relatório ensaios mecânicos final

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UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES ADALBERTO VIEIRA DA COSTA JURANDIR GUTIERREZ JR. RICARDO MANTOVANI RODRIGUES VIDAL DONIZETE DE PAULA E SILVA ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS METÁLICOS MOGI DAS CRUZES, SP 19 DE NOVEMBRO 2009

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Page 1: Relatório ensaios mecânicos final

UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES ADALBERTO VIEIRA DA COSTA

JURANDIR GUTIERREZ JR. RICARDO MANTOVANI RODRIGUES

VIDAL DONIZETE DE PAULA E SILVA

ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS METÁLICOS

MOGI DAS CRUZES, SP 19 DE NOVEMBRO 2009

Page 2: Relatório ensaios mecânicos final

ii

UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES Jurandir Gutierrez Jr. – RGM - 52380

Vidal Donizete de Paula e Silva – RGM - 52714 Adalberto Vieira da Costa – RGM - 52908

Ricardo Mantovani Rodrigues – RGM - 53072

ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS METÁLICOS

Relatório apresentado a Disciplina de: Desgastes Mecânicos no 4º

semestre do Curso de Tecnologia em Manutenção Industrial da

Universidade de Mogi das Cruzes, como Requisito Parcial à

Obtenção de nota bimestral.

Prof° Gerson de Faria Melo

MOGI DAS CRUZES, SP 19 DE NOVEMBRO 2009

Page 3: Relatório ensaios mecânicos final

iii

RESUMOΘ

Este relatório apresenta uma breve introdução sobre Ensaios Mecânicos em

Materiais Metálicos, uma descrição geral sobre os vários tipos de Ensaios Mecânicos, e

especificamente informações sobre os ensaios de Dureza, Tração e Impacto, que foram os

Ensaios realizados, assim como os resultados obtidos nos Ensaios Mecânicos em Materiais

Metálicos realizados dia 31/11/2009 no Laboratório da Universidade de Mogi das Cruzes,

o relatório é encerrado com uma conclusão feita com as experiências dos alunos obtidas

durante os Ensaios.

Θ Resumo do Relatório de Ensaios Mecânicos e Materiais Metálicos, de autoria de Jurandir Gutierrez Jr., Vidal

Donizete da Paula e Silva, Adalberto Vieira da Costa e Ricardo Mantovani Rodrigues ( Alunos da Universidade de Mogi das Cruzes), realizados em 2009.

Page 4: Relatório ensaios mecânicos final

iv

ÍNDICE

Página

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................v e vi LISTA DE TABELAS ................................................................................................... vii

Capítulo

I INTRODUÇÃO .................................................................................. 1

Ensaios Mecânicos 1 Noções Sobre Normas Técnicas 2 Unidades – Sitema Internacional (SI) 3 Tipos de Ensaios Mecânicos 4

II DESCRIÇÃO SOBRE OS ENSAIOS MECÂNICOS ....................... 6

Ensaio de Dureza 6 Ensaio de Tração 14 Ensaio de Impacto 29

III PROCEDIMENETOS - APRESENTAÇÃO RESULTADOS........ 34

Ensaio de Dureza Rockwell 34 Ensaio de Tração 36 Ensaio de Impacto – Fratura Frágil 39

IV CONCLUSÃO.................................................................................. 42

Conclusão 42

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................43

Page 5: Relatório ensaios mecânicos final

v

LISTA DE FIGURAS

Figura Página

1. Relação entre Tensão e Dureza ........................................................................... 6

2. Deformação plástica na Dureza Brinell ............................................................... 8

3. Esquema de uma máquina de dureza Brinell....................................................... 10

4. Esquema de medida de Dureza Rockwell............................................................ 11

5. Esquema de uma Máquina de Dureza Rockwell ................................................. 12

6. Máquina utilizada no teste de Tração (UMC) (a) Fixação do corpo de prova (b) ......................................................................................................... 14

7. Máquina de Tração Esquemática ......................................................................... 14

8. Barra submetida a esforço de tração .................................................................... 16

9. Curva Tensão (σ) x Deformação (ε) .................................................................... 17

10. Corpos de Prova para Ensaio de Tração segundo ABNT.................................. 18

11. Diagrama Tensão - Deformação ........................................................................ 19

12. Limite de elasticidade e de proporcionalidade .................................................. 21

13. Limite de Escoamento - Superior e Inferior ...................................................... 21

14. Limite de escoamento convencional n............................................................... 22

15. Limite de Resistência e de Ruptura ................................................................... 23

16. Metodo para determinação do valor de L para o alongamento.......................... 24

17. Método de determinação da estricção em corpos de prova retangulares .................................................................................................... 25

18. Tipos de Fraturas ............................................................................................... 25

19. Determinação da Resiliência Hiperelástica ....................................................... 26

20. Energia para romper (modulo de tenacidade) um material (a) dúctil e (b) frágil.......................................................................................................... 27

21. Comparação entre a Resiliência e a Tenacidade de dois aços ........................... 27

22. Determinação do Módulo de Tenacidade .......................................................... 28

23. Curva de tração .................................................................................................. 29

24. Máquina para ensaio de Impacto - Esquemática ............................................... 30

25. Máquina Charpy; (a) Máquina Izod; (b) Máquina de Impacto com Tração (c) ....................................................................................................... 30

26. Corpos de Prova para Ensaio de Impacto, recomendados pela ASTM e ABNT .......................................................................................................... 31

27. Temperatura de Transição ................................................................................. 31

28. Relação da Resistência de Impacto com a orientação das amostras.................. 32

Page 6: Relatório ensaios mecânicos final

vi

29. Relação da tensão de fratura com o tamanho de grão........................................ 33

30. Máquina utilizada nos testes de Dureza Rockwell; (a) Escala para leitura da dureza (para Rockwell C escala preta central) (b) ......................... 34

31. Corpos de Prova para Dureza ............................................................................ 34

32. Pontos para verificação da dureza ..................................................................... 35

33. Unidade de Controle de Carga........................................................................... 36

34. Corpo de Prova .................................................................................................. 36

35. Estricção inicial.................................................................................................. 37

36. Ruptura............................................................................................................... 37

37. Estricção Final/Ruptura ..................................................................................... 37

38. Gráfico de Força - Deformação ......................................................................... 37

39. Máquina para Ensaio de Impacto....................................................................... 39

40. Mostrador da Escala........................................................................................... 39

41. Corpos de Prova Sharp para Ensaio de Impacto................................................ 40

42. Corpos de Prova após Ensaio de Impacto.......................................................... 41

Page 7: Relatório ensaios mecânicos final

vii

LISTA DE TABELAS

Tabela Página

1. Escala de Mohs .................................................................................................... 7

2. Relação P/D² ........................................................................................................ 9

3. Alguns tipos de escala de dureza Rockwell......................................................... 11

4. Modulo de Elasticidade de alguns Metais e Ligas à temperatura ambiente ......................................................................................................... 20

5. Modulo de Resiliência para alguns Materiais...................................................... 22

6. Modulo de Tenacidade de algumas Ligas............................................................ 28

7. Teste de Dureza Rockwell – Escala C - Resultados obtidos para vários tipos de aços ................................................................................................... 35

8. Teste de Tração - Resultados obtidos para dois tipos de aços ............................. 38

9. Teste de Tração - Valores calculados para Tensão de Tração ( σ ) e

Deformação Linear ( ε ) ................................................................................ 38

10. Teste de Tração - Valores calculados para Alongamento total do

Corpo de Prova ( A ) e Estricção ( φ ) ........................................................... 38

11. Ensaio de Impacto - Resultados obtidos para vários tipos de materiais ............ 41

Page 8: Relatório ensaios mecânicos final

1

CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO

Ensaios Mecânicos

Com o passar dos tempos, o melhor entendimento e conhecimento dos materiais

(metais), o desenvolvimento de novas ligas e a enorme gama de aplicações possíveis com

os materiais, foram e estão sendo desenvolvidos e padronizados ensaios mecânicos e

metalúrgicos para testar os materiais e os produtos metálicos.

As principais propriedades mecânicas dos materiais obtidas por ensaios, são:

Resistência (tensão que aceita o material), Elasticidade (deformação possível, com a

aplicação de uma determinada tensão e retorno as características originais, após a retirada

desta tensão), Plasticidade (capacidade de sofrer deformação permanente sem

rompimento), Resiliência (capacidade de absorver energia) e Tenacidade (energia total

para provocar fratura).

Os principais objetivos de se ensaiar um material (metal), vão desde obter

informações comparativas constantes sobre um determinado material, até o desenvolvimento

de novos materiais.

Podem-se relacionar as principais finalidades de ensaiar os materiais como sendo,

gerar informação técnica para consulta e comparação, tornar a qualidade dos materiais mais

uniformes em seu respectivo processo produtivo, agruparem-se os tipos de material, servir de

base de dados para uma correta determinação de qual material usar em um determinado

projeto de engenharia, servir de referencial comparativo entre locais de ensaio diferentes e

servir como balizador de resultados entre cliente e fornecedor.

Tecnicamente, podemos ainda, possibilitar ensaios laboratoriais, ganhar tempo

nas pesquisas, reduzir custos e reduzir tempos no desenvolvimento de projetos de

engenharia.

O controle de produção também pode ser realizado através de ensaios mecânicos e

o aperfeiçoamento de um material metálico pode ser estudado pelas suas propriedades

Page 9: Relatório ensaios mecânicos final

2

mecânicas. Analogamente, o projeto de uma peça e a seleção do seu material são feitos

tomando-se por base as propriedades mecânicas do material a ser usado.

Os ensaios mecânicos podem também servir para a comparação de materiais distintos e,

juntamente com a análise química do material, avaliar a grosso modo a história prévia de um

material desconhecido, sem a necessidade de um exame metalográfico mais demorado, isto é,

avaliar o tipo de material, o processo de fabricação e sua aplicação possível.

A classificação dos ensaios mecânicos e metalúrgicos subdivide-se em Destrutivos

e Não Destrutivos (quanto a Integridade Física do Produto); Estáticos, Dinâmicos e Carga

Constante (quanto a velocidade de aplicação da carga).

Os ensaios destrutivos promovem a ruptura ou a inutilização do material. Os

ensaios chamados não-destrutivos consistem em testar um dado material (peça metálica) sem

a necessidade de destruí-la, objetivando determinar seus limites operacionais máximos e

verificar se é necessária a sua substituição ou aceitável utilização por mais um dado período.

Este ensaio procura medir a deformação plástica, deformação elástica e a ruptura existente

em uma dada peça, detectando falhas internas da mesma. Na categoria dos ensaios

destrutivos, estão classificados os ensaios de tração, dobramento, flexão, torção, fadiga,

impacto, compressão e outros. O ensaio de dureza, que, embora possa, em certos casos, não

inutilizar a peça ensaiada, também está incluído nessa categoria. Dentre os ensaios não-

destrutivos, estão os ensaios com raios X, ultra-som, Magnaflux, elétricos e outros.

Noções Sobre Normas Técnicas

A expressão “norma técnica” é utilizada de modo genérico e inclui especificações

de materiais, métodos de ensaio e de análise, normas de cálculo e segurança, terminologia

técnica de materiais, de componentes, de processos de fabricação, simbologias para

representação em fórmulas e desenhos, padronizações dimensionais, etc.

Quando se trata da realização de ensaios mecânicos, o que mais se utiliza são as

normas referentes à especificação de materiais e ao método de ensaio.

Um método descreve o correto procedimento para se efetuar um determinado

ensaio mecânico. Desse modo, seguindo-se sempre o mesmo método, os resultados obtidos

para um mesmo material são semelhantes e reprodutíveis onde quer que o ensaio seja

executado. O método de ensaio fornece ainda os requisitos exigidos para o equipamento que

vai ser usado, além do tamanho e forma dos corpos de prova a serem ensaiados. O método de

ensaio define também os conceitos importantes relacionados ao ensaio em questão e

Page 10: Relatório ensaios mecânicos final

3

menciona como os resultados devem ser fornecidos em um relatório final. Para um mesmo

ensaio, não há diferenças significativas entre os métodos das várias associações mundiais de

normas técnicas, Todos eles procuram dar a mesma técnica de realização do ensaio.

As normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios pertencem às

seguintes associações: ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), ASTM (American

Society for Testing and Materials), DIN (Deutsches Institui für Normung), AFNOR

(Association Fran-çaise de Normalisation), BSI (British Standards Institution), ASME

(American Society of Mechanical Engineers), ISO (International Organization for

Standardization), JIS (Japanese Industrial Standards), SAE (Society of Automotive

Engineers), COPANT (Comissão Panamericana de Normas Técnicas), além de diversas normas

particulares de indústrias ou companhias governamentais.

Unidades - Sistema Internacional (SI)

De acordo com o Decreto n.° 81.621, de 03 de maio de 1978, ficou estabelecido o

uso, em todo o território brasileiro, do Sistema Internacional de Unidades, que compreende

sete unidades de base: metro (m), quilograma (kg), segundo (s), ampère.(Á), kelvin (K), mol

(mol) e candeia (cd), além de duas unidades suplementares: radiano (rd) e esterradiano (sr), estas

últimas para ângulos plano e sólido, respectivamente. As demais unidades usadas são

derivadas dessas mencionadas,

As unidades derivadas mais comumente usadas em ensaios mecânicos são as

seguintes: área (mm2 ou cm2, submúltiplos do m2); força (newton, N); pressão (N/mm2);

tensão (pascal, Pa, ou o múltiplo mega pascal, MPa); energia (joule, J); todas elas dentro do

SI. Além dessas, emprega-se também a unidade de pressão bar (bar), em vigor apenas

temporariamente, porém uma unidade muito cômoda para o caso de ensaio de pressão

interna. A unidade quilograma-força (kgf) ainda é empregada, pois seu uso ainda é muito

grande no Brasil, e também porque a grande maioria das máquinas disponíveis ainda possui

suas escalas nesta unidade. O mesmo se pode dizer quanto às unidades quilogrâmetro, kgf • m,

para energia, e kgf/cm2 e atmosfera (atm), para pressão ou tensão, assim como para algumas

unidades norte-americanas, que são a libra por polegada quadrada (psi) para tensão, e a

libra-pé (ft-lb) para energia, mencionadas em livros sobre ensaios mecânicos. Na

sequência temos os fatores de conversão dessas unidades.

Page 11: Relatório ensaios mecânicos final

4

1N = 0,102 kgf

l kgf = 0,454

lb = 9,807 N

l MPa = 0,102kgf/mm2

l kgf/mm2 = l 422,27 psi = 9,807 MPa =9,807 N/mm2

l J = 0,102kgf- m l kgf • m = 7,233 ft-lb = 9,807 J

l kgf/cm2 = l atm = 14,222 psi = 0,09807 MPa = 0,9807 bar

1° = (x/180) • rd

Tipos de Ensaios Mecânicos

Ensaios de Tração

Consiste na aplicação de uma carga de tração crescente, em uma única direção,

em um dado corpo de prova, previamente preparado e normatizado, até a ruptura do

mesmo. Neste ensaio deseja-se medir a variação no comprimento em função da carga

aplicada. Muitos dados técnicos são obtidos com este ensaio e é um dos mais utilizados no

mundo metal-mecânico, os principais dados obtidos neste ensaio são Limite de Resistência

à Tração, Limite de Escoamento, Módulo de Elasticidade, Módulo de Resiliência, Módulo

de Tenacidade, Ductilidade, Coeficiente de Encruamento e Coeficiente de Resistência.

Ensaio de Compressão

Consiste na aplicação de uma carga compressiva, em uma única direção, em um

dado corpo de prova, previamente preparado e normatizado. Deseja-se determinar a

deformação linear obtida. Quando um material é submetido ao ensaio de compressão, a

relação entre tensão e deformação são semelhantes as obtidas no ensaio de tração.

Ensaio de Dureza

Consiste na impressão de uma pequena marca feita na superfície do material, com

a ajuda de uma ponte de penetração, que pode ser uma esfera de aço e/ou uma ponta de

diamante. A dureza do material (metal) é diretamente relacionada a marca deixada nesta

superfície, com a característica da marca e da carga aplicada. Simbolicamente

mencionando, em um ensaio de dureza simples, quanto menor for a marca, maior será a

dureza do material para uma mesma carga e vice versa.

Page 12: Relatório ensaios mecânicos final

5

Ensaio de Torção

Consiste na aplicação de carga rotativa em um corpo de prova, normalmente

cilíndrico. Mede-se o ângulo de deformação em função do momento torsor aplicado.

Ensaio de Flexão

Consiste na aplicação de carga em uma parte de uma determinada barra de

geometria padronizada.

Ensaio de Fluência

Consiste na aplicação de carga constante em um material durante um período de

tempo, submetido a temperatura elevada, com o objetivo de determinar a vida útil do

material, netas circunstâncias.

Ensaio de Fadiga

Consiste na aplicação de carga cíclica em um material (corpo de prova

normatizado). O objetivo é determinar quantos ciclos o material suporta antes de se

deformar ou romper.

Ensaio de Impacto

Consiste em aplicar carga pela queda de um martelo ou pêndulo, de uma altura

determinada, sobre um corpo de prova. Os mais conhecidos ensaios de impacto são o

Charpy (EUA) e o Izod (Europa). Objetivo, determinar a energia absorvida pelo material

antes de seu rompimento (fratura).

Ensaio de Tenacidade à Fratura

Consiste em um ensaio onde são testados os comportamentos de materiais que

possuem trincas, ou outros defeitos internos pequenos. Objetiva-se saber o quanto esses

materiais podem suportar até se deformar ou romper.

Page 13: Relatório ensaios mecânicos final

6

CAPÍTULO II

DESCRIÇÃO SOBRE OS ENSAIOS MECÂNICOS

Ensaio de Dureza

A dureza de um material é definida como a propriedade do material de resistir à

deformação elástica ou plástica em presença de outro material mais duro. A resistência à

penetração, oferecida pelo material, é principalmente uma função do seu módulo de

elasticidade e de suas características de encruamento.

O ensaio de dureza é um dos mais utilizados pela facilidade de realização e ausência de

destruição da amostra, pela possibilidade de avaliar as propriedades dos diferentes

componentes estruturais e camadas superficiais finas, por estabelecer uma relação entre os

resultados da prova de dureza e os dados de outros métodos de ensaio.

A dureza e a resistência à tração estão intimamente relacionadas, sendo o ensaio de dureza

comumente empregado na indústria substituindo o ensaio de tração Figura 1.

Figura1 Relação entre Tensão e Dureza

Método para medida de Dureza

Os métodos existentes de medida de dureza se distinguem uns dos outros pela forma do

durômetro usado, pelas condições de aplicação da carga e pelo método de calculo da

200 400 600

Dureza Brinell

Aços

Ferro fundido

Ten

são

50

100

150

Page 14: Relatório ensaios mecânicos final

7

dureza. A escolha do procedimento de determinação da dureza depende de diferentes

fatores: da dureza do material a ser ensaiado, de suas medidas, da espessura da camada

superficial, etc.

Em função da velocidade com que se aplica a carga, os procedimentos de determinação da

dureza se dividem em estáticos e dinâmicos, e segundo o método de aplicação podem ser

de penetração ou de riscagem. Os mais utilizados são os de penetração estática.

Em todos os procedimentos de ensaio de dureza é importante preparar a superfície da

amostra. Esta superfície deve estar livre de defeitos (casca de oxidação, desprendimento de

material, abaulamento, etc.). A exigência da qualidade da superfície depende do durômetro

e da magnitude da carga aplicada. Nos métodos estáticos existem diferentes tipos de

ensaio: dureza Brinell, Rockwell, Vickers é por riscagem (pouco utilizável). No método

dinâmico: ressalto (dureza Shore).

Dureza por Riscagem

A dureza por este método é determinada através do comportamento do material ao ser

riscado por outro de dureza conhecida. Este método é usado geralmente em geologia na

identificação de minerais, para isto utilizam minerais padronizados e relacionados em

tabela chamada de escala de Mohs, Tabela 1.

Tabela 1: Escala de Mohs

Minério Escala Composição Talco 1 3MgO4SiO2H2O

Gesso 2 (Ca SO4 )2H2O

Calcita 3 CaCO3

Fluorita 4 CaF3

Apatita 5 Ca(PO4)3(OH,F,Cl)

Ortoclásio 6 KAlSiO3O8

Quartzo 7 SiO2

Topázio 8 Al2SiO2(OH,F )2

Corindo 9 Safira

Diamante 10 Carbono

Esta escala não é utilizada para metais. As maiorias dos metais estão classificados entre os

valores 4 e 8 e pequenas diferenças de dureza não são precisamente acusadas.

Page 15: Relatório ensaios mecânicos final

8

Dureza por Ressalto

É um método dinâmico de determinar a dureza. O mais conhecido é o método de rebote

elástico do martelo (Dureza Shore). A dureza é determina através de um pequeno martelo

com ponta de diamante que cai livremente sobre a superfície do corpo de prova de uma

determinada altura A altura do rebote depois do choque é alterada devido a perda de

energia cinética do peso, energia absorvida pelo corpo de prova para ocorrer deformação

elástica e plástica no lugar do impacto.

Dureza Brinell

O ensaio de dureza Brinell consiste em aplicar uma carga sobre uma esfera de aço com

diâmetro(D) e dureza maior que 850 Kgf/ mm2,apoiada na superfície plana, polida e limpa

da amostra, durante um tempo (t). A penetração da esfera de aço (durômetro) deforma o

material e produz uma impressão com a forma de uma calota esférica cujo diâmetro (d) é

medido com micrômetro óptico.

Na superfície da amostra sob o durômetro, se realiza uma intensa deformação plástica,

Figura 2, e o diâmetro da calota resulta tanto menor quanto maior a resistência do material

da amostra à deformação efetuada pelo durômetro. O coeficiente da dureza Brinell,

equação 01, é dado em função do diâmetro (d) médio da impressão, medidas de dois

diâmetros, em ângulo reto, e é a relação da carga aplicada pela área da calota (A) (Kgf/

mm2).

D

d11

π

2

D

P

A

PHB

22

−−

==

(01)

Figura2 Deformação plástica na Dureza Brinell.

Para os ensaios de dureza Brinell utiliza-se durômetros com diâmetros de 2,5; 5 e 10 mm,

as cargas aplicadas de 500 a 3000 kgf. Ao determinar a dureza com um durômetro cujo D

= 10 mm, com uma carga P = 3000 kgf e tempo de t = 10 s, o número de dureza se anota

Page 16: Relatório ensaios mecânicos final

9

como HB400, HB250, HB500, etc. em caso de outras condições de ensaio, o índice HB se

completa com cifras que indicam o diâmetro da esfera (mm), a carga (Kgf) e o tempo (s).

Por exemplo, HB 5/750/30 – 350. Este é o número de dureza Brinell (350), obtido com

uma esfera com D = 5 mm, carga de 750 Kgf, durante 30s.

O ensaio Brinell pode ser usado para ensaiar materiais com dureza de HB8 até HB450. Se

a dureza for maior o durômetro sofre uma deformação residual que ultrapassa a tolerância

normalizada.

A espessura da amostra não deve ser menor que 10 vezes a da impressão. A distância

medida do centro da impressão até as bordas da amostra deve ser maior que 2,5d e a

distância entre os centros de duas impressões próximas deve ser no mínimo igual a 4d.

Da equação 01 se deduz que a fim de obter valores iguais de HB ensaiando uma mesma

amostra com esferas de diferentes diâmetros, as relações P/D² e d/D devem ser constantes.

A relação d/D se mantém constante dentro dos limites 0,3 – 0,6 (0,3D < d < 0,6D). Para se

obter impressão de dimensões ótimas, é imprescindível eleger corretamente a relação entre

a carga e o diâmetro da esfera. A magnitude da relação P/D² depende da dureza do material

Tabela 2. Conhecendo os valores predeterminados de P e D e medindo d, se encontra o

número de dureza, por tabelas normalizadas.

Tabela 2: Relação P/D²

P/D2 Dureza

30 HB > 130

10 HB 35 – 130

2,5 HB < 35

A dureza Brinell é determinada em instrumentos especiais como mostra a Figura 3.

Page 17: Relatório ensaios mecânicos final

10

Figura3 Esquema de uma máquina de dureza Brinell.

1 - volante; 2 -,parafuso de ajuste; 3 – escala para prefixar o tempo de aplicação da carga; 4

– botão de conexão; 5 – mesa de apoio; 6– suporte para o durômetro; 7 – anel de apoio; 8 –

casquilho; 9 – mola; 11 – lâmpada; 12 e 15– barras; 14 – microcomputador; 17 – biela; 18

– pesos; 19 – manivela; 20 – redutor; 21 – motor elétrico

Para muitos metais e ligas metálicas existe entre HB e σresist uma relação linear σresist =

xHB. O coeficiente de proporcionalidade x é tanto maior quanto menor é o grau de

deformação uniforme e depende também das propriedades elásticas do material. Para a

maioria das ligas de alumínio x ≅ 0,25, para aços x ≅ 0,35.

Dureza Rockwell

Neste ensaio, a impressão é feita através de um cone de diamante com ângulo de 1200 e

ponta levemente arredondada com raio igual a 0,2 mm ou esfera de aço com diâmetros de

1/16 e 1/8. A amostra é submetida à ação sucessiva de cargas: uma previa Po e outra total

P1 (carga básica). A carga total é:

P = Po + P1.

A quantidade de dureza Rockwell é medida em unidades convencionais e é igual a

magnitude da profundidade de penetração do durômetro. O esquema da determinação da

dureza Rockwell com durômetro de diamante é mostrado na Figura 4.

Page 18: Relatório ensaios mecânicos final

11

Figura4 Esquema de medida de Dureza Rockwell.

No início é aplicada uma carga prévia Po = 10 Kgf, que se mantém até o final do ensaio,

para a ajustagem do zero no marcador e depois a carga total (P). A vantagem deste ensaio é

por ser um processo rápido, de fácil de execução e isento de erros pessoais, já que os

valores de medida da dureza são lidos diretamente na máquina.

A dureza Rockwell é determinada por diversas escalas conforme o tipo de penetrados e

carga usada Tabela03.

Tabela 3: Alguns tipos de escala de dureza Rockwell.

Escala Durômetro Cargas Limite de dureza

A Diamante 60 Kgf 70-85

C Diamante 150 Kgf 20-67

D Diamante 100 Kgf

B Esfera de aço 1/16 100 Kgf 25-100

F Esfera de aço 1/16 60 Kgf

G Esfera de aço 1/16 150 Kgf

E Esfera de aço 1/8 100 Kgf

O valor de medida da dureza é um número adimensional, corresponde a profundidade de

penetração e não uma relação de carga e área da impressão como na dureza Brinell. A

dureza Rockwell se escreve do mesmo modo que a Brinell; HRC 65, HRB 30, HRA 80,

etc.

A Figura 5 mostra uma máquina de ensaio de dureza Rockwell.

Page 19: Relatório ensaios mecânicos final

12

Figura5 Esquema de uma Máquina de Dureza Rockwell.

1 - travessa; 2 - suspensão; 3 e 18 amortecedor;– escala para prefixar o tempo de aplicação

da carga; 4 – alavanca; 5 manilla; 6– parafuso; 7 – tampa; 8 – alavancas; 9 – prisma; 10 –

indicador; 11 – volante; 12 – chaveta; 13 – casquilho; 14 – bancada; 15– pesos; 16 –

pontal; 17 –parafuso de elevação; 19 – molas; 20 –suporte; 21 a 23 – mesas de apóio

Dureza Vickers

No ensaio de dureza Vickers é utilizado um durômetro de diamante na forma de uma

pirâmide de base quadrada, com ângulos entre as faces apostas de 136o. Depois de retirada

a carga (P), mede-se a diagonal (L) da impressão. O número de dureza é determinado

como a razão entre a carga aplicada e a área da impressão equação 02.

[ ]22

Kgf/mmL

P1,8544HV = (02)

Como resultado do ensaio, apenas a diagonal da impressão é medida, com precisão de 0,01

mm e conhecendo a carga aplicada é possível encontrar o valor da dureza mediante tabelas

padronizadas. Os resultados obtidos com esta escala são aproximadamente iguais aos

valores da escala Brinell, dentro do intervalo de 250 a 600.

O ensaio Vickers utiliza cargas que variam de 1 a 120 kg. A existência de uma carga

relativamente pequena e de pouca profundidade de penetração do durômetro condicionam

a necessidade de uma preparação minuciosa da superfície, a amostra deve estar polida e

Page 20: Relatório ensaios mecânicos final

13

sem encruamento. A espessura mínima da amostra a ensaiar deve ser maior que 1,2 vez a

diagonal para os aços e 1,5 vez para os metais não ferrosos e suas ligas.

Micro Dureza

O método de micro dureza se emprega para determinar a dureza de volumes de materiais

microscópicos, em peças muito pequenas, camadas superficiais e recobrimentos finos e

principalmente em medir a dureza de fases separadas ou estruturas dos componentes das

ligas.

O ensaio produz uma impressão microscópica no material aplicando cargas de 1 a 10 gf em

durômetros Vickers ou Knoop. Para o ensaio Vickers utiliza-se a técnica anterior. Para o

ensaio Knoop, utiliza-se um penetrador de diamante na forma de pirâmide alongada, onde

a relação da diagonal maior (L) com a menor é 7:1.

O valor da micro dureza se determina pela equação 03.

22 mmkgf

L

1000 Q 14,229HK

×= (03)

Page 21: Relatório ensaios mecânicos final

14

Ensaio de Tração

A facilidade de execução e a reprodutividade dos resultados tornam o ensaio de

tração o mais importante de todos os ensaios, é o ensaio que promove o maior número de

propriedades mecânicas dos materiais.

A aplicação de uma força num corpo sólido promove uma deformação do material

na direção do esforço e o ensaio de tração consiste em submeter um material a um esforço

que tende a esticá-lo ou alongá-lo. Geralmente, o ensaio é realizado num corpo de prova de

formas e dimensões padronizadas, para que os resultados obtidos possam ser comparados ou,

se necessário, reproduzidos. Este corpo de prova é fixado Figura 6 (b) numa máquina de

ensaio Figura 6(a) e Figura 7, que aplica esforços crescentes na sua direção axial, sendo

medidas as deformações correspondentes por intermédio de um aparelho especial (o mais

comum é o extensómetro), Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio

e o corpo de prova é levado até a sua ruptura.

(a) (b)

Figura 6 Máquina utilizada no teste de Tração (UMC) (a) Fixação do corpo de prova (b).

Figura 7 Máquina de

Tração esquemática

Corpo de prova

Célula de carga

Travessão móvel

Page 22: Relatório ensaios mecânicos final

15

Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformações

promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o seu corpo, pelo menos até

ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio e, como é possível fazer com que

a carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de tração

permite medir satisfatoriamente a resistência do material. A uniformidade da deformação

permite ainda obter medições precisas da variação dessa deformação em função da tensão

aplicada. Essa variação, extremamente útil para o engenheiro, é determinada pelo traçado da

curva tensão-deformação, a qual pode ser obtida diretamente pela máquina ou por pontos.

A uniformidade de deformações termina no momento em que é atingida a carga

máxima suportada pelo material, quando começa a aparecer o fenômeno da estricção ou

diminuição da seção do corpo de prova, nos casos de metais com certa ductilidade. A

ruptura sempre se dá na região estrita do material, a menos que um defeito interno no

material, fora dessa região, promova a ruptura do mesmo, o que raramente acontece.

A precisão de um ensaio de tração depende, evidentemente, da precisão dos

aparelhos de medida de que se dispõe. Com pequenas deformações, pode-se conseguir uma

precisão maior na tensão do que quando são atingidas grandes deformações do material.

A velocidade do ensaio é geralmente dada pelos métodos estabelecidos pelas

diferentes Associações de normas técnicas; quando, porém, se realiza um ensaio de tração

para fins de estudo ou pesquisa, essa velocidade pode ser alterada, conforme o caso. Essa

velocidade é muito importante e dela dependem alguns resultados numéricos de

propriedades mecânicas obtidos pelo ensaio. Em geral, os métodos de ensaio especificam a

velocidade em torno de l kgf/rmn2 por segundo.

Ensaio de Tração Convencional

Tensão e Deformação

Na engenharia, define-se a tensão de tração convencional (σ) como sendo a

resistência interna de um corpo de prova à uma força externa aplicada sobre ele por

unidade de área (Ao ). Em uma barra cilíndrica de seção transversal uniforme (Ao), com

uma distância (Lo) marcada ao longo de seu comprimento e submetida a uma força de

tração (F) Figura 8, tem-se que a tensão média de tração é dada pela equação 03. A tensão

média é pelo fato da tensão não ser uniforme sobre a área, essa não uniformidade é causada

Page 23: Relatório ensaios mecânicos final

16

pelo crescimento dos cristais dos materiais policristalinos. A unidade de medida da tensão

é dada em Kgf/mm2, libras/pol2 (psi) ,N/ m2 (Pascal).

Ao

Q=σ (03)

Figura 8 Barra submetida a esforço de tração.

A deformação é a variação de uma dimensão qualquer deste corpo de prova por

unidade da mesma dimensão quando submetido a um esforço determinada pela equação

04, onde ε é deformação, (Lo) o comprimento inicial e (L) o comprimento final da

amostra. A deformação é adimensional.

00

0

L

∆L

L

LLε =

−=

(04)

No início do teste ocorre uma deformação reversível do material, sendo que se a

carga for removida o material volta as suas dimensões originais, chamada deformação

elástica. Entretanto, se a carga aplicada for grande, o material não retorna mais as suas

dimensões originais, após a retirada da solicitação, ficando permanentemente deformado

(deformação plástica). Em qualquer fase, para continuar a deformação é necessário o

aumento da tensão aplicada. Na região plástica o material apresenta o fenômeno de

encruamento, ou seja, o material é endurecido pela ação da deformação. Em seguida, a

tensão atinge um valor máximo que pode ser suportado pelo material com deformação

homogênea, a partir deste valor, ocorre uma deformação localizada na área de secção

transversal do corpo de prova (estricção), para metais com alguma ductibilidade. Depois

que a estricção teve início, a tensão convencional decresce com a deformação posterior até

que o corpo de prova se rompa (fratura), Figura 9.

Propriedades Mecânicas Obtidas no Ensaio

Quando um corpo de prova metálico é submetido a um ensaio de tração, pode-se

construir um gráfico tensão-deformação, pelas medidas diretas da carga (ou tensão) e da

deformação que crescem continuamente até quase o fim do ensaio. A relação entre a tensão

(Ao)

(F)

Page 24: Relatório ensaios mecânicos final

17

e a deformação na região elástica é linear para metais e cerâmicas e esta proporcionalidade

é descrita pela Lei de Hook, Figura 9 e determinada nas equações 05 e 06, onde (E) é uma

constante denominada módulo de Young ou módulo de elasticidade. Os materiais

apresentam anisotropia em relação ao módulo de elasticidade, pois este varia com a

orientação cristalina. Por exemplo, o ferro possui na direção [111] um módulo de

elasticidade igual a 29.000 Kgf/mm2 e na direção [100] igual a 13.000 Kgf/mm2. Para o

ferro policristalino, portanto, o valor médio do módulo de elasticidade é 21.000 Kgf/mm2.

Figura 9 Curva Tensão (σ) x Deformação (ε).

εσ ∗= E (05) ou ε

σ=E

(06)

Normas de Ensaios

Para que os resultados dos ensaios sejam comparáveis entre si, deve existir uma

relação entre o comprimento e o diâmetro do corpo de prova.

No Brasil, o ensaio foi normalizado pela Associação Brasileira de Normas

Técnicas (ABNT) e recebe a designação NBR-6152 para produtos lisos.

Os corpos de prova podem ser secção circular ou retangular como na Figura 10.

Limite de Resistência

Fratura

Deformação

Ten

são

Page 25: Relatório ensaios mecânicos final

18

Figura 10 Corpos de Prova para Ensaio de Tração segundo ABNT.

Normas para Ensaios de outros Produtos

Produtos acabados como barras ou arames podem ser ensaiados diretamente. Em

produtos como cabo, corrente não é necessário usinar corpos de prova, mas o limite de

escoamento, resistência, alongamento e estricção devem ser abandonados, são aplicadas

medições especificadas para cada produto.

Em materiais soldados o corpo de prova deve ter a solda no meio, o valor

registrado deve ser a carga de ruptura, pois o alongamento é afetado pela solda. Para se

medir a eficiência da solda deve-se dividir a carga de ruptura do material soldado pela

carga de ruptura do material base. Em solda mais resistente que o metal-base é usado nos

projetos o limite de escoamento e o alongamento do metal-base, caso contrário usa-se as

propriedades do material de solda.

Page 26: Relatório ensaios mecânicos final

19

Limite de Elasticidade – Modulo de Elasticidade

Elasticidade de um material é a sua capacidade de voltar à forma original em ciclo

de carregamento e descarregamento. A deformação elástica é reversível, ou seja,

desaparece quando a tensão é removida. A deformação elástica é conseqüência da

movimentação dos átomos constituintes da rede cristalina do material, desde que a posição

relativa desses átomos seja mantida.

Uma peça de aço, por exemplo, sob efeito de tensões de tração ou de compressão

sofre deformações, que podem ser elásticas ou plásticas. Tal comportamento deve-se à

natureza cristalina dos metais, pela presença de planos de escorregamento ou de menor

resistência mecânica no interior do reticulado.

Até certo nível de tensão aplicada, o material trabalha no regime elástico, isto é,

segue a lei de Hook e a deformação linear específica é proporcional ao esforço aplicado. A

proporcionalidade pode ser observada no trecho retilíneo do diagrama tensão-deformação,

Figura 11 e a constante de proporcionalidade é denominada módulo de deformação

longitudinal ou módulo de elasticidade. Ultrapassado o limite de proporcionalidade, tem

lugar a fase plástica, na qual ocorrem deformações crescentes sem variação de tensão

(patamar de escoamento). O valor constante dessa tensão é uma importante característica e

é denominada resistência ao escoamento.

Figura 11 Diagrama Tensão – Deformação.

Após o escoamento, a estrutura interna do aço se rearranja e o material passa pelo

encruamento, em que se verifica novamente a variação de tensão com a deformação

específica, porém de forma não-linear. A relação entre os valores da tensão e da

Page 27: Relatório ensaios mecânicos final

20

deformação linear específica, na fase elástica, é o módulo de elasticidade, cujo valor é

proporcional às forças de atração entre os átomos.

Sendo o módulo de elasticidade uma propriedade intrínseca do material, pode ser

utilizado a equação 06 a expressão matemática para cálculo dessas constantes é:

εσ=E (06)

O valor de (E), equação 06, é constante para cada metal ou liga metálica. Na

Tabela 4 vemos valores aproximados para alguns metais e ligas.

O modulo de elasticidade é a medida da rigidez do material; quanto maior o

módulo menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão e mais

rígido será o metal.

Tabela 4: Modulo de Elasticidade de alguns Metais e Ligas à temperatura ambiente.

Limite de Proporcionalidade e de Elasticidade

A máxima tensão para a qual a Lei de Hook ainda é válida, é chamada de limite

de proporcionalidade (σp) indicada pelo ponto A na Figura 12.

Page 28: Relatório ensaios mecânicos final

21

Figura 12 Limite de elasticidade e de proporcionalidade

A tensão da qual a deformação é elástica denomina-se de limite elástico (σel), é a

maior tensão que o material pode suportar sem deixar qualquer deformação permanente

quando o material é descarregado. A figura 12 mostra o fim da linearidade indicado pelo

ponto B.

Limite de Escoamento

A partir do limite de elasticidade o material entra no regime plástico. Para metais

dúcteis o início da deformação plástica é indicado por uma queda brusca na carga,

apresentando um ponto de escoamento superior (σes) e um inferior (σei), Figura 13.

Figura 13 Limite de Escoamento - Superior e Inferior.

Quando não for possível determinar precisamente a tensão de escoamento, as

normas do ensaio especificam esta tensão como sendo aquela necessária para produzir uma

dada quantidade de deformação plástica convencional n de escoamento. Geralmente o

valor de n é especificado para 0,2% de deformação plástica para ligas metálicas que

possuem uma região de plasticidade muito pequena (aços ou ligas não ferrosas muito

duras), pode-se tomar n o valor de 0,1% ou mesmo 0,001% (caso dos moles). Para

materiais com grande plasticidade (Cobre e ligas de Cobre) o valor n é 0,5%. Por exemplo,

Deformação

Ten

são

O

σesc. inferior

σesc. superior.

Deformação T

ensã

o

O

σelast. σprop.

B

A

Page 29: Relatório ensaios mecânicos final

22

o limite convencional de escoamento de 0,2% é obtido pela intersecção da curva com uma

reta, traça da paralela à porção elástica da curva tensão em função da deformação a partir

do ponto de deformação 0,2%, Figura 14.

Figura 14 Limite de escoamento convencional n.

Resiliência

O material necessita absorver energia para produzir deformação elástica e plástica.

A quantidade de energia de deformação por unidade de volume quando a tensão vai de

zero até o limite de escoamento (σo), isto é, durante a deformação elástica, é dada pelo

módulo de resilência. Para tensão uniaxial a energia é dada pela equação 07:

xx0 εσ2

1U = (07)

e a equação 08 representa o módulo de resilência.

( )08 2E

σ U

E

σσ

2

1ε σ

2

1U

20

R0

000R ===

Tabela 5: Modulo de Resiliência para alguns Materiais.

Deformação

Ten

são

O

Regime elástico Regime plástico

σesc.

0,002

Page 30: Relatório ensaios mecânicos final

23

Limite de Resistencia

A tensão máxima suportada por um material, como mostra a Figura 15, é chamada de limite de resistência (σR), é determinado pela formula 09 e dado em kgf/mm², o limite de resistência serve para especificar o material, do mesmo modo que a análise química serve para identificar o material e é sempre acompanhado por outras propriedades dos metais e ligas.

Figura 15 Limite de Resistência e de Ruptura.

Ao

QR=Rσ (09) onde Qr é a carga máxima atingida no ensaio.

Alongamento, Estricção e Limite de Ruptura

Alongamento

No ensaio de tração convencional o cálculo do alongamento (A) leva em conta a

deformação total até a ruptura do corpo de prova. Assim, o valor de (L) da equação 10

100L

LLA

0

0 ∗−

= (10)

que é composto pela deformação elástica (recuperada após a ruptura) + deformação durante o

escoamento + deformação plástica + deformação após atingir a carga máxima. A deformação

durante o escoamento + deformação plástica constituem o chamado alongamento uniforme,

devido à uniformidade da deformação até ser atingida a carga Qr equação 11. Depois de se

ultrapassar Qr, a deformação deixa de ser uniforme ao longo do comprimento do corpo de

prova, por causa do aparecimento nítido da estricção, que surge em virtude da maioria da

deformação ficar concentrada numa região mais fraca do material, aparecendo então

contrações laterais concentradas nessa região, eliminando a uniformidade da deformação.

Terminado o escoamento, o metal entra na fase plástica e o ensaio prossegue até ser

atingida uma tensão máxima suportada pelo metal, que caracteriza o final da zona plástica. O

Deformação

Ten

são

O

σRes.

σRup.

Page 31: Relatório ensaios mecânicos final

24

limite de resistência, σr, do metal .(dado em kgf/mm2) é determinado pela expressão onde

Qr é a carga máxima atingida durante o ensaio.

So

Qrr =σ (11)

Após ser atingida a carga, Qr, entra-se na fase de ruptura do material, caracterizada

pelo fenômeno da estricção, que é uma diminuição muitas vezes sensível da secção transversal

do corpo de prova, numa certa região do mesmo. Quanto mais mole é o material, mais estrita

se torna a secção nessa fase. É nessa região que se dá a ruptura do corpo de prova, finalizando o

ensaio. Durante essa fase, a deformação torna-se não uniforme e a força deixa de agir unicamente

na direção normal à secção transversal do corpo de prova.

Figura 16 Metodo para determinação do valor de L para o alongamento.

Estricção

Após ser atingida a carga máxima, o estágio seguinte corresponde à fase de fratura

do material, caracterizado pelo fenômeno de estricção (ϕ). O fenômeno de estricção ocorre

pela diminuição da secção transversal do material na região aonde vai se localizar a

ruptura, devido à deformação localizada, a estricção também é uma medida de ductilidade

então quanto maior for a porcentagem de estricção, mais dúctil será o metal. A tensão de

rompimento do material é chamada de limite de fratura ou ruptura. A estricção é medida

pela variação do diâmetro dos corpos de provas circulares pela equação 12.

( )12 100A

AA

0

f0 ×−

Para corpos de prova retangulares, a estricção é medida pela variação das

dimensões transversais, conforme mostra a Figura 17, porém raramente utilizados.

Page 32: Relatório ensaios mecânicos final

25

Figura 17 Método de determinação da estricção em corpos de prova retangulares.

Limite de Ruptura

A carga que produz a ruptura do material é geralmente menor, que a carga

máxima do limite de resistência. A propriedade mecânica denominada limite de ruptura σf, é

dada pela equação 12 onde Qf é a carga de ruptura.

So

Q ff =σ (12)

Essa propriedade mecânica nunca é especificada por não caracterizar o material. Quanto mais

dúctil é o material, mais ele se deforma ou se alonga antes de romper, mais a carga, Qf,

diminui pelo decréscimo da secção final. Além disso, a carga Qs, é muito difícil de ser

determinada com precisão, devido não ser possível interromper o ponteiro da máquina no

instante exato da ruptura, para a leitura da carga. Quanto mais frágil o material, mais σf se

aproxima de σr e, no estudo da fratura frágil, muitas vezes se menciona σf em lugar de σr.

As fraturas podem ser:

Frágil: ocorre pela separação em duas partes, geralmente normal a tensão de tração, ao longo de

certos planos cristalinos Figura 18 a.

Muito Dúctil: fraturas em materiais muito moles, que apresentam uma grande deformação

plástica, rompem-se deixando as duas partes separadas apenas por um ponto Figura 18 b.

Dúctil: ocorre na maioria dos metais, nesta fratura ocorre nitidamente o fenômeno de

pescoçamento. A fratura também é chamada de taça - cone Figura 18 c.

Figura 18 Tipos de Fraturas.

A fratura frágil apresenta uma aparência granular e brilhante e a fratura dúctil uma

aparência transgranular e opaca.

a b c

Page 33: Relatório ensaios mecânicos final

26

Resiliência Hiperelástica e Tenacidade

Resiliência Hiperelástica

Se considerarmos a resiliência dentro da zona plástica, a energia acumulada, por

unidade de volume, no descarregamento de um ponto C, Figura 19, é maior que o modulo

de resiliência e á chamada resiliência hiperelástica. Essa energia é igual à área CDE da

figura, onde a linha CD é paralela à linha AO da zona elástica e CE é perpendicular ao eixo

das abscissas. A área CDE é maior que a área OAF.

Figura 19 Determinação da Resiliência Hiperelástica.

Tenacidade

Tenacidade de um metal e a sua capacidade de absorver energia na zona

plástica. A tenacidade é medida através do módulo de tenacidade, que é a quantidade de

energia absorvida por unidade de volume no ensaio de tração até a fratura, ou a

quantidade de energia por unidade de volume que o material pode resistir sem causar a

sua ruptura. A primeira definição leva em conta a energia até o final do ensaio, ao

passo que a segunda só vai até a carga máxima (limite de resistência) suportada pelo

metal.

A Figura 20 mostra essa quantidade de energia dada pela área total sob a curva

tensão-deformacão. Pode-se observar que o módulo de tenacidade compreende tanto a

resistência como a ductilidade do material. A Figura 21 mostra um exemplo de dois

materiais, um deles aço estrutural de médio carbono e o outro um aço para molas de alto

carbono. Por essa figura, pode-se verificar que um material com alto módulo de

resiliência tem, geralmente, um baixo módulo de tenacidade e vice-versa. Por causa do

Page 34: Relatório ensaios mecânicos final

27

alto limite de escoamento do aço para molas, seu módulo de resiliência é alto e, por

causa da maior ductilidade do aço estrutural, seu módulo de tenacidade é alto.

Figura 20 Energia para romper (modulo de tenacidade) um material (a) dúctil e

(b) frágil.

Figura 21 Comparação entre a Resiliência e a Tenacidade de dois aços.

O modulo de tenacidade pode ser calculada através da área sob curva de tensão

versus deformação. A figura 22 mostra uma curva de tração para aço ao Carbono. A área

sob curva pode ser dada aproximadamente pela equação 13, e representa a área entre os

pontos FGHI, mas a curva não representa o comportamento real na região plástica, porque

é baseada na área original do corpo de prova.

frTU εσ ∗= (13)

Page 35: Relatório ensaios mecânicos final

28

Figura 22 Determinação do Módulo de Tenacidade.

Para metais frágeis, como ferro fundido cinzento, com uma curva igual a mostrada

na Figura 20 b, o módulo de tenacidade é determinado pela equação 14, assumindo que a

curva seja uma parábola. frTU εσ ∗=3

2 (14)

A unidade de Ur é kgf • mm/mm3. Como as equações acima envolvem o valor de fε

é conveniente especificar o comprimento inicial de medida para precisar bem a

deformação do metal na fratura.

Tabela 6: Modulo de Tenacidade de algumas Ligas.

Page 36: Relatório ensaios mecânicos final

29

Ensaio de Impacto

É um ensaio de esforço de natureza dinâmica, ou seja, a carga aplicada é de

maneira repentina e brusca, envolvendo a produção e a transferência de energia, realizando

trabalho nas partes que recebem o golpe. A curva σ x ε Figura 23 podemos obter as

seguintes propriedades: Resiliência que é a capacidade do material absorver energia

durante a deformação elástica e Tenacidade a capacidade de absorver energia durante a

deformação plástica até a ruptura.

Figura 23 Curva de tração.

O ensaio de impacto é muito utilizado para o estudo de fratura frágil nos metais,

principalmente quando submetidos a baixas temperaturas. É um ensaio apenas para

comparação entre materiais ensaiados nas mesmas condições, pois o seu resultado, medida

de energia absorvida, não fornece indicações seguras sobre o comportamento do metal ao

choque em geral, sendo necessários vários ensaios e a curva média para obtenção de

resultados mais precisos.

O principio básico do ensaio é a medida de energia absorvida pelo material para

se deformar, durante a ação do esforço de choque. Na equação 15 pode-se calcular esta

energia que é medida pela diferença da altura de um martelo antes e após o choque (∆H) e

seu peso (P), conforme a Figura 24. Quanto menor a energia absorvida maior a tendência à

fragilidade do material.

( )15 P∆HUabs ×=

aa

b

a – Resiliência b - Tenacidade

Deformação

Ten

são

de T

raçã

o

Page 37: Relatório ensaios mecânicos final

30

Figura 24 Máquina para ensaio de Impacto – Esquemática.

Figura 25 Máquina Charpy; (a) Máquina Izod; (b) Máquina de Impacto com Tração (c).

Corpo de Prova

Durante o ensaio de impacto é utilizado corpos de provas padronizados e provido

de entalhe para localizar a ruptura e produzir um estado de tensão triaxial produzindo uma

fratura com pouca deformação plástica. Existem dois tipos de ensaio de impacto; o ensaio

Charpy e o ensaio Izod, especificados pela norma americana E-23 da ASTM, sendo

diferenciados através dos entalhes. O ensaio Charpy apresenta entalhes na forma de V, U e

de fechadura invertida, localizados no centro do corpo de prova. O ensaio Izod, o entalhe é

na forma de V e localizado na lateral do corpo de prova Figura 26.

Além dos ensaios Charpy e Izod, existem outros ensaios menos utilizados como o

Mesnager e o Schnadt.

Mostrador

Posição inicial

Martelo

Posição final

Corpo de prova

Page 38: Relatório ensaios mecânicos final

31

Figura 26 Corpos de Prova para Ensaio de Impacto, recomendados pela ASTM e ABNT.

Influência da Temperatura

A energia absorvida pelo material durante o impacto varia sensivelmente com a

temperatura. Quando a temperatura T1 for muito maior que a temperatura T2, o corpo de

prova com T1 absorve maior energia que o corpo de prova com T2, ou podendo absorver

praticamente a mesma energia quando T1 for um pouco maior que T2. Existe uma faixa de

temperatura relativamente pequena na qual a energia absorvida cai apreciavelmente,

definida como temperatura de transição, onde ocorre uma mudança no comportamento da

ruptura de dúctil para frágil ou vice-versa. Esta passagem não é repentina e é definida por

um intervalo de temperatura Figura 27. A temperaturas baixas, uma trinca pode se

propagar a uma velocidade maior que os mecanismos de deformação plástica, absorvendo

assim pouca energia. Em temperaturas mais altas ocorre deformação plástica antes da

fratura com absorção de energia.

Figura 27 Temperatura de Transição.

1- Fratura frágil em serviço

2- Fácil nucleação de trincas

3- Fratura mista

4- Fratura dúctil

5- Difícil nucleação e propagação de trincas

20 -20 -100

1

2

3

4

5

Ene

rgia

Abs

orvi

da (

Kgf

x

m)

Temperatura ºC

Page 39: Relatório ensaios mecânicos final

32

Os aços, como a maior parte dos metais CCC, absorvem mais energia ao romper

se de modo dúctil do que frágil, por isso, o ensaio de impacto e necessário para avaliar a

temperatura de transição do comportamento dúctil para o frágil que se observa a medida

que diminui a temperatura. A temperatura de transição varia com a taxa de carregamento.

Sendo assim, um aço deformado lentamente pode falhar ductilmente, enquanto que sob

impacto, fragilmente, já que não há chance de ocorrência de deformação plástica nesse

último. A temperatura de transição depende também da geometria da trinca. Para materiais

idênticos, quanto mais aguda for a trinca, maior será a temperatura aparente de transição.

Influência de Fatores na Temperatura de Transição

Composição Química

Quase todos os elementos são fragilizantes e aumentam a temperatura de

transição, sendo que o Mn é benéfico provavelmente por retirar o nitrogênio que é um

elemento fragilizante diminuindo assim a temperatura de transição, o Ti como formador de

nitrato e carboneto e Al por diminuir o contorno de grão, também abaixam a temperatura

de transição.

Orientação dos Corpos de Provas

Em produtos laminados ou forjados a resistência ao impacto varia com a

orientação das amostras retiradas. Quando as amostras são retiradas no sentido longitudinal

a resistência é maior que em materiais retirados no sentido transversal Figura 28.

Figura 28 Relação da Resistência de Impacto com a orientação das amostras.

Page 40: Relatório ensaios mecânicos final

33

Tamanho do Grão

A propagação catastrófica depende do tamanho da trinca e ocorre em planos

cristalográficos bem definidos. Em materiais policristalinos o tamanho de grão tem grande

influência na propagação da trinca, com tamanhos pequenos de grãos a tendência é manter

trincas pequenas evitando a propagação contrária a tamanhos grandes de grãos Figura 29.

Os materiais policristalinos são constituídos por grãos com orientação cristalográfica

diferente. A trinca tendera mudar sua orientação ao passar de um grão para outro

permanecendo no mesmo plano cristalográfico definido, para isso é necessário maior

energia durante o processo de fratura.

Figura 29 Relação da tensão de fratura com o tamanho de grão.

0

20

40

60

80

0 2 4 6 8 10

d-1/2 ( m-1/2 )

σf (

ton/

m2 )

Page 41: Relatório ensaios mecânicos final

34

CAPÍTULO III

PROCEDIMENTOS E APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS

Ensaio de Dureza Rockwell

Procedimentos

Equipamento e Corpos de Provas

Máquina utilizada para os ensaios:

Wilson Rockwell Hardiness Tester, Figura 30, com penetrador piramidal em diamante.

(a) (b)

Figura 30 Máquina utilizada nos testes de Dureza Rockwell; (a) Escala para leitura da

dureza (para Rockwell C escala preta central) (b).

- Corpos de Provas

Materiais – SAE 1035 - Tratado

SAE 1045 – Tratado

SAE 1090 – Tratado

VTD – Aço Ferramenta

Figura 31 Corpos de Prova para Dureza.

Page 42: Relatório ensaios mecânicos final

35

Procedimentos nos Ensaios

1 – Posicionou-se os corpos de provas sobre a haste de apoio de modos a possibilitar duas

verificações de dureza, uma próximo a superfície do material (ponto 1) e posteriormente

próximo ao centro do material (ponto 2), Figura 32.

Figura 32 Pontos para verificação da dureza.

2 – Encostou-se o penetrador na superfície do corpo de prova e aplicou-se uma pré carga

de 10kgf, já regulada pela máquina e confirmada pela chegada do ponteiro indicador na

marca em preto no centro do mostrador.

3 – Zerou-se a escala

4 – Soltou-se a alavanca lateral para a aplicação de uma carga de 150kgf, aplicada

automaticamente pela máquina após uns 15s.

5 – Retornou-se a alavanca para posição inicial.

6 – Fizeram-se as leituras das durezas obtidas na escala preta do mostrador, Figura 30 (b).

7 – Anotou-se os resultados por material verificado, Tabela 7.

Tabela 7: Teste de Dureza Rockwell – Escala C - Resultados obtidos para vários tipos de aços.

Material Medido Próximo a Superfície

Ponto 1 (±0,5)

Próximo ao Centro

Ponto 2 (±0,5)

SAE 1035 - Tratado 52 HRc 49 HRc

SAE 1045 - Tratado 55 HRc 34 HRc

SAE 1090 - Tratado 62,5 HRc 6305 HRc

VDT – Aço Ferramenta

Tratado 65 HRc 66 HRc

( ±0,5 = Tolerancia – Presiçãometade da menor divisão - escala de 10 = 0,5

Ponto 1

Ponto 2

Page 43: Relatório ensaios mecânicos final

36

Ensaio de Tação

Procedimentos

Equipamento e Corpos de Provas

Máquina utilizada para os ensaios:

- Máquina Universal de Ensaios; célula de carga com capacidade de 30t

- Sistema de controle da máquina:

1º - Estensometria (não utilizado)

2º - Controle de deslocamento da máquina (e não do corpo de prova)

3º - Controle de carga (registra a carga máxima aplicada no material) Figura 33.

Figura 33 Unidade de Controle de Carga.

- Impressora para plotagem dos gráficos

- Corpos de Provas secções circulares Figura 34

Materiais – SAE 1020 e SAE 1045

Diâmetro de 10mm (parte útil)

Diâmetro da cabeça18mm

Comprimento útil aproximado

82,5 mm para material SAE 1020

84 mm para material SAE 1045

Procedimentos nos Ensaios

1 – Com auxilio de uma trena mediu-se os comprimentos iniciais aproximados dos corpos

de provas, Tabela 8.

2 – Posicionou-se e ajustou-se o corpo de prova (1º ensaio SAE 1020, 2º ensaio SAE 1045)

na mandíbula da máquina.

3 – Zerou-se o mostrador do sistema de controle.

Figura 34 Corpo de Prova.

Page 44: Relatório ensaios mecânicos final

37

4 – Acionou-se a máquina para a aplicação da carga de teste

5 – Observou-se após algum tempo uma estricção ocorrida na parte útil do corpo de prova

(diâmetro 10mm) Figura 35.

6 - Observou-se após algum tempo a ruptura dos corpos de provas Figuras 36 e37 .

7 - Com auxilio de uma trena mediu-se os comprimentos finais aproximados dos corpos de

provas após os ensaios, Tabela 8.

8 – Retirou-se da impressora o gráfico força – deformação material SAE 1020 Figura 38.

Figura 38 Gráfico de Força - Deformação.

Figura 35 Estricção inicial.

Figura 37 Estricção Final/Ruptura.

Figura 36 Ruptura.

Ruptura

Page 45: Relatório ensaios mecânicos final

38

9 – Para apresentação no relatório calculou-se a Tensão de Tração o alongamento Total e a

Estricção Tabelas 9 e 10.

Resultados Obtidos e Calculados nos Ensaios de Tração

Tabela 8: Teste de Tração - Resultados obtidos para dois tipos de aços.

Material

Testado

Ø do Corpo de Prova

(mm)

Comprimento do Corpo

de Prova (mm)

Tensão Máxima

(F) (kgf/mm²)

Inicial (So) Final (S) Inicial (Lo) Final (L)

SAE 1020 10 7 82,5 90 4600

SAE 1045 10 8,6 84 88,3 6800

Tabela 9: Teste de Tração - Valores calculados para Tensão de Tração ( σ ) e Deformação

Linear ( ε ). Material Testado Área transversal Ao=π.r² Tensão de Tração σ= F/Ao

SAE 1020 π.5² = 78,54 mm² 4600/78,54 = 58,56 kgf/mm²

SAE 1045 π.5² = 78,54 mm² 6800/78,54 = 86,58 kgf/mm²

( Ao= Área da seção transversal inicial do corpo de prova)

(∆L= Acrescimo no comprimento Lo, durante o ensaio e Lo= Comprimento útil inicial)

Tabela 10: Teste de Tração - Valores calculados para Alongamento total do Corpo de

Prova ( A ) e Estricção ( φ ). Material

Testado

Alongamento Total

A=((L-Lo)/Lo).100 Estricção φ=((So-S)/So).100

SAE 1020 ((90-82,5) / 82,5) .100=9,01% ((10-7)/10).100 = 30%

SAE 1045 ((88,3-84) / 84) .100=5,1% ((10-8,6)/10.100 = 14%

(L =Distância final após rompimento e Lo = Comrimento útil inicial) (S = Seção final estrita e So = Seção inicial)

Page 46: Relatório ensaios mecânicos final

39

Ensaio de Impacto – Fratura Frágil

Procedimentos

Equipamento e Corpos de Provas

Máquina utilizada para os ensaios:

Máquina para ensaio de impacto no método Sharp, Figura 39.

- Capacidade de carga de 30t

- Mostrador da escala em kgm = kgf . m = Energia, Figura 40

Figura 39 Máquina para Ensaio de Impacto.

Figura 40 Mostrador da Escala.

Page 47: Relatório ensaios mecânicos final

40

- Corpos de Provas Sharp tipo A

Materiais – SAE 1020, SAE 1045, AISI 304 (Inox) e Alumínio

Seção quadrada 10mm x 10mm, entalhe com 2mm de profundidade Figura 41

Comprimento 55mm

Figura 41 Corpos de Prova Sharp para Ensaio de Impacto.

Procedimentos nos Ensaios

1 – Soltou-se o martelo sem o corpo de prova.

2 – Observou-se que o ponteiro do marcador indicou pouco menos de zero que é a energia

absorvida pela máquina.

3 – Posicionou-se o corpo de prova na parte inferior da máquina.

4 – Zerou-se a escala Figura 40, o ponteiro é que determina o zero da escala em função da

posição do martelo.

5 – Soltou-se o pendulo

6 – Observou-se que o ponteiro do marcador indicou um valor correspondente a absorção

de energia pelo corpo de prova, Tabela 11.

Page 48: Relatório ensaios mecânicos final

41

7 - Recuperou-se o corpo de prova e verificou-se sua situação, Figura 42 e Tabela 11.

Figura 42 Corpos de Prova após Ensaio de Impacto.

Tabela 11: Ensaio de Impacto - Resultados obtidos para vários tipos de materiais.

Ensaio / Material Medido Energia absorvida pelo

Corpo de Prova [kgm] ±0,5 Situação do Corpo de Prova

1 / SAE 1020 12,8 Não rompeu

2 / SAE 1020 21 Não rompeu

3 / SAE 1045 1,6 Rompeu

4 / SAE 1045 2,5 Rompeu

5 / AISI 304 (Inox) 13,5 Rompeu

6 / AISI 304 (Inox) 13,3 Rompeu

7 / Alumínio 4,1 Rompeu

8 / Alumínio 4,0 Rompeu

( ±0,5 = Tolerancia – Presiçãometade da menor divisão - escala de 10 = 0,5 )

SAE 1045

SAE 1020

AISI 304 (Inox)

Alumínio

Page 49: Relatório ensaios mecânicos final

42

CAPÍTULO IV

CONCLUSÃO

Os ensaios mecânicos são fundamentais na indústria no controlo de qualidade da produção,

em investigação na caracterização de materiais ou na investigação de ocorrências durante a

utilização ou testes com os diversos materiais. A escolha da metodologia de ensaio é em

função da propriedade mecânica que se deseja conhecer, do tipo de solicitação a que a peça

ou componente vai estar sujeita e/ou das especificações a que o produto fabricado deve

obedecer.

No ensaio de dureza realizado, Ensaio de Dureza Rockwell, concluímos que algumas

vantagens significativas fazem parte este tipo de ensaio. Algumas destas vantagens são as

rápidas leituras do resultado, sem a necessidade de cálculos e a impressão que pode muitas

vezes não danificar a peça que está sendo ensaiada.

Concluímos ainda que a dureza medida na superfície e no centro dos corpos de ensaio tem

diferenças em função do tratamento térmico recebido.

Concluímos que quanto maior for o alongamento mais dúctil será o metal, podendo assim

comparar-mos a ductibilidade de dois ou mais materiais através do ensaio de tração.

Concluímos com o ensaio de impacto que uma ruptura frágil pode trazer grandes prejuízos,

pois acontece sem que haja uma deformação plástica visível, que indique a fratura.

Page 50: Relatório ensaios mecânicos final

43

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

SOUZA, Sérgio A. Ensaios mecânicos de materiasi metálicos. Fundamentos teóricos e práticos. 5ª ed. São Paulo: ed Edgard Blücher, 1982.

CONTRON Sistemas de Controles. Ensaio de Dureza Rockwell. Disponível em: www.comtron.com.br/download/ensaio_de_dureza_rockwell.doc. Acessado em 2 nov. 2009.

CONTRON Sistemas de Controles. Ensaio de Tração. Disponível em: www.comtron.com.br/download/ensaio_de_dureza_rockwell.doc. Acessado em 2 nov. 2009.

Site Metal Mundi. Ensaios Mecânicos e Metalúrgicos. Disponível em: http://www.metalmundi.com/si/site/1112?idioma=portugues. Acessado em 6 nov. 2009

Site Informações Sobre. Ensaio de Tração. Disponível em: www.informacaosobre.com/Ensaio_de_tração - Informações, artigos e estudos sobre diversos assuntos em Português do Brasil. Acessado em 2 nov. 2009.