1929 constatou que a resistência à tração do aço frequentemente podia ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, mas esse resultado sustenta uma estimativa prática, não uma lei universal.

Relate primeiro o valor original medido, seguido do valor convertido, da tabela ou do modelo utilizado, da condição do material e de uma incerteza ou ressalva. Por exemplo: “32 HRC medidos; aproximadamente 302 HBW utilizando a ASTM E140-12 para aço-liga, sujeito à faixa da tabela e às limitações do material.” Se a resistência à tração for inferida, identifique-a explicitamente como estimada. Quando a propriedade controlar a aceitação ou o projeto, realize o próprio ensaio de tração.

Validação, Incerteza e Decisões de Aceitação

Uma conversão de dureza só é defensável quando sua base se assemelha ao material que está sendo avaliado. A comparação relevante não é entre um número de dureza isolado e um valor de tabela; é entre a dureza medida e o comportamento de tração medido de um material que compartilhe o mesmo grau, tratamento térmico, dimensão da seção e histórico de fabricação. Uma conversão desenvolvida a partir de uma chapa normalizada não deve ser aplicada automaticamente a uma barra temperada e revenida, a uma chapa trabalhada a frio, a peças cementadas ou a material afetado por soldagem, mesmo quando o grau químico nominal for idêntico.

Ensaios pareados e regressão

A validação começa com corpos de prova pareados ou locais pareados de um material representativo. Meça a dureza utilizando o método especificado — como Brinell, Rockwell ou Vickers — e realize ensaios de tração de acordo com a norma de tração aplicável, utilizando material proveniente da mesma corrida, forma do produto, orientação, faixa de espessura e rota de processamento. O plano de ensaio deve preservar a condição relevante em serviço: uma barra de 42CrMo4 na condição temperada e revenida não é adequadamente representada por 42CrMo4 recozido não relacionado, e uma chapa ASTM A36 não deve ser agrupada com um grau estrutural normalizado de maior resistência apenas porque ambos são aços-carbono.

O procedimento de dureza deve ser controlado antes do ajuste de qualquer relação. Registre a escala, o penetrador, a força de ensaio, o tempo de permanência, a preparação da superfície, o espaçamento entre ensaios e a distância em relação às bordas ou à curvatura. A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, abrange relações aproximadas entre valores de dureza Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono, aços-liga e aços-ferramenta homogêneos. A ASTM declara que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico”. Essa declaração é uma limitação da tabela, não uma ressalva secundária.

Intervalo de prediçãoIntervalo de predição Intervalo que expressa a faixa esperada para um resultado futuro individual, incluindo tanto a incerteza do modelo quanto a dispersão entre materiais.

Em seguida, uma regressão pode relacionar as grandezas medidas. Dependendo dos dados, um modelo linear pode ser adequado em uma faixa restrita:

$$R_m=a+\mathrm{bH}$$

onde $R_m$ é a resistência à tração medida e $H$ é a dureza medida em uma escala especificada. Pode ser necessário utilizar um modelo não linear, um modelo específico para o grau ou modelos separados para diferentes tratamentos térmicos. O modelo deve ser ajustado a observações pareadas, e não a valores de dureza copiados de uma tabela de conversão. Relate o número de corridas, o número de corpos de prova por corrida, a faixa de dureza, a faixa de resistência à tração, as estimativas dos coeficientes, o desvio-padrão residual e os intervalos de confiança para a média ajustada e para uma previsão individual.

A distinção entre esses intervalos é importante. Um intervalo de confiança em torno da resistência à tração média prevista descreve a incerteza da relação média estimada. Um intervalo de previsão individual também inclui a dispersão entre corpos de prova, sendo, portanto, mais amplo. As decisões de aceitação dizem respeito ao material individual, e não a uma média abstrata. Assim, uma linha de regressão estreita pode coexistir com um intervalo de previsão amplo demais para fundamentar um limite de especificação.

O viés deve ser verificado separadamente da dispersão. Se a resistência à tração convertida for consistentemente maior que os resultados de tração direta, a conversão terá viés positivo e poderá aceitar erroneamente material de baixa resistência. Compare os resíduos em diferentes níveis de dureza, corridas, espessuras de seção, orientações e lotes de tratamento térmico. Um gráfico de resíduos pode revelar curvatura, variância variável ou um agrupamento associado a uma carga específica do forno. Um único coeficiente de correlação global não revelará esses efeitos.

Os valores discrepantes exigem investigação, e não exclusão automática. Um resultado extremo pode decorrer de uma impressão posicionada incorretamente, preparação inadequada da superfície, defeito no corpo de prova de tração, erro de transcrição ou segregação e variação microestrutural genuínas. Sua exclusão só é justificável com uma razão técnica documentada e, quando possível, um ensaio repetido. Caso contrário, o valor discrepante faz parte da relação que o procedimento de aceitação deve suportar.

As evidências históricas explicam por que modelos restritos podem funcionar. Um estudo de 2023 publicado em Materials Today: Proceedings identificou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e parâmetros de resistência à tração para aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos na condição bruta ou normalizada. Essa constatação não estabelece a mesma linha para aços ligados, temperados e revenidos, endurecidos por precipitação, cementados ou intensamente trabalhados a frio. Da mesma forma, um estudo do NIST de 1929 relatou que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, mas uma estimativa útil para triagem não constitui uma lei universal dos materiais.

Repetibilidade, reprodutibilidade e incerteza

A repetibilidade descreve a variação quando o mesmo operador utiliza o mesmo instrumento e método em locais suficientemente semelhantes, sob condições rigorosamente controladas. A reprodutibilidade é mais abrangente: inclui mudanças de operador, instrumento, laboratório, dia ou configuração do ensaio. Esses componentes não devem ser confundidos com a dispersão da relação entre dureza e resistência.

Por exemplo, cinco impressões Vickers repetidas podem apresentar pouca variação, indicando boa repetibilidade, enquanto os resultados de tração direta de corpos de prova nominalmente semelhantes variam substancialmente devido ao espaçamento entre ferrita e perlita, ao revenimento da martensita, à bandagem, às inclusões ou à segregação local. Inversamente, um material estável pode apresentar baixa repetibilidade porque a superfície é rugosa, a peça é fina demais, a impressão está próxima demais de uma borda ou o penetrador ou a verificação da força apresentam defeito. O primeiro problema pertence ao modelo de conversão; o segundo pertence principalmente ao sistema de medição.

Um orçamento de incerteza deve incluir calibração, resolução do instrumento, efeitos do operador e do laboratório, efeitos da superfície e da geometria, amostragem e a variação residual da relação empírica. Portanto, um resultado convertido não é simplesmente “dureza medida ± incerteza do instrumento”. Ele contém incerteza decorrente da própria conversão. A ISO 18265:2013 especifica princípios para converter valores de dureza entre escalas e para estimar a resistência à tração, ao mesmo tempo que adverte que “os valores convertidos são diretamente aplicáveis apenas ao material exato ensaiado”. A norma também identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis.

A amostragem frequentemente domina o resultado. Uma impressão de dureza amostra um pequeno volume, enquanto um corpo de prova de tração amostra um volume muito maior e com orientação diferente. Várias leituras feitas em uma única superfície conveniente não representam todo um forjado, uma chapa, um conjunto soldado ou uma bobina. A amostragem deve abranger corridas, locais, espessuras e orientações que o processo de produção possa gerar. Se uma relação for validada apenas no material da linha central, ela não deve reger silenciosamente regiões endurecidas superficialmente ou descarbonetadas.

A mesma cautela se aplica a fórmulas simples. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada $H_v\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ para alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência. A razão entre dureza e resistência, contudo, depende da classe do material, da microestrutura e da morfologia da impressão. Tratar essa expressão como uma equação geral para aços pode produzir um resultado com aparência de precisão, mas sem uma declaração de incerteza defensável.

Quando a conversão é inadequada para aceitação

A conversão é inadequada quando a especificação exige resistência à tração e a conversão não foi validada para o produto e a condição exatos. O ensaio de tração direto, realizado conforme a norma do material aplicável, deve prevalecer sempre que a aceitação depender do limite de escoamento, da resistência à tração, do alongamento, da redução de área ou de uma propriedade de tração relacionada. Um valor convertido pode apoiar o monitoramento do processo, a classificação ou a investigação, mas não deve substituir o ensaio de aceitação simplesmente porque a dureza é mais rápida.

É necessária cautela especial próximo ao limite da especificação. Suponha que uma norma de material exija uma resistência à tração mínima de resistência à tração $R_m$, e que uma tabela de dureza produza um equivalente aparentemente exato. A tabela não transforma esse mínimo em um limite exato de dureza. Arredondamento, viés do modelo, incerteza de previsão e variação da amostragem podem deslocar o material para um ou outro lado do limite. Portanto, um valor de dureza marginalmente acima do limite convertido pode ter uma probabilidade significativa de não atender ao requisito de tração direta; um valor marginalmente abaixo dele pode não comprovar a reprovação.

A norma aplicável também determina se a conversão é permitida. A ISO 18265:2013 e a ASTM E140-12 fornecem princípios ou relações tabuladas aproximadas, e não uma autorização geral para substituir um ensaio por outro. O relatório técnico da SAE de 1967, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, igualmente enfatiza que conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, pois o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação.

Os procedimentos de aceitação devem declarar se o número informado é dureza medida, dureza convertida ou resistência à tração estimada. Esses rótulos não devem ser tratados como equivalentes. Se uma conversão de triagem indicar uma possível reprovação, realize o ensaio direto especificado ou uma investigação aprovada. Se os resultados de tração não estiverem disponíveis, informe a conversão com sua fonte, escopo do material, incerteza e limitações, em vez de apresentá-la como uma propriedade de tração garantida.

Erros comuns em tabelas de conversão de dureza

As tabelas de conversão de dureza são úteis somente quando o valor medido, o material, a condição e o método de ensaio estão abrangidos pela base da tabela. Um resultado convertido não é uma segunda medição. Trata-se de uma estimativa derivada de uma relação empírica, geralmente com uma dispersão que aumenta quando o material ou as condições de ensaio diferem daqueles utilizados para estabelecer a relação.

A ASTM E140-12, Tabelas padrão de conversão de dureza para metais, apresenta relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados. Seu escopo inclui aços-carbono homogêneos, aços-liga e aços-ferramenta, mas as tabelas não eliminam as diferenças entre essas classes. A ASTM declara que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). A ISO 18265:2013 apresenta o mesmo ponto prático: os valores convertidos aplicam-se diretamente somente ao material exato ensaiado, enquanto as estimativas de resistência à tração são o tipo de conversão menos confiável (ISO, 2013).

Tratar números equivalentes como intercambiáveis

Uma entrada de tabela como 40 HRC ≈ 375 HBW não significa que uma leitura de 40 HRC e uma leitura de 375 HBW sejam fatos intercambiáveis. A primeira é um resultado medido na escala Rockwell C, obtido com um penetrador cônico de diamante, uma pré-carga especificada e uma carga maior especificada. A segunda é um valor Brinell associado a uma esfera de metal duro, uma força definida e um diâmetro de impressão. São estimativas relacionadas, não observações duplicadas.

Essa distinção é importante nos registros de inspeção. Se um desenho especifica 35–40 HRC, um resultado Brinell convertido para esse intervalo pode dar suporte a uma triagem preliminar, mas não necessariamente atende a um requisito estabelecido para um ensaio Rockwell C. A conversão pode ocultar uma diferença causada pela profundidade da impressão, pela microestrutura local, pela condição da superfície ou pela dispersão do ensaio. Uma medição direta de HRC é a evidência apropriada quando o método de aceitação especificado é Rockwell C.

O erro inverso também é comum: o usuário converte HRC em HBW fora do intervalo da tabela e relata o número extrapolado como se estivesse tabelado. Uma relação calibrada entre, por exemplo, 20 e 50 HRC não deve ser estendida casualmente a uma superfície de aço-ferramenta com 62 HRC. Em altas durezas, a mecânica da indentação e as populações de carbonetos podem alterar acentuadamente a relação. Os limites finais da tabela não são fronteiras exatas no material; são os limites dos dados publicados ou da correlação recomendada. Um valor ligeiramente além de um limite final não é automaticamente inválido, mas não é respaldado por essa tabela e requer um método adequado à faixa real de dureza.

A medição original deve permanecer visível. “420 HBW convertido para 44 HRC” é materialmente melhor do que simplesmente relatar “44 HRC”, pois informa ao leitor que nenhum ensaio Rockwell foi realizado. Um registro consistente inclui a escala medida, a escala convertida, a norma de ensaio, a localização e a condição do material ou do tratamento térmico.

Misturar escalas, unidades e condições do penetrador

As designações de dureza contêm informações sobre o ensaio. As escalas HRC, HRB e Rockwell superficial não são versões intercambiáveis de um único número Rockwell. A HRC utiliza um penetrador de diamante e uma carga maior de 150 kgf; a HRB geralmente utiliza um penetrador esférico e uma carga maior de 100 kgf. As escalas Rockwell superficiais utilizam forças menores e têm suas próprias designações, como 30N ou 30T. Omitir o sufixo pode transformar um resultado rastreável em um resultado ambíguo.

A mesma advertência se aplica à notação Brinell. HBW identifica uma esfera de carboneto de tungstênio, enquanto registros mais antigos podem utilizar as convenções HB ou HBS, que não fornecem as mesmas informações sobre o penetrador. Um resultado Brinell também depende do diâmetro da esfera, da força de ensaio, do tempo de permanência e da relação entre a força e o diâmetro da impressão. Dois valores registrados como “HB” podem não ter sido gerados em condições equivalentes.

A dureza Vickers, escrita como HV com a força de ensaio geralmente incluída na designação, é outra fonte frequente de erro. HV é um número de dureza, não um valor de resistência à tração. Uma afirmação como “o aço com 650 HV tem resistência à tração de 650 MPa” confunde grandezas não relacionadas e pode estar errada por uma margem ampla. Para alguns materiais metálicos dúcteis e de alta resistência, pesquisas identificaram a relação aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$, mas o mesmo estudo relata que as razões entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da indentação (Materials Science and Engineering: A, 2012). Portanto, a expressão é uma aproximação empírica restrita, não uma lei de conversão.

As unidades introduzem outra armadilha. A dureza Brinell não é um valor de tensão, embora sua definição numérica contenha força e área. A resistência à tração pode ser expressa em MPa ou ksi, enquanto as escalas de dureza são números de ensaio adimensionais, com significados específicos de cada escala. Uma tabela que estime a resistência à tração a partir de HBW deve ser identificada como uma estimativa, com a fonte e a faixa de materiais declaradas.

A geometria pode invalidar uma escala que, de outra forma, seria adequada. Uma chapa fina pode apresentar um resultado falsamente alto ou baixo se a impressão for profunda demais ou se o apoio for inadequado. Uma peça pequena, uma superfície curva, uma borda estreita ou uma camada localmente endurecida podem não fornecer material suficiente para a impressão pretendida. O relatório da SAE Ensaios de dureza e conversões de números de dureza (1967) afirma que conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, porque o tamanho, a massa, a composição e o processamento afetam a relação.

Extrapolar entre graus ou tratamentos térmicos

O erro mais perigoso não é aritmético. É a substituição não examinada do material: aplicar a uma peça uma relação estabelecida para outro aço porque ambos são classificados como “aço”.

Uma correlação para aço-carbono pode apresentar desempenho razoável para um grau de aço comum ao carbono na condição normalizada e falhar para um aço-ferramenta de alta liga, um aço inoxidável endurecível por precipitação ou um aço de baixo carbono cementado. AISI 1045, AISI D2, AISI H13, AISI 304 e AISI 17-4 PH não compartilham uma única relação entre dureza e resistência. Seu teor de elementos de liga, as populações de carbonetos ou precipitados, a austenita retida, o tamanho dos grãos e a resposta à deformação alteram tanto o comportamento na indentação quanto o comportamento em tração.

O tratamento térmico pode ser decisivo mesmo dentro de um único grau. AISI 4140 temperado e revenido, AISI 4140 recozido e AISI 4140 endurecido por indução podem produzir a mesma dureza nominal do volume em um determinado local, embora apresentem diferenças na distribuição da resistência, nas tensões residuais e no comportamento à fratura. O endurecimento superficial é especialmente fácil de não ser identificado. Cementação, nitretação, endurecimento por indução e endurecimento a laser podem criar uma camada endurecida sobre um núcleo mais macio. Uma impressão superficial Rockwell ou Vickers pode medir a camada; uma impressão Brinell maior pode incluir o núcleo. Converter qualquer um dos resultados sem registrar a profundidade e a localização cria uma comparação falsa.

Uma pesquisa sobre aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos identificou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços na condição bruta ou normalizada (Materials Today: Proceedings, 2023). Essa constatação respalda o uso controlado dentro de uma população de aços definida; não justifica transferir a relação para aço-ferramenta endurecido ou aço inoxidável. Um estudo do NIST de 1929 também relatou que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, tratando, contudo, a relação como empírica, e não universal (NIST, 1929).

Quando as propriedades de tração afetam o projeto, a qualificação de soldagem, a avaliação de fratura ou a aceitação, é necessário realizar ensaio de tração direto ou utilizar uma correlação validada e específica para o grau e a condição do material. A tabela deve orientar o julgamento, não substituir o ensaio do qual a decisão efetivamente depende.

Relatar corretamente a dureza e as propriedades convertidas

Os dados de dureza devem mostrar o que foi efetivamente medido antes de apresentar qualquer conversão. Um número de dureza sem sua escala, método e condição de ensaio é incompleto: “dureza 42” poderia significar 42 HRC, 42 HRB, 42 HV ou 42 HBW, e esses valores não descrevem a mesma resposta do material. O relatório também deve deixar claro se o número resultou de um ensaio de indentação, de uma tabela de conversão publicada ou de uma estimativa baseada em uma relação empírica com a resistência.

Registrar primeiro o resultado original do ensaio

O primeiro valor em um relatório deve ser o resultado medido em sua escala e designação originais. Por exemplo:

> Dureza medida: 58 HRC, ASTM E18, aço AISI 4140, temperado e revenido a 540 °C; local do ensaio: meia-espessura radial, 10 mm abaixo da superfície usinada; superfície retificada; durômetro Rockwell calibrado, carga maior de 150 kgf.

Essa declaração identifica um resultado obtido por um ensaio Rockwell. Ela não substitui silenciosamente o resultado por um número Brinell ou Vickers. Se várias indentações tiverem sido realizadas, relate as leituras individuais ou sua média e seu intervalo, como em 58, 59, 58 HRC; média de 58,3 HRC, intervalo de 1 HRC. O número de indentações e o espaçamento entre elas podem ser importantes quando o material apresenta gradiente, microestrutura grosseira, descarbonetação ou tratamento térmico localizado.

O relatório deve identificar o grau do aço exatamente conforme especificado pela norma de material aplicável, sempre que possível. “4140” é menos preciso que SAE J404 Grade 4140, e “aço inoxidável” não é uma descrição adequada do grau quando o material é UNS S30400, AISI 304 ou possui outra designação especificada. Registre a condição do tratamento térmico: recozido, normalizado, temperado e revenido, cementado, nitretado ou no estado de recebimento. Uma leitura de dureza de uma camada nitretada não é intercambiável com uma leitura do núcleo.

A geometria deve constar do registro porque seções finas, peças pequenas, superfícies curvas e corpos de prova de baixa massa podem distorcer os resultados da indentação. Informe a espessura, o diâmetro, a distância até uma borda e se o ensaio foi realizado em uma superfície plana ou curva. A preparação da superfície também é importante. Identifique a usinagem, a retificação, o polimento, a remoção de revestimentos e qualquer carepa ou camada descarbonetada visível. Um resultado Rockwell, Brinell, Vickers, Knoop ou Leeb deve indicar o instrumento ou, no mínimo, o método de ensaio, a carga, o penetrador e a norma aplicável.

Informar a norma e a base da conversão

Um valor convertido deve vir depois da medição original, e não substituí-la. Por exemplo:

> Medido: 58 HRC, ASTM E18. Convertido: aproximadamente 615 HV equivalente a Rockwell, conforme ASTM E140-12, Tabela [tabela aplicável], para a faixa de aço especificada; a conversão é aproximada e não constitui uma medição Vickers separada.

O número da tabela ou a equação deve ser registrado quando a fonte fornecer essa informação. Se o resultado tiver sido fornecido por um software, identifique o software, o banco de dados, a revisão e a categoria de material selecionada. “Convertido para 615 HV” é insuficiente, pois tabelas diferentes podem produzir resultados diferentes, especialmente próximo aos limites de suas faixas declaradas.

ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, fornece relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços carbono, ligados e ferramenta homogêneos. A ASTM declara que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). Essa limitação faz parte do resultado. Ela deve ser mantida em desenhos, registros de inspeção e certificados, em vez de ser removida por conveniência de apresentação.

ISO 18265:2013 estabelece princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração. Sua advertência é mais rigorosa do que sugerem muitos gráficos curtos de conversão: os valores convertidos aplicam-se diretamente apenas ao material exato ensaiado, e as estimativas de resistência à tração são as conversões menos confiáveis (International Organization for Standardization, 2013). Portanto, o relatório deve indicar explicitamente a base da conversão:

> Base: ISO 18265:2013, tabela de conversão para aço, valor aproximado; aplicabilidade restrita ao grau e à condição do material ensaiado.

ASTM E140 e ISO 18265 não autorizam a conversão de qualquer combinação de escalas. Suas tabelas possuem categorias de materiais, faixas e limitações relacionadas ao método de ensaio. Uma conversão fora desses limites deve ser marcada como não suportada ou omitida.

Separar valores medidos, convertidos e estimados

Use rótulos separados para três tipos diferentes de informação:

> Dureza medida: 225 HBW 10/3000, ASTM E10. > Dureza convertida: aproximadamente 22 HRC, ISO 18265:2013, tabela aplicável para aço. > Resistência à tração estimada: aproximadamente 760 MPa, relação empírica entre dureza e resistência; não medida por ensaio de tração.

O terceiro valor nunca deve ser apresentado como resistência à tração: 760 MPa, a menos que um ensaio de tração tenha produzido esse resultado. A ISO 18265 identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis. O estudo da NIST sobre relações empíricas entre Rockwell e Brinell, publicado em 1929, constatou que a resistência à tração do aço muitas vezes pode ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, mas essa constatação descreve uma conveniência empírica, não uma lei universal. O ensaio de tração direto continua sendo necessário quando um cálculo de projeto, uma certificação de material, uma investigação de falha ou uma decisão de aceitação depende do limite de escoamento, da resistência à tração, do alongamento ou da redução de área.

Algumas relações são úteis apenas dentro de uma classe de material especificada. Um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A identificou a relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS para alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência. A razão varia conforme a classe do material, a microestrutura e a morfologia da indentação; ela não deve ser aplicada automaticamente a ASTM A36 ferrítico-perlítico, SAE J404 Grade 4140 temperado e revenido, aço inoxidável martensítico ou uma superfície nitretada. Um estudo de 2023 sobre aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos encontrou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração em material bruto ou normalizado. Esse resultado não estabelece a mesma reta para aço temperado e revenido, encruado, cementado ou endurecido por precipitação.

Uma entrada completa pode, portanto, ser redigida da seguinte forma:

> Material: SAE J404 Grade 4140, temperado e revenido a 540 °C; barra de 40 mm, ensaio realizado na meia-espessura radial; superfície retificada. Medido: 31 HRC, ASTM E18, durômetro Rockwell calibrado. Convertido: aproximadamente 295 HBW, ASTM E140-12, tabela aplicável para aço ligado; apenas aproximado. Resistência à tração estimada: aproximadamente [valor] MPa, a partir de [equação ou tabela identificada]; apenas uma estimativa, não um resultado de ensaio de tração.

Esse formato preserva as evidências, as suposições e os limites da conversão. Ele também permite que um revisor posterior decida se é necessário um ensaio direto, em vez de confundir um número equivalente conveniente com uma nova medição.

Comparações Metalúrgicas Práticas sem Falsa Precisão

A conversão de dureza torna-se enganosa quando o número é tratado como uma identidade do material, e não como o resultado de um ensaio específico realizado sob uma determinada condição do aço. Um valor Brinell medido em uma seção íntegra e homogênea pode apresentar correlação razoável com a resistência à tração dentro de uma família controlada de aços normalizados. A mesma dureza numérica obtida em um aço temperado e revenido, ou na camada superficial de um componente cementado, não tem o mesmo significado.

A ASTM E140-12, Standard Hardness Conversion Tables for Metals, fornece relações aproximadas entre as escalas Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono, aços-liga e aços-ferramenta homogêneos. A ASTM declara diretamente que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). Essa limitação rege cada comparação abaixo.

Aço estrutural não ligado normalizado

Um aço estrutural não ligado normalizado é o caso em que a relação entre dureza Brinell e resistência pode ser relativamente coerente. Considere um grau como o ASTM A36, ou um grau da EN 10025-2, como o S275JR, desde que o material esteja efetivamente em uma condição normalizada ou equivalente de granulação fina e que a seção ensaiada seja suficientemente homogênea. A normalização refina e regulariza a estrutura ferrita–perlita por meio do aquecimento acima da faixa crítica e do resfriamento ao ar. Ela não torna idêntica toda corrida de aço, mas reduz parte da variação de condição que complica a interpretação da dureza.

Nessa classe, a dureza Brinell amostra um volume relativamente grande por meio de uma impressão produzida por esfera. Portanto, o resultado faz uma média mais eficaz da ferrita, da perlita, das inclusões e das variações locais do que uma impressão de microdureza muito pequena. Se os teores de carbono e manganês, o tamanho dos grãos, a espessura e o histórico de processamento permanecerem dentro de uma população restrita, o aumento da dureza Brinell geralmente será acompanhado pelo aumento da resistência ao escoamento e da resistência à tração. Um estudo de 2023 publicado em Materials Today: Proceedings identificou uma relação empírica geralmente linear entre a dureza Brinell e os parâmetros de resistência à tração para aços estruturais não ligados históricos e contemporâneos na condição bruta ou normalizada (Materials Today: Proceedings, 2023).

“Geralmente linear” não autoriza calcular um valor garantido de resistência à tração a partir de uma única impressão. A expressão descreve uma relação ajustada para um conjunto de materiais. Mesmo dentro do S275JR ou do ASTM A36, diferenças na espessura da chapa, na prática de desoxidação, nos teores de fósforo e enxofre, no histórico de laminação e na segregação local podem deslocar o resultado. Um valor de dureza obtido na zona termicamente afetada de uma solda não é intercambiável com um valor obtido na chapa-base.

O estudo mais antigo do NIST sobre relações empíricas Rockwell–Brinell chegou a uma conclusão prática que continua sendo útil: a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, mas a estimativa é empírica, e não uma lei universal (NIST, 1929). Assim, uma tabela de conversão pode ajudar a verificar a uniformidade do material ou apoiar o controle do processo quando a família e a condição do aço correspondem às da tabela. Ela não pode substituir um ensaio de tração quando estiver em questão um limite de escoamento especificado, uma resistência à tração, um alongamento ou um critério de aceitação.

Aço-liga temperado e revenido

Um aço-liga temperado e revenido expõe de forma mais acentuada as limitações de uma conversão ampla de dureza. O SAE 4140 e o 42CrMo4 da EN 10083-3 podem ser descritos como aços ao cromo-molibdênio, mas sua relação entre dureza e resistência depende fortemente da prática de austenitização, da severidade da têmpera, da temperatura de revenimento, do tempo de permanência e do tamanho da seção. O mesmo grau nominal pode conter martensita revenida próxima a uma superfície temperada, uma mistura de bainita e martensita em uma posição intermediária e uma estrutura de transformação mais macia em direção ao centro de uma barra grande.

A condição de revenimento é importante porque a dureza e o comportamento à tração não variam exatamente na mesma proporção ao longo de toda a faixa de revenimento. A martensita revenida em baixa temperatura pode conservar alta dureza com tenacidade limitada; o revenimento em temperatura mais elevada reduz a dureza, ao mesmo tempo que melhora a ductilidade e alivia as tensões residuais. Reações de endurecimento secundário, precipitação de carbonetos, austenita retida e fragilização por revenimento podem perturbar ainda mais uma relação simples baseada em um único número. Uma conversão de HRC para HB pode ser aceitável como aproximação entre escalas para uma peça de ensaio homogênea, enquanto uma resistência à tração estimada com base nesse HB convertido pode apresentar incerteza substancialmente maior.

O tamanho da seção é igualmente importante. Uma pequena amostra de 42CrMo4 pode endurecer em toda a sua seção, enquanto um grande eixo forjado da mesma designação pode desenvolver um gradiente de dureza porque o núcleo resfria mais lentamente. Ensaiar a superfície e atribuir esse resultado a toda a seção transversal pode superestimar a resistência do núcleo. O relatório técnico da SAE, Hardness Tests and Hardness Number Conversions, afirma que conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, pois o tamanho, a massa, a composição e o processamento influenciam a relação (SAE International, 1967).

A relação aproximada Hᵥ ≈ 3σUTS, relatada para alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência em um estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A, ilustra o perigo de extrapolar uma correlação útil para além de sua classe de materiais. O estudo também relata que as razões entre dureza e resistência dependem da classe do material, da microestrutura e da morfologia da impressão (Materials Science and Engineering: A, 2012). Essa relação não deve ser aplicada como regra geral a toda condição do 4140, muito menos a uma cadeia de conversões que envolva várias escalas de dureza.

Aço endurecido superficialmente com núcleo macio

Um componente de aço cementado torna especialmente insegura a substituição da resistência à tração pela dureza. Considere o SAE 8620 ou o 20MnCr5 da EN 10084 após cementação, têmpera e revenimento. O enriquecimento de carbono produz uma camada superficial martensítica dura, enquanto o núcleo de baixo carbono permanece muito mais tenaz e substancialmente mais macio. Portanto, a peça não possui uma única dureza que represente todo o seu estado mecânico.

Uma medição Rockwell C na camada superficial informa a resistência de uma região superficial rasa. Ela diz pouco sobre o limite de escoamento do núcleo, a resistência à tração do núcleo, o alongamento ou o comportamento à fratura. Se a camada for fina em relação à profundidade da impressão ou se a carga do ensaio atingir a zona de transição, o valor medido poderá ser reduzido pela influência do substrato macio. Um ensaio Rockwell superficial ou Vickers pode resolver melhor a camada, mas ainda caracteriza a camada ensaiada, e não o volume total. Perfis de microdureza podem mapear a dureza desde a superfície até o núcleo; por si sós, porém, não podem estabelecer uma curva tensão–deformação de tração.

A distinção também afeta a amostragem. Remover a camada por retificação antes de um ensaio Brinell pode produzir uma dureza significativa do núcleo, mas esse resultado deve ser informado como uma medição do núcleo. Manter a camada intacta e realizar uma leitura superficial produz um resultado da camada. Chamar qualquer um desses valores de “a dureza da peça” oculta o gradiente de propriedades.

A ISO 18265:2013 especifica princípios para a conversão de valores de dureza entre escalas e para a estimativa da resistência à tração, mas declara que os valores convertidos se aplicam diretamente apenas ao material exato ensaiado e identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis (ISO, 2013). Um dente cementado de SAE 8620 não é o material homogêneo exato representado por uma tabela de conversão para aços-carbono. Portanto, a ASTM E140-12 não pode transformar seu valor de HRC da camada em um valor defensável de resistência à tração do volume total.

Para uma decisão de projeto ou aceitação, a resposta correta é definir a propriedade que está sendo verificada: dureza da camada, profundidade efetiva da camada, dureza do núcleo ou propriedades de tração obtidas de um corpo de prova preparado separadamente. Ensaios de tração diretos, exame metalográfico e perfilagem da dureza em profundidade respondem a perguntas diferentes. Um número convertido responde apenas à pergunta específica sustentada pela correlação aplicável e própria do material.

Um Fluxo de Trabalho Prático de Referência

A conversão de dureza deve começar com uma decisão sobre a propriedade que é realmente necessária. Um valor de dureza medido descreve a resposta de uma determinada superfície, localização, penetrador e força de ensaio. Um valor de dureza convertido é uma estimativa em outra escala de dureza. Uma resistência à tração estimada é uma inferência adicional e, em geral, é menos confiável do que uma conversão entre escalas de dureza. Esses três resultados não devem ser apresentados como se fossem intercambiáveis.

Antes do ensaio

Defina a questão de engenharia antes de selecionar o ensaio. Se o requisito for resistência ao desgaste superficial, profundidade da camada endurecida, uniformidade local do tratamento térmico ou um valor para controle de produção, a dureza pode ser a propriedade direta apropriada. Se o requisito for limite de escoamento, resistência última à tração, alongamento, comportamento à fratura ou certificação do material, a dureza é apenas uma possível medição de triagem. O ensaio de tração é o método direto para propriedades de tração.

Identifique o grau do aço e a condição do produto com a maior precisão permitida pelos registros. “Aço-carbono” não é suficiente. Registre a designação, como ASTM A36, SAE J403 1045, AISI 4140, ASTM A681 O1 ou EN 1.2379, juntamente com a forma do produto, o tamanho da seção, o tratamento térmico, o revenimento, o trabalho a frio e o tratamento superficial. Um corpo de prova de 4140 temperado e revenido a 540 °C não apresenta a mesma relação dureza–resistência que um 4140 recozido, mesmo que ambos sejam chamados de 4140. Uma superfície cementada, uma camada descarbonetada, uma zona termicamente afetada pela soldagem e uma chapa normalizada podem exigir, cada uma, um plano de medição diferente.

Selecione a escala com base na geometria e na dureza esperada, não por conveniência. Brinell é útil para muitas seções maiores e relativamente uniformes, mas a impressão da esfera precisa de espessura suficiente e de distância adequada das bordas ou de impressões vizinhas. Rockwell é mais rápido e deixa uma impressão menor, enquanto as escalas Rockwell superficiais são adequadas para seções mais finas ou camadas endurecidas rasas. A microdureza Vickers e Knoop pode resolver regiões pequenas, gradientes e fases individuais, mas a preparação da superfície e a técnica do operador tornam-se mais importantes. Os métodos Leeb e Scleroscope são portáteis e úteis em condições de campo adequadas; no entanto, suas leituras dependem fortemente da massa, do apoio, da orientação, da condição da superfície e da configuração do instrumento.

Leia a norma de ensaio aplicável antes de realizar a impressão. A ASTM E10 rege o ensaio de dureza Brinell, a ASTM E18 rege o ensaio de dureza Rockwell e a ASTM E384 rege o ensaio de dureza por microindentação; o método ISO pertinente também pode ser especificado pelo desenho ou pela norma do material. A ASTM E140-12, Tabelas-Padrão de Conversão de Dureza para Metais, contém relações aproximadas entre valores Brinell, Vickers, Rockwell, Rockwell superficial, Knoop, Scleroscope e Leeb para metais especificados, incluindo aços-carbono, aços-liga e aços-ferramenta homogêneos. Ela não transforma uma escala em substituta universal de outra.

Planeje a preparação do corpo de prova. Remova carepa, ferrugem, tinta e rebarbas sem alterar a camada tratada termicamente por meio de retificação ou polimento excessivo. A superfície de ensaio deve ser plana, limpa e suficientemente lisa para o método selecionado. Apoie firmemente o corpo de prova. Uma chapa fina que flexione sob o penetrador pode produzir uma leitura enganosamente baixa, enquanto uma peça curva ou mal apoiada pode deslocar o resultado em qualquer direção.

Durante a medição

Verifique o instrumento com os blocos de referência exigidos ou conforme o procedimento de verificação, e registre a identificação da máquina, o tipo de penetrador, a força, o tempo de permanência, a temperatura e o local do ensaio. Não misture escalas ou cargas de forma não documentada. “HRC” e “HRB” são escalas Rockwell diferentes, não rótulos intercambiáveis; “HV10” e “HV0.2” utilizam forças de ensaio diferentes e podem amostrar volumes microestruturais distintos.

Posicione as impressões afastadas de bordas, furos, limites de solda e impressões anteriores pelas distâncias exigidas pela norma de ensaio. Em um componente endurecido superficialmente, mapeie a distância em relação à superfície em vez de realizar uma única leitura conveniente. Em um aço segregado, bandeado ou multifásico, podem ser necessárias várias impressões para distinguir a variação real da dispersão da medição.

Repita as medições. Três leituras podem ser adequadas para um corpo de prova uniforme de laboratório, enquanto uma junta soldada, um revestimento fino, um gradiente ou um grande forjado pode exigir uma malha maior. Rejeitar uma leitura inconveniente sem uma regra documentada é uma prática inadequada. Relate os valores individuais, a média, a amplitude ou o desvio-padrão e quaisquer exclusões, juntamente com suas justificativas. Se as impressões repetidas variarem significativamente, investigue a condição da superfície, o apoio, a seleção da escala, a microestrutura e a técnica do operador antes de realizar qualquer conversão.

O resultado medido deve conservar sua identidade original: por exemplo, 22 HRC, 235 HBW 2.5/187.5 ou 310 HV10. Uma conversão deve ser escrita separadamente, como “aproximadamente 22 HRC, convertido de 235 HBW usando a ASTM E140-12”. Isso evita que o resultado de uma tabela seja confundido com uma segunda medição.

Após a conversão

Use uma tabela de conversão que corresponda à família do aço e à faixa medida. A ASTM E140-12 afirma que “as conversões são afetadas pela liga, pela estrutura dos grãos e pelo tratamento térmico” (ASTM International, 2012). A ISO 18265:2013 especifica princípios para converter valores de dureza entre escalas e para estimar a resistência à tração, mas afirma que os valores convertidos são diretamente aplicáveis somente ao material exato ensaiado; ela também identifica as estimativas de resistência à tração como as conversões menos confiáveis (ISO, 2013). Um valor de tabela fora da faixa declarada não se torna válido pelo uso de casas decimais adicionais.

Trate as estimativas de resistência à tração como resultados de triagem. Um estudo do NIST de 1929 relatou que a resistência à tração do aço pode frequentemente ser estimada a partir da dureza Brinell para fins comerciais, com base em relações empíricas Rockwell–Brinell (NIST, 1929). Essa constatação apoia uma correlação prática, não uma lei universal. O relatório da SAE de 1967, Ensaios de Dureza e Conversões de Números de Dureza, também explica que conversões precisas devem ser desenvolvidas para a composição específica do aço, o tratamento térmico e a peça, pois o tamanho, a massa, a composição e o processamento afetam a relação.

A relação aproximada $H_V\approx 3{\sigma }_{\mathrm{UTS}}$ foi relatada para alguns materiais metálicos dúcteis de alta resistência, mas o estudo de 2012 publicado em Materials Science and Engineering: A relacionou as razões entre dureza e resistência à classe do material, à microestrutura e à morfologia da indentação (Materials Science and Engineering: A, 2012). Ela não deve ser aplicada automaticamente a chapas ferrítico-perlíticas, aços-ferramenta martensíticos, aços inoxidáveis endurecidos por precipitação ou camadas superficiais endurecidas. Da mesma forma, um estudo de 2023 constatou uma relação geralmente linear entre a dureza Brinell e a resistência à tração para aços estruturais não ligados, históricos e contemporâneos, em condições brutas ou normalizadas, mas não para toda liga ou condição de tratamento térmico (Materials Today: Proceedings, 2023).

Registre a fonte da tabela, a edição, a escala original, a escala convertida, a designação do aço, a condição, o local do ensaio, o número de leituras e a incerteza. Declare se o valor é medido, convertido ou estimado. Inclua limitações como efeitos de seção fina, gradientes superficiais, tratamento térmico desconhecido, status da calibração e se o aço está fora dos dados de origem.

O fluxo de trabalho de engenharia é, portanto: definir a propriedade necessária; selecionar, sempre que possível, um ensaio direto válido; verificar o grau e a condição do aço; preparar e apoiar o corpo de prova; realizar medições repetidas; consultar a norma de conversão pertinente; registrar a incerteza e as limitações; e recorrer ao ensaio de tração direto quando o resultado afetar o projeto, a certificação ou a aceitação do material.

Referências

1. [1]ASTM International. Standard Hardness Conversion Tables for Metals. ASTM International standard, 2012. https://store.astm.org/e0140-12.html
2. [2]International Organization for Standardization. Metallic materials—Conversion of hardness values. ISO standard, 2013. https://www.iso.org/standard/53810.html
3. [3]National Institute of Standards and Technology. Empirical Rockwell–Brinell relationships. NIST Journal of Research, 1929. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/jres/5/jresv5n1p19_A2b.pdf
4. [4]SAE International. Hardness Tests and Hardness Number Conversions. SAE technical report, 1967. https://books.google.com/books/about/Hardness_Tests_and_Hardness_Number_Conve.html?id=hRW4zwEACAAJ
5. [5]Materials Today: Proceedings authors. Brinell hardness and tensile-strength relationship in unalloyed structural steels. Materials Today: Proceedings, 2023. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352012423017897