MEC UTFPR Campus Pato Branco CURSOS DE ENGENHARIA

Coordenao do Curso de Engenharia Mecnica PROCEDIMENTO PRTICO DE ENSAIOS

Disciplina: Ensaio dos Materiais

Cdigo: EM25MC

Sala: H005

Prof. Silvana Verona

Alunos: gor Santana Sousa; Jorge Lucas Baldissera Bom; Lenon Costa Dias; Marcio Neidorf Jnior.

Prtica: Ensaio de impacto.

Objetivo: Estudar comportamento de um corpo de prova quando submetido a uma carga dinmica.

Materiais: Mquina de ensaios de impacto; 5 Corpos de prova.

Normas de segurana: Seguir as normas de segurana do laboratrio.

Introduo: O comportamento dctil-frgil dos materiais pode ser mais amplamente caracterizado por ensaios de impacto. A carga nesses ensaios aplicada na forma de esforos por choque (dinmicos), e o impacto obtido por meio da queda de um martelo ou pndulo, de uma altura determinada, sobre a pea a examinar. As massas utilizadas nos ensaios so intercambiveis, possuem diferentes pesos e podem cair de alturas variveis. Os ensaios mais conhecidos so denominados Charpy e lzod, dependendo da configurao geomtrica do entalhe e do modo de fixao do corpo de prova na mquina. Como resultado do ensaio, obtm-se a energia absorvida pelo material at a fratura, ou seja, a tenacidade ao impacto, alm da resistncia ao impacto relacionando-se a energia absorvida com a rea da seo resistente. A principal aplicao desse ensaio refere-se caracterizao do comportamento dos materiais, na transio da propriedade dctil para a frgil como funo da temperatura, possibilitando a determinao da faixa de temperaturas na qual um material muda de dctil para frgil (Garcia, 2013).

Pesquisa bibliogrfica: Trs fatores principais contribuem para o surgimento da fratura frgil em materiais que so normalmente dcteis temperatura ambiente: (1) existncia de um estado triaxial de tenses, (2) baixas temperaturas e (3) taxa ou velocidade de deformao elevada. Esses trs fatores no precisam necessariamente atuar ao mesmo tempo para produzir a fratura frgil. Estados triaxiais de tenso que ocorrem em entalhes, juntamente com baixas temperaturas, foram responsveis por muitas situaes de fratura frgil em servio. Entretanto, como esses efeitos so acentuados sob altas velocidades de aplicao de carga, diversos tipos de ensaios de impacto passaram a ser usados na determinao da suscetibilidade de materiais fratura frgil (Garcia, 2013). O ensaio de impacto um ensaio dinmico empregado para a anlise da fratura frgil de materiais. O resultado simplesmente representado por uma medida de energia absorvida pelo corpo de prova, no fornecendo indicaes seguras sobre o comportamento de toda uma estrutura em condies de servio. Entretanto, permite a observao de diferenas de comportamento entre materiais que no so observadas em um ensaio de trao. Dois tipos padronizados de ensaios de impacto so mais amplamente utilizados: Charpy e Izod. Em ambos os casos, o corpo de prova tem o formato de uma barra de seo transversal quadrada, na qual usinado um entalhe em forma de V, U ou key-hole (Garcia, 2013). O equipamento de ensaio representado na figura 1, juntamente com os tipos de corpo de prova, que so apresentados nas figuras 2 e 3. A carga aplicada pelo impacto de um martelo pendular, que liberado a partir de uma posio padronizada e de uma altura fixada (Hq). Aps o pndulo ser liberado, sua ponta choca-se e fratura o corpo de prova no entalhe, que atua como um concentrador de tenses. O pndulo continua seu movimento aps o choque, at uma altura (h,) menor que a altura de liberao do pndulo (Hq). A energia absorvida no impacto determinada a partir da diferena entre Hq e h, ambas medidas na escala do equipamento (Garcia, 2013).

Figura 1. Equipamento de ensaios de impacto.

Figuras 2 e 3. Posicionamento dos corpos de prova Charpy e Izod respectivamente.

As diferenas fundamentais entre os ensaios Charpy e Izod residem na forma em que o corpo de prova montado (horizontal ou vertical), conforme mostra as figuras 2 e 3, e na face do entalhe, localizada ou no na regio de impacto. Variveis como o tamanho e a forma do corpo de prova e a profundidade e a configurao do entalhe influenciam os resultados dos testes. As energias de impacto so de interesse no aspecto comparativo entre diferentes materiais. Entretanto, seus valores absolutos isoladamente no representam informao quantitativa das caractersticas dos materiais (Garcia, 2013). A principal funo dos ensaios Charpy e Izod consiste em determinar se um material apresenta ou no uma transio dctil-frgil com o decrscimo da temperatura, e, caso apresente, em que faixa de temperaturas ocorre o fenmeno. A transio dctil-frgil relacionada com a temperatura pela energia de impacto medida no ensaio. A figura 4 mostra essa transio em uma curva que representa os resultados de um ensaio Charpy em amostras de ao inoxidvel e ao 0,6% de carbono. Os fenmenos de gerao, movimentao e recuperao de discordncias em estruturas CFC ocorrem a nveis de tenso que em geral no so suficientemente elevados para romper ligaes atmicas e conduzir a situaes de ruptura por clivagem, o que justifica o dato de que os metais que apresentam estrutura cbica de face centrada (CFC), que incluem ligas de alumnio e ligas de cobre, permanecem dcteis mesmo a temperaturas extremamente baixas. A nucleao e propagao de trincas por clivagem, comumente associada fratura frgil, envolve fratura transgranular ao longo de planos cristalogrficos especficos (Garcia, 2013). Para os aos, a temperatura de transio depende tanto da composio qumica da liga quanto da microestrutura. A reduo do tamanho de gro em aos diminui a temperatura de transio. Em temperaturas mais elevadas, a energia de impacto relativamente alta e compatvel com um modo dctil de fratura. A medida que a temperatura diminui, a energia de impacto cai subitamente ao longo de um intervalo de temperaturas relativamente pequeno, abaixo do qual a energia de impacto apresenta um valor baixo e essencialmente constante; nesse intervalo, o modo de fratura frgil. frequente apresentar-se tambm o percentual de fratura dctil em funo da temperatura. A aparncia da superfcie de fratura um indicativo da natureza da fratura e pode ser usada na determinao da temperatura de transio. Assim, para a fratura dctil, a superfcie apresenta uma aparncia fibrosa, grosseira (com caractersticas de fratura por cisalhamento). Ao contrrio, superfcies frgeis apresentam uma textura granular e de aspecto mais plano (Garcia, 2013).

Figura 4. Resultados do ensaio Charpy para duas amostras: ao inoxidvel 304 e ao 0,6% carbono (adaptado de Askeland, 1996).

A norma nacional recomendada para a realizao de ensaio de impacto em materiais metlicos a NBR 6157, que se aplica a corpos de prova entalhados simplesmente apoiados, em especial aos, e no se aplica a materiais com baixos valores de resistncia ao impacto, como os ferros fundidos cinzentos. Os entalhes recomendados so em formato U ou V, com dimenses padronizadas, no meio do corpo de prova, e com plano de simetria perpendicular ao eixo longitudinal do corpo de prova. Como resultado do ensaio, pode ser determinada a energia de impacto (EJ requerida para fraturar completamente o corpo de prova, ou a resistncia ao impacto (R;) como sendo o valor da energia absorvida pela rea da seo resistente original do corpo de prova. A norma padroniza somente a realizao de ensaios utilizando o mtodo Charpy. Os corpos de prova recomendados para os ensaios so apresentados na tabela 1. Para as condies padronizadas, a norma recomenda uma velocidade do martelo no momento de impacto de 5 m/s a 7 m/s, cuja parte que entrar em contato com o corpo de prova deve ter um ngulo de 30 e um raio de curvatura de 2 mm a 2,5 mm, e os apoios de suporte do corpo de prova devero ter uma distncia de 40 mm, com raio de curvatura dos suportes de 1,0 mm a 1,5 mm (Garcia, 2013).

Tabela 1. Configuraes dos corpos de prova segundo a NBR 6157 (ABNT, 1980)

A norma internacional encarregada de padronizar os ensaios de impacto a ASTM E23-94A, aplicada a materiais metlicos. Quanto ao ensaio Charpy, o corpo de prova apenas apoiado entre dois suportes, podendo apresentar o entalhe em trs diferentes configuraes: tipo V, formando um ngulo de 45 e profundidade de aproximadamente 2 mm; tipo U, com raio da ponta do entalhe de 1 mm e profundidade geralmente de 5 mm; e o entalhe cilndrico, formado por um rasgo com um furo em sua extremidade (keyhole). Para o ensaio Izod, normalmente utilizam -se corpos de prova com entalhe em V, que deve ser posicionado prximo ao suporte onde o corpo de prova engastado. A figura 5 apresenta algumas configuraes para os corpos de prova empregados para os ensaios Charpy e Izod, no caso de barras simples (Garcia, 2013).

Figura 5. O Corpos de prova: (a) Charpy; (b) lzod. (Segundo ASTM E23-94a.)

Quando o interesse do ensaio reside na determinao das transformaes sofridas pelo material em funo da variao da temperatura, o ensaio Charpy mostra-se mais apropriado e verstil, devido facilidade de posicionamento do corpo de prova na mquina. Para esse procedimento de ensaio, o corpo de prova deve ser mantido na temperatura desejada por pelo menos 10 minutos (NBR 6157), no caso de meios de aquecimento lquidos, e 30 minutos para o caso de meios gasosos, com o ensaio realizado em tempos inferiores a cinco segundos, desde a retirada do corpo de prova e sua colocao na mquina (ASTM E23-94A). O dispositivo empregado para manusear os corpos de prova no deve alterar a temperatura do mesmo, e recomendada a utilizao de tenazes, pinas ou outro dispositivo com pequena rea de contato (Garcia, 2013).

Figura 6. Configuraes do equipamento de ensaio necessrias para os clculos quantitativos.

A determinao da altura do pndulo aps a fratura do corpo de prova pode ser feita diretamente pela sua elevao ou por clculos baseados no ngulo do pndulo, conforme pode ser visto na figura 6, por:

= (1 ) (Equao 1)

e = (1 )

(Equao 2) onde: = distncia do centro do peso at a extremidade do pndulo (m); = ngulo de queda (rad); = ngulo de rebote (rad). Para determinar a velocidade de impacto, desprezando-se o atrito do peso com o ar, utiliza-se a seguinte relao de energia no instante de impacto:

= (Equao 3.)

=

2

(Equao 4)

= 2(1 ) = 2

(Equao 5) onde: = energia (J); = velocidade do pendulo no instante do impacto (m/s); = massa do pendulo (kg); = acelerao da gravidade. A energia absorvida no impacto corresponde diferena entre a energia potencial do pndulo na altura de queda e a energia potencial do pndulo na altura de rebote, dada por:

= ( )

(Equao 6) Em relao s informaes que podem ser obtidas do ensaio de impacto, tem-se:

Energia absorvida: medida diretamente pela mquina;

Contrao lateral: quantidade de contrao em cada lado do corpo de prova fraturado;

Aparncia da fratura: determinao da porcentagem de fratura frgil ocorrida durante o processo de ruptura por mtodos como medida direta em funo do aspecto da superfcie de fratura, comparao com resultados de outros ensaios ou ensaios-padro, ou atravs de fotografias da superfcie e interpretao adequada.

So possveis dois modos de fratura: frgil e dctil. A classificao est baseada na habilidade de um material em deformar-se plasticamente na regio de fratura. A fratura frgil ocorre sem nenhuma deformao aprecivel, rompendo de forma brusca. Em uma observao visual percebe-se um aspecto cristalino. A fratura dctil apresenta uma extensa deformao plstica no material, absorvendo muita energia e dissipando-a antes da ruptura. A superfcie de fratura apresenta um aspecto fibroso (Garcia, 2013).

Descrio e procedimentos: Um roteiro foi montado para a pratica do ensaio:

Foi realizado o ensaio de impacto Charpy em 5 corpos de provas diferentes, que so citados em seguida;

Aps a liberao do peso, foi anotado o ngulo de rebote () em graus. Cada aluno deve realizar o ensaio de dureza nos 3 equipamentos disponveis com os respectivos corpos de prova;

Foi anotado o ngulo de liberao (), a distncia do centro do peso at a extremidade do peso () e o valor do peso do martelo ();

Foram retiradas fotos dos corpos de prova para anlise do tipo de fratura;

Atravs dos valores encontrados e das frmulas propostas, deve-se calcular as velocidade e energia de impacto;

Preparar o relatrio.

Corpos de prova utilizados:

Corpo de prova do de ao temperado a temperatura ambiente;

Corpo de prova de ao no temperado a temperatura ambiente;

Corpo de prova de PVC (policloreto de polivinila) a temperatura ambiente;

Corpo de prova de PVC a temperatura de 100C;

Corpo de prova de PVC a temperatura de 0C.

Resultado e discusses:

Os dados obtidos que so iguais para todos os cinco ensaios so: ngulo de liberao () de 90 (tpico de um ensaio Charpy), o valor do peso do martelo () de 21.3 kg e o comprimento da haste do equipamento de ensaio () de 813.5 mm. Alm disso, foram obtidos os valores do ngulo de rebote (), para cada ensaio, que so exibidos na tabela 2.

Tabela 2. ngulo de rebote para cada ensaio.

Ensaio ngulo de rebote em graus

Corpo de prova do de ao temperado a temperatura ambiente

0

Corpo de prova de ao no temperado a temperatura ambiente

75

Corpo de prova de PVC a temperatura ambiente

82.4

Corpo de prova de PVC a temperatura de 100C

72.9

Corpo de prova de PVC a temperatura de 0C

82.9

Substituindo os valores de e conhecidos, que so iguais para todos os experimentos, na equao 5 e o valor da gravidade () de 9,81 m/s, obtm-se o valor da velocidade de impacto () de 4 m/s. Utilizando agora as equaes 1, 2 e 6, com os valores de ,, e conhecidos, obtm-se a quantidade de energia absorvida no impacto de cada ensaio, que mostrada na tabela 3.

Tabela 3. Energia absorvida em cada ensaio.

Ensaio Energia absorvida em Joules

Corpo de prova do de ao temperado a temperatura ambiente 169,9636

Corpo de prova de ao no temperado a temperatura ambiente 43,99107

Corpo de prova de PVC a temperatura ambiente 22,47955

Corpo de prova de PVC a temperatura de 100C 49,97749

Corpo de prova de PVC a temperatura de 0C 21,00849

Com os dados da tabela 3, possvel montar um grfico, para o PVC, com a energia absorvida em funo da temperatura, e retirar dele a faixa de temperatura de transio dctil/frgil.

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Ener

gia

abso

rvid

a (J

)

Temperatura (C)

Figura 7. Energia absorvida x temperatura para o PVC

A partir do grfico, possvel ver que faixa de temperatura de transio dctil/frgil est entre 25 e 100C.

Concluso: Pode-se concluir, atravs da anlise das quantidades de energia absorvida, o que era esperado, que a amostra de ao sem tempera absorve menos energia do que a amostra de ao com tempera, j que a mesma aumenta a dureza do ao, o tornando mais frgil. J com relao as amostras de PVC, pode-se verificar uma caracterstica de comum em alguns materiais, quando a fragilidade aumenta conforme se diminui a temperatura do material, o que foi confirmado com o ensaio, pois, a amostra de PVC a 0 absorveu menos energia do que a amostra a temperatura ambiente, que por sua vez absorveu menos do que a mostra a temperatura de 100C. Foi encontrada uma faixa de temperatura de transio dctil/frgil para o comportamento do material, mas esta poderia ser melhorada com um nmero maior de ensaios em temperaturas diferentes dentro e a direita deste intervalo.

Referncias:

1. ASKELAND, D. R. The science and engineering of materiais. 3. ed. London: Chapman & Hall, 1996. 2. GARCIA, Amauri; SPIM, Jaime Alvares; SANTOS, Carlos Alexandre dos. Ensaios dos materiais. 2. ed.

Rio de Janeiro, RJ: LTC, 2013. 365 p. ISBN 9788521620679. 3. ASSOCIAO BRASILEIRA DE NORMAS TCNICAS (ABNT). NBR6157. Materiais metlicos:

determinao da resistncia ao impacto em corpos de prova entalhados simplesmente apoiados. Rio de Janeiro: ABNT, 1980. 8 p.