Aula 2 ensaios mecânicos e end - ensaio de tração
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Por que estudar as propriedades mecânicasdos metais ?
É obrigação dos Engenheiros e Técnicos compreender como as várias
propriedades mecânicas são medidas e o que essas propriedades
representam; elas serão necessárias para projeto de
estruturas/componentes.
O conhecimento dessas propriedades é importante para que não ocorram
falhas e/ou níveis inaceitáveis de deformação.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS
LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO – MÁXIMA TENSÃO DETRAÇÃO QUE PODE SER SUPORTADA SEM QUE HAJAFRATURA.
LIMITE DE ESCOAMENTO – TENSÃO NECESSÁRIA PARAINICIAR A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA DE UM MATERIALTRACIONADO.
DUCTILIDADE – CAPACIDADE DE UM MATERIAL DEFORMARELASTICAMENTE SEM SOFRER FRATURA.
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS
TENACIDADE – QUANTIDADE DE ENERGIA ABSORVIDA PORUM MATERIAL À MEDIDA QUE SE FRATURA (DEFORMAÇÃOPLASTICA).
DUREZA – MEDIDA DE RESISTÊNCIA DE UM MATERIAL ÀDEFORMAÇÃO PELA INDENTAÇÃO DA SUA SUPEFÍCIE OUPOR ABRASÃO.
RESILIÊNCIA – CAPACIDADE DE UM MATERIAL EM ABSORVERENERGIA QUANDO ELE É DEFORMADO ELASTICAMENTE.
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Considerações - Ensaio de TraçãoEnsaio amplamente utilizado na indústria de componentes
mecânicos como teste para controle das especificações da entrada de
matéria-prima.
Ensaio relativamente simples e de realização rápida além de
fornecer informações significativas para o projeto e fabricação de peças e
componentes.
Consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em
corpo-de-prova até a ruptura.
Objetivo compreender como reage o material devido aos esforços de
tração, avaliando as deformações, limites de resistência e a ruptura do material.
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Definição do Ensaio de Tração
O ensaio de tração consiste em submeter o material a umesforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços oucargas são medidos na própria máquina de ensaio.
No ensaio de tração o corpo é deformado poralongamento, até o momento em que se rompe.
Os ensaios de tração permitem conhecer como osmateriais reagem aos esforços de tração, quais os limites detração que suportam e a partir de que momento se rompem.
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Deformação Antes da RupturaImagine um corpo preso numa das extremidades, submetido a uma força,como na ilustração ao lado. Quando esta força é aplicada na direção doeixo longitudinal, se diz que se trata de uma força axial.
Observe novamente a ilustração anterior. Repare que a força axial estádirigida para fora do corpo sobre o qual foi aplicada. Quando a força axialestá dirigida no sentido mostrado, trata-se de uma força axial de tração.
A aplicação de uma força axial de tração num corpo preso produz umadeformação, isto é, um aumento no seu comprimento com diminuição daárea da seção transversal.
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Fatores de influênciaOs resultados fornecidos pelo ensaio de tração são fortementes
influenciados pela:
Composição química da liga (AISI 1020, AISI 1040...)
Temperatura do ensaio
Velocidade de deformação
Anisotropia do material (é a característica que uma substância possui em que uma certa propriedade física varia com a direção).
Tamanho de grão
Tratamento térmico
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Influência da Composição QuímicaQuanto maior a quantidade de carbono existente no aço maior a sua resistência mecânica e, conseqüentemente, menor a sua ductilidade e tenacidade.
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Influência da temperatura e da taxa de deformação no ensaio de tração
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Aumento de resistência e perda de ductilidade embaixas temperaturas.
Influência da temperatura no ensaio detração
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AnisotropiaEM MATERIAS DEFORMADOS TERMOMECANICAMENTE (LAMINAÇÃO,
FORJAMENTO, EXTRUSÃO, ETC...) AS PROPRIDADES MECÂNICAS VARIAMDE ACORDO COM A DIREÇÃO.
POR ESTE MOTIVO É IMPORTANTE A DIREÇÃO QUE É EXTRAÍDO O CORPO DEPROVA.
Direção Longitudinal
Direção Transversal Direção
Laminação
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AnisotropiaBandeamento microestrutural influencia na resistência a tração. Sentidolongitudinal a direção de laminação possui maior resistência a tração doque no sentido transversal.
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Orientação dos Corpos-de-Prova
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Ensaio de Tração
alongamento
magnitude da carga aplicada
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Máquina do Ensaio
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Corpo-de-prova padrão1
1 ASTM Standards E 8 and E 8M, “Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials.”
O comprimento útil é 50 mm.
Os corpos-de-prova também podem ter seção retangular (chapa, placa ou perfil)
Diâmetro padrão 12.8 mm;
Onde o comprimento da seção reduzida deve ser no mínimo 4 vezes seudiâmetro, 60 mm é o valor comum;
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Especificações dos Corpos-de-Prova
A parte útil do corpo de prova, identificada no desenho anterior por Lo, é a região ondesão feitas as medidas das propriedades mecânicas do material.As cabeças são as regiões extremas, que servem para fixar o corpo de prova à máquinade modo que a força de tração atuante seja axial. Devem ter seção maior do que a parteútil para que a ruptura do corpo de prova não ocorra nelas.Suas dimensões e formas dependem do tipo de fixação à máquina. Os tipos de fixaçãomais comuns são:Entre as cabeças e a parte útil há um raio de concordância para evitar que a rupturaocorra fora da parte útil do corpo de prova (Lo).Segundo a ABNT, o comprimento da parte útil dos corpos de prova utilizados nos ensaiosde tração deve corresponder a 4 vezes o diâmetro da seção da parte útil.
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Especificações dos Corpos-de-ProvaPor acordo internacional, sempre que possível um corpo de prova deveter 10 mm de diâmetro e 50 mm de comprimento inicial. Não sendopossível a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se adotar umcorpo com dimensões proporcionais a essas.
Corpos de prova com seção retangular são geralmente retirados deplacas, chapas ou lâminas. Suas dimensões e tolerâncias de usinagemsão normalizadas pela ISO/R377 enquanto não existir norma brasileiracorrespondente. A norma brasileira (NBR 6152, dez./1980) somenteindica que os corpos de prova devem apresentar bom acabamento desuperfície e ausência de trincas.
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AlongamentoAumento de comprimento que ocorre quando serealiza um ensaio de tração.
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Curva Tensão-Deformação Convencional/Engenharia
x
σ
ε
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Tipos de Deformação
Deformação elástica: não é permanente. Uma vezcessados os esforços, o material volta à sua formaoriginal.
Deformação plástica: é permanente. Uma vez cessadosos esforços, o material recupera a deformação elástica,mas fica com uma deformação residual plástica, nãovoltando mais à sua forma original.
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Curva Tensão-Deformação Convencional/Engenharia
σ
ε
x
σp = σe
σu
1
2
1. Regime elástico – Lei de Hooke σ = Eε
2. Regime plástico – deformações permanentes
Resiliência = área da região 1 da curva
Tenacidade = área total da curva (1+2)
x
Tensão máxima, após ela começa a estricção !
Ruptura !
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Materiais Dúcteis e FrágeisMateriais Dúcteis: Qualquer material que possa ser submetidoa grandes deformações antes da ruptura é chamado dematerial dúctil. Freqüentemente, os engenheiros escolhemmateriais dúcteis para o projeto, pois estes são capazes deabsorver choque ou energia e, quando sobrecarregados,exibem, em geral, grande deformação antes de falhar.
Materiais Frágeis: Os materiais que apresentam pouco ounenhum escoamento são chamados de materiais frágeis.
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Tipos de Falhas
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Tipos de Falhas(a) Fratura frágil: pouca deformação, superfícies praticamente paralelas
entre si.(b) Fratura muito dúctil: muita deformação, superfícies em forma de
cones.(c) Fratura dúctil: há deformação considerável, porém menor do que no
exemplo (b).
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Relações de Tensão e DeformaçãoCom os dados registrados no ensaio, se determina a tensão nominal ou deengenharia dividindo a carga aplicada P pela área da seção transversal inicial docorpo de prova So.
A deformação normal ou de engenharia é encontrada
dividindo-se a variação no comprimento de referência L,
pelo comprimento de referência inicial Lo.
So
P
Lo
L
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Módulo de Elasticidade ou Módulo de Youngσ
ε
σp
E
y = a.x σ = E.ε
E = σ / ε
Fornece uma indicação da rigidez do material, e depende fundamentalmente das
forças de ligação interatômica do material;
Varia com a temperatura;
Aumenta com o aumento da temperatura de fusão do material (avaliando materiais
diferentes);
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Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young
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Módulo de Elasticidade ou Módulo de YoungO módulo de elasticidade do aço (Eaço= 210 GPa) é cerca de três vezes maior
que o correspondente para ligas de alumínio (EAl = 70 GPa), conseqüentemente,
quanto maior o módulo de elasticidade, menor a deformação elástica resultante
da aplicação de uma determinada carga.
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Coeficiente de Poisson (v):
Esse coeficiente mede a rigidez do material na direção perpendicular à
direção de aplicação da carga uniaxial, considerando εx = εy; O valor
numérico desse coeficiente é determinado conforme segue:
εx
εy
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Coeficiente de Poisson (v):
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EscoamentoA maioria dos metais apresenta nas curvas tensão/deformação, umatransição do comportamento elástico para o comportamento plástico.
Curva tensão-deformação: não apresenta um limite de escoamento nítido.
Curva tensão-deformação: transição elastoplástica émuito bem definida e ocorre de forma abrupta.
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Tensão de EscoamentoO limite de escoamento pode ser contínuo ou descontínuo.
contínuo descontínuo
σp = σeσp
σe = ???
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Escoamento ContínuoMetodologia para determinação do limite de escoamento
Adotar a tensão correspondente a umadeformação permanente igual ao valor “n”.
O valor de n pode assumir:
Metais e ligas em geral
n = 0,2 % (e = 0,002);
Cobre e suas ligas
n = 0,5 % (e = 0,005);
Ligas metálicas muito duras.
n = 0,1 % (e = 0,001);
contínuo
0,002
σe
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Comportamento tensão-deformação Material Dúctil eFrágil
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Corpo de Prova após EnsaioNo ensaio de tração, pode-se observar na superfíciefraturada três regiões distintas, denominadas zonafibrosa, radial e de cisalhamento.
A zona fibrosa, no centro do corpo-de-prova,corresponde à propagação lenta da fratura,predominantemente pelo mecanismo de coalescimentode microcavidades.
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Corpo de Prova após EnsaioNa zona radial, predomina a fratura
frágil, de propagação rápida, que produz
marcas radiais na superfície, apontando
para a origem da fratura. A fratura frágil
produz pouca deformação plástica
associada.
A zona de cisalhamento se forma sempre
junto à superfície livre, em conseqüência
da diminuição da seção resistente do
corpo-de-prova. Isto causa a diminuição
de sua rigidez e maior possibilidade de
deformação plástica. Nesta região, nota-
se o coalescimento das microcavidades.
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Corpo de Prova após EnsaioUm corpo-de-prova após fratura, num ensaio de tração, apresenta os
aspectos típicos onde a fratura dúctil é denominada “taça e cone”. A zona
fibrosa forma a “taça” e a zona de cisalhamento formando o “cone”.