Conceito do Ensaio

O ensaio de impacto se caracteriza por submeter o corpo ensaiado a umaforça brusca e repentina, que deve rompê-lo.

É um ensaio empregado no estudo da fratura frágil dos metais, que écaracterizado pela propriedade de um metal atingir a ruptura sem sofrerdeformação apreciável.

Embora existam para esse fim ensaios mais elaborados e bem maisrepresentativos, pela sua simplicidade e rapidez, o ensaio de impacto é umensaio dinâmico usado ainda em todo o mundo sendo obrigatório parateste de aceitação de material, principalmente para materiais utilizados embaixa temperatura.

Ensaio Charpy

Conceito do EnsaioO corpo de prova é padronizado e provido deum entalhe para localizar a sua ruptura eproduzir um estado triaxial de tensões,quando ele é submetido à uma flexão porimpacto, produzida por um martelo pendular.

A energia que o corpo de prova absorve, parase deformar e romper, é medida peladiferença entre a altura atingida pelo marteloantes e após o impacto, multiplicada pelopeso do martelo.

Conceito do EnsaioNas máquinas em geral, essa energia é lida na própriamáquina, através de um ponteiro que desliza numa escalagraduada, já convertida em unidade de energia.

Pela medida da área da seção entalhada do corpo deprova, pode-se então obter a energia absorvida porunidade de área, que também é um valor útil.

Quanto menor for a energia absorvida, mais frágil será ocomportamento do material àquela solicitação dinâmica.

Conceito do EnsaioO entalhe produz um estado triaxial de tensões, suficientepara provocar uma ruptura de caráter frágil, mas apesardisso, não se pode medir satisfatoriamente oscomponentes das tensões existentes, que podem mesmovariar conforme o metal usado ou conforme a estruturainterna que o metal apresente.

O resultado do ensaio é apenas uma medida da energiaabsorvida na fratura de um corpo de prova, nãofornecendo indicações seguras sobre o comportamentodo metal ao choque em geral.

Conceito do EnsaioExistem vários fatores que influem na resistência ao impacto, taiscomo entalhe ou descontinuidade, composição do metal de base,composição do metal de adição, tratamento térmico, grau deencruamento, tamanho de grão, temperatura, etc...

Nos metais a temperatura tem um efeito acentuado na resistênciaao impacto tal que, à medida que a temperatura diminui, o corpo deprova se rompe com fratura frágil e pequena absorção de energia.

Acima dessa temperatura, as fraturas do mesmo metal passam a serdúcteis e com absorção de energia bem maior em relação àquelaocorrida em temperaturas baixas.

Corpo-de-ProvaGeralmente os corpos de prova entalhados para ensaio de impactoCharpy são especificado pela norma ASTM E 23 e podem serdivididos em três grupos (A, B e C), conforme a forma do seuentalhe.

Eles tem seção quadrada de 10 mm de lado e um comprimento de55 mm. O entalhe é feito no meio do corpo de prova e no tipo A,tem forma de um V; no tipo B, a forma de fechadura (“buraco dachave”) e, no tipo C, a forma de um U.

Os corpos de prova Charpy são livremente apoiados na máquina deensaio, com uma distância entre apoios especificada de 40 mm.

Corpo-de-ProvaDimensões dos corpos-de-prova para ensaio de impacto Charpy.

Corpo-de-ProvaCorpo-de-prova ajustado na máquina de ensaio.

Corpo-de-Prova

Pode-se, ainda, empregar corpos de prova de tamanho reduzido,caso não seja possível retirar os corpos de prova normais, masdaí, os resultados obtidos não podem, evidentemente, seremcomparados com os resultados dos corpos de prova normais.

Quando o material a ser testado tiver espessura menos que 11mm, corpos de prova de tamanho reduzido devem ser usados.Quando esse tipo de corpo de prova é requerido, o nível deenergia especificado ou temperatura de ensaio ou ambos, devemser modificados.

Corpo-de-ProvaA confecção dos corpos de prova de tamanho reduzido segue a

orientação abaixo:

Corpos de ProvaOrientação dos Corpos de Prova

Toda norma que especifica ensaios de impacto deve indicar olocal para retirada dos corpos de prova, bem como aorientação do corpo de prova e a direção do entalhe.

O cuidado acima leva em consideração a alteraçãosignificativa dos resultados do ensaio em função daorientação do corpo de prova e da direção do entalhe, quetem como principal exemplo as peças trabalhadasmecanicamente.

Corpo-de-ProvaA figura mostra o efeito da direcionalidade nas curvas deimpacto, em corpos de prova Charpy retiradas em três locaisdistintos e entalhes com diferentes orientações.

Corpo-de-ProvaNão é recomendável efetuar apenas um ensaio de impacto para se tirar

alguma conclusão.

É necessário fazer-se no mínimo três ensaios, para se ter uma médiaaceitável como resultado.

Os corpos de prova devem ser do mesmo tipo e dimensões, e seremretirados numa mesma orientação do material a ser ensaiado.

Posição de retiradade corpos-de-provado metal soldado.

Técnicas do Ensaio

O corpo de prova Charpy é

apoiado e engastado na máquinade ensaio, sendo o martelomontado na extremidade de umpêndulo e ajustado num ponto,de tal maneira que sua energiacinética, no ponto de impacto,tenha um valor fixo eespecificado.

O martelo é solto e bate no corpode prova, no local mostrado nafigura .

Técnicas do EnsaioDepois de romper o corpo de prova, o martelo sobre até uma alturaque é inversamente proporcional à energia absorvida paradeformar e romper o corpo de prova. Assim, quanto menor for aaltura atingida pelo martelo, mais energia o corpo de provaabsorveu.

Essa energia é lida diretamente na máquina de ensaio.

O entalhe é submetido a uma tensão de tração, logo que o corpode prova é flexionado pelo choque com o martelo, produzindo neleum estado triaxial de tensões (tensão radial ao entalhe, longitudinale transversal), que depende das dimensões do corpo de prova e doentalhe.

Técnicas do EnsaioMáquinas de ensaio Charpy

Técnicas do EnsaioConforme será visto mais adiante, a temperatura de ensaio tem umainfluência decisiva nos resultados obtidos em materiais de baixa emédia resistência e deve, portanto, ser mencionada no resultado,junto com o tipo de corpo de prova que foi ensaiado.

A energia medida é um valor relativo e comparativo entre dois oumais resultados, se esses forem obtidos nas mesmas condições deensaio, isto é, mesma temperatura, mesmo tipo de entalhe e mesmamáquina.

Em ensaios a temperaturas diferentes da temperatura ambiente, ocorpo de prova Charpy é mais recomendado, devido a sua maiorfacilidade de colocação na máquina. Nesses casos, aquece-se ouresfria-se a amostra, mantendo-a cerca de 10 minutos natemperatura desejada e coloca-se rapidamente na máquina,acionando-se imediatamente o pêndulo para o ensaio.

Técnica do Ensaio

A máquina deve ser testada

por uma oscilação livre dopêndulo, com o indicador naposição inicial. Na condiçãode oscilação livre, o pêndulodeve indicar energia nula nomostrador da máquina; casocontrário, o valor indicado nomostrador deve serdiminuído do resultadoobtido no ensaio do corpo deprova.

Influência da Temperatura

A energia absorvida num corpo de prova de um metal de baixaresistência acusada numa máquina de ensaio de impacto variasensivelmente com a temperatura de ensaio.

Um corpo de prova a uma temperatura T1, pode absorvermuito mais energia do que se ele estivesse a uma temperaturaT2, bem menor que T1, ou pode absorver praticamente amesma energia a uma temperatura T3, pouco menor ou poucomaior que T1.

Influência da TemperaturaHá uma faixa de temperaturas relativamente pequena, na qual aenergia absorvida cai apreciavelmente. O tamanho dessa faixa variacom o metal, sendo, às vezes, uma queda bastante brusca.

Influência da Composição QuímicaO conteúdo de carbono na composição química do materialtambém influencia na sua tenacidade.

Influência do EntalheOs valores de energia determinados são comparaçõesquantitativas em um selecionado corpo de prova, mas nãopodem ser convertidos em valores de energia que serviriampara cálculos em projetos de engenharia.

O comportamento do entalhe indicado em um ensaioindividual se aplica somente para o tamanho do corpo deprova, geometria do corpo de prova, e condições de ensaioenvolvidas, e não pode ser generalizado para outros tamanhosde corpo de prova e outras condições.

Aplicação do EnsaioO ensaio de impacto é um ensaio essencialmente comparativo parametais de uso em Engenharia.

A energia absorvida para romper o corpo de prova pode ser utilizadacomo instrumento de controle da qualidade destes materiais.

O exame visual da fratura do corpo de prova rompido, aliado àenergia absorvida, pode servir para análises de fraturas em serviçodestes materiais, além de poder também ser utilizado para a escolhade materiais em bases comparativas, no caso de metais de médiaresistência.

Para os metais de baixa resistência, essa escolha pode ser baseadaunicamente na aparência da fratura, bem como a tensão e atemperatura possíveis de serem usadas num projeto, com a garantiade evitar rupturas catastróficas, sob condições de serviço.

Aplicação do EnsaioA máquina para ensaio de impacto éuma máquina na qual um corpoentalhado é rompido por uma simplespancada de um pêndulo oscilandolivremente.O pêndulo é solto de uma altura fixadade modo que a energia da absorvidapelo impacto com o corpo de prova édeterminada. A altura que o pênduloatinge, depois da ruptura do corpo deprova é medida e usada paradeterminar a energia residual dopêndulo.

Aplicação do EnsaioO corpo de prova é suportado horizontalmente (corpo de prova de Charpy)como uma barra simples, com o eixo do entalhe na posição vertical e érompido por uma pancada do pêndulo no meio da face oposta ao entalhe.

As máquinas devem ter graduações diversas para altura inicial do pêndulo, afim de dar maior precisão de leitura na escala mais adequada que garanta aruptura do corpo de prova. Para os materiais de uso normal, uma escalamáxima de 30 kgf.m ou mais precisamente 33,19 kgf.m (325,44 Joules),garante a ruptura de um corpo de prova mesmo bastante dúctil.

O valor acima se refere à energia cinética do pêndulo quando ele está empleno movimento na parte mais baixa da trajetória ou à energia potencialgravitacional quando ele está em repouso no ponto mais alto da trajetória.

Aplicação do EnsaioAtrito

A perda de energia por atrito, por resistência ao ar do pêndulo e por atritosno ponteiro de leitura, se não corrigida, será incluído na perda de energiaatribuída para quebrar o corpo de prova e pode influenciar significativamentenos resultados do ensaio.

Existem máquinas cuja leitura de energia absorvida é dada em graus, ou seja,é dado o ângulo que o pêndulo atingiu após o rompimento do corpo deprova. Após o ensaio, através de tabelas, faz-se a correlação do ânguloindicado no mostrador com um respectivo valor da energia absorvida. Nessetipo de máquina, as perdas por atrito não são normalmente compensadaspelo fabricante da máquina.

Em máquinas com leitura direta de energia, as perdas de energia por atritosão, normalmente, compensadas através do aumento da altura de partida(altura inicial) do pêndulo.

Aplicação do EnsaioAvaliação dos resultados

O ensaio de impacto deve consistir de, no mínimo, três (3) corpos de prova,retirados de uma peça de testes.

Os critérios de avaliação dos resultados variam de norma para norma. Para anorma ASTM, por exemplo, o valor médio de energia absorvida deve ser igualou superior ao mínimo especificado. Adicionalmente, nenhum valorindividual poderá ser menor que o mínimo especificado.

Caso ocorra uma das duas situações, um re-teste com três corpos de provadeve ser feito e, cada corpo de prova deve atingir um valor de energiaabsorvida igual ao mínimo específico. O percentual de cisalhamento e adimensão em mm, da expansão lateral, oposta ao entalhe, são outroscritérios freqüentemente utilizados para aceitação nos ensaios de impactodos corpos de prova Charpy V.

Avaliação da FraturaPercentual de Cisalhamento (fratura dúctil)

O percentual de cisalhamento pode ser determinado por um dosseguintes métodos:

1º) medir o comprimento e a largura da porção de aparência brilhanteda fratura como mostra a figura abaixo e determinar o percentual decisalhamento (fratura dúctil) pela tabela a seguir.

Avaliação da FraturaTabela da determinação do percentual de cisalhamento.

Avaliação da Fratura2º) Comparar a aparência da fratura do corpo de prova com aaparência da fratura do quadro mostrado na figura abaixo.

Ensaio de ImpactoENSAIO DE QUEDA-LIVRE DE PESO (Drop-weight test)

O ensaio de impacto Charpy V, como já foi visto, é um ensaioestatístico aplicado mais no controle de lotes de materiaissupostamente homogêneos.

Entretanto, não se presta para o desenvolvimento demateriais de maior tenacidade e nem mesmo para acomparação da tenacidade de materiais diferentes, emvirtude de utilizar corpos de prova com entalhes usinados osquais são conseguem reproduzir a fratura frágil nastemperaturas e tensões observadas em serviço.

Corpo-de-ProvaCorte

Deve ser cortado por qualquer processo desde que se tome contraproblemas, tais como, o superaquecimento do material durante o corte.

O corpo de prova após deve manter as mesmas características domaterial que lhe deu origem.

Quanto a orientação, a ASTM E208 diz que o ensaio é insensível aosentido de laminação.

Entretanto, a não ser que de outra forma acordado, todos os corpos deprova especificados pelo cliente dever ser seguindo a mesmaorientação, e esta deve ser anotado no relatório de registro do ensaio.

Corpo-de-ProvaConfecção do Entalhe

Um cordão de solda deve ser depositado sobre a superfície do corpode prova e deve ter aproximadamente 63,5 mm de comprimento e12,7 mm de largura.

O consumível deve ser do tipo que deposite um metal de solda decaracterísticas frágil que, junto com o metal de base, garanta osurgimento de um entalhe metalúrgico e cause a formação de umatrinca.

Após a soldagem deve-se fazer um corte de serra (entalhegeométrico), transversalmente ao cordão de solda com a finalidade delocalizar a ruptura no corpo da prova.

Corpo-de-provaFigura do CP

Conceito do EnsaioO ensaio é conduzido submetendo-se conjuntos de corpos deprova (quatro a oito corpos de prova por conjunto) de umdeterminado material, a um dispositivo de impacto em quedalivre, numa seqüência de temperaturas selecionadas, paradeterminar a máxima temperatura na qual o corpo de provaquebra.

Uma série de corpos de prova é ensaiada a diferentestemperaturas, após uniformização da temperatura em banhoapropriado.

O tempo mínimo de imersão dos corpos de prova, apóshomogeneização da temperatura, deve ser de 45 ou 60 minutos,dependendo da natureza do banho.

Conceito do EnsaioO apoio inferior do corpo de prova garante que o mesmo não sejasolicitada acima do limite de escoamento do material, isto é, omaterial do corpo de prova é flexionado pelo dispositivo de impactoaté um limite de deformação, determinado pelo apoio do corpo deprova, que solicita do material esforços apenas na zona elástica.

A figura abaixo mostra um esquema do ensaio.

Avaliação dos ResultadoO ensaio avalia a capacidade de um aço de resistir aesforços na zona elástica, na presença de uma pequenadescontinuidade.

Após o ensaio, os corpos de prova devem ser examinados ea avaliação dos resultados utiliza a terminologia “quebra”,“não quebra” e “não ensaiado”, como segue:

Avaliação dos Resultados“Quebra” → O corpo de prova é considerado quebrado se,rompendo, atingir apenas uma ou as duas bordas na superfíciede tração (lado da solda); não é necessária a completa separaçãodo corpo de prova no seu lado de compressão para que sejaconsiderado como “quebrado”.

Avaliação dos Resultados“Não quebra” → O corpo de prova desenvolve uma trinca visível, apartir do entalhe feito no cordão de solda, sem contudo atingirnenhuma das bordas da superfície de tração, conforme figura abaixo.

“Não ensaiado” → Condições em que a trinca não é visível após o ensaioou quando o corpo de prova não foi flexionado suficientemente até atingiro seu apoio inferior.