UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DISCIPLINA: MMA – GEM23 PROFESSOR: Sônia Goulart de Oliveira
Trabalho 1 – Ensaios Mecânicos de Metais
Nomes: Antônio Ricardo Zaiden Bruno Alexandre Roque Guilherme Augusto de Oliveira Luis Paulo Pettersen Uberlândia, 22 de Abril de 2010
Sumário
Página
Resumo
02
1. Introdução
03
2. Desenvolvimento Teórico
03
2.1. Ensaio de Tração
04
2.1.1. Diagrama Tensão-Deformação
05
2.1.2. Materiais Dúcteis e Frágeis
10
2.1.3. Corpos de prova utilizados para o ensaio de tração
12
2.1.4. Medição da Deformação Total - Alongamento 2.1.5. Equipamento para o ensaio de tração
15 16
2.1.6. Fontes de erro na geração da curva tensão-deformação
18
2.1.7. Fixação do Corpo de Prova
20
2.1.8. Outras Propriedades obtidas no Ensaio de Tração
21
2.2. Ensaio de Compressão
23
2.3. Ensaio de Torção
27
2.4. Ensaios de Dureza
30
2.4.1. Dureza Brinell
30
2.4.2. Dureza Rockwell
34
2.4.3. Dureza Vickers
37
2.5. Ensaio de Impacto
39
2.5.1. Ensaio Charpy 2.5.2 Ensaio Izod
40 41
2.6. Ensaio de Tenacidade à Fratura
42
2.7. Ensaio de Fadiga
46
2.7.1. Características do Ensaio de Fadiga
47
2.8. Ensaio de Fluência
49
2.8.1. Tipos de Ensaios de Fluência
51
3. Conclusão
52
Bibliografia
53
2
Resumo Com uma indústria moderna cada vez mais competitiva, o conhecimento das matérias primas tornou-se um fator de grande relevância para os projetos mecânicos. Usar o material adequado para a fabricação de um componente, garante não apenas que o mesmo estará dimensionado e não falhará, mas também que o projeto poderá ser realizado utilizando-se um material que proporciona reduções de custos para a fabricação, tornando o item mais competitivo no mercado. Este trabalho propõe um estudo dos principais ensaios mecânicos, (Tração, Compressão, Torção, Dureza, Impacto, Fadiga, Fluência e Tenacidade à fratura). Para cada um destes ensaios, explicitaram-se os objetivos, normas, aparelhos e formas de execução de cada ensaio. O uso de figuras, sobretudo tiradas do portal (http://www.cimm.com.br ( http://www.cimm.com.br), ), das apostilas do Telecurso 2000, facilitaram muito no entendimento e demonstração dos parâmetros envolvidos em cada experimento.
3
1.
Introdução
Em um projeto de engenharia, seja ele de grande ou pequeno porte, é de suma importância o conhecimento do comportamento do material empregado no projeto, isto é, suas propriedades mecânicas, em diversas condições de uso. Estas condições de uso envolvem uma gama de variáveis, tais como a temperatura, tipo de carga aplicada e sua freqüência de aplicação, desgaste, deformabilidade, atmosfera corrosiva, entre outros. Para que o engenheiro projetista possa ter êxito em seu trabalho, é imprescindível que o mesmo tenha em mãos os parâmetros de comportamento dos materiais empregados no projeto. Tais parâmetros podem ser obtidos pelos ensaios mecânicos. Apesar de existirem tabelas com os valores de propriedades dos materiais utilizados na engenharia, é importante que os engenheiros tenham conhecimento da metodologia da execução dos ensaios, bem como o que significa cada parâmetro. Portanto, devem-se conhecer os fundamentos básicos relativos a cada ensaio mecânico. Com este objetivo, serão descritos nessa seção, os ensaios mecânicos mais relevantes para os materiais empregados na engenharia mecânica, são os ensaios de: Tração, Compressão, Torção, Dureza, Impacto, Fadiga, Fluência e Tenacidade à fratura.
2.
Desenvolvimento Teórico
Será feita uma breve discussão acerca da classificação dos tipos de ensaios mecânicos. Os ensaios mecânicos podem ser agrupados em dois blocos: •
Ensaios Destrutivos;
•
Ensaios Mecânicos Não-Destrutivos
Os ensaios destrutivos são entendidos como aqueles que deixam algum sinal na peça ou no corpo de prova submetido ao mesmo, ainda que estes não fiquem inutilizados. Pode-se citar como ensaios destrutivos os seguintes:
4
•
Ensaio de tração
•
Ensaio de compressão
•
Ensaio de cisalhamento
•
Ensaio de dobramento
•
Ensaio de flexão
•
Ensaio de embutimento
•
Ensaio de torção
• •
Ensaio de dureza Ensaio de fluência
•
Ensaio de fadiga
•
Ensaio de impacto
Os ensaios não destrutivos são entendidos como aqueles que após serem realizados, ao contrário dos destrutivos, não deixam nenhuma marca ou sinal na peça ou corpo de trabalho, portanto não inutilizando-os. Por este fato, estes ensaios são utilizados para a detecção de falhas em produtos acabados e semi acabados. São exemplos de ensaios não destrutivos os seguintes ensaios listados abaixo: •
Ensaio visual
•
Ensaio de líquido penetrante
•
Ensaio de partículas magnéticas
•
Ensaio de ultra-som
•
Ensaio de radiografia industrial
A seguir, serão descritos os ensaios de: Tração, Compressão, Torção, Dureza, Impacto, Fadiga, Fluência e Tenacidade à fratura, descrevendo quais são os objetivos principais de cada ensaio, como são executados, as principais normas e propriedades fornecidas por cada um, bem como as normas mais usadas na execução de cada um. 2.1.
Ensaio de Tração
O texto a seguir foi elaborado através da consulta do portal eletrônico www.cimm.com.br e apostilas do Telecurso 2000, sobre ensaios mecânicos. No ensaio de tração, submete-se a um corpo de prova, um esforço, que tende a alongá-lo, ou até mesmo esticá-lo até a sua ruptura. Os esforços ou cargas aplicadas ao mesmo são medidas na própria máquina de ensaio. Geralmente, este ensaio é realizado utilizando-se um corpo de prova de formas e dimensões padronizadas, para que os resultados que forem obtidos possam ser 5
comparados, ou, dependendo da finalidade do ensaio, tais informações podem ser usadas tecnicamente. Os ensaios de tração permitem conhecer como os materiais reagem aos esforços de tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento se rompe. Como já citou-se anteriormente, quando são submetidos a campos de forças e/ou momentos, os metais deformam-se. A intensidade e o tipo de deformação sofrido pelo metal são funções da resistência mecânica do metal, da intensidade das forças e momentos aplicados, do caminho da deformação, etc. As deformações resultantes dos campos de força podem ser classificadas em dois tipos: •
Deformação elástica – é aquela em que removidos os esforços atuando sobre
o corpo, ele volta a sua forma original Deformação plástica – é aquela em que removidos os esforços, não há recuperação da forma original. •
Os dois tipos de deformação podem ser explicados pelos movimentos atômicos na estrutura cristalina do material. Cada átomo do cristal vibra em torno de uma posição de equilíbrio, característica do tipo de rede cristalina do metal, sendo seu núcleo atraído pelas eletrosferas dos átomos vizinhos e repelido pelos núcleos dos mesmos, como se estivessem em um poço de energia. Sob a ação de esforços externos, os átomos tendem a se deslocar de sua posição de equilíbrio. A deformação plástica envolve a quebra de um número limitado de ligações atômicas pelo movimento de discordâncias. Depois de removidos os esforços, continua a existir um deslocamento diferenciado de uma parte do corpo em relação a outra, ou seja, o corpo não recupera sua forma original. A deformação plástica é resultante do mecanismo de formação de defeitos cristalinos (discordâncias e maclas), permanecendo constante o parâmetro de rede. Logo, a deformação plástica ocorre com o volume constante. Para avaliar a deformação em função da tensão aplicada ao corpo de prova, levanta-se a curva denominada diagrama tensão-deformação. 2.1.1. Diagrama Tensão-Deformação Como já foi citado anteriormente, durante o ensaio de tração, a máquina de ensaio fornece um gráfico, que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o desenvolvimento do ensaio. Mas o objetivo principal do ensaio é a relação entre a tensão e a deformação do material.
6
A tensão é dada pela razão entra força aplicada, denominada F, e a área da seção do corpo de prova, denominada S. Como a seção é variável com a deformação do corpo de prova, convencionou-se que a área da seção utilizada para os cálculos é a área da seção inicial do corpo de prova, denominada So. A curva obtida neste ensaio apresenta certas características que são comuns a vários tipos de materiais com aplicação na engenharia mecânica.
Figura 1 – Diagrama tensão-deformação para um material com fase plástica (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.3) A seguir, serão mostrados alguns limites de resistência que podem ser obtidos pelo ensaio de tração. No diagrama abaixo, o ponto A, no final da reta, representa o limite elástico.
7
Figura 2 – Representação do limite elástico (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.4)
Caso o ensaio for interrompido antes do ponto elástico e a força de tração for retirada do corpo de prova, o mesmo volta a sua forma original, como se fosse um “elástico de borracha”, numa analogia simples. Na fase elástica, todos os metais seguem a lei de Hooke, sendo a variação tensão-deformação linear. Tal lei fora formulada por Robert Hooke, no século XVII. Hooke observou que uma mola tem sempre uma deformação, designada ε, proporcional á tensão aplicada T, desenvolvendo-se desta forma a constante da mola, designada K, desta forma, tem-se a seguinte relação: K = T/ ε (1) Fazendo a analogia da lei de Hooke para o ensaio de tração, durante a fase elástica, a divisão da tensão pela deformação, em qualquer ponto, é um valor constante, denominado módulo de elasticidade E. O módulo de elasticidade mensura a rigidez do material à tração. Quanto maior for o valor de E, menores serão as deformações elásticas resultantes da aplicação de carga, sendo mais rígido o material. O módulo de elasticidade é dado pela seguinte relação matemática: E = T/ ε
(2)
Limite de Proporcionalidade A lei de Hooke só vale até um determinado valor de tensão, denominado limite de proporcionalidade, que é o ponto representado no gráfico a seguir por A’, a partir do qual a deformação deixa de ser proporcional à carga aplicada. Muitas vezes, considera-se que o limite de proporcionalidade coincide com o limite de elasticidade.
8
Figura 3 – Limite de Proporcionalidade (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.4)
Escoamento Nos metais dúcteis, terminada a fase elástica, inicia-se a fase plástica, onde ocorrem deformações permanentes do material, mesmo havendo a retirada da força de tração. No início da fase plástica, ocorre o fenômeno denominado escoamento. Tal fenômeno é caracterizado por uma deformação permanente do material sem que haja incremento da carga, mas ocorre um aumento da velocidade de deformação. Durante o escoamento, os valores de carga oscilam muito próximos uns dos outros.
Figura 4 - Limite de escoamento (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.5)
Limite de Resistência
9
Após o escoamento
oc rre o encruamento,
que é um endurecimento
ca sado pela quebra
dos grãos que compõem o
m terial
deformados a frio. Há um
aumento da resistência
do metal à tração externa,
exiigindo uma tensão
cada vez maior para haver
a deformação. Nessa
fase, a tensão recomeça a
su ir, até chegar a um
valor
máximo,
denominado limite de
resistência (B). Para o limite de resistência, usa-
cálculo do valor do se a seguinte relação
quando
matemática: Lr = Fmax/Ao (3)
Figura 5 – Limite de Resist ncia (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.6 )
Limite de Ruptura Continuando a aplicação da tração, chega-se à ruptura do material , que ocorre no ponto denominado limite de ruptura (C). Um fato importante a ser observad
é que a tensão no 10
limite de ruptura é menor que no limite de resistência, devido à diminuição de área que ocorre no corpo de prova, após ser atingida a carga máxima.
Fig ura 6– Limite de Ruptura (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.6)
A seguir, pode-se ver o diagrama completo com todos os limites de resistência:
11
Figura 7 – Diagrama com os limites de resistência (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.6)
2.1.2. Materiais Dúcteis e Frágeis Um material dúctil é aquele que pode ser alongado, flexionado ou torcido, sem se romper. Ele admite deformação plástica permanente, após a deformação elástica. A deformação plástica em geral é acompanhada de encruamento. O ponto de escoamento determina a transição entre as fases elástica e plástica (com ou sem patamar na curva). Um material frágil rompe-se facilmente, ainda na fase elástica. Para estes materiais o domínio plástico é praticamente inexistente, indicando sua pouca capacidade de absorver deformações permanentes. Na curva tensão deformação, a ruptura se situa na fase elástica ou imediatamente ao fim desta, não havendo fase plástica identificável.
Abaixo, constam curvas tensão-deformação para diferentes materiais:
12
Figura 8 – Diagrama tensão-deformação para diferentes materiais (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6537) Outra definição importante usada em ensaios de tração é a estricção, que é a redução percentual da área da seção transversal do corpo de prova na região onde vai se localizar a ruptura. A estricção determina a ductilidade do material. Quanto maior for a porcentagem de estricção, mais dúctil será o material. 2.1.3. Corpos de prova utilizados para o ensaio de tração Os corpos de prova utilizados no ensaio de tração devem seguir padrões de forma e dimensões para que os resultados obtidos nos testes possam ser utilizados. No Brasil, a norma que padroniza os corpos de prova é a MB-4 da ABNT, garantindo formatos e dimensões para cada tipo de teste. Segundo a norma, a seção transversal do corpo de prova pode ser circular ou retangular, dependendo da forma e das dimensões do produto de onde for extraído. A seguir, o desenho esquemático mostra as partes de um corpo de prova circular usado em ensaios de tração:
13
Figura 9 – Partes de um corpo de prova de seção circular (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6543) Parte útil: é a porção efetivamente utilizada para medição do alongamento. Cabeça: são as extremidades, cuja função é permitir a fixação do corpo de prova na máquina de ensaio. A análise das propriedades mecânicas de um metal depende da precisão com que os corpos de prova são usinados. Como os corpos de prova são de geometria circular ou plana, uma usinagem adequada é essencial para um programa de testes de qualidade. Dimensões a acabamento superficial devem estar de acordo com a norma brasileira. Algumas normas pertinentes são listadas abaixo: •
Materiais metálicos - Ensaio de tração a temperatura elevada NM-ISO783 1996
•
Materiais metálicos - Ensaio de tração à temperatura ambiente NBRISO6892
11/2002 Materiais metálicos - Calibração de máquinas de ensaio estático uniaxial - Parte 1: Máquinas de ensaio de tração/compressão - Calibração do sistema de medição da •
força NBRNM-ISO7500-1 03/2004 •
Materiais metálicos - Calibração de extensômetros usados em ensaios uniaxiais
NBR14480 03/2000 •
Materiais metálicos - Calibração de instrumentos de medição de força utilizados
na calibração de máquinas de ensaios uniaxiais NBR6674 MB1488 07/1999 •
Produtos planos de aço - Determinação das propriedades mecânicas à tração
NBR6673 MB856 07/1981 Produtos tubulares de aço - Determinação das propriedades mecânicas à tração NBR7433 MB736 07/1982 •
14
•
Barras de aço destinadas a armaduras para concreto armado com emenda
mecânica ou por solda - Determinação da resistência à tração NBR8548 MB1804 08/1984 •
Alumínio e suas ligas - Ensaio de tração dos produtos dúcteis e fundidos
NBR7549 MB1714 12/2001
2.1.4. Medição da Deformação Total - Alongamento O alongamento do corpo de prova pode ser medido em qualquer etapa do ensaio de tração. Entretanto o comprimento final L f , no momento da ruptura, é necessário para o cálculo da deformação total. A deformação total é a soma das deformações: •
Deformação elástica (recuperada após a ruptura)
•
Deformação durante o escoamento
•
Deformação plástica
•
Deformação depois de atingida a carga máxima
A soma da deformação no escoamento com a deformação plástica é a chamada deformação uniforme. Para efetuar a medição do comprimento final, seguem-se os seguintes passos: •
Marcam-se n divisões iguais sobre a parte útil do corpo de prova antes do início
do ensaio. •
Um comprimento de referência L0 deve ser escolhido neste estágio. É
recomendável que o comprimento total das n divisões seja bem superior ao comprimento L0 •
Traciona-se o corpo até a ruptura, juntando-se a seguir as partes
•
Mede-se a distância correspondente ao comprimento final, tomando-se o mesmo
número de divisões à esquerda e á direita da seção de ruptura, quando possível. Quando a ruptura for próxima ao final da parte útil do corpo de prova, toma-se o número máximo de divisões do citado lado, compensando-se a diferença do lado oposto para completar o comprimento de referência.
15
O procedimento é ilustrado na figura abaixo:
Figura 10 - Procedimento para a medição da deformação do corpo de prova (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6543)
Medição da redução de Área A estricção ocorre depois de atingida à carga máxima. A deformação é maior nesta região enfraquecida. A estricção é usada como medida da ductilidade, ou seja, quanto maior a estricção, mais dúctil é o material. O fenômeno da estricção é ilustrado na figura abaixo, para um corpo de prova de seção transversal circular.
Figura 11 – Ilustração da medição da redução da área da seção do CP. (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6544) 16
Vale ressaltar que a estricção não pode ser considerada uma propriedade específica do material, mas somente uma característica do seu comportamento. Isto se justifica porque o estado de tensões depende da forma da seção transversal, por sua vez, a fratura depende não só do estado de tensões e deformações, mas de como se desenvolveu. Então a deformação após a carga máxima não é sempre a mesma. Apesar do seu caráter mais qualitativo, a estricção é mencionada e usualmente especificada para diversos materiais. As medidas de estricção podem ser tomadas tanto para corpos de seção circular como corpos de seção retangular. As medidas e os valores são mostrados nas figuras abaixo.
Figura 12 – Redução da área para CP de seção circular (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6544)
Figura 14 - Redução da área para Cp de seção retangular (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6544)
17
2.1.5. Equipamento para o Ensaio de Tração O ensaio de tração pode ser realizado por uma máquina universal, que também executa ensaios de compressão e flexão. Abaixo, consta um desenho esquemático da máquina universal, e seus componentes:
Figura 15 – Desenho esquemático de uma máquina universal (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 04, pág.4)
A função básica destas máquinas é criar um diagrama de carga x deslocamento. Uma vez gerado o diagrama, pode-se calcular a tensão de escoamento manualmente com recurso geométrico de lápis e régua, ou via um algoritmo computacional acoplado. Neste caso, são também calculados o módulo de Elasticidade E, a tensão limite de ruptura e o alongamento total. Quanto ao tipo de operação, as máquinas de ensaio podem ser eletromecânicas ou hidráulicas. A diferença entre elas é a forma como a carga é aplicada. Em qualquer caso a referência é para máquinas de carregamento estático ou quase-estático.
18
Abaixo, consta um desenho esquemático da máquina, enfatizando a parte da máquina onde o corpo de prova é tracionado:
Figura 16 – Fixação na máquina do corpo de prova (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6520) Ocorre a movimentação do cabeçote, e com isso, o corpo de prova chega à fratura:
Figura 17 – Tração do corpo de prova até a sua ruptura (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6520) 19
Máquinas eletromecânicas Tem seu funcionamento baseado em motor elétrico de velocidade variável, um sistema de engrenagens de redução e um ou vários parafusos que movimentam o cabeçote na direção vertical. Estes movimentos para cima e para baixo permitem executar testes de tração e compressão respectivamente. As velocidades do cabeçote podem ser alteradas pela velocidade do motor. Um servo-sistema pode ser adaptado para controlar mais precisamente a velocidade do cabeçote.
Máquinas Hidráulicas Máquinas hidráulicas para testes são baseadas no movimento de um pistão de atuação simples ou dual, que aciona o cabeçote para cima e para baixo. Entretanto, na maioria das máquinas para teste estático existe um pistão de ação simples. Numa máquina de operação manual, o operador ajusta o orifício de uma válvula de agulha com compensação de pressão para controlar a taxa de alimentação. Num servo sistema hidráulico de ciclo fechado, a válvula de agulha é substituída por uma servo-válvula operada eletronicamente para um controle preciso. Em geral as máquinas eletro-mecânicas permitem uma gama maior de velocidades e maiores deslocamentos do cabeçote, por outro lado as máquinas hidráulicas permitem gerar maiores forças de carregamento.
2.1.6. Fontes de erro na geração da curva tensão-deformação
No ensaio de tração, os erros mais comuns são ocasionados no extensômetro. Durante o ensaio, a deflexão do quadro de cargo, composto pelas colunas da máquina, cabeçote e mesa, em relação a deformação do corpo de prova pode ser grande o suficiente para gerar significativas discrepâncias. Por isso, o extensômetro deverá medir apenas e deformação do corpo de prova. Na maioria das vezes, liga-se o extensômetro no corpo de prova, ou utilizam-se sistemas de medição sem contato. Um extensômetro é caracterizado por um mecanismo de fixação, as pontas em faca, o comprimento de medição, o movimento percentual e a sua precisão.
20
Figura 18 – Pontas em faca e o escorregamento (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6547)
Figura 19 - Representação do escorregamento durante o ensaio de tração (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6547) Caso o ajuste do mecanismo de fixação estiver desgastado ou com pontas, poderão ocorrer erros na confecção do diagrama. O escorregamento é uma fonte de erros muito comum em ensaio de metais. Com o intuito de evitar tais inconvenientes, deve-se adotar um programa de manutenção na máquina de ensaios, para que sejam substituídas pontas desgastadas e as molas que não estejam pressionando adequadamente o corpo de prova. Comprimentos de medição padrão para extensômetros são em geral 1” 2” e 8”. 21
O comprimento de medição necessário depende do tamanho do corpo de prova e do método de teste. Deve ser tomado cuidado para fixar o comprimento de medição na hora de fixar o extensômetro. O ajustamento adequado e a operação das paradas mecânicas eliminam os erros de comprimento de medição. Deve haver a compatibilidade entre o curso total do movimento do extensômetro e o alongamento total do corpo de prova. Para extensômetros com cursos grandes, pode ser difícil determinar o E com precisão. Já com cursos pequenos, poderá não ser possível a medição completa de alguns parâmetros. As garras de fixação da máquina de ensaio em “v” são as mais usadas em testes de metais. Com o aumento da carga axial, as cargas atuam aumentando a pressão de aperto sobre o corpo de prova. Pode haver o ajuste manual das garras, bem como o ajuste hidráulico e pneumático. Caso o numero de testes for grande, não é recomendando o ajuste manual. As garras devem estar limpas e novas, pois se a superfície da mesma estiver suja ou desgastada, pode ocorrer o escorregamento do corpo de prova, o que causa erros no levantamento do diagrama. Outro detalhe de suma importância é o alinhamento do corpo de prova com as garras durante a montagem do teste, pois tais desvios podem provocar o surgimento de tensões de flexão e diminuição dos valores lidos da tensão de tração. Algumas máquinas de teste necessitam do uso de contra porcas, para que se mantenham as morsas em posição adequada. Estas porcas devem ser apertadas com a máquina carregada na sua capacidade máxima de carga, sendo usado um corpo de prova especial para o ajuste.
2.1.7. Fixação do Corpo de prova Para a maioria dos ensaios mecânicos, o corpo de prova deve concentrar as tensões dentro da região de medida, sendo assim, o teste exige um formato especifico de CP. Caso o mesmo não tenha sido bem fabricado, poderá até mesmo quebrar fora da região de medida, acarretando assim erros na deformação. Além disso, deve-se assegurar que os equipamentos de medição usados para a tomada de dimensões, estejam devidamente calibrados. A forma e a magnitude da curva levantada pelo ensaio podem ser afetadas pela velocidade do carregamento, pois alguns materiais podem apresentar um significativo aumento da resistência à tração quando as velocidades de carregamento são aumentadas. Com a introdução dos sistemas de teste com micro-processamento, as cargas podem inadvertidamente ser zeradas, resultando em leituras reduzidas para as tensões. Para evitar este erro recomenda-se fixar o corpo de prova na morsa superior, zerar a carga, e finalmente fixar a extremidade inferior. 22
Figura 20 – Fixação do CP na máquina de ensaio (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6547)
2.1.8. Outras Propriedades obtidas no Ensaio de Tração Além das propriedades que já foram citadas anteriormente, o ensaio de tração pode ainda determinar as seguintes propriedades mecânicas: Resiliência, Ductilidade, Tenacidade e Efeito da taxa de deformação. A resiliência refere-se à propriedade que possuem alguns materiais de acumular energia quando exigidos ou submetidos à tensão sem fraturarem. Após tal tensão ser cessada, poderá haver ou não uma deformação residual causada pela histerese do material, fenômeno similar com um elástico, que verga-se até um certo limite sem deformar, depois retorna a forma original, dissipando a energia acumulada. Esta propriedade é medida em percentual da energia devolvida após a deformação. Um percentual de 0% revela que o material sofre apenas deformações plásticas, enquanto 100% deformações elásticas apenas. É dada pela seguinte relação matemática:
1 ² 2
(3) 23
Onde: = limite de escoamento;
•
0
•
E = módulo de elasticidade ou de Young.
•
w = módulo de resiliência.
A ductilidade é uma propriedade qualitativa que mede a capacidade do material ser deformado plasticamente sem que ocorra a ruptura ou a estricção localizada. As medidas convencionais da ductilidade são: Alongamento total (a): é a deformação de engenharia na fratura, dada pela relação: a = (lf-lo)/lo (4) Redução de área na fratura (q), dada pela equação: q = (Ao-Af)/Ao (5) Coeficiente de encruamento: a equação de Hollomon indica que o coeficiente n é também uma medida da ductilidade, uma vez que ele indica a deformação verdadeira para a qual inicia-se a estricção do metal. É adimensional e independe do tamanho inicial do CP analisado, é função da microestrutura, sendo sensível ao tamanho de grão da matriz e da quantidade de impurezas contidas na mesma. Sua dependência em relação ao tamanho de grão da matriz (d), para aços baixo C, é dada por (com d em mm): N = 5/(10+d^-1/2) (6) Às vezes, há a necessidade de determinar-se mais que um valor de n para um mesmo material. É que ele pode obedecer a uma certa equação do tipo Hollomon em determinado trecho da curva s x e e, em outro trecho desta curva pode ser que outra equação do tipo Hollomon se adapte melhor. Isto é bastante comum no caso dos aços. A tenacidade é a capacidade do material absorver energia na região plástica. É medida pela área sob a curva tensão deformação. Outra forma usual de avaliá-la é através do ensaio de Impacto. 24
2.2.
Ensaio de compressão
O ensaio de compressão consiste numa aplicação lenta e crescente de uma força de compressão uniaxial, em uma amostra padronizada, até a sua ruptura 1. O corpo de prova geralmente é colocado dentro de uma gaiola de proteção, para que fragmentos do mesmo não escapem para as adjacências do local de ensaio. Durante o ensaio podem ser anotados os alongamentos sofridos pela amostra, correspondente às forças aplicadas. Uma das exigências da realização do ensaio é a padronização do corpo de prova, que será submetido à ação das forças aplicadas por uma máquina de ensaio universal. Esta padronização, que segue as normas determinadas por órgãos competentes, tem como objetivo evitar a falha do material pelo processo de flambagem. Para que a flambagem não ocorra, a altura da amostra não deve ser maior do que três vezes o valor do seu diâmetro. A figura abaixo ilustra um exemplo de um corpo de prova utilizado num ensaio de compressão:
Figura 21- Ilustração de um Corpo de prova para ensaios de compressão (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6548)
Algumas máquinas de ensaio fornecem o diagrama Carga x Alongamento (P x
∆l),
a
partir do qual é construído o diagrama Tensão x Deformação convencional ( σ x ε). Este ensaio é muito usado para a obtenção de propriedades mecânicas (como por exemplo, limite de ruptura à compressão) de materiais frágeis, que oferecem boa resistência à compressão, e é de suma importância para a engenharia, sobretudo para materiais como concreto, cerâmica, ferro fundido, etc. 1
Instituto de Física da Universidade Federal de Uberlândia, “Apostila de Resistência dos M ateriais experimental”, Pag. 14
25
Para os materiais dúcteis sob compressão, até o valor da tensão de escoamento os valores das deformações são semelhantes aos obtidos num ensaio de tração. Admite-se que o módulo de elasticidade
E
o coeficiente de Poisson
υ,
obtidos experimentalmente, são os
mesmos para tração e compressão, e, na fase elástica, os materiais dúcteis ensaiados à compressão apresentam um diagrama
σ
x
ε
semelhante ao diagrama do mesmo material
ensaiado à tração. Assim, obtém-se o mesmo valor para o limite de escoamento 2.
Figura 22 – Diagrama tensão-deformação convencional de um dúctil submetido à compressão (http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Stress_v_strain_A36_2.png)
2
1.
Tensão máxima
2.
Tensão limite de escoamento
3.
Limite de ruptura
4.
Região de Encruamento
5.
Região de "Estricção".
Flávio de Sousa Barbosa, Apostila de Resistência dos materiais, UFJF, Pag. 35
26
A tensão na fase elástica pode ser calculada pela seguinte expressão:
σ =
P A0
[MPa]
(7)
Onde P é a carga aplicada em Newtons ( N ) e Ao é área de seção transversal inicial do corpo de prova em ( mm 2 ). Da equação 2.1 é possível calcular a tensão de ruptura
σ Ruptura
e a energia
U absorvida pelo corpo de prova na fase elástica, através das seguintes equações:
σ Ruptura
=
U compressão =
P Ruptura A0
σ comp.
[MPa]
2
2 ⋅ E
[
N ⋅ mm mm 3
(8)
]
É importante ressaltar que, no caso de materiais dúcteis, o diagrama
(9)
σ
x
ε
cresce
indefinidamente até a ruptura, ao contrário do que mostra o diagrama convencional. No caso de materiais frágeis, a ruptura se dá num plano orientado a aproximadamente 45º em relação à direção de aplicação da carga, devido, principalmente, ao fato da tensão de cisalhamento atingir seu valor máximo neste plano. Para todos os materiais frágeis, o limite de resistência à compressão é maior do que o limite de resistência à tração. A tensão de ruptura e o módulo de resiliência são também calculados pelas equações (8) e (9).
27
1. Tensão máxima de tração 2. Ruptura. Figura 23 - Ruptura de material frágil sob compressão (http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Stress_v_strain_brittle_2.png)
A seguir, é mostrada a forma pela qual os corpos de prova, de diferentes materiais, se apresentam após a execução do ensaio:
Figura 24 – Deformações dos corpos de prova no ensaio de compressão (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6551) 28
Para evitar erros durante a execução do ensaio, o comprimento útil, sobre os quais se fazem as medições, deve estar afastado das superfícies de contato com a máquina de ensaio em pelo menos um valor do diâmetro do corpo de prova. É recomendável que o comprimento útil esteja centrado em relação ao centro geométrico do corpo de prova. Para evitar danos na superfície das placas da máquina de ensaio é indicada a colocação de chapas finas de aço entre as placas e o corpo de prova. Em alguns casos, necessita-se que o teste ocorra sem atrito. Neste ensaio ideal, haveria no corpo de prova apenas a tensão de compressão, e o corpo deformando iria manter sua forma original. Tal estado é conhecido como estado uniforme de tensões. Este abaulamento pode ser minimizado através do uso de lubrificantes na superfície de contato. Em testes a temperatura ambiente, recomenda-se o uso de teflon ou óleos de alta viscosidade. Para temperaturas elevadas, recomenda-se o grafite dissolvido em óleo (ligas de alumínio) e vidro moído, para aços e titânio. Para que haja a retenção do lubrificante, usinam-se sulcos rasos nas faces do corpo de p rova. 2.3.
Ensaio de Torção
Outro tipo de ensaio muito importante para o conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais é o ensaio de torção. Este ensaio pode ser utilizado para analisar o comportamento de eixos de transmissão, barras de torção e outros componentes submetidos a esforços de torção. Nesses casos, ensaiam-se os próprios componentes. Quando é necessária a verificação do comportamento de materiais, são utilizados corpos de prova 3.
Figura 25 - Corpo de prova cilíndrico para ensaios de torção (Telecurso 2000, Cap.10, pág.2)
3
www.laboratorios.mecanica.ufrj.br/fabricacao, 19/04/2010
29
As dimensões podem ou não ser padronizadas, pois normalmente este tipo de ensaio não é escolhido como critério de qualidade de um material. Porém, as dimensões do corpo de prova devem ser tais que possibilitem a medição precisa do ângulo de torção e a facilidade de engastamento nas garras da máquina. A máquina usada é uma máquina de torção, porém equipamentos mais simples podem ser utilizados. O ensaio é realizado aplicando-se um momento torsor T (ou torque) em um corpo de prova cilíndrico e maciço. A partir do crescimento do valor do torque, este é relacionado com a deformação que é produzida na seção transversal da amostra 4. Esta deformação é o ângulo de torção
ϕ,
e quando o ensaio é realizado até a ruptura da amostra, obtém um gráfico
semelhante àquele obtido no ensaio de tração, onde é possível a identificação de uma região elástica linear e uma região plástica, conforme figura abaixo:
Figura 26 – Diagrama Momento Torsor (Mt) pela distorção (θ) (Telecurso 2000, Cap.10, pág.4)
As tensões de cisalhamento na amostra são lineares quanto à localização radial, sendo zero no centro da amostra e máxima no raio externo 5. As equações utilizadas neste ensaio são obtidas na teoria da resistência dos materiais. De posse dos dois diagramas, podemos obter a máxima tensão de cisalhamento, τmáx, a energia elástica de deformação na torção, e o torque de ruptura a partir das equações
4
Instituto de Física da Universidade Federal de Uberlândia, “Apostila de Resistência dos Materiais experimental”, Pa.,36 5 Joseph E. Shigley, Chares R. Mischke, Richard G. Budynas, Projeto de Engenharia Mecânica, 7ª ed., The McGrawHill Companies, Pa.,88
30
τ máx
U =
= γ máx ⋅ G [MPa]
2 ⋅ τ esc ⋅ γ MPa 2
π ⋅ d
T Ruptura =
[
⋅l
τ Rup.
r
]
(11)
[ N ⋅ mm ]
(12)
mm 3
⋅ J
(10)
4
Onde J =
π ⋅ r
2
é o momento polar de inércia da seção transversal do corpo de prova ( mm 4 ),
r é o raio da seção ( mm), G é o módulo de elasticidade transversal do material ( MPa), d é
diâmetro (mm) da seção, l o comprimento do corpo de prova (mm) e
τ esc
a
tensão de
escoamento (MPa). As propriedades mecânicas no ensaio de torção são determinadas de maneira análoga às do ensaio de tração, e têm a mesma importância, apesar de serem relativas a esforços de torção. Isso significa que, na seleção dos materiais que serão submetidos a esforços de torção, é necessário levar em conta que o máximo torque que deve ser aplicado a um eixo tem de ser inferior ao momento torsor no limite de escoamento. Nos materiais frágeis sob torção, a ruptura ocorre por separação de partículas, devido, principalmente, a uma tensão normal de tração que ocorre à 45º.
Figura 27 - Ruptura de material frágil submetido a esforços de torção (Telecurso 2000, Cap.10, pág.4)
31
O ensaio de torção é realizado em equipamento específico: a máquina de torção.
Figura 28 - Exemplo de uma máquina de ensaio de torção (Telecurso 2000, Cap.10, pág.6) Esta máquina possui duas cabeças às quais o corpo de prova é fixado. Uma das cabeças é giratória e aplica ao corpo de prova o momento de torção. A outra está ligada a um pêndulo que indica, numa escala, o valor do momento aplicado ao corpo de prova 2.4.
Ensaios de Dureza
Dureza pode ser definida como a resistência que um material oferece à penetração de outro em sua superfície. O ensaio de dureza pode ser feito em peças acabadas, deixando apenas uma pequena marca, às vezes quase imperceptível. Por isso os ensaios de dureza são considerados um importante meio de controle da qualidade do produto. Os ensaios de durezas mais comuns e mais usados são Brinell, Vickers e Rockwell. A seguir serão mostrados os objetivos, modo de execução, principais informações e propriedades fornecidas por cada um desses ensaios.
2.4.1. Dureza Brinell O texto abaixo foi confeccionado baseado em informações contidas nos portais eletrônicos www.mspc.eng.br e www.cimm.com.br O ensaio de dureza Brinell foi proposto em 1900, por um engenheiro sueco chamado Johan August Brinell. Este ensaio é utilizado principalmente nos materiais metálicos e por isso é amplamente utilizado na engenharia e metalurgia. Além disso, foi o primeiro ensaio normatizado. 32
O ensaio consiste em c omprimir lentamente um penetrador de ormato esférico com diâmetro D, feito de aço temp rado, sobre uma superfície plana, polida
limpa de um metal,
aplicando uma carga F, durant e um tempo t, produzindo uma calota es férica de diâmetro d. Normalmente a carga aplicad
varia entre 500 e 3000 kgf. e, durant
o teste, a carga é
mantida constante por um período entre 10 e 30 segundos. A dureza B rinell é representada pelas letras HB (Hardness Brinell) O número Brinell de
ureza (HB) é função da carga aplicad
e do diâmetro da
impressão resultante e pode se obtido através da seguinte relação:
(13) Onde: P = Valor da carga aplicada (e
kgf.)
D = Diâmetro do penetrador ( m) d = Diâmetro da impressão res ltante (mm)
Figura 29 – Ilustraçã do penetrador avançando contra a superf í cie da peça (http://www.mspc.eng.br/ciemat/ensaio120.shtml) Para execução do ens io são seguidas algumas normas, o e nsaio padronizado é realizado com carga de 3.000 kgf. e esfera de 10 mm de diâmetro, d aço temperado. No entanto quando se usa cargas
esferas diferentes é possível chegar ao m esmo resultado, para
isso devem-se seguir algumas ormas: A carga que será aplicada é deter minada de forma que o diâmetro de impressão d fiqu e no intervalo de 0.25 a 0.5 do diâmetro d a esfera D. Para isso,
33
deve-se manter constante a relação entre a carga (F) e o diâmetro ao quadrado da esfera do penetrador (D2), esta relação é chamada de fator de carga. Para que o ensaio focasse padronizado, foram fixados valores de fatores de carga de acordo com a faixa de dureza e o tipo de material. Como podem ser observados no quadro a seguir:
Figura 30 – Parâmetros do ensaio Brinell padronizados (http://academicos.cefetmg.br/admin/downloads/2104/Dureza%20Brinell.pdf)
Para se determinar o diâmetro da esfera, deve-se conhecer a espessura do corpo de prova que se deseja realizar o ensaio. A espessura mínima é indicada em normas técnicas de método de ensaio. Na norma brasileira, a espessura mínima do material ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade da calota. No quadro a baixo será mostrado os diâmetros de esferas mais utilizados e seus respectivos valores de carga .
Figura 31 – Diâmetros da esfera e valores de carga (http://academicos.cefetmg.br/admin/downloads/2104/Dureza%20Brinell.pdf)
O ensaio Brinell possui algumas desvantagens, uma delas é que o uso deste ensaio é limitado pela esfera utilizada, pois neste ensaio usam-se esferas de aço temperado e com isso só é possível medir dureza até 500 HB, pois durezas maiores danificariam a esfera. Comparada a outros métodos, a esfera do teste Brinell provoca a endentação mais profunda e mais larga. Com isto a dureza medida no teste abrange uma porção maior de material, resultando numa média de medição mais precisa, tendo em conta possíveis estruturas policristalinas e
34
heterogeneidades do material. Este método é o melhor para a medição da dureza macrodureza de um material, especialmente para materiais com estruturas heterogêneas. A dimensão da dureza Brinell é MPa e a uma das normas que a rege é ASTM E10 (Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials) .A ABNT define a norma
NBRNM187 (05/1999) para o ensaio de dureza Brinell de materiais metálicos, e divide-se em: Parte 1: Medição da dureza Brinell Parte 2: Calibração de máquinas de medir dureza Brinell Parte 3: Calibração de blocos padrão a serem usados na calibração de máquinas de medir dureza Brinell
Figura 32 – Endentação provocada na peça pelo penetrador do ensaio Brinell (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6558)
2.4.2. Dureza Rockwell É sem dúvida o método mais utilizado no mundo inteiro, devido à facilidade e rapidez de execução do ensaio. É um método que foi proposto em 1922 por Rockwell o qual utiliza um sistema de pré-carga. Para se realizar o ensaio, primeiramente se aplica uma pré-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o material ensaiado, então somente depois da pré-carga que se aplica a carga real do ensaio. A leitura do grau de dureza é feita diretamente em um mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material.
35
Figura 33 – Medidor de dureza do material do ensaio Rockwell (http://www.scribd.com/doc/3969877/Aula-12-Dureza-Rockwell) Para realizar o ensaio podem-se usar dois tipos de penetradores os do tipo esférico compostos por uma esfera de aço temperado, ou o penetrador cônico que é composto por um cone de diamante com 120 ° de conicidade. No mostrador existem duas escalas diferentes, uma escala preta e outra vermelha, elas existem pois quando se utiliza o penetrador cônico de diamante,a leitura do resultado é feita na escala externa do mostrador, de cor preta. Ao se usar o penetrador esférico, a leitura do resultado é feita na escala vermelha. Depois de feita a leitura, já esta determinada o valor da dureza Rockwell, a qual corresponde à profundidade alcançada pelo penetrador, subtraída da recuperação elástica do material a pós a retirada da carga maior. O ensaio de dureza Rockwell pode ser realizado em dois tipos de máquinas, que apenas são diferentes pela precisão de seus componentes. Para medir a dureza Rockwell normal utiliza-se a máquina padrão, a qual é indicada para determinar a dureza em geral. Para medir a dureza Rockwell superficial utiliza-se a máquina mais precisa, a qual é indicada para determinar a dureza de folhas finas ou lâminas. Para os ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma pré-carga de 10 kgf. e a carga maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf. Para ensaios de dureza Rockwell superficial a pré-carga é de 3 kgf. e a carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf. Não se pode comparar a dureza de materiais submetidos a ensaio de dureza Rockwell utilizando escalas diferentes. No quadro abaixo podem-se observar as escalas mais utilizadas nos processos industriais.
36
Figura 34 – Relação das escalas mais usadas para o ensaio Rockwell na indústria (http://www.scribd.com/doc/3969877/Aula-12-Dureza-Rockwell) A dureza Rockwell é representada pelas letras HR, com um sufixo que indique a escala utilizada. Como, por exemplo, o resultado 50HR15N. Este resultado implica que 50 é o valor de dureza Rockwell superficial na escala 15N. Um fator importante antes da realização do ensaio é determinar a profundidade que o penetrador vai atingir durante o ensaio, pois o corpo de prova deve possuir a espessura mínima de 17 vezes a profundidade atingida pelo penetrador. No entanto não há meios de determinar a profundidade exata atingida pelo penetrador no ensaio de dureza Rockwell.
37
Entretanto determina-se uma profundidade média aproximada (P), a partir do valor de dureza estimado para aquele material, utilizando as fórmulas a seguir:
Penetrador de diamante: HR normal: P = 0.002 x (100-HR) HR superficial: P = 0.001 x(100-HR) (14)
Penetrador esférico: HR normal: P = 0.002 x (130-HR) HR superficial: P = 0.001 x (100-HR) (15)
Uma limitação importante do ensaio Rockwell é que ele não tem relação com o valor da resistência à tração como acontece no ensaio Brinell. Durante o ensaio, as peças do material testado devem estar limpas e a área da região do ponto de medida deve ser lisa. Pode-se citar como vantagens do teste Rockwell a medição direta do valor da dureza e a rapidez do teste. Além disto, o teste é não destrutivo, isto é, em geral a peça pode ser utilizada depois de medida. A norma brasileira mais usada é a NBR-6671 e a norma americana mais usada é a ASTM E18-94 2.4.3. Dureza Vickers Em 1925 foi desenvolvido outro método de ensaio de dureza por Coube a Smith e Sandland, conhecido como ensaio de dureza Vickers. A grande mudança neste método é que nele é levado em conta a relação ideal entre o diâmetro da esfera do penetrador Brinell e o diâmetro da calota esférica obtida, no entanto utiliza outro tipo de penetrador, o qual possibilita medir qualquer valor de dureza , desde os materiais mais duros até os mais moles . A dureza Vickers é determinada a partir da resistência que o material oferece à penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136°, sob uma carga determinada. A dureza Vickers é representada pelas letras (HV) e é o quociente da carga aplicada (F) pela área de impressão (A) deixada no corpo ensaiado.
38
Após a penetração deve-se observar em um microscópio acoplado à maquina o valor das diagonais (d1 e d2) formadas pelos vértices opostos da base da pirâmide . Depois de determinar as medidas das diagonais é possível calcular a área da pirâmide de base quadrada (A) utilizando a fórmula:
(16)
Para calcular a dureza (HV) substitui o valor de (A) pela fórmula acima:
(17) E considerar o valor de d como á diagonal média encontrada pelos valores de d1 e d2 medidos.
(18) Abaixo, a figura representa as diagonais impressas na peça:
Figura 35 – Impressão causada pelo penetrador do ensaio Vickers na peça (vista superior) (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6559) 39
A dureza Vickers é representada pelo valor encontrado da dureza, seguido do símbolo HV, e depois do símbolo o valor da carga aplicada. Por exemplo, o valor 108 HV 5 , quer dizer que a dureza Vickers possui o valor de 108 e que foi encontrada após aplicada uma força de 5 kgf. por 10 segundos. Por uma questão de padronização, as cargas recomendadas são: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf. No ensaio Vickers pode ser encontrado várias vantagens e várias desvantagens. Uma das vantagens é que no ensaio Vickers é fornecido uma escala contínua de dureza, medindo todas as gamas de valores de dureza numa única escala. Outra vantagem é que as impressões são extremamente pequenas e, na maioria dos casos, não inutilizam as peças. Também se pode dizer que pelo falto do penetrador ser de diamante, é praticamente indeformável e este ensaio pode ser usado para medir durezas superficiais. No entanto, podem ocorrer erros de medidas ou de aplicação de carga que podem de alguma forma alterar os valores reais de dureza, outro problema no ensaio Vickers é que a máquina utilizada requer aferição constante, pois qualquer erro na velocidade da aplicação da carga pode trazer grandes erros. A Norma Brasileira mais usada para dureza Vickers é a NBR6672. 2.5.
Ensaios de Impacto
Os textos abaixo foram baseados nos endereços eletrônicos informados abaixo das figuras, e manuscritos das aulas de laboratório da disciplina de Princípio de Ciência dos Materiais, do quarto período do curso de graduação em engenharia mecânica da UFU. Os ensaios de impacto são realizados da seguinte forma: Corpos de prova entalhados são submetidos ao impacto de um dado peso sob temperaturas conhecidas em uma máquina pendular. Os resultados apresentados são obtidos na forma de energia absorvida pelo corpo de prova durante o impacto em função da temperatura. São utilizados dois métodos de ensaio de impacto o ensaio Charpy e o Izod. No ensaio de impacto, a massa do martelo e a aceleração da gravidade são conhecidas. A altura inicial também é conhecida. A única variável desconhecida é a altura final, que é obtida pelo ensaio. O mostrador da máquina simplesmente registra a diferença entre a altura inicial e a altura final, após o rompimento do corpo de prova, numa escala relacionada com a unidade de medida de energia adotada. A existência de trincas no material, a baixa temperatura e a alta velocidade de carregamento constituem os fatores básicos para que ocorra uma fratura do tipo frágil nos materiais metálicos dúcteis.
40
Figura 36 – Ilustração do equipamento utilizado para a realização do ensaio ( www.exatec.unisinos.br/.../Aula_15)
2.5.1. Ensaio Charpy Este tipo de ensaio tem sido usado por mais de um século como um teste no qual avalia a tenacidade ao impacto de um material.
Figura 37 - Ilustração do corpo de prova utilizado no ensaio Charpy ( www.exatec.unisinos.br/.../Aula_15 )
41
Os corpos de prova Charpy compreendem três subtipos (A, B e C), de acordo com a forma do entalhe. Os três tipos de corpos de prova e dos respectivos entalhes podem ser observados abaixo:
Figura 38 – Representação dos corpos de prova utilizados no ensaio Charpy (http://www.scribd.com/Aula-16-Ensaio-de-impacto/d/3969907)
Estes diferentes tipos de forma de entalhe existem para garantir que ocorra a ruptura dos corpos de provas mesmo nos materiais mais dúcteis. E quando a queda do martelo não provoca a ruptura do corpo de prova , o ensaio deve ser repetido com outro tipo de corpo de prova , só que com um entalhe mais severo , fazendo com que a ruptura ocorra. As normas utilizadas para o ensaio Charpy são: •
NBRNM 281-1 (11/2003) Materiais metálicos - Parte 1: Ensaio de impacto por pêndulo Charpy
•
NBR NM281-2 (11/2003) Materiais metálicos - Parte 2: Calibração de máquinas de ensaios de impacto por pêndulo Charpy.
•
NBR6157 (12/1988) Materiais metálicos - Determinação da resistência ao impacto em corpos-de-prova entalhados simplesmente apoiados
42
2.5.2. Ensaio Izod Possui os corpos de prova da mesma forma que o Charpy tipo A, só que com o entalhe não centralizado no corpo de prova. Possui maior comprimento, já que o corpo de prova é engastado e não apoiado na máquina. Quando for realizar teste em corpos de prova de ferro fundido e ligas não ferrosas fundidas sob pressão, utilizam-se corpos de provas sem entalhe. O ensaio Izod difere do Charpy também na aplicação do impacto, no ensaio Izod o impacto do martelo é aplicado na mesmo lado do entalhe .
Figura 39 – Representação do impacto do martelo no CP do ensaio Izod (http://www.scribd.com/Aula-16-Ensaio-de-impacto/d/3969907) Com o ensaio a energia medida é apenas um valor relativo e serve apenas para comparar resultados obtidos nas mesmas condições de ensaio. Nos ensaios de impacto, mesmo tomando-se todos os cuidados para controlar a realização do ensaio, os resultados obtidos com vários corpos de prova de um mesmo metal são bastante diversos. Por isso é aconselhado que para se chegar a alguma conclusão de algum material o ensaio deve ser realizado pelo menos três vezes. A temperatura, especificamente a baixa temperatura, é um fator de extrema importância no comportamento frágil dos metais. As normas usadas para o ensaio Izod são: • •
NBR8425 MB1694 , Plásticos rígidos - Determinação da resistência ao impacto Izod D256-05a Standard Test Methods for Determining the IZOD Pendulum Impact Resistance of Plastics
•
E23-05 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials, (2005) ( cobre Charpy e Izod)
43
2.6.
Ensaio de Tenacidade à Fratura
O texto abaixo foi elaborado segundo informações contidas na dissertação de mestrado de Loffredo, Maria de Castro – Resistência Mecânica e Tenacidade à Fratura do Osso Cortical Bovino, Unicamp, 2006.
Nos materiais usados na engenharia, a espessura do mesmo tem grande influência no estado de tensão formado na ponta de uma trinca, e no formato da zona plástica, como evidencia a figura a seguir:
Figura 40 – Relação entre a espessura do material e tenacidade de fratura (http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000391788) Pela curva mostrada anteriormente, quando há espessura é pequena (B1), predomina a condição de tensão plana, e o material apresenta elevados níveis do fator de concentração de tensão, Kc. Já quando a espessura é maior, (B2), tem-se a condição de deformação plana na ponta da trinca, o que diminui sensivelmente a tenacidade do material, sendo que nesta condição tem-se Kic, ou tenacidade à fratura em deformação plana. Este valor de tenacidade á fratura em deformação plana (Kic), não possui relação proporcional de acordo com a espessura do material, ou seja, Kic atinge um valor mínimo mesmo aumentando-se progressivamente a espessura do material. Assim, se determinado o valor de Kic experimentalmente para uma espessura B2, o mesmo material com espessura ainda maior que esta terá a mesma tenacidade à fratura (HERTZBERG, 1996). A determinação de Kic pode seguir as normas ASTM E399-97, ASTM E 1820-01 e a ASTM BS 7448 Parte 1, 1991. Para se determinar uma espessura mínima da peça e comprimento mínima da trinca dada pela equação abaixo:
44
(20) Onde, B é a espessura do material, em mm, a é o comprimento da trinca, em mm, Kic é a tenacidade à fratura em deformação plana (Mpa.m^(1/2)) e σe é o limite de escoamento do material, em MPa. O ensaio de tenacidade à fratura consiste na solicitação de um corpo-deprova específico e de dimensões padronizadas, com um entalhe usinado. Uma pré-trinca de fadiga deve ser introduzida na ponta do entalhe usinado para induzir ao estado de triaxialidade de tensões. Três medidas fundamentais são necessárias para calcular o valor de Kic, que são a espessura do material, B, o comprimento da trinca, a, e altura da peça, W. A figura a seguir mostra os dois tipos de corpos de prova mais utilizados nos ensaios de tenacidade à fratura:
Figura 41 – Corpos de prova mais utilizados nos ensaios de tenacidade à fratura. a)Corpo de prova de flexão em três pontos. b)Corpo de prova de tração compacto (http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000391788) Os resultados obtidos no ensaio são representados por uma curva com as variáveis cargas deslocamento. A carga é medida pela célula de carga da própria máquina de ensaio e o deslocamento é medido com auxílio de um “clip-on-gage”, adaptado na boca do entalhe. Para assegurar que o valor de Kic determinado em um ensaio seja válido, é preciso, primeiramente, calcular um resultado condicional Kq, e, em seguida, verificar se esse resultado tem relação com a espessura da peça e o comprimento da trinca, que para o ensaio de flexão em três pontos é dada pela equação (20). Se esta relação for válida, traça-se uma reta secante na origem da curva obtida pelo ensaio, defasada de 5% de inclinação da parte linear elástica da curva obtida pelo ensaio, conforme esquematizado na figura abaixo. A carga Pq, é valida se a carga presente em todos os pontos da curva que precede P5 for menor que P5. Nesta ocasião, Pq é igual a P5 (tipo 1). Porém, se houver uma carga maior que preceda P5, então a carga máxima é Pq (Tipos 2 e 3). 45
Figura 42 – Tipos principais de curvas carga-deslocamento para o ensaio de tenacidade à fratura (ASTM E399-97) (http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000391788) A carga definida será usada para Kic, em peças de flexão em três pontos, por meio da equação a seguir:
(21)
Onde: Kq é a tenacidade à fratura em deformação-plana Kic, Pq é a carga determinada, B é a espessura da peça, S é a distância entre os dispositivos, W é a altura da peça e “a” é o comprimento da trinca. A equação a seguir mostra a relação matemática de f(a/w) para corpos de prova de flexão em três pontos:
(22)
46
Para viabilizar os cálculos de Kq, os valores de f(a/w) são determinados pela norma E399-97, para valores específicos de a/w em espécimes de flexão em três pontos, mostrados no quadro a seguir:
Figura 43 – Valores de f(a/w) para corpos de prova de flexão em três pontos (http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000391788) Como já foi dito anteriormente, A tenacidade é avaliada comparando-se as curvas para diferentes materiais com diferentes comprimentos de trincas. A figura a seguir mostra as trincas provocadas pelo ensaio:
Figura 44 – Peça solicitada e depois fraturada no ensaio de tenacidade á fratura( www.em.pucrs.br/~eleani/.../5-%20fratura_fadiga-fluencia.ppt )
47
2.7.
Ensaio de Fadiga
O texto abaixo foi desenvolvido através de informações obtidas do livro Norton R.L.;Projeto de a
Máquinas-Uma Abordagem Integrada,Bookman. 2 Edição. 2004, bem como as apostilas do
Telecurso 2000 que tratam de ensaios mecânicos O termo “fadiga” foi utilizado pela primeira vez por um matemático francês Jean-Victor Poncelet em 1839, quando este ainda desconhecendo completamente a falha de material por esforços cíclicos repetitivos, fez uma analogia, erroneamente, entre as ligas metálicas e a musculatura do corpo humano, pois como sabemos hoje, tais ligas sofrem fraturas pela alternância entre esforços de tração e compressão, e não por um suposto “cansaço”. Abaixo esta disposta uma tabela na qual seqüência em ordem cronológica da evolução dos estudos referente á fadiga.
Figura 45.
(Tabela retirada do livro “Projeto de maquinas – uma abordagem
integrada”).
Quando se pretende fazer o dimensionamento de um componente mecânico, não é suficiente levar em consideração todas as naturezas de esforços aos qual este está solicitado estaticamente, visto que a fratura por fadiga pode ocorrer a tensões inferiores ao limite de resistência da peça ao escoamento. 48
A fadiga é um fenômeno ainda pouco explorado, uma vez que os primeiros pesquisadores e cientistas que fizeram testes referentes as assunto foi há aproximadamente 150 anos. Ao longo destes anos percebeu-se que a fratura por fadiga é dividida em três estágios, da formação da trinca, da sua disseminação ao longo da peça, e por fim da ruptura do material. Os dois primeiros estágios são possivelmente notáveis, enquanto o terceiro e último, ocorre instantaneamente. 2.7.1. Características do ensaio de fadiga O ensaio de fadiga é realizado por uma máquina que permite rotacionar a peça estando esta submetida aos mais variados tipos de esforços, sendo eles, torção, tração /compressão, flexão e flexão rotativa, sendo o último o mais usual. A execução deste ensaio consiste em carregar o corpo de prova como se fosse uma viga submetida a flexão pura, e então um motor a submete a uma rotação constante. Como se sabe da teoria de resistência dos materiais, quando uma viga esta solicitada por um carregamento, as fibras superiores estarão sendo comprimidas, enquanto as inferiores estão tracionadas. Devido ao fato do corpo de prova esta sendo rotacionado, a cada meia volta (180°), uma mesma fibra que estava numa região de tração máxima, passa à região de compressão máxima.
Figura 46 – Desenho esquemático de uma maquina que executa o ensaio de fadiga. (Figura retirada de um trabalho elaborado pelo Prof. Givanildo A. dos Santos – IFSP.)
49
Figura 47 – Gráfico tensão x tempo (tração/compressão). (Figura retirada do livro “Projeto de máquinas – uma abordagem integrada”.) O ensaio de fadiga visa a determinação de números de ciclos suportados pelo corpo de prova para um respectivo carregamento. Conhecendo estes dois parâmetros torna-se possível a confecção de um gráfico tensão x ciclos (S x N). São realizados diversos testes até o rompimento do corpo de prova, por isso a importância da padronização do corpo de prova, uma vez que estes resultados serão utilizados em projeto de engenharia.
Figura 48 – Corpo de prova para ensaio de flexão rotativa. (Figura retirada da apostila Telecurso 2000, ensaios mecânicos.)
As características dos corpos de provas são impossíveis de se conseguir em todos componentes mecânicos, este possui ótimo acabamento superficial, não possui tensões residuais ou concentração de tensões, dentre outros fatores. Para transportar os dados obtidos em laboratório para a vida prática, pesquisadores identificaram estes fatores (modificação de condição de superfície, modificação de tamanho, modificação de carga, modificação de temperatura, confiabilidade e modificação por efeitos variados) que foram inseridos nos cálculos para determinação do limite de fadiga. Por fim o ensaio em construir o gráfico S x N para os diversos tipos de materiais, através dele é possível determinar se determinado componente está projetado para trabalhar com baixas, médias ou altas ciclagens. Analisando o gráfico, nota-se que para a quantidade de ciclos unitária (N=1) o valor do limite de resistência a fadiga equivale ao limite de resistência do material para dimensionamento estático. 50
Alguns metais, como aços e algumas ligas de titânio, podem ser projetados para uma vida infinita, ou seja, quando o componente mecânico estiver sendo solicitado com uma determinada tensão, sendo esta inferior a resistência ultima da peça, ela poderá ser submetida a infinitas rotações que não se romperá por fadiga. Já para outros materiais, a curva continua descendente.
Figura 49 – Diagrama S x N, resistência a fadiga versus numero de ciclos. (Figura retirada do livro “Projeto de maquinas – uma abordagem integrada”.)
2.8.
Ensaio de Fluência
Ao estudar a teoria da resistência dos materiais aprende-se que materiais dúcteis atravessam dois regimes antes da ruptura, elástico e plástico, sendo que os dois regimes são separados pelo ponto de escoamento do material. No primeiro regime as deformações não são permanentes, permitindo que os mesmos voltem ao seu tamanho inicial sem nenhuma deformação permanente. Quando se ultrapassa o ponto de escoamento, atinge-se o regime plástico, onde as deformações não podem ser revertidas como no primeiro caso. Em estudos sobre fluência percebe-se que materiais submetidos a esforços inferiores a tensão de escoamento podem adquirir deformações de natureza plástica. De acordo com o livro “Projeto de maquinas – uma abordagem integrada” tem-se que para materiais ferrosos a taxa de fluência aumenta à medida que se atinja uma faixa entre 30 a 60% da temperatura de fusão do material. Portanto materiais com baixas temperaturas de fusão podem exibir fluências significativas na temperatura ambiente. A fluência somente ocorre devido às falhas existente nas estruturas cristalinas dos materiais, e são intensificadas com o aumento da temperatura. A temperatura também afeta a velocidade com que a fluência ocorrerá. 51
Um exemplo disso é notado em um ensaio retirado da apostila do Telecurso 2000 em que se utiliza o aço carbono e o submete a um ensaio de fluência a uma tensão de 3,5 kgf./mm² durante 1000 horas á temperatura de 500°C, resultando numa deformação de 0,04%, enquanto ao manter o mesmo ensaio, porém a temperatura de 540°C obteve-se uma deformação de cem vezes superior. Os dados de fluência para materiais de engenharia são bastante escassos, devido ao custo e tempo necessários na execução destes ensaios. Por isso seu uso se restringe a atividades de pesquisa e desenvolvimento de novos materiais ou ligas metálicas. Para avaliação da fluência de um material, submete-o a um esforço de tração através da utilização de uma maquina que aplica uma carga de tração constante no corpo de prova, estando este alojado no interior de um forno elétrico, de temperatura constante e controlável. Junto ao equipamento utiliza-se uma célula de carga que permita medir a deformação do corpo de prova. Para a realização do ensaio o corpo de prova deve ser pré-aquecido, sendo as mais variadas as fontes de calor, resistência elétrica, radiação ou indução. Além do ensaio usual de fluência, existem outros dois tipos; ensaio de ruptura por fluência e ensaio de relaxação.
Figura 50 – Equipamento utilizado na execução dos ensaios de fluência. (Figura retirada da apostila de ensaios mecânicos do Telecurso 2000.) 52
2.8.1. Tipos de ensaios de fluência A intenção da execução do ensaio de fluência usual é de determinar as tensões necessárias para produzir deformações entre 0,5 e 2%, sendo possível determinar a vida útil e as condições extremas de uso do material. Para isso aplica-se uma determinada carga a uma respectiva temperatura (ambos os parâmetros são mantidos constantes) num corpo de prova e avalia-se a deformação gerada no espécime durante a realização do ensaio. Para otimizar o tempo gasto nos ensaios, que são relativamente altos (superiores a 1000 horas), é feito uma quantidade mínima de ensaios, e a partir destes é feito uma projeção de como seriam caso o tempo continuasse aumentando, obtendo um gráfico da seguinte forma;
Figura 51 – Gráfico de deformação versus tempo. (Figura retirada da apostila de ensaios mecânicos do Telecurso 2000.) Já para os ensaios de ruptura por fluência, apesar se semelhantes ao ensaio anterior, são realizados em intervalos de tempo inferiores, uma vez que os corpos de provas são submetidos a tensões superiores, atingindo a ruptura. Devido a este fato as deformações encontradas neste ensaio podem atingir grandezas 50 vezes superiores ao primeiro. O gráfico neste ensaio relaciona as tensões que os corpos de provas são solicitados com o tempo de ruptur
Figura 52– Gráfico de tensão versus tempo. (Figura retirada da apostila de ensaios mecânicos do Telecurso 2000.) 53
O ensaio de relaxação é mais simples que os dois anteriores, pois através dele pode-se obter uma quantidade de dados sobre velocidade de fluência em relação a tensão relativamente superior, com a utilização de apenas um corpo de prova. A grande desvantagem deste ensaio se da pelas exigências da maquina de operação, a qual necessita de um sistema de medição de força com elevada resolução, que permita medir as variações de carga ao longo do tempo. Apesar destes ensaios serem executados apenas para desenvolvimento de novas ligas, tais resultado são bastante importante na determinação das faixas de segurança que as peças podem operar. 3. Conclusão Após a pesquisa dos ensaios mais relevantes e usados na engenharia, o grupo concluiu que é de suma importância conhecer como se realizam os ensaios, quais características do material podem ser obtidas com cada experimento, que tipos de equipamentos são usados na realização dos ensaios, e também como evitar possíveis erros de medição e execução do ensaio. Percebe-se que, o ensaio mecânico de tração é o mais usado, pois fornece muitas características da peça testada, e sua execução é de relativa facilidade comparada com outros ensaios discutidos neste trabalho.
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