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Universidade de São PauloEscola de Engenharia de São Carlos
Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e Automobilística
Ensaios dosEnsaios Mecânicos dosEnsaios Mecânicos dos
u o ob s ca
Ensaios dos Materiais
Ensaios Mecânicos dos Ensaios Mecânicos dos MateriaisMateriais –– Flexão, Fluência eFlexão, Fluência eMateriaisMateriais Materiais Flexão, Fluência e Flexão, Fluência e
FadigaFadigaSMM0342- Introdução aos Ensaios Mecânicos dos Materiais
1Prof. Dr. Cassius O. F. Terra Ruchert
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Classificação dos ensaios mecânicos
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Ensaio de FlexãoEnsaio de FlexãoO Ensaio de flexãoO Ensaio de flexãoconsiste na aplicação deuma carga crescente emdeterminados pontos dedeterminados pontos deuma barra
Mede-se o valor da cargaversus a deformação
á imáxima
E istem dois tiposExistem dois tiposprincipais de Ensaios:Ensaio de flexão em trêspontos e Ensaio de flexãoem quatro pontos 3
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Grande aplicação para materiais frágeis ou de elevada dureza, comop ç p g ,o caso de FoFo, aços ferramentas, aços rápidos, e cerâmicasestruturais, pois estes materiais, devido a baixa dutilidade nãopermitem ou dificultam a utilização de outros tipos de ensaiospermitem ou dificultam a utilização de outros tipos de ensaiosmecânicos.
Materiais Dúteis estes ensaios não são utilizados, mas existem duasvariantes que são os ensaios de dobramento e de tenacidade àfratura, CTOD.,
Critérios do CP:
Recomenda-se a forma retangular.A relação comprimento/espessura não deve ser inferior a 15.A relação largura/espessura não deve ser superior a 10.Mí i d 6 CP d t i l i d
4
Mínimo de 6 CPs, para cada material ensaiado
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Ensaio de FlexãoAsAs principaisprincipais propriedadespropriedadesbtidbtid E iE i ddobtidasobtidas emem umum EnsaioEnsaio dede
FlexãoFlexão sãosão::
Módulo de ruptura na flexãoMódulo de elasticidadeMódulo de resiliênciaMódulo de tenacidade
É um ensaio muito utilizadoem cerâmicas, polímeros emetais duros, pois fornecedados de deformaçãodados de deformaçãoquando sujeitos a cargas deflexão 5
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Diagrama de Esforços (Flexão)
3 pontos
6
3 pontos4 pontos
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Ensaio 3 Pontos
A curva resposta do ensaiodepende fortemente dageometria da seçãotransversal do CP.
Durante o ensaio ocorremesforços normais eesforços normais etangenciais na seçãotransversal do CP, gerando
li d d dum complicado estado detensões no seu interior.
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Ensaio Flexão 3 Pontos (Distribuição Tensão)
As fibras superiores comprimida e inferiores tracionadas.A Tensão é proporcional a dist. da linha neutra. Da resistência dos materiais:
yM f=σ8
yI z
=σ
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O deslocamento de qualquer ponto na barra submetida a flexãosimples (3 pontos) é dada por:
⎟⎞
⎜⎛ 32 xlP lP 3
⎟⎟
⎠⎜⎜
⎝−=
344xl
Iv xEP
zx I
lvzE
P48max
=
Para o caso de seção circular
Dl
E
Pv 4
3
3
4=
DE3π
Para o caso de seção retangular:
hlP
v 3
3
=
9
hEw 34
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A medida das flexas permite obtenção de curvas tensão-deformação
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Por meio do ensaio de Flexão é possível obter importantesinformações a respeito do material quando submetidos a esforços deinformações a respeito do material quando submetidos a esforços deflexão.Módulo de Ruptura, σfu, ou resistência ao dobramento é o valormáximo da tensão de tração nas fibras externas do CP
DP l
fu 3max8
πσ =
hPw
lfu 2
max
2
3=σSeção circular Seção retangular
hMódulo de Elasticidade, E:
PE l
3
3
= Flexão 3 pontos( )Pa
E al3
22 43 −= Flexão 4 pontos
vwE
h34 vwE
h34
11Materiais Metálicos: Norma ASTM E855 - 90
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Módulo de Resiliência, Urf, é determinado em função da tensãoaplicada e das dimensões do CP, no regime elástico
IU p
2σUrf = resiliência em flexão, Nm/m3
σp = limite de proporcionalidade, N/m2
I = momento de inérica m4
SEcU prf 26= I = momento de inérica, m4
C = dist. Inicial do eixo da barra a fibra externa, mS = área (m2)
Módulo de Tenacidade U é dada pela área total do gráficoMódulo de Tenacidade, Urf, é dada pela área total do gráfico.
Utf = tenacidade em flexão, Nm/m3
Sl
yPU f
tf 3
2 max=
Utf tenacidade em flexão, Nm/mPmax = carga máxima, Nyf = flexa máxima, ml = comprimento do CP, mS á ( 2)
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Sl3 S = área (m2)
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Ensaio Flexão Polímeros (ASTM D790 e ISO 178)
D=rL2/6dh
D=rL2/6d d=h (CP deitado e h>1,6 mm)D= deflexão no ponto médio entre os apoios;r= deformação máxima na superfície oposta
ao carregamento (ex. 0,05 mm/mm =5%);Procedimento A:Aplicado em materiais queao carregamento (ex. 0,05 mm/mm 5%);
L= distância entre apoios;d= profundidade dos Cps.
L/d = 16:1 (distancia entre apoios/prof CP)
rompem em deflexões pequenas(rígidos e semi-rígidos)
Procedimento B:
1313
L/d = 16:1 (distancia entre apoios/prof. CP)
Término do ensaio: Ruptura ou deformaçãomáxima de 5%
Aplicado em materiais quesuportam grandes deflexõesdurante o ensaio.
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Dimensões do CP para Ensaio de Flexão (ASTM D790)
ComprimentoComprimento
Largura
CP padrão Moldado CP Retirado Chapa
Espessura
l = 127 mm;b = 12,7±0,2 mm;
3 2 0 2
h>1,6 mmh<1,6 mml = 50,8 mm;
CP padrão Moldado CP Retirado Chapa
L/d=16:1;d = 3,2±0,2 mm;L/d=16:1.
b = 12,7 mm;L=25,4 mm.
P ó it l d i tê i ã L/d
;b=<1/4L;l>10%L.
Para compósitos com elevada resistência a razão L/ddeve ser ajustada para que a falha ocorra na superfícieoposta ao carregamento (L/d=32:1) ou (L/d=40:1)
V l id d d E iVelocidade de Ensaio:R – velocidade do travessãoL – distância entre apoios;
Procedimento AZ=0,01 mm/mm/min
14
R=ZL2/6d (mm/min)
d = profundidade do CPZ = Taxa de deformação na superfície
oposta ao carregamento
Procedimento BZ=0,10 mm/mm/min
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Principais Parâmetros Obtidos no Ensaio Flexão 3 pontos
σf = 3PL/2bd21)
σf = tensão de flexão na superfície oposta aocarregamento (MPa);
P = carga em Newtons;
)
g ;L = distância entre apoios;b = largura do CP em mm;d = profundidade (esp.) do CP em mm.
σfM = máxima tensão sob flexão no ensaio (pontos A, B e D)
2)
Caso o CP não rompa até 5% adotar o P de 5%de deformação
σfb = tensão de flexão na ruptura (pontos A e C) 3)4) εfr (deformação sob flexão): variação percentual no incremento do comprimento de um l t d fí i t t d d f ã á i i áelemento da superfície oposto ao carregamento, onde a deformação máxima irá ocorrer.
Calculado para qualquer deflexão (εf=6Dd/L2)
5) Ef = (módulo de elasticidade secante ou tangente): razão dentro do limite de elasticidadef f ( 3 / 3)
15
entre a tensão de flexão e a deformação correspondente (Ef=L3m/4bd3).Modulo tangente (m – inclinação da tangente da curva)Módulo secante (m – inclinação da secante da curva)
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Ensaio de FluênciaDefiniçãoDefinição FluênciaFluência:: fenômeno de deformação plástica acumulada comDefiniçãoDefinição FluênciaFluência:: fenômeno de deformação plástica acumulada como tempo que um sólido apresenta, sob o efeito constante da tensão etemperatura.
O ensaio de fluência consiste naaplicação de uma carga constantep ç gem um material durante um períodode tempo, em temperaturaselevadas;elevadas;Essas condições são favoráveis amudanças de comportamento dos
t i i d id à dif ã dmateriais devido à difusão dosátomos, movimento dediscordâncias, escorregamento erecristalização;Fenômeno ocorre em T>0,4Tf(acima de 0,4 da temp. absoluta de(acima de 0,4 da temp. absoluta defusão).
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Ensaio de FluênciaNo ensaio de fluência pode-se obter apenas o tempo deruptura total (ensaio(ensaio dedeup u a o a (e sa o(e sa o dederupturaruptura porpor fluência)fluência)..
N l t i dNormalmente no ensaio defluência são medidas asdeformaçõesdeformações que ocorrem
CP f ã d ttno CP em função do tempotempo(ensaio(ensaio dede fluência)fluência)..
Entre os materiaisensaiados em fluência pode-se citar os empregados emse citar os empregados eminstalações de refinariaspetroquímicas, usinasnucleares indústrianucleares, indústriaaeroespacial, turbinas,forno craqueamento etc.. 17
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Ensaio de FluênciaO ensaio de fluência pode ser dividido O ensaio de fluência pode ser dividido
em três estágios:em três estágios:
PrimárioPrimário:: decréscimo contínuo dataxa de fluência (dε/dt) em função do( ) çaumento de resistência devido aoencruamento
SecundárioSecundário:: taxa de fluênciaconstante, função do equilíbrio entreencruamento e recuperação (devidoencruamento e recuperação (devidotemp.). O parâmetro mais importante(taxa mínima de fluência) consistena inclinação da curva nesse estágiona inclinação da curva nesse estágio
TerciárioTerciário:: aceleração da taxa defluência devido a estricção do CPfluência devido a estricção do CPculminando na ruptura devido àformação e propagação de trincas 18
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Ensaio de Fadiga
Os materiais metálicos, quando submetidos a esforçosOs materiais metálicos, quando submetidos a esforçoscíclicos rompem-se a tensões inferiores àquelasdeterminadas nos ensaios de tração e compressão. Aruptura que ocorre é denominada ruptura por fadigaruptura que ocorre é denominada ruptura por fadiga
O ensaio de fadiga consiste na aplicação de carga cíclicaO ensaio de fadiga consiste na aplicação de carga cíclicaem corpo de prova padronizado
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Tensões CíclicasEmEm geralgeral sãosão possíveispossíveis trêstrêsmodalidadesmodalidades diferentesdiferentes dede tensãotensãomodalidadesmodalidades diferentesdiferentes dede tensãotensãooscilanteoscilante--tempotempo::
Ciclo de tensões alternadas:dependência regular e senoidalem relação ao tempo, alternandoç p ,entre uma tensão máxima detração e uma tensão mínima decompressão de igual magnitude;compressão de igual magnitude;
Ciclo de tensões repetidas:á ívalores máximos e mínimos são
assimétricos e relação ao nível 0de tensão;
Ciclo de tensões aleatórias. 20
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Curva σ-N ou Curva de WöhlerEm geral, a curva σ-N de materiaisferrosos (+ Ti) apresenta um limite deferrosos (+ Ti) apresenta um limite deresistência à fadiga. Para valoresabaixo desse limite o CP nunca irásofrer ruptura por fadigasofrer ruptura por fadigaPara ligas não ferrosas a fadiga écaracterizada pela resistência àffadiga, tensão na qual ocorre rupturapor fadiga após um número de ciclosespecíficos(106 a 108)Vida à fadiga consiste no número deciclos que causará a ruptura emdeterminado nível de tensãoEm função do número de ciclos parahaver ruptura o ensaio pode ser debaixo ciclo (104) ou de alto ciclobaixo ciclo (10 ) ou de alto ciclo(acima desse limite)
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Curva σ-N ou Curva de WöhlerCurva σ N ou Curva de Wöhler
Resultado de ensaio de fadiga para diferentes materiais22
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Diferença entre Limite à Fadiga e Resistência a FadigaLimite de resistência à fadiga (σRf): em certos materiais (aços, titânio,...)abaixo de um determinado limite de tensão abaixo do qual o material nuncasofrerá ruptura por fadiga.
Resistência à fadiga (σf): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá afalha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al,Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por resistência à fadiga
Para os aços o limite de resistência à fadiga (σRf) está entre 35-65% do limite deresistência à tração. 23
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Nucleação da TrincaçA ruptura do material por fadiga ocorre devido à formação epropagação de trincas;propagação de trincas;As trincas se iniciam principalmente em defeitos desuperfície,entalhes, inclusões, contornos de grãos, defeitosgde solidificação, pontos de corrosão e pontos que sofremdeformação localizada.
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Propagação de Trincasp g çA concentração de
ã ( ã )tensão(tração)na pontada trinca favorece odeslizamento deplanos em 45o (A,B eC)Em resposta àEm resposta àdeformação plástica, aponta da trinca torna-se curva (embota)se curva (embota).Na recuperação datensão (ou tensão decompressão) a ponta écompressão) a ponta écomprimida, formandonovamente uma ponta
daguda e o processovolta a se repetir emcada ciclo 25
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Características MacroscópicasNucleação
Propagaçãosubcrítica
Propagaçãoinstável
2626Características macroscópicas gerais de uma fratura por fadiga.26
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Modo Macroscópico de Propagação de Trinca por FadigaTrinca por Fadiga
NiNi
NpNff
A superfície de uma fratura por fadiga apresenta duas regiõesdi ti tdistintas:Região de propagação estável da trinca (aspecto polido, devido ao atrito das faces da
trinca com possíveis marcas de progressão da trinca;
Corresponde à área de fratura final não tendo ação do atrito (grosseiro, irregular,texturizado) – fratura frágil ou dúctil 27
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Bibliografiag
Ciência e Engenharia de Materiais – uma Introdução, Willian D.C ê c a e ge a a de ate a s u a t odução, aCallister, Jr. LTC 5. edição.
The Science and Engineering of Materials, 4th edDonald R. Askeland – Pradeep P. Phulé.Donald R. Askeland Pradeep P. Phulé.
Dieter, G.E. Metalurgia Mecânica 2.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois,1981.
Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Fundamentos teóricos epráticos. 5º. Edição. Sérgio Augusto de Souza
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS ASTM E8M-AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E8M-01A (2001). Standard test methods of tension testing of metallic materials.Metric. Philadelphia.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS ASTM E9AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E9-89a00 (2000). Standard Test Methods of Compression Testing of MetallicMaterials at Room Temperature
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OBRIGADO PELA OBRIGADO PELA
ATENÇÃO !!!ATENÇÃO !!!ATENÇÃO !!!ATENÇÃO !!!
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