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”.