Dureza mohs via esclerometria (título provisório)



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Anais do 43º Congresso Brasileiro de Cerâmica 2620

2 a 5 de junho de 1999 - Florianópolis – S.C.



DETERMINAÇÃO DA DUREZA ATRAVÉS DA TÉCNICA ESCLEROMÉTRICA –

UM MÉTODO COMPARATIVO AO ENSAIO DE DUREZA MOHS

Rafael Ariza Gonçalves*

Giovana Dal-Pont**

Aurea Stela Wessling Werncke**

Humberto Gracher Riella**

Whisner Fraga Mamede*

*Universidade Federal de Uberlândia – Laboratório de Tribologia e Materiais

CEP 38400-902 Campus Santa Mônica, Uberlândia – MG, Brasil, ltm-ariza@ufu.br

**Centro de Tecnologia em Cerâmica – Criciúma - SC

RESUMO

A qualidade dos revestimentos cerâmicos está intimamente ligada à satisfação do cliente, isto é, design e adequação desses materiais ao uso a que são destinados. Torna-se necessário, portanto, refletir sobre as características dos produtos cerâmicos que definem as expectativas do consumidor. Os revestimentos cerâmicos destinados a pavimento devem apresentar entre outras características, a resistência ao desgaste. A resistência ao risco também contribui para a caracterização do produto, uma vez que este parâmetro pode estar associado a resistência à abrasão.


Para determinar a resistência ao risco é utilizada a escala de dureza Mohs, obtida através da comparação da resistência ao risco com 10 minerais padrões.
Este procedimento apresenta alguns inconvenientes devido ao não domínio por parte do executor, da força aplicada, do ângulo de ataque, da velocidade de riscamento e da fragmentação dos padrões.
No presente trabalho, apresenta-se um método comparativo de medida da dureza Mohs, através da correlação da mesma com a dureza ao risco obtida por esclerometria, com pleno domínio das forças atuantes, velocidade de riscamento, ângulo de ataque e geometria do riscador.
Palavras-chaves: Cerâmica, esclerometria, dureza mohs e dureza ao risco.

INTRODUÇÃO

Os revestimentos cerâmicos destinados a pavimento devem apresentar entre outras características a resistência ao desgaste, que é um dos fatores de manutenção da integridade superficial dos mesmos.


Segundo [1, 2] o desgaste abrasivo pode ser considerado um processo de riscamento múltiplo, consequentemente a resistência ao desgaste pode estar intimamente relacionada à resistência ao risco. A determinação da resistência ao risco contribui então para a caracterização do produto.

A qualidade das placas cerâmicas para revestimentos têm sofrido significativa melhora nos últimos anos. Pesquisas e desenvolvimentos relacionados à tecnologia de fabricação de vidrados cerâmicos tem contribuído para a melhoria da qualidade, sobretudo no que diz respeito a resistência à abrasão, proporcionando o aumento da vida útil desses produtos.


A degradação de superfícies em geral, pela abrasão, tem como principal fator o riscamento que ocorre através dos mecanismos de microsulcamento, microcorte e microlascamento [3]. Para os materiais frágeis como é o caso dos pisos cerâmicos, o modo preferencial de degradação é o microlascamento que é influenciado por valores críticos de velocidade de riscamento e esforço normal. [3, 4]
A resistência ao risco é portanto um fator de qualidade muito importante, e que tem na dureza um dos indicadores dessa propriedade [3, 5].
A resistência a abrasão, no entanto, não é uma propriedade dos materiais, e sim do sistema tribológico imposto [1]. Os principais parâmetros que exercem alguma influência sobre o desgaste abrasivo são:

 Propriedades do Material: composição química, propriedades mecânicas, encruamento superficial, revestimentos e microestrutura.

 Propriedades do abrasivo: dureza, forma, angulosidade e resistência ao desgaste.

 Características do projeto: transmissão de carga, tipo de movimento, formas, lubrificação, temperatura e ambiente.

 Condições operacionais: área de contato, pressão de contato, qualidade superficial, lubrificação, temperatura e ambiente.
A Dureza Mohs, embora desenvolvida em 1822 [6], continua sendo utilizada como fator de qualidade de revestimentos cerâmicos justamente por ter como principio a resistência ao risco. Desenvolvida por F. Mohs, baseia-se na capacidade de um material riscar outro. A dureza Mohs é baseada numa escala de 1 a 10, com 1 para o talco, 2 para a gipsita, 3 para a calcita, 4 para a fluorita, 5 para a apatita, 6 para o ortoclasio, 7 para o quartzo, 8 para o topázio, 9 para o corindon e 10 para o diamante, que são os minerais padrões da escala. Deste modo, um material com um número de dureza maior é capaz de riscar outro com número de dureza menor.
A norma NBR 13818/97 anexo V [7], estabelece o método de determinação da dureza Mohs, um dos métodos sugeridos para controle das características da superfície de placas cerâmicas para revestimento(esmalte).
OBJETIVO
O presente trabalho tem como objetivo, apresentar um método comparativo de se medir a dureza Mohs através da técnica esclerométrica. Este método permite a obtenção dos resultados, com pleno domínio por parte do executor, da força aplicada, velocidade de riscamento, ângulo de ataque e a não fragmentação do riscador.

A técnica escleromÉtrica

A técnica de investigação esclerométrica se baseia no fato de o desgaste abrasivo poder ser considerado como um processo de riscamento múltiplo [1,2]


Na esclerometria, supõe-se que os contatos existentes entre as partículas abrasivas e a peça solicitada sejam independentes e particulariza-se um desses contatos, o que permite a avaliação dos parâmetros do processo abrasivo localizado.
Uma partícula abrasiva é idealizada na forma de um indentador duro e com geometria simples e conhecida. Tal modelo, ainda que distanciado da realidade, facilita enormemente a compreensão dos fatores fundamentais atuantes no processo [8].
Considerando um penetrador Vickers, ver a figura 1, pode-se facilmente estabelecer as relações que permitem os cálculos dos parâmetros esclerométricos [4, 9, 10].
F
ig. 1. Diagrama de um indentador piramidal, as forças envolvidas e o sulco gerado.
O esforço normal (Fn) é imposto pelo experimentador, e o movimento da amostra em relação ao penetrador produz um esforço tangencial Ft, paralelo à superfície da amostra.
Alguns parâmetros esclerométricos podem ser definidos, a partir da figura 1, destacando-se a dureza ao risco (Hr) e a energia específica requerida para movimentação de material (e). Estes parâmetros são definidos da seguinte forma:
Hr = = K1 (A) e e = = K2 (B)

onde An e At são as projeções da área do plano AB (de contato) nos planos das direções normal e tangencial respectivamente. L é a largura do sulco, e K1 e K2 constantes de proporcionalidade devido a geometria do indentador. Para o indentador Vickers, K1 = 4.

Outros parâmetros esclerométricos podem ser definidos. Devido a movimentação do material (quando há deformação plástica) surge uma força Nn*. A força denominada Nt* surge devido ao deslizamento do material adjacente ao plano de contato. Define-se então o atrito de Coulomb,
= = tg (C)
Adicionalmente a esclerometria permite ainda a obtenção do índice de fragilidade dinâmico, e o fator critico de concentração de tensões [1, 9, 10, 11, 12]
O
esclerômetro utilizado foi do tipo retilíneo, projetado e construído no Laboratório de Tribologia e Materiais da Universidade Federal de Uberlândia [9], Figura 2. De uma maneira simplificada pode ser descrito como um sistema formado por uma unidade de deslocamento unidirecional da amostra, a qual sofre ação do indentador que esta montado numa célula de carga tridimensional. Um sistema de regulagem permite variar o angulo de ataque do indentador em relação a amostra. Unidades de aquisição, tratamento e comunicação de dados completam o sistema.
Figura 2. Esclerômetro retilíneo. A – Sistema de aplicação de carga, B – amortecedor, C – motor de corrente contínua, D – Célula de carga, E mesa porta amostra

A literatura reporta além do esclerômetro retilíneo (o mais usado), o esclerômetro pendular e o esclerômetro rotativo entre os mais comuns [1, 11].



PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O experimento teve como base a obtenção das durezas ao risco dos padrões de dureza Mohs com o fim de se obter uma correlação entre elas.


As pedras padrão Mohs foram então cortadas em lâminas utilizando-se uma máquina de corte de precisão para assegurar o paralelismo entre as faces. A pedra de dureza Mohs 1 não foi utilizada em função de sua baixíssima dureza. Posteriormente ao corte, uma das faces de cada lâmina foi polida em pasta de diamante, procurando-se a uniformidade de qualidade das superfícies de ensaio. Este controle foi feito visualmente.
Os ensaios esclerométricos foram realizados variando-se o carregamento normal (Fn), com cargas de aproximadamente 100g, 200g e 300g. A velocidade de riscamento e o comprimento dos riscos foram mantidos constantes em 500m/s e 10 mm respectivamente. A velocidade de riscamento contribui no aumento da dureza ao risco, mas tal fenômeno só é observado quando utiliza-se cargas inferiores a 0,2N [9]. Os valores utilizados foram também escolhidos com base em trabalho de esclerometria em cerâmicas já realizado [4] e em andamento. O indentador utilizado foi um penetrador Vickers de diamante, mantido na posição vertical, sendo portanto o angulo de ataque de 22o. Para cada amostra foram realizados três riscos, um para cada carregamento normal.
O inicio e o final dos riscos foram suprimidos para se eliminar as flutuações de partida e parada e considerar somente as condições estáveis de ensaio.
Uma análise detalhada através do microscópio ótico e eletrônico de varredura revelou que os riscos obtidos com o carregamento normal de 100g ofereciam melhores condições de medida de suas larguras por apresentarem menor intensidade de estilhaçamento, que se mostrou mais intenso para as cargas mais elevadas e para as pedras de maior dureza, o que já era esperado. Foram portanto desprezados os riscos obtidos com os carregamentos de 200 e 300g. Tal procedimento se deveu também ao fato de que a partir do nível critico de 0,5N a dureza ao risco independe da carga aplicada [9].
As larguras dos riscos obtidas com carregamentos de 100g foram medidas através de um micrômetro acoplado a um microscópio ótico. Foram feitas 20 medidas de largura para cada risco. Os valores da força normal (Fn) utilizados nos cálculos foram as médias das leituras fornecidas pela célula de carga, adquiridos e tratados pelo sistema de aquisição de dados.


RESULTADOS E DISCUSSÕES

A tabela I sumariza os valores medidos e calculados para os padrões de dureza Mohs.


Tabela I. Parâmetros medidos e calculados

Padrão

Mohs


Gipsita Mohs 2

Calcita Mohs 3

Fluorita Mohs 4

Apatita Mohs 5

Ortoclásio Mohs 6

Quartzo Mohs 7

Topázio Mohs 8

Corindon

Mohs 9


Carga (g)

100

100

100

100

100

100

100

100

Fn (N)

1,02

0,96

0,98

1,02

0,95

1,18

0,97

1,02

L (m)

36,63

26,44

19,14

16,53

10,45

8,14

6,07

3,79

Hr (N/mm2)

3.069,7

5.493,5

10.747,4

14.964,0

34.570,6

71.373,8

105.458,2

284.709,7

A Figura 2 abaixo representa a variação das durezas ao risco calculadas, em função das durezas dos padrões Mohs.


Figura 2. Dureza ao risco em função da dureza Mohs


O resultado apresentado pelo gráfico foi bastante consistente com o esperado, estando inclusive coerente com publicações que mostram a correlação de outras escalas de dureza com a Mohs [6, 13].
Calculando-se os logaritmos naturais das durezas ao risco e plotando versus as durezas Mohs correspondentes, linearizou-se a curva, como mostrado na Figura 3.

Figura 3.Correlação linear entre a Dureza ao Risco e a Dureza Mohs.


Vê-se uma excelente linearização, como comprovado pelo fator de correlação R2= 0,9919.

Através dessa reta obteve-se finalmente que:

Dureza Mohs = (D)
Para comprovar a validade do modelo, foram medidas as durezas Mohs de três cerâmicas comerciais, pelo método tradicional por comparação com os minerais padrões, e pelo método esclerométrico. Os resultados são apresentados na Tabela II.
Tabela II. Dureza Mohs de três cerâmicas comerciais obtidas pelo método tradicional por comparação com os minerais padrões e pelo método esclerométrico

Cerâmica
A
B
C
Dureza Mohs

Método tradicional

5

4

5

Dureza Mohs
Método esclerométrico

5,80

4,52

5,78

Os resultados apresentados na Tabela II são também coerentes uma vez que um material riscado por um padrão é classificado pela dureza do padrão inferior.


Consideramos ser necessário para a finalização deste trabalho, a utilização de vários cortes das pedras padrão, devido a anisotropia dos cristais, para que se tenha uma curva de correlação realmente representativa da dureza Mohs.

CONCLUSÕES





  • A técnica esclerométrica elimina a falta de domínio por parte de operador da força aplicada, ângulo de ataque, fragmentação dos padrões, angulosidade do riscador, além da subjetividade de ver ou não ver o risco causado pelos padrões.




  • A dureza Mohs, obtida pelo método esclerométrico, apresenta maior precisão que a obtida pelo método tradicional de comparação com os minerais padrões da escala.

AGRADECIMENTO
Agradecemos aos professores Luiz Nishiama e Adriano Rodrigues dos Santos do Departamento de Geografia da Universidade Federal de Uberlândia pelo fornecimento das amostras padrão Mohs utilizadas neste trabalho.

REFERÊNCIAS





  1. de Mello, J. D. B.; Structure Metallurgiques et Caracterization de L’abrasion des Fontes Blanches au Chrome, Tese de Doutorado, Institute National Polytechnique de Grenoble, França, 1983.




  1. Lamy, B.; Contribution a L’etude Phenomenologique de L’enlevement de Matiere et de la Deformation des Surfaces Antagonistes dans les Processus D’abrasion, Tese de Doutorado, Université de Haute Alsace, França, 1982.



  1. Zum Gahr, K. H., Microestructure and Wear of Materials. Elsevier Sc. Pub., Amsterdam, 1987, 554 p.




  1. Feijão, J. F. M, Alarcon, O E., de Mello, J. D. B., da Rosa, F. G., Silveira, R. e Silveira , M..; Estudo do Mecanismo de Abrasão de Pavimentos Cerâmicos Utilizando a Técnica Esclerométrica, Cerâmica 42 , 275 (1996), pp. 205-208




  1. Rabinowickz, E.; Friction and Wear of Materials, John Wiley & Sons, New York, 1965




  1. Kalpakjian, Serope. Manufacturing Engeneering and Technology – 3rd Ed.. Illinois Institute of Technology. Addison – Wesley Publishing Company – 1995.




  1. ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 13818. Placas cerâmicas para revestimento – Especificação e métodos de ensaios. ABR/1997, 78 p. Anexo V – Determinação da dureza segundo a escala Mohs, p.71.




  1. Zum Gahr, K. H.; Formation of Wear Debris due to Abrasion, in 3rd International Conference on Wear of Materials, ASME, Dearbon, USA, 1981, pp. 396-405.




  1. Nogueira, R. E. F. Q., Esclerometria Aplicada ao Estudo do Desgaste Abrasivo, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, 1988.




  1. Raslan, A. A., Estudo da Abrasão do Silício por Esclerometria Retilínea, Anais do I Congreso Iberoamericano de Ingenieria Mecanica, Espanha, 1993, pp. 231-235.




  1. Franco, S. D. F., Contribuição ao Estudo do Desgaste Abrasivo de Materiais Polifásicos, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Uberlândia, 1989.




  1. Raslan, A. A., A Dureza ao Risco de Monocristal de Silício, Anais do X CBCIMAT, Águas de Lindóia, 1992, pp. 1084-1087.




  1. Bailar, J. C. Jr., Moeller, T., Keinberg, J., Guss, C., Castellion, M. E. and Metz, C., Chemistry, Academic Press, New York, 1978.

DETERMINATION OF HARDNESS BY SCLEROMETRY – A COMPARATIVE METHOD TO MOHS HARDNESS TEST


ABSTRACT
The quality of ceramic coatings is closely related to the customer’s satisfaction, that is, design and properties adequate to their use. In this way, it is necessary to think about the characteristics of the ceramic coatings, that define the customer’s needs. Ceramic coatings used in paving must present, among other characteristics, high abrasion wear resistance. The determination of scratch resistance also contributes to the characterization of the ceramic product, because it is associated with abrasion resistance

.

The Mohs scale is normally used to measure scratch resistance. This is obtained by means of the comparation of the scratching resistance with ten standard minerals. This procedure presents some problems, because the executor does not dominate, during the test, the applied force, the attack angle, the scratching velocity and the fragmentation of the standards.


In this work, it is presented a correlation between Mohs hardness measurements and the scratching hardness. During the scratching test,
Key words: ceramic, sclerometry, Mohs hardness and scratch hardness



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