Estudo numérico do ensaio de dureza com indentador Knoop

Abstract

Os ensaios de dureza por indentação são frequentemente utilizados na caracterização das propriedades mecânicas dos materiais. Nestes ensaios são geralmente utilizados indentadores Vickers, Berkovich e cónico. O Indentador Knoop, à semelhança do Vickers, é piramidal de base quadrangular, mas no primeiro a base é em forma de losango e no Vickers é quadrada. Assim, para o mesmo valor de carga, a indentação Knoop é menos profunda e mais alongada do que a Vickers. Este facto, torna o indentador Knoop adequado à realização de ensaios de dureza em materiais frágeis e filmes finos. Contudo, a maioria dos estudos nesta área revertem a favor dos indentadores Vickers, Berkovich e de geometria cónica, não existindo muitos estudos focados no indentador Knoop. Neste contexto, este estudo tem como objectivo conhecer em detalhe a influência das propriedades mecânicas de materiais na geometria e atributos da indentação Knoop e, inversamente, possibilitar a aplicação de um procedimento simples para avaliar as propriedades mecânicas, utilizando este indentador. Assim, é proposta e validada uma metodologia de análise dos resultados de ensaios dinâmicos de dureza (“depth-sensing indentation”), referentes ao indentador Knoop, baseada na utilizada para o indentador Vickers. Neste estudo recorre-se ao código de simulação numérica por elementos finitos, DD3IMP, desenvolvido e continuamente actualizado no Centro de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra (CEMUC). A malha de elementos finitos utilizada foi previamente desenvolvida e optimizada e a modelação do indentador Knoop toma em consideração a imperfeição habitualmente existente na ponta dos indentadores reais.

Abstract The indentation hardness tests are often used for characterizing the mechanical properties of materials. Vickers and Berkovich indenters are generally used for this purpose. Vickers and Knoop indenters have pyramidal shapes, but with different bases: square for the Vickers, and rhomb for the Knoop. Thus, for the same load value, the Knoop indentation is shallower and wider than the Vickers. This makes the Knoop indenter appropriate for testing hardness of brittle materials and thin films. However, most studies in this area are performed with Vickers, Berkovich or conical indenters, and there are not many studies focusing on the Knoop indenter. In this context, the purpose of this study is to study in detail the influence of the mechanical properties of materials on the geometry and attributes of the Knoop indentation and, inversely, to allow the application of a simple procedure to evaluate the mechanical properties, using this indenter. Therefore, a methodology for analysing the results of depth-sensing indentation with the Knoop indenters is proposed and validated; this methodology is based on the one currently used for the Vickers indenter. This study resorted to the DD3IMP finite element code for numerical simulation, developed and continuously updated in the Center of Mechanical Engineering, University of Coimbra (CEMUC). The finite element mesh used was previously developed Estudo numérico do ensaio de dureza com indentador Knoop viii 2012 and optimized and the modeling of the Knoop indenter takes into account the imperfections that usually occur at the tip of real indenters.