ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS
Filipe Coelho de Lemos Gustavo Henrique Rocha Hioka Jorge Augusto Almeida Otávio Silva Brito Souza Sandra Araújo Oliveira
Trabal Trabalho ho de ensaio ensaioss não destru destrutiv tivos os e destru destrutiv tivos os em Engenh Engenhari ariaa Indust Industria riall Mecâni Mecânica, ca, orientado pelo professor Vinícius Ferreira.
ETEP Faculdades São José dos Campos 2009
ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS
Filipe Coelho de Lemos Gustavo Henrique Rocha Hioka Jorge Augusto Almeida Otávio Silva Brito Souza Sandra Araújo Oliveira
________________________ Professor Vinícius Ferreira
ETEP Faculdades São José dos Campos 2009
RESUMO Ensaio de tração consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um corpo-de prova especifico ate a ruptura. Mede-se a variação no comprimento (L) como função da carga (P). Trata-se de ensaio amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, devido à vantagem de fornecer dados quantitativos das características mecânicas dos materiais. Entre as principais destacam-se: limite de resistência à tração ( σ u), limite de escoamento ( σ e), módulo de elasticidade (E), módulo de resiliência (Ur), módulo de tenacidade (Ut), ductilidade, coeficiente de encruamento (n) e coeficiente de resistência(k ). O ensaio de tração é bastante utilizado como teste para o controle das especificações da entrada de matéria-prima. Os resultados fornecidos pelo ensaio de tração são fortemente influenciados pela temperatura, pela velocidade de deformação, pela anisotropia do material, pelo tamanho de grão, pela porcentagem de impurezas, bem como pelas condições ambientais.
Palavras Chave: Ensaio; Tração, Resistência; Ductilidade; Tenacidade; Resiliência.
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SUMÁRIO Pág. REFERÊNCIAS .....................................................................................................................23 LISTA DE SÍMBOLOS do = Øi = diâmetro inicial Lo = comprimento inicial df = Øf = diâmetro final Lf = comprimento final Pmáx = carga máxima Pe = carga de escoamento Prup = carga de ruptura
σ máx = tensão máxima σ e = tensão de escoamento σ rup = tensão de ruptura ε = deformação ε x = deformação em x ε y = deformação em y ε z = deformação em z E = módulo de elasticidade
υ = coeficiente de Poisson Ur = módulo de resiliência Ut = módulo de tenacidade
ζ máx = cisalhamento máximo
4
LISTA DE FIGURAS
Pág.
5
INTRODUÇÃO Qualquer projeto de engenharia requer um vasto conhecimento das características, propriedades e comportamento dos materiais disponíveis. Os critérios de especificação ou escolha de materiais impõem métodos de normalização que objetivam levantar as propriedades mecânicas e seu comportamento sob determinadas condições de esforço.
Propriedades mecânicas: se referem ao comportamento do material quando sob a ação de esforços e que são expressas em função de tensões e/ou deformações. As principais são: Resistência: representada por tensões, definidas em condições particulares. Elasticidade: propriedade do material segundo a qual a deformação que ocorre em função da tensão aplicação desaparece quando a mesma é retirada. Plasticidade: capacidade de o material sofrer deformação permanente sem se romper. Tenacidade: reflete a energia total necessária para provocar a fratura do material, desde sua condição de tensão nula.
Classificação dos ensaios dos materiais: 1. quanto a integridade geométrica e dimensional da peça ou componente:
•
Destrutivos: provocam inutilização parcial ou total da peça; ex.: tração, dureza, fadiga, fluência, torção, flexão, tenacidade a fratura. • Não-Destrutivos: não comprometem a integridade da peça; ex.: raios X, ultra-som, partículas magnéticas, líquidos penetrantes. 2. quanto a velocidade de aplicação da carga:
•
• •
Estáticos: carga aplicada de maneira suficientemente lenta, induzindo a uma sucessão de estados de equilíbrio (processo quase estático); ex.: tração, compressão, flexão, dureza e torção. Dinâmicos: carga aplicada rapidamente; ex.: fadiga e impacto. Carga constante: carga aplicada durante um longo período; ex.: fluência.
Métodos de ensaios : determinam que os ensaios devem ser realizados em função da geometria da peça, do processo de fabricação e de acordo com as normas técnicas vigentes, podendo ser:
• • •
Ensaios da própria peça. Ensaios de modelos. Ensaios de amostras. 6
•
Ensaios em corpo-de-prova retirados de parte da estrutura.
7
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Ensaio de Tração (Teoria)
Ensaios de tração avaliam diversas propriedades mecânicas dos materiais, normalmente auxiliando na escolha do elemento certo para determinados projetos. Este tipo de ensaio é o mais amplamente utilizado por ser um tipo de ensaio relativamente simples e de realização rápida, além de fornecer informações importantes e primordiais para o projeto e a fabricação de peças. O procedimento experimental consiste na deformação de uma amostra de determinado material até a sua fratura. Essa fratura se dá devido à aplicação de tração, gradativamente crescente e uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de um corpo-de-prova. O levantamento da curva de tensão de tração pela deformação sofrida pelo corpo constitui o resultado do teste de tração.
2.1.Propriedades mecânicas em tração
Ensaio convencional:
2.1.1 Regime elástico : 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. Até certo nível de tensão aplicada, o material trabalha no regime elástico, isto é, segue a lei de Hooke e a deformação linear específica é proporcional ao esforço aplicado. A proporcionalidade pode ser observada no trecho retilíneo do diagrama tensão-deformação e a constante de proporcionalidade é denominada módulo de deformação longitudinal ou módulo de elasticidade.
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2.1.1.1 Módulo de elasticidade : fornece uma indicação da rigidez do material e depende fundamentalmente das forças de ligação interatômicas, o que explica seu comportamento inversamente proporcional à temperatura.
Efeito termoelastico: existe uma correlação entre o trabalho mecânico executado durante o carregamento uniaxial no campo elástico e as correspondentes deformações e propriedades termodinâmicas, como temperatura e entropia. A aplicação de tensão elástica em uma amostra, de tal forma que o limite do campo elástico seja alcançado antes que a amostra possa trocar calor com o meio ambiente, caracteriza um processo adiabático. Como a troca de calor da amostra com o ambiente é nula, a mudança de energia interna é dada somente pelo trabalho mecânico realizado, ou seja, o processo ocorre para uma entropia constante e reversível.
Módulo de resiliência : é a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e liberá-la quando descarregado. O modulo de resiliência é a energia de deformação por unidade de volume necessária para tracionar o metal da origem ate o limite de proporcionalidade.
Coeficiente de Poisson: mede a rigidez do material na direção perpendicular a direção de aplicação da carga uniaxial.
2.1.1.2 Escoamento : terminada à fase elástica, tem início à fase plástica, na qual ocorre uma deformação permanente no material, mesmo que se retire a força de tração. No início da fase plástica ocorre um fenômeno chamado escoamento. O escoamento caracterizase por um aumento relativamente grande na deformação permanente do material sem que haja aumento de carga, mas com o aumento da velocidade de deformação. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito próximos uns dos outros.
Limite de escoamento : conhecido como tensão de escoamento, é a tensão máxima que o material pode suportar dentro do seu regime elástico de deformação, a partir deste valor qualquer acréscimo de tensão causará uma deformação permanente no material, fazendo com que o mesmo deixe de obedecer à lei de Hooke (T = k.x), tal tensão é normalmente definida como sendo a média entre o limite inferior e superior das tensões da região do escoamento. Para os casos de escoamento imperceptível, convencionou-se adotar uma deformação-padrão que corresponda ao limite de escoamento, conhecida como limite n de escoamento. Por
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exemplo, o procedimento para determinar o limite de escoamento para o caso de n = 0,2% é como se segue: 1. Obter uma curva tensão-deformação de engenharia por meio de ensaio de tração. 2. Construir uma linha paralela a região elástica da curva, partindo de uma deformação de 0,002 ou 0,2%. 3. Definir σ e na interseção da reta paralela com a curva tensão-deformação. O valor de n pode assumir valores em função do campo plástico do material, como por exemplo:
•
metais e ligas em geral
n = 0,2% (ε = 0,002)
•
cobre e suas ligas
n = 0,5% (ε = 0,005) (nesse caso, traça-se uma perpendicular ao eixo de deformações a partir da deformação especifica, ate atingir a curva tensão-deformação)
•
ligas metálicas muito duras n = 0,1% (ε = 0,001)
Em alguns casos, a curva tensão-deformação não apresenta a parte linear (região elástica) bem definida, o que torna impreciso o traçado de uma linha paralela para a determinação do limite n.
2.1.2 Regime plástico : a região elástica caracteriza-se pela presença de deformações permanentes no corpo-de-prova. Para materiais de alta capacidade de deformação, o diagrama tensão-deformação apresenta variações relativamente pequenas na tensão, acompanhadas de grandes variações na deformação.
Limite de resistência a tração : Após o escoamento ocorre o encruamento (necessidade de aumentar-se a tensão para dar continuidade a deformação plástica do material), que é um endurecimento causado pela quebra dos grãos que compõem o material quando deformado a frio. O material resiste cada vez mais à tração externa, exigindo uma tensão cada vez maior para deformar. O limite de resistência é a tensão correspondente ao ponto de máxima carga atingida durante o ensaio.
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Limite de ruptura: Em decorrência da aplicação contínua da tração, o material do corpo de prova rompe-se num ponto onde é a ultima tensão suportada pelo material chamado de limite de ruptura (C). Note que a tensão no limite de ruptura é menor que no limite de resistência devido à diminuição da área que ocorre no corpo de prova depois que este atinge a carga máxima.
Alongamento : diferença entre o comprimento final e o comprimento inicial do corpode-prova.
Estricção : diferença entre a seção inicial e final após a ruptura do corpo-de-prova. Módulo de tenacidade : é a capacidade que o material apresenta de absorver energia ate a fratura.
2.2 Informações adicionais sobre o Ensaio de tração A temperatura pode influenciar significativamente as propriedades mecânicas levantadas pelo ensaio de tração. Em geral a resistência diminui e a ductilidade aumenta conforme o aumento da temperatura do ensaio. O teor de soluto da liga também influencia os valores das propriedades levantadas no ensaio de tração.
2.2.1 Deformação plástica e fratura Enquanto a deformação elástica é homogênea, envolvendo somente um deslocamento de átomos pequeno e reversível, a deformação plástica é não-homogenea e envolve deslocamentos grandes e irreversíveis. Fratura é a separação ou fragmentação de um corpo solido em duas ou mais partes sob a ação de uma tensão, e pode ser considerada como sendo constituída de duas partes – nucleação da trinca e coalescimento (propagação) da trinca. Existe duas categorias de fratura: Fratura dúctil: é caracterizada pela ocorrência de uma apreciável deformação plástica antes e durante a propagação da trinca.
11
Fratura frágil: é caracterizada pela rápida propagação da trinca, com nenhuma deformação macroscópica e muito pouca microdeformação.
Para os polímeros, são típicos três comportamentos diferentes para relação tensãodeformação:
Frágil : em que a fratura ocorre quando se deforma elasticamente o material; Plástico : similar ao comportamento encontrado na maioria dos materiais metálicos; Totalmente elástico ou elastômeros : obtendo alta deformação com baixa tensão.
Sendo assim foram ensaiados no laboratório 3 tipos de matérias: alumínio, aço e ferro fundido, visando avaliar suas propriedades tais como: resistência, tenacidade e ductilidade, comprovando-as através dos cálculos.
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RESULTADOS Ensaio de Tração
3.1 Descrição O ensaio foi realizado em uma Máquina Universal com capacidade de carga máxima de 25000 kgf e mínima de 1200 kgf, com três corpos de prova (CP) de seção circular, sendo um de aço, um de alumínio (Al) e um de ferro fundido (FeFo), seus diâmetros e comprimentos foram medidos antes e depois do ensaio com um paquímetro. As cargas aplicadas foram monitoradas pela própria máquina. Os CPs foram ensaiados na seqüência: aço, alumínio e ferro fundido. Estes foram centrados na máquina através da calota esférica da mesma, houve a aplicação de pré-carga, e em seguida tracionados até a sua ruptura com obtenção dos devidos gráficos de “Tração x Deformação”.
3.2 Gráfico
(Gráfico3.2: Aço, alumínio e ferro fundido) 13
3.3 Dados do Ensaio:
do = Øi = diâmetro inicial Lo = comprimento inicial df = Øf = diâmetro final Lf = comprimento final
•
Aço:
do = 9,72mm 9,76mm
± do = 9,72mm
9,68mm Lo = 50 mm Lf = 53,24mm Øi = 9,72mm Øf = 8,26mm
Carga Máx. = 7020 Kgf Escala Máx. = 12500 Kgf
•
Alumínio:
do = 9,8mm 9,78mm
± do = 9,8mm
9,82mm Lo = 50 mm 14
Lf = 59,92mm Øi = 9,8mm Øf = 5,18mm
Carga Máx. = 1430 Kgf Escala Máx. = 5000 Kgf
•
Ferro Fundido:
do = 12mm 11,88mm
± do = 11,92mm
11,90mm Lo = 50 mm Lf = 50mm Øi = 11,92mm Øf = 11,92mm
Carga Máx. = 2150 Kgf Escala Máx. = 5000 Kgf
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3.4 Cálculos 3.4.1 Forças: •
Aço:
Pmáx = 7020 kgf Pe = 42 linhas Prup = 62,5 linhas
Pmáx Pe
kgf
= 42 linhas
Pr up
•
= 7020
×9,81 m
= 40737
= 62 ,5linhas
/ s
2
= 68866
,2 Ν = 71linhas
,8Ν
= 60621
,7 Ν
Alumínio:
Pmáx = 1430 kgf Pe = 4,5 linhas Prup = 22 linhas
Pmáx Pe
kgf
= 4,5linhas
Pr up
•
=1430
×9,81 m / s
=1803
= 22 linhas
2
=14028
,3Ν = 35 linhas
,6 Ν
= 8817
,8Ν
Ferro Fundido
Pmáx = 2150 kgf
Pmáx Pe
= 2150
kgf
×9,81 m / s
= Pr up = Pmáx
= 21091
2
= 21091
,5Ν = 53 ,5linhas
,5Ν
3.4.2 Tensões: 16
Aço
•
σ máx σ e
Pmáx
=
Ao
Pe
=
Ao
σ rup
=
π (9,72 ) 2
Ao
=
= 928 ,1MPa
π (9,72 ) 2
4 × 40737 ,8
Pr up
=
4 × 68866 ,2
=
= 549
4 × 60621 ,7
π (9,72 ) 2
MPa MPa
= 817
Alumínio
•
máx
σ
e
σ
Pe
=
Ao
rup
=
σ
•
Pmáx
=
Ao =
4 ×14028 ,3 (9,8) 2
4 ×1803 ,6 (9,8)
π
Pr up
Ao
= 186
MPa
π
=
2
= 23 ,9 MPa
4 ×8817 ,8 (9,8) 2
= 116 ,9 MPa
π
Ferro Fundido
σ máx σ e
=
=
=
Pmáx
σ rup
Ao =
=
4 × 21091 ,5
σ máx
π (11,92 ) 2 =
=
189 MPa
189 MPa
3.4.3 Deformação:
17
•
Aço ∆ Lx
(53 ,24
ε x
=
ε y
z = = ε
•
Alumínio
hxo
∆ Lx
=
∆d
do
=
50 (9,72
(59 ,92
=
ε y
z = = ε
•
Ferro Fundido
hxo
∆ Lx
ε x
=
ε y
z = = ε
hxo
∆d
do
=
=
(50
∆d
do
=
= 0,065 = 6,5 o o
− 8,26 )
9,72
ε x
=
− 50 )
− 50 )
9,8
50 (11,72
o
o
= 0,198 = 19 ,8 o o
50 (9,8 − 5,18 )
− 50 )
= 0,15 = 15
= 0,471 = 47 ,1 o o
= 0 = 0 oo −11,72 )
11,72
= 0 = 0 oo
3.4.4 Módulo de Elasticidade: •
Aço
18
σ e σ
ε
549
=
=
2 2 0,62 o o
=
=
=
=
0,62 o o
ε
σ e σ
=
23,9 =
=
2 =
E
2
11,95M Pa
0,11o o 11,95
σ =
=
=
0,11
ε
•
44,3G P a
Alumínio
•
ε
274,5M P a
274,5
σ
E
=
o
10,9G P a
o
Ferro Fundido Não tem como medir a deformação, porque não houve, nesse corpo-de-prova,
deformação plástica. Para conseguir o módulo de elasticidade teria que efetuar uma medição de deformação durante o ensaio na região plástica do material, ou seja, antes deste se romper.
3.4.5 Coeficiente de Poisson:
y
ε υ =
x
ε
z
ε =
x
ε
Não temos como calcular o coeficiente de Poisson, pois nenhuma medida de diâmetro foi tomada dentro da região elástica do material durante o ensaio, portanto é impossível de se calcular ε y e ε z. 19
3.4.6 Módulo de Resiliência: •
Aço
Ur =
e2
549
σ
2 × E
=
2 × 44300
•
Alumínio
Ur
=
•
Ferro Fundido
σ e 2 2 × E
=
2
23,9
=
3,4MPa
=
26 ,2 KPa
2
2 ×10900
Não tem como calcular o módulo de resiliência porque não há módulo de elasticidade.
3.4.7 Módulo de Tenacidade: •
Aço (dúctil)
Ut =
σ e + σ máx 2
x = × ε
•
Alumínio (dúctil)
Ut
=
σ e +σ máx 2
549
x = × ε
+ 928 ,1
2
23 ,9 +186 2
× 6,5 o o = 48 MPa
×19 ,8 o o = 20 ,8MPa
20
•
Ferro Fundido (frágil) Ut =
2 3
×
σ máx × ε x
=
2 3
×189 × 0 o o =
0 MPa
3.4.8 Círculo de Mohr (Cisalhamento Máximo): •
Aço
ζ máx
•
σ máx 2
=
928 ,1 2
= 464 ,1MPa
Alumínio
ζ máx
•
=
=
σ máx 2
=
186 2
= 93 MPa
Ferro Fundido
ζ máx
=
σ máx 2
=
189 2
= 94 ,5MPa
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CONCLUSÃO Pode-se concluir através dos cálculos e embasado na teoria: Deformação (ε ): o alumínio é mais dúctil que o aço que é mais dúctil que o ferro fundido Módulo de resiliência (Ur): o aço é mais resiliênte que o alumínio e o ferro fundido não pode ser avaliado. Módulo de tenacidade (Ut): o aço é mais tenaz que o alumínio que é mais tenaz que o ferro fundido.
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REFERÊNCIAS Livro Ensaios dos Materias AMAURI GARCIA, JAIME ALVARES SPIM E CARLOS ALEXANDRE DOS SANTOS.
LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.: Informação e exercícios propostos — [Reimpr.] Rio de Janeiro, 2008.
23
