Ensaios Mecânicos dos Materiais

Claudemir Claudino

2015 1 Semestre ENSAIOS MECNICOS DOS MATERIAIS

Ensaios Mecnicos dos Materiais

Claudemir Claudino


Como voc se sentiria se a chave que acabou de mandar fazer quebrasse ao dar a primeira volta na fechadura? Ou se a jarra de vidro refratrio que a propaganda diz que pode ir do fogo ao freezer trincasse ao ser enchida com gua fervente? Ou ainda, se o seu guarda-chuva virasse ao contrrio em meio a um temporal?

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Resistncia dos Materiais

Ensaios dos Materiais

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Sumrio

Introduo a Resistncia dos Materiais.

Noes sobre Fora(esforos,tenso,)

Propriedades Mecnicas

Normas Tcnicas

Ensaios Mecnicos

Finalidade dos Ensaios

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O que Resistncia dos Materiais?

o estudo sobre a capacidade que os materiais tm para resistir a certos tipos de foras externas que causam esforos internos em funo do tipo de material, dimenses, processo de fabricao, entre outros. Esta disciplina usa a esttica para considerar os efeitos externos (foras), e a partir de ento considerar os efeitos internos (esforos).

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Porque estudar Resistncia dos Materiais?

Esse estudo evita que peas de mquinas estejam sub-dimensionadas, ou seja, possuam uma dimenso insuficiente em relao s foras que nela atuam e que provocar quebras. Por outro lado, evita o super-dimensionamento, ou seja, evita gasto excessivo com material quando no necessrio, influenciando diretamente no custo final dos produtos e tornando-os inviveis (caro em relao aos demais concorrentes).


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Fora

Para o nosso estudo iremos ver esses dois tipos:

FORAS EXTERNAS

ESFOROS INTERNOS

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FORAS EXTERNAS

Fora toda causa capaz de produzir ou modificar movimento. Toda fora tem um ponto (local) de aplicao, direo (reta de ao), intensidade (grandeza) e sentido (para um dos dois lados de direo). Como no algo material, mas imaginativo,a fora foi representada graficamente por vetores(flechas). Dessa forma, possvel representar num papel cada elemento da fora:

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FORAS EXTERNAS

1. Ponto de aplicao incio do vetor; 2. Direo posio da reta do vetor (ex.: norte-sul); 3. Intensidade dimenso do vetor; 4. Sentido fim do vetor, flecha (ex.: norte).

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FORAS EXTERNAS

A fora pode estar concentrada, tendo um ponto de aplicao, ou distribuda, como a fora da gua contra uma barragem. No caso de fora concentrada, a unidade expressa em Newtons [N]. No caso de fora distribuda, expressa em Newtons por comprimento (metro, centmetro, milmetro) [N/m; N/cm; N/mm]. Na verdade, toda fora distribuda, mas quando esta fora distribuda atua numa rea considerada desprezvel, podemos idealizar um vetor nico, que na maioria dos casos nos traz resultados precisos.

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Fora aplicada em um ponto (carga concentrada)

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Fora distribuda por unidade de comprimento (carga uniformemente distribuda)

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ESFOROS INTERNOS

Solicitaes (esforos)

Quando um sistema de foras atua sobre um corpo, o efeito produzido diferente, dependendo dos elementos da fora (ponto de aplicao, direo, intensidade, sentido). O resultado da ao destas foras externas sobre uma unidade de rea da seo analisada num corpo o que chamamos de tenso.

Existem esforos simples e esforos compostos.

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Os esforos simples so divididos em duas classes de acordo com a direo da fora aplicada:

normais ou axiais, que causam esforos internos na mesma direo do eixo (linha imaginria longitudinal) de um corpo;

transversais, que causam esforos internos na direo perpendicular (que forma 90 graus) ao eixo de um corpo. As tenses normais so representadas pela letra grega sigma ( ), enquanto as tenses transversais so representadas pela letra grega tau ().

ESFOROS INTERNOS

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ESFOROS AXIAIS E TRANSVERSAIS

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Tipos de esforos

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PROPRIEDADES MECNICAS

POR QU ESTUDAR?

A determinao e/ou conhecimento das propriedades mecnicas muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicao, bem como para o projeto e fabricao do componente.

As propriedades mecnicas definem o comportamento do material quando sujeitos esforos mecnicos, pois estas esto relacionadas capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforos aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolvel.

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Principais propriedades mecnicas

Resistncia trao

Elasticidade

Ductilidade

Fluncia

Fadiga

Dureza

Tenacidade,....

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Como determinar as propriedades mecnicas?

A determinao das propriedades mecnicas feita atravs de Ensaios Mecnicos.

Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecnico, j que por razes tcnicas e econmicas no praticvel realizar o ensaio na prpria pea, que seria o ideal.

Geralmente, usa-se normas tcnicas para o procedimento das medidas e confeco do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparveis.

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NORMAS TCNICAS

As normas Tcnicas mais comuns so elaboradas pelas:

ASTM (American Society for Testing and Materials)

ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas)

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TESTES MAIS COMUNS PARA SE DETERMINAR AS PROPRIEDADES MECNICAS DOS METAIS

Resistncia trao (+ comum, determina a elongao)

Resistncia compresso

Resistncia toro

Resistncia ao choque

Resistncia ao desgaste

Resistncia fadiga

Dureza

Etc...

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CLASSIFICAO DOS ENSAIOS MECNICOS

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Ensaios Mecnicos

Nesta apresentao vamos estudar os seguintes ensaios:

Ensaio de Trao

Ensaio de Compresso

Ensaio de Dobramento

Ensaio de Flexo

Ensaio de Impacto

Ensaio de Dureza

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Ensaio de Trao Consiste na aplicao de carga de trao uniaxial

crescente em um corpo de prova especifico at a ruptura. Trata-se de um ensaio amplamente utilizado na indstria de componentes mecnicos, devido s vantagens de fornecer dados quantitativos das caractersticas mecnicas dos materiais.

Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformaes promovidas no material so uniformemente distribudas em todo o seu corpo, pelo menos at ser atingida uma carga mxima prxima do final do ensaio e, como possvel fazer com que a carga cresa numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de trao permite medir satisfatoriamente a resistncia do material

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ESQUEMA PARA ENSAIO DE TRAO

PARTES BSICAS

Sistema de aplicao de carga

Dispositivo para prender o corpo de prova

Sensores que permitam medir a tenso aplicada e a deformao promovida (extensimetro)

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TENSO () X Deformao ()

Como efeito da aplicao de uma tenso tem-se a deformao (variao dimensional).

Deformao pode ser expressa:

O nmero de milmetrosa de deformao por milmetros de comprimento

O comprimento deformado como uma percentagem do comprimento original

Deformao()=

lf-l0 = l

l0 l0

lo= comprimento inicial

lf= comprimento final

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Comportamento dos metais quando submetidos trao

Resistncia trao

Dentro de certos limites,

a deformao proporcional

tenso (a lei de Hooke obedecida)

Lei de Hooke: = E

hooke.pptx

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Deformao Elstica e Plstica

DEFORMAO PLSTICA

provocada por tenses que ultrapassam o limite de elasticidade

irreversvel porque resultado do deslocamento permanente dos tomos e portanto no desaparece quando a tenso removida.

DEFORMAO ELSTICA

Prescede deformao plstica reversvel Desaparece quando a tenso removida praticamente proporcional tenso aplicada (lei de Hooke)

Elstica

Plstica

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Regio de comportamento elstico O ponto A representa o limite elstico

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Limite de proporcionalidade

A Lei de Hooke s vale at um determinado valor de tenso, representado no grfico pelo ponto A, a partir da qual a deformao deixa de ser proporcional carga aplicada.

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Limite de elasticidade (E)

Mxima tenso que o material pode suportar sem apresentar deformao permanente aps a retirada da carga.

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Consideraes gerais sobre mdulo de elasticidade

Como consequncia do mdulo de elasticidade estar diretamente relacionado com as foras interatmicas:

Os materiais cermicos tem alto mdulo de elasticidade, enquanto os materiais polimricos tem baixo

Com o aumento da temperatura o mdulo de elasticidade diminui

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Outras informaes que podem ser obtidas das curvas tenso x deformao

y= tenso de escoamento

(corresponde a tenso mxima relacionada com o fenmeno de escoamento)

De acordo com a curva a, onde no observa-se nitidamente o fenmeno de escoamento

Alguns aos e outros materiais exibem o comportamento da curva b, ou seja, o limite de escoamento bem definido (o material escoa- deforma-se plasticamente sem praticamente aumento da tenso). Neste caso, geralmente a tenso de escoamento corresponde tenso mxima verificada durante a fase de escoamento

Escoamento

No ocorre escoamento propriamente dito

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O FENMENO DE ESCOAMENTO

Esse fenmeno nitidamente observado em alguns metais de natureza dctil, como aos baixo teor de carbono.

Caracteriza-se por um grande alongamento do material submetido a carga.

Acontece geralmente no inicio da fase plstica. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito prximos um dos outros.

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Limite de Resistncia trao a tenso correspondente ao ponto de mxima

carga atingida durante o ensaio. Aps o escoamento ocorre o encruamento que um endurecimento causado pela quebra de gros que compem o material quando deformados a frio. O material resiste cada vez mais trao externa necessitando de uma tenso cada vez maior para se deformar. nessa fase que a tenso comea a subir at atingir um valor mximo, esse chamado Limite de Resistncia.

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Limite de resistncia trao.

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Limite de ruptura

Continuando a trao, chega-se a ruptura do material, no chamado Limite de Ruptura.

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Note que a tenso no limite de ruptura menor do que no limite de resistncia, devido diminuio de rea que acontece no corpo de prova depois que se atinge a carga mxima.

Na figura seguinte se pode analisar todos esses elementos representados num mesmo diagrama de tenso x deformao.

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Resumindo

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Fratura Consiste na separao ou fragmentao de um

corpo slido em duas ou mais partes, sob ao de uma tenso, e pode ser considerada como sendo constituda da nucleao e propagao da trinca. Pode ser classificada em duas categorias gerais: fratura dctil e frgil.

A fratura dctil caracterizada pela ocorrncia de uma aprecivel deformao plstica antes e durante a propagao da trinca.

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Fratura dctil Aspectos macroscpicos

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A fratura frgil nos metais caracterizada pela rpida propagao da trinca, sem nenhuma

deformao macroscpica e pouca microdeformao.

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Equipamento para o ensaio de trao Geralmente o ensaio

de trao realizado na mquina Universal que recebe este nome por possibilitar a realizao de diversos tipos de ensaios.

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Ensaio de trao

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Corpos de prova Os corpos de prova tm caractersticas

especificadas de acordo com as normas tcnicas. Normalmente utilizam-se corpos de prova de seo circular ou retangular. Durante os ensaios, a deformao fica confinada regio central, mais estreita, do corpo de prova, que possui uma seo reta uniforme ao longo do seu comprimento. O dimetro padro de aproximadamente 12,8 mm, enquanto o comprimento da seo reduzida deve ser pelo menos quatro vezes esse dimetro , comum ser de 60 mm.

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Corpo de Prova

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A parte til (Lo) do corpo de prova identificada no desenho acima a regio onde so feitas as medidas das propriedades mecnicas do material. As cabeas so as regies extremas que servem para fixar

o corpo de prova na mquina, de modo que a fora atuante na mquina seja axial. Devem ter seo maior do que a parte til para

que a ruptura do corpo de prova no ocorra nelas. Os tipos de fixao mais comum so:

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Tipos de fixao

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ENSAIO DE TRAO

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A mquina de ensaio de trao projetada para alongar o corpo de prova a um taxa constante, alm de medir contnua e simultaneamente a carga instantnea aplicada (com uma clula de carga) e os alongamentos resultantes (usando um extensmetro).

O resultado de um ensaio de trao deste tipo registrado em um registrador grfico ou por um computador, na forma de carga ou fora em funo do alongamento.

Viso trmica

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Ensaio de Compresso

Um ensaio de compresso conduzido de uma maneira semelhante de um ensaio de trao, exceto pelo fato de que a fora compressiva e o corpo de prova se contrai ao longo da direo da tenso.

Os ensaios de trao so mais comuns, pois so mais fceis de serem executados; alm disso, para a maioria dos materiais usados em aplicaes estruturais, pouca informao adicional obtida a partir do ensaio de compresso.

Os ensaios de compresso so usados principalmente quando se deseja conhecer o comportamento de um material submetido a deformaes grandes e permanentes, como ocorre em aplicaes de fabricao, ou quando o material frgil sob trao.

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Este ensaio pode ser executado na mquina Universal, com adaptao de duas placas lisas, uma fixa e outra

mvel. E entre elas o corpo de prova apoiado. Um corpo submetido compresso sofre uma deformao elstica e

a seguir uma deformao plstica.

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Corpo de prova sob compresso com deformao elstica .

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Na deformao plstica, o corpo retm uma deformao residual depois de ser descarregado.

Corpo de prova sob compresso com deformao plstica.

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Informaes Durante o ensaio, devem ser monitorizados continuamente tanto a aplicao da carga quanto

ao deslocamento das placas ou a deformao do corpo de prova. Algumas precaues devem ser tomadas para a determinao correta das propriedades durante o ensaio.

As faces das placas de carga e do corpo de prova devem ser limpas e o corpo de prova deve ser cuidadosamente centralizado na placa que contm referencias-guia.

A carga deve ser aplicada continuamente a uma velocidade de 0,3 MPa a 0,8 MPa por segundo. Nenhum ajuste dever ser feito nos controles da mquina de ensaio quando o corpo de prova estiver se deformando mais rapidamente, aproximando-se de sua ruptura.

O carregamento deve cessar somente quando o recuo do ponteiro de carga for em torno de 10% do valor da carga mxima atingida. Esse valor ser anotado como a carga de ruptura do corpo de prova.

A tenso de ruptura compresso obtida dividindo-se a carga de ruptura pela rea da seo transversal do corpo de prova, devendo o resultado ser expresso com a aproximao de 0,1 MPa.

Deve-se evitar a flambagem do corpo de prova, que pode ocorrer devido a:

Instabilidade elstica causada pela falta de unixialidade na aplicao da carga;

Comprimento excessivo do corpo de prova;

Toro do corpo de prova no momento inicial de aplicao da carga;

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Mquina para ensaios de compresso.

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Ensaios de compresso

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Ensaio de Dobramento

O ensaio de dobramento utilizado para anlise da conformao de segmentos retos de seo circular, quadrada, retangular, tubular ou outras em segmentos curvos. O dobramento bastante utilizado na indstria de produo de calhas, tubos, tambores e de uma grande variedade de elementos conformados plasticamente. No dobramento de uma chapa, devem-se analisar parmetros como o encruamento do material e o raio mnimo em que este pode ser dobrado sem que ocorra a ruptura, o retorno elstico do dobramento aps a retirada da carga e a formao de defeitos na regio dobrada.

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Procedimento

O ensaio de dobramento fornece uma indicao qualitativa da ductilidade do material. Consiste em dobrar um corpo de prova de eixo retilneo e seo circular, retangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados a uma distncia especificada. Atravs do cutelo aplicada uma fora perpendicular ao eixo do corpo do prova, at que seja atingido um ngulo desejado, que geralmente 90,120 ou 180.

Se na zona tracionada o material no apresentar trincas ou fissuras ele est aprovado.

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Processos de dobramento

H dois tipos de dobramento o livre e o semiguiado.

Dobramento Livre: obtido pela aplicao da fora nas extremidades do corpo de prova.

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Dobramento semiguiado: Vai ocorrer o dobramento numa regio especificada pelo cutelo.

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Ensaio de dobramento em corpos de provas Soldados

O ensaio de dobramento em corpos de prova soldados, retirados de chapas ou tubos

soldados, realizado geralmente para a qualificao de profissionais que fazem solda

(soldadores) e para avaliao de processos de solda.

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Na avaliao da qualidade da solda costuma-se medir o alongamento da face da solda. O resultado serve para determinar se a solda apropriada ou no para uma

determinada aplicao

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Ensaio de dobramento

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ENSAIO DE FLEXO

Consiste na aplicao de uma carga crescente em determinados pontos de uma barra geometricamente padronizada. A carga aplicada parte de um valor inicial igual zero e aumenta lentamente at a ruptura do corpo de prova. um ensaio bastante aplicado em materiais frgeis como cermicos e metais duros, ferro fundido, ao ferramenta e ao rpido, pois fornece dados quantitativos da deformao desses materiais.

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Tipos de ensaio de flexo

Ensaio e flexo em trs pontos: utilizada uma barra bi apoiada com aplicao de carga no centro da distncia entre os apoios, ou seja, existe trs pontos de carga.

Ensaio de flexo em quatro pontos: consiste de uma barra bi apoiada com aplicao de carga em dois pontos eqidistante dos apoios.

Os principais resultados dos ensaios so: mdulo de ruptura na flexo, mdulo de elasticidade, mdulo de resilincia e mdulo de tenacidade.

Os resultados fornecidos podem variar com a temperatura, a velocidade de aplicao da carga, os defeitos superficiais e principalmente com a geometria da seo transversal da amostra.

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Propriedades mecnicas avaliadas

Uma das propriedades avaliadas a tenso de flexo.

Se aplicarmos um esforo numa barra bi apoiada, ocorrer uma flexo a sua intensidade depender da onde essa carga est sendo aplicada. A flexo ser mxima se for aplicada fora no centro da barra, como na figura abaixo:

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O produto da fora pela distncia do ponto de aplicao da fora ao ponto de apoio origina o que chamamos de momento, que no caso da flexo o momento fletor (Mf).

Nos ensaios de flexo, a fora sempre aplicada na regio mdia do corpo de prova e se distribui uniformemente no resto do corpo. Devido a isso se considera para calcular o momento fletor a metade da fora e do comprimento til. A frmula matemtica para calcular o momento fletor :

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Para calcular a tenso de flexo necessrio calcular o

momento de inrcia:

Para corpos de seo circular:

Para corpos de seo retangular:

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Calculo de Tenso de Flexo

Falta ainda um elemento para enfim calcular a tenso de flexo, o mdulo de resistncia da seo transversal, representado por W, a medida de resistncia em relao a um momento. O valor de mdulo conhecendo dividindo o momento de inrcia pela distncia da linha neutra superfcie do corpo de prova (c).

Dessa maneira pode-se calcular a tenso de flexo.

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Informaes adicionais

Nas mquinas de ensaio de flexo, os apoios sobre os quais descansa o corpo de prova so, na maioria das vezes, rolios com possibilidade de giro, o que ajuda na diminuio da frico ou do atrito do corpo de prova e os suportes. A carga de flexo deve ser aplicada lentamente.

Na determinao das propriedades relacionadas resistncia dos materiais cermicos, mais usual a utilizao do ensaio de flexo em vez do ensaio de trao. No caso da madeira, o ensaio de flexo realizado utilizando-se dois pontos de aplicao de carga. Como a resistncia da madeira em condies de compresso ao longo das fibras muito menor que as condies de trao, o processo de fratura completa comea na zona comprimida, na forma de ondulaes. A fratura completa ocorre na zona tracionada e consiste na ruptura ou clivagem das fibras externa e na conseqncia fratura final.

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CARGA APLICADA

APOIO APOIO

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Ensaio de Impacto

O comportamento dctil-frgil dos materiais pode ser mais amplamente caracterizado por Ensaio de Impacto. A carga nesse ensaio aplicada num corpo de prova na forma de esforos por choque (dinmicos), sendo o impacto obtido por meio da queda de um martelete ou pndulo, de uma altura determinada.

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Descrio do ensaio O ensaio de impacto caracteriza

por submeter ao corpo ensaiado uma fora brusca e repentina, que deve romp-lo. Outro fator a velocidade de aplicao da fora, O resultado da fora associada com a velocidade se traduz por uma medida de energia absorvida pelo corpo de prova, ou algumas vezes chamada de tenacidade ao entalhe.

O pndulo elevado a uma certa posio onde adquire uma energia inicial

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Ao cair ele encontra no seu percurso o corpo de prova, que se rompe. A sua trajetria continua at certa altura, que corresponde posio final, onde o pndulo apresenta uma energia final.

A diferena entre a energia inicial e final corresponde energia absorvida pelo material.

A mquina dotada de uma escala, que indica a posio do pndulo, calibrada de modo a indicar a energia potencial.

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Tipos de ensaio de Impacto

Existem dois tipos de ensaios padronizados que so mais amplamente utilizados:

Charpy e Izod. A diferena entre esses ensaios que no Charpy o golpe desferido na face oposta ao entalhe e no Izod desferido no mesmo lado.

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Corpos de prova Os corpos de prova Charpy compreendem trs

subtipos (A,B,C), de acordo com a forma do entalhe.

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Corpos de prova

O corpo de prova Izod tema mesma forma de entalhe do Charpy tipo A, localizada em posio diferente.

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Charpy Digital

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Ensaio de Dureza Definies de Dureza:

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Ensaio de Dureza Brinell

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Tempo de Realizao do Ensaio

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Valores dos Fatores de Carga

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Vantagens e Limitaes do Ensaio

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Dureza Rockwell

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Ensaio Rockwell

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Penetradores de Dureza Rockwell

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Descrio do Ensaio

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Leitura do Resultado

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Modelo do Penetrador de Diamante

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Equipamento para Ensaio Rockwell

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Finalizando

Hoje em dia ningum se contenta com objetos que apresentem esses resultados. Mas por longo tempo essa foi a nica forma de avaliar a qualidade de um produto!

Avaliava-se a qualidade de uma lmina de ao, a dureza de um prego, a pintura de um objeto simplesmente pelo prprio uso.

Pergunta

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O acesso a novas matrias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricao obrigaram criao de mtodos padronizados de produo, em todo o mundo. Ao mesmo

tempo, desenvolveram-se processos e mtodos de controle de qualidade dos produtos.

Nesta apresentao, fcil perceber a importncia dos ensaios de materiais: por meio deles que se verifica se os materiais apresentam as propriedades que os tornaro adequados ao seu uso.

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Os ensaios mecnicos dos materiais so procedimentos padronizados que compreendem testes, clculos, grficos e consultas a tabelas, tudo isso em conformidade com normas tcnicas. Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto j fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente a situaes que simulam os esforos que eles vo sofrer nas condies reais de uso, chegando a limites extremos de solicitao.

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O sucesso ir de fracasso em fracasso sem perder entusiasmo.

Winston Churchill

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Referncias

http://www.em.pucrs.br/eleani/Protegidos/4-propriedadesmecanicas.ppt

http://189.57.119.178/miranda/ensaios/Aula7.pdf

http://pt.wikipedia.org/wiki/Robert_Hooke

http://www.colegioweb.com.br/biografias/robert-hooke.html

http://www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/7242-a-utilizao-do-ensaio-de-compresso

http://pt.wikipedia.org/wiki/Flambagem

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