Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

94
Ensaios Destrutivos

Transcript of Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Page 1: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios Destrutivos

Page 2: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios Destrutivos: Definições

Por definição são todos os ensaios que inutilizam parcialmente ou totalmente a amostra (corpo de prova). Exemplos:

● Ensaio de Tração;● Ensaios de Dureza;● Ensaios de Impacto;● Ensaio de Fadiga;

Page 3: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio de Tração

Consiste na aplicação gradativa de carga de tração uniaxial nas extremidades do corpo de prova segundo norma específica:

Page 4: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio de Tração- ConceitosTensão é definida genericamente como a resistência interna de uma força externa aplicada sobre um corpo, por unidade de área;

Deformação é definida como a variação de uma dimensão qualquer desse corpo, por unidade da mesma dimensão, quando submetido a um esforço qualquer;

Se uma carga é estática ou quase estática e é aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um componente, o comportamento mecânico pode ser verificado mediante ensaios de tensão–deformação, que normalmente são realizados à temperatura ambiente;

Neste tipo de ensaio mede-se a variação no comprimento (l) como função da carga (F) aplicada;

O ensaio de tração é padronizado por normas técnicas, entre elas a NBR-6152 da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT, e a ASTM E 8M da American Society for Testing and Materials – ASTM, ambas para materiais metálicos.

Page 5: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio de Tração- Curva Tensão x Deformação

As características carga-deformação são dependentes do tamanho da amostra (quanto maior a área da seção reta do corpo de prova, maior a carga para produzir o mesmo alongamento), utiliza-se a normalização da carga e do alongamento de acordo com os seus parâmetros de tensão de engenharia e deformação de engenharia, para minimizar os fatores geométricos.

Page 6: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio de Tração- Parâmetros Obtidos

O ensaio de tração fornece dados quantitativos das seguintes propriedades mecânicas:

● Limite de resistência à tração (r u);● Limite de escoamento (L e); ● Módulo de elasticidade (E);● Módulo de resiliência (Ur);● Módulo de tenacidade (Ut); ● Ductilidade (AL% ou AS%); ● Coeficiente de encruamento (n); ● Coeficiente de resistência (k).

Page 7: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Tensão e Deformação de Engenharia

Também conhecida como tensão convencional ou nominal, estabelece a relação entre a força (ou carga) aplicada e a área da seção transversal do corpo submetido à esta carga.

A unidade da tensão no SI é o Pascal (Pa) sendo definida como N/m² e seu múltiplo Mega Pascal (Mpa) ou N/mm².

Page 8: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Tensão e Deformação de Engenharia

A deformação de engenharia é definida por:

Onde onde l0 é o comprimento original da amostra antes da aplicação da carga, e li é o comprimento instantâneo. A grandeza (li – l0) é simbolizada por s l, e representa a deformação ou a variação no comprimento a um dado instante. No Sistema Internacional (SI), a unidade de deformação de engenharia, doravante denominada somente por deformação, é o metro por metro (m/m), embora frequentemente seja descrita em mm/mm ou em termos percentuais.

Page 9: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Comportamento Tensão-Deformação

A grande maioria dos materiais metálicos submetidos a uma tensão de tração relativamente baixa apresenta uma proporcionalidade entre a tensão aplicada e a deformação observada, conforme a relação:

A constante de proporcionalidade E, denominada módulo de elasticidade ou módulo de Young, fornece uma indicação da rigidez do material (resistência do material à deformação elástica) e depende fundamentalmente das forças de ligação atômica. No Sistema Internacional (SI), os valores de E são normalmente expressos em Gigapascal (GPa), devido serem valores muito elevados.

Page 10: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Curva Tensão-Deformação: fase Elástica

Page 11: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Comportamento Tensão-Deformação

O módulo de Young dá uma medida da rigidez do material. A seguir observa-se o comparativo entre o Alumínio e um Aço comum: para uma dada tensão o Alumínio deforma o triplo do que o Aço.

Page 12: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Plasticidade

Após o limite elástico ser atingido, o mecanismo da deformação plástica começa a atuar e difere para materiais cristalinos e amorfos. No caso de sólidos cristalinos, a deformação ocorre segundo um processo chamado de escorregamento (ou deslizamento), que envolve o movimento de discordâncias. Em sólidos não-cristalinos, bem como em líquidos, o processo de deformação ocorre de acordo com um mecanismo de escoamento viscoso.

Page 13: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Escoamento e Limite de EscoamentoA maioria das estruturas é projetada para assegurar que apenas uma deformação elástica ocorrerá quando da aplicação de uma tensão. Portanto, é necessário que se conheça o nível de tensão onde a deformação plástica inicia, ou onde ocorre o fenômeno do escoamento. A tabela a seguir fornece a tensão de escoamento de alguns materiais.

Page 14: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Limite convencional de escoamento

Em casos onde não é possível determinar com precisão a tensão de escoamento, utiliza-se a tensão limite n convencional de escoamento:

Onde Fn é a carga em que se observa uma deformação de n% do material. O limite n de escoamento é um valor convencionado internacionalmente para substituir o limite de escoamento. O limite n é conveniente, pois é determinado mais rapidamente, é mais prático e atende a todos os fins de aplicação dos materiais metálicos na engenharia, quanto ao conhecimento do início da plasticidade dos metais

Page 15: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Limite convencional de escoamento

Determinação dos limites convencionais de escoamento 0,01%, 0,1%, 0,2% e 0,5% para aços trabalhados a frio

Page 16: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Limite de escoamento descontínuo

Em alguns materiais a transição elastoplástica é muito bem definida, e ocorre de uma forma abrupta, conhecida por fenômeno do pico de escoamento descontínuo.

Page 17: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Limite de Resistência à Tração

Após o escoamento a tensão para continuar o processo de deformação plástica em materiais metálicos aumenta até valor máximo (ponto M). A partir desse ponto, a tensão diminui até a fratura do material (ponto F); isso ocorre devido à rápida diminuição da seção resistente do corpo de prova ao se ultrapassar a tensão máxima. O limite de resistência à tração σu é a tensão no ponto máximo da curva tensão-deformação de engenharia, a qual corresponde à tensão máxima que pode ser sustentada por uma estrutura sob tração.

Page 18: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Curva Tensão-Deformação até a Ruptura

Page 19: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ductilidade

Representa uma medida do grau de deformação plástica que o material suportou até a fratura. Um material que experimenta uma deformação plástica muito pequena ou mesmo nenhuma quando da sua fratura é chamado de frágil.A ductilidade pode ser expressa quantitativamente tanto pelo alongamento percentual como pela redução de área percentual.O alongamento percentual AL% é a porcentagem da deformação plástica no momento da fratura:

Onde onde lf representa o comprimento da porção útil do corpo de prova no momento da fratura e l0 o comprimento útil original.

Page 20: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Comportamento Dúctil e Frágil

Page 21: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Resiliência

Pode ser definida como a capacidade de um material absorver energia quando é deformado elasticamente, e após o descarregamento recuperar essa energia. A propriedade associada é o módulo de resiliência (Ur), que representa a energia de deformação por unidade de volume exigida para tensionar um material desde um estado com ausência de carga até a sua tensão limite de escoamento.

Page 22: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Tenacidade

● A Tenacidade representa uma medida da capacidade de um material em absorver energia até a fratura.

● Para uma situação estática ou quase-estática (pequena taxa de deformação), a tenacidade é considerada como sendo a área sob a curva até o ponto de fratura.

● A unidade de tenacidade é a de energia por unidade de volume (como a resiliência);

● Para que um material seja tenaz, ele deve apresentar tanto resistência como ductilidade, e frequentemente, materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais frágeis.

Page 23: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Fatores Influentes nas propriedades mecânicas

● A temperatura de ensaio; ● O teor de soluto no material; ● A deformação a frio.

Influência da temperatura na curva tensão-deformação

Page 24: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Fatores Influentes nas propriedades Mecânicas

Influência de alguns solutos substitucionais nos valores dolimite de escoamento para o ferro e o cobre.

Page 25: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Corpo de Prova- Ensaio de Tração

CP para Ensaio de Tração segundo a ASTM 2001- Seção Retangular

Page 26: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Corpo de Prova- Ensaio de Tração

CP para Ensaio de Tração segundo a ASTM 2001- Seção Circular

Page 27: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios de Dureza

A dureza é a resistência que um material apresenta ao risco ou a formação de uma marca permanente, quando pressionado por outro material ou marcadores padronizados. Existem vários tipos de ensaios de dureza:

● dureza por risco;● dureza por rebote;● dureza por penetração.

Page 28: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza ao risco: Dureza Mohs● Baseia-se no relacionamento do material analisado com outros

materiais na sua capacidade de riscar e ser riscado;

● Consiste em uma escala de 10 minerais padrões organizados por sua capacidade de riscar um aos outros;

● Nesse caso, o diamante é o mineral mais duro, pois ele risca todos os outros minerais da escala e, portanto, apresenta dureza ao risco 10. A safira apresenta dureza 9, pois ele risca todos os minerais, menos o diamante e assim por diante.

Page 29: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza por Rebote

● É um ensaio dinâmico cuja impressão na superfície do material é causada pela queda livre de um êmbolo com uma ponta padronizada de diamante.

● Nos ensaios desse tipo, o valor da dureza é proporcional à energia necessária para deformar o material, e é representada pela altura alcançada no rebote do êmbolo.

● Em materiais dúcteis, o êmbolo alcançará uma altura de rebote menor, pois esses materiais consumirão mais energia na deformação do corpo de prova, indicando, consequentemente, uma dureza mais baixa.

Page 30: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza por Rebote: Ensaio Shore

Utiliza uma barra deaço com peso de 0,250 kgf (2,5 N) com uma ponta arredondada de diamante, a qual é colocada dentro de um tubo de vidro que apresenta uma escala graduada de 0 a 140. A barra de aço é liberada de uma altura padrão (256 mm), e a altura do rebote, após o choque com a superfície do material, é considerada a dureza deste.

Page 31: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza por Rebote: Ensaio ShoreAs principais vantagens do ensaio de dureza Shore em relação a outros tipos de ensaios são:

● O equipamento é leve e portátil, adequado, portanto, à determinação da dureza de peças grandes e ensaios de campo;

● A marca superficial deixada no material pelo ensaio é pequena, o que é indicado no levantamento de peças acabadas;

● Pode ser realizado em condições adversas, como altas temperaturas, por exemplo.

Os cuidados a serem tomados quando da realização desse ensaio é manter a superfície do material limpa e lisa e o tubo de queda em posição vertical e perpendicular à superfície.

Page 32: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza por Penetração: Dureza Brinell● Inicialmente proposto por J.A. Brinell, em 1900, foi o primeiro ensaio

de penetração padronizado e reconhecido industrialmente;

● O método consiste em comprimir uma esfera de aço temperado ou de carboneto de tungstênio na superfície do material ensaiado, gerando uma calota esférica ou mossa, conforme esquematizado a seguir:

Page 33: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza por Penetração: Dureza BrinellA dureza Brinell é dada pela relação entre a carga aplicada e a área da calota esférica, sendo que possui unidade de tensão e é dada por:

Onde D é o diâmetro da esfera e d é o diâmetro da impressão.

O tempo de aplicação da carga é da ordem de 10 a 15 segundos. Tanto a carga quanto o diâmetro da esfera dependem do material, os quais devem ser adequados ao tamanho, à espessura e à estrutura interna do corpo de prova (na prática, é mais frequente a utilização de esferas com diâmetro de 10 mm).

Para materiais com dureza Brinell até 450 HB, utiliza-se a carga de 3000 kgf. Para materiais mais moles, utilizam-se as cargas de 1500 kgf ou 500 kgf, para evitar a formação de uma impressão muito profunda. Para materiais muito duros (entre 450 e 650 HB), utiliza-se esfera de carboneto de tungstênio, para evitar a deformação da esfera de aço.

Page 34: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza por Penetração: Dureza Brinell

A semelhança geométrica entre impressões de esferas não padronizadas é conseguida desde que seja mantido o ângulo que o centro da esfera faz com a impressão, devendo os valores de carga e de diâmetro constarem junto ao resultado do ensaio. Essa condição é atendida para d1/D1 = d2/D2 ou adotando-se valores de carga e diâmetro da esfera obedecendo a relação P/D² constante.

O diâmetro da impressão formada deve ser medido utilizando-se microscópio ou lupa graduada, por meio da média aritmética entre duas leituras a 90º uma da outra, para minimizar leituras errôneas e resultados imprecisos.

Page 35: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza Brinell: Recomendações● O penetrador deve ser polido e isento de defeitos na superfície, e a superfície

do corpo de prova deve estar lisa e isenta de sujidades, a mesa deve estar bem acondicionada pra evitar deslocamentos;

● O tamanho relativamente grande da impressão de Brinell pode ser uma vantagem para avaliação de dureza em materiais com estrutura interna não uniforme ou com heterogeneidades localizadas;

● O grande tamanho da impressão pode impedir o uso desse teste em peças pequenas ou em partes criticamente tensionadas, onde a impressão pode ser um local preferencial para a falha mecânica da peça;

● O ensaio de dureza Brinell não é adequado para caracterizar peças que tenham sofrido tratamentos superficiais (cementação, por exemplo), pois a penetração pode ultrapassar a camada tratada do material e gerar erros nos valores obtidos.

Page 36: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza Brinell: Recomendações

Para metais de grande capacidade de encruamento, pode ocorrer amassamento das bordas da impressão, propiciando uma leitura de um diâmetro menor do que o real (d’ < dr), conforme o esquema:

Em metais trabalhados a frio com pequena capacidade de encruamento, pode ocorrer uma aderência do metal à esfera, com as bordas da calota formada projetando-se ligeiramente para fora da superfície do corpo de prova, propiciando uma leitura de diâmetro maior que o real (d’ > dr), conforme mostrado no esquema:

Page 37: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza Brinell: RecomendaçõesPara que não haja interferência de uma impressão em outra, da borda da amostra e de sua profundidade, as seguintes distâncias devem ser observadas:• A distância entre os centros de duas impressões vizinhas deve ser no mínimo 4d (quatro vezes o diâmetro da calota esférica) para materiais ferrosos e 6d no caso de outros materiais;• A distância entre o centro da impressão e a borda do corpo de prova deve ser de no mínimo 2,5d;• A espessura mínima do corpo de prova deve ser igual a 10 vezes a profundidade da calota esférica; não deve aparecer marca superficial no lado oposto da amostra.

Page 38: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza por penetração: Rockwell

Proposto pelas indústrias Rockwell, dos Estados Unidos, por volta de 1922, atualmente é o método mais utilizado internacionalmente.

É baseado na profundidade de impressão causada por um penetrador sob a ação de uma carga como indicador da medida de dureza.

A pré-carga é necessária para eliminar a ação de eventuais defeitos superficiais e ajudar na fixação da amostra no suporte da máquina, bem como causar pequena deformação permanente, eliminando erros conseqüentes da deformação elástica.

O penetrador pode ser uma ponta de diamante cônico com ângulo de 120º e ligeiramente arredondada (r = 0,2 mm), ou uma esfera de aço endurecido, geralmente com diâmetro de 1,59 mm (1/16´´), existindo também nos diâmetros de 3,17 mm, 6,35 mm e 12,70 mm.

Page 39: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza Rockwell: Recomendações

● Para se obter resultados isentos, o penetrador e o suporte devem estar limpos e bem assentados; a superfície a ser testada deve estar limpa e seca, plana e perpendicular ao eixo do penetrador; e as cargas devem ser aplicadas sem impacto.

● Para materiais desconhecidos deve-se realizar o ensaio partindo de escalas mais altas para evitar danos no penetrador; posteriormente, usam-se escalas mais baixas.

● O tempo de aplicação da pré-carga deverá ser menor que 3 segundos, sendo recomendado período de 1 a 8 segundos para a aplicação da carga total, dependendo do material.

Page 40: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza Rockwell-Recomendações

Para que não haja interferência de uma impressão em outra, da borda da amostra e de sua profundidade, as seguintes distâncias devem ser observadas:

• A distância entre impressões vizinhas deve ser no mínimo 3 vezes o diâmetro da impressão;

• A distância entre uma impressão e a borda do corpo de prova deve ser no mínimo 2,5 vezes o diâmetro da impressão;

• A espessura mínima do corpo de prova deve ser no mínimo 10 vezes a profundidade da impressão.

Page 41: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza Rockwell

● Conversão para dureza Brinell:

Onde onde C1 e C2 são constantes para cada escala de ensaio; s p é variação de profundidade (v p= p2 – p1); p2 é a profundidade de penetração com a carga total e p1 é a profundidade de penetração com a pré-carga.

Page 42: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Vantagens do Ensaio Rockwell

● Rapidez de execução;● Maior exatidão e isenção de erros, visto que não exige leitura

do diâmetro da impressão;● Possibilidade de maior utilização para materiais duros;● Pequeno tamanho da impressão, o que não danifica os

componentes e peças ensaiados.

Page 43: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza por Penetração: Vickers

● Método introduzido em 1925 por Smith e Sandland, recebeu o nome Vickers porque foi a Companhia Vickers-Armstrong Ltda. que fabricou as máquinas para operarem esse tipo de durez;

● É semelhante ao método Brinell, pois também relaciona a carga aplicada com a área superficial da impressão;

● O penetrador padronizado é uma pirâmide de diamante de base quadrada e com um ângulo de 136º entre faces opostas. Esse ângulo foi escolhido em função de sua proximidade com o ângulo formado no ensaio Brinell entre duas linhas tangentes às bordas da impressão e que partem do fundo desta impressão;

● Devido à forma do penetrador, esse teste é também conhecido como teste de dureza de pirâmide de diamante;

● O ensaio é aplicável a todos os materiais metálicos com quaisquer durezas, especialmente materiais muito duros, ou corpos de prova muito finos, pequenos e irregulares.

Page 44: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza Vickers

A forma da impressão é a de um losango regular, cujas diagonais devem ser medidas por um microscópio acoplado à máquina de teste; a média dessas duas medidas é utilizada para a determinação da dureza Vickers, que é dada pela seguinte expressão: HV= 1.89 P/L² onde P é a carga (N) e L é a média entre as diagonais da impressão.

Page 45: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Dureza Vickers

A carga pode variar de 49 a 980 N (5 a 100 kgf) para ensaios com carga normal; 1,96 a 49 N para ensaios com carga pequena; e 1,96 a 0,0098 N para ensaios com microcarga;

As cargas são escolhidas de tal forma que a impressão gerada no ensaio seja suficientemente nítida para permitir uma boa leitura das diagonais;

Como o penetrador é indeformável, a dureza obtida independe da carga utilizada,devendo apresentar o mesmo número representativo da dureza se o material for homogêneo.

É de utilização industrial limitada, em função da demora do ensaio, mas de utilização ampla em pesquisa; é indicado no levantamento de curvas de profundidade de têmpera e de cementação; e a distância entre a interseção entre as duas diagonais e a borda do corpo de prova ou a borda de uma impressão vizinha deve ser de no mínimo 2,5d.

Page 46: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Microdureza Knoop

● Empregada para verificar dureza de materiais multifásicos, cementados por produzir uma identação microscópica;

● A microdureza Knoop utiliza um penetrador de diamante na forma de uma pirâmide alongada, que provoca uma impressão no local onde a diagonal maior e a diagonal menor apresentam uma relação de 7:1. A profundidade de impressão é cerca de 1/30 da diagonal maior.

● A dureza Knoop produz uma identação 85% menor que a Vickers

Page 47: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Quadro Comparativo- Ensaios de Dureza

Page 48: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios de Impacto

● O ensaio de impacto é um ensaio dinâmico empregado para a análise da fratura frágil de materiais. É largamente utilizado nas indústrias naval e bélica e, em particular, nas construções que deverão suportar baixas temperaturas;

● O resultado do ensaio é representado por uma medida da energia absorvida pelo corpo de prova, não fornecendo indicações seguras sobre o comportamento de toda uma estrutura em condições de serviço;

● Os tipos padronizados de ensaios de impacto mais amplamente utilizados são: Charpy e Izod. Em ambos, o corpo de prova tem o formato de uma barra de seção transversal quadrada, na qual é usinado um entalhe.

Page 49: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

(a) Equipamento de ensaio (b) Corpos de Prova

Page 50: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios de Impacto

A carga é aplicada pelo impacto de um martelo pendular, que é liberado a partir de uma posição padronizada e uma altura fixada (Hq);

Após o pêndulo ser liberado, sua ponta choca-se e fratura o corpo de prova no entalhe, que atua como um concentrador de tensões;

O pêndulo continua seu movimento após o choque, até uma altura menor que a anterior (hr). A energia absorvida no impacto é determinada pela diferença entre as alturas Hq e hr, ambas medidas na escala do equipamento.

Page 51: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios de Impacto

Os requisitos essenciais para a realização do ensaio são:

● Corpo de prova padronizado;● Suporte rígido no qual o corpo de prova é apoiado (Charpy) ou engastado

(Izod);● Pêndulo com massa conhecida solto de uma altura suficiente para fraturar

totalmente o corpo de prova;● Um dispositivo de escala para medir as alturas antes e depois do impacto do

pêndulo.

Page 52: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios de ImpactoTransição dúctil-frágil

A principal função dos ensaios Charpy e Izod consiste em determinar se um material apresenta ou não uma transição dúctil-frágil com o decréscimo da temperatura e, caso positivo, em que faixa de temperatura o fenômeno ocorre.

Page 53: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio de Impacto: Configuração

Page 54: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio de Impacto- dados e parâmetros

As equações acima determinam as alturas onde: S é a distância do centro do peso até a extremidade do pêndulo (m); β é o ângulo de queda (rad) e α é o ângulo de rebote (rad);A determinação da velocidade de impacto, desprezando-se o atrito do peso com o ar,é feita por considerações de conservação de energia:

A energia absorvida no impacto corresponde à diferença entre a energia potencial do pêndulo na altura de queda e a energia potencial do pêndulo na altura de rebote, dada por:

Page 55: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios de Impacto: Corpos de Prova (ASTM/ABNT)

Page 56: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios de Impacto- Corpos de Prova

A norma internacional encarregada de padronizar os ensaios de impacto é a ASTM E23, aplicada aos materiais metálicos.

No ensaio Charpy o corpo de prova é apenas apoiado entre dois suportes, podendo apresentar o entalhe em três diferentes configurações:

● Tipo V, formando um ângulo de 45° e profundidade de aproximada de 2 mm;● Tipo U, com raio da ponta do entalhe de 1 mm e profundidade de 5 mm;● Entalhe cilíndrico, formado por rasgo e um furo em sua extremidade

(keyhole).

Para o ensaio Izod, normalmente utilizam-se corpos de prova com entalhe em V, que deve ser posicionado próximo ao suporte onde o corpo de prova é engastado.

Page 57: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Efeito da orientação do CP no Ensaio

Page 58: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios de Impacto: Influência do teor de carbono

Page 59: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios Mecânicos Não-Destrutivos

Page 60: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaios não-destrutivos

● São todos os ensaios que não deixam vestígios de suas aplicações nas peças;

● São efetuados em peças acabadas ou semi-acabadas, não alterando-as sob nenhum aspecto;

● Permitem a inspeção da peça antes de sua utilização e ao longo de sua vida útil, permitindo estimar com alguma precisão o momento ideal para a substituição desta.

Page 61: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Vantagens dos Ensaios não-destrutivos

● ensaio realizado diretamente nos elementos a serem posteriormente utilizados;

● podem ser realizados em todos os elementos constituintes de uma estrutura;

● regiões críticas de uma mesma peça podem ser examinadas simultaneamente;

● auxiliam a manutenção preventiva;● materiais e peças de altos custos de produção não são perdidos;● ensaios não-destrutivos, em geral, requerem pouca ou nenhuma

preparação de amostras, podem ser portáteis e em geral mais baratos e mais rápidos que os ensaios destrutivos.

● ensaio realizado diretamente nos elementos a serem posteriormente utilizados;

Page 62: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Desvantagens dos Ensaios Não-Destrutivos

● Por envolverem avaliações indiretas de suas características, o comportamento em serviço da peça ensaiada pode não ser satisfatoriamente caracterizado;

● São em geral qualitativos e poucas vezes quantitativos;

● Na interpretação das indicações dos ensaios são necessárias experiências prévias.

Page 63: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Principais END's

● Inspeção Visual;● Pressão e vazamento;● Radiografia com raios - X;● Radiografia com raios - γ;● Ultra-som;● Partículas Magnéticas;● Líquidos penetrantes;

Page 64: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Especificação do END

● Tipo de material: características magnéticas, de massa específica (densidade), de composição;

● Processos de fabricação: fundição, forjamento, processo de revestimento, etc.;

● Geometria da peça: forma, dimensões, condições superficiais;● Defeitos: superficiais, sub-superficiais, internos, localização e tamanho

dos defeitos;● Estágios em que aparece o defeito: elaboração da matéria prima, na

fabricação e utilização.

Page 65: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Custos envolvidos nos END's

● número de peças que serão inspecionadas;● tamanho e o peso das mesmas;● facilidades de manejo das peças no recinto da fábrica;● sistemas de inspeção adotados (manuais ou mecânicos);● sensibilidade do ensaio;● percentagem de peças defeituosas "encontradas" pela

aplicação do ensaio;● grau de instrução dos operadores e inspetores.

Page 66: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

END: Raios X

● Detecção da presença de descontinuidades na massa do material, como inclusões, bolhas, mudanças de massa específica (densidade), microtrincas, etc.;

● Na indústria, três propósitos: investigação, inspeção de rotina e controle da qualidade;

● Propriedades dos raios-X: capacidade de penetração nos materiais; diferença na absorção da energia;

● Para diferentes materiais; propagação das ondas em linha reta; capacidade de afetar um filme radiográfico; capacidade de ionizar gases, capacidade de estimular ou destruir vida nos materiais;

● É invisível;● Comprimentos de onda: 0,01 a 1,0 Angstron.

Page 67: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Raio-X: Princípio de FuncionamentoMenor comprimento de onda (λ), maior penetração;Capacidade de sensibilizar um filme fotográfico de emulsão;Intensidade de emissão: I = I0 . e

-μ.x , onde:● I0 = intensidade inicial do Raio-X;● x = espessura do material absorvente;● μ = coeficiente de absorção linear;● I = intensidade emergente da radiação de

raios-X;Filme de absorção do feixe emergente: posições das falhas;Dependendo da espessura do material, os raios podem ser absorvidos pela massa, não o atravessando;Se o material apresentar qualquer descontinuidade (bolhas, impurezas, vazios, diferentes composições química), o feixe emergente apresentará intensidade variável.

Page 68: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Raios-X: Aplicações

Os raios-x são largamente empregados em aplicações aeronáuticas.

Page 69: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Raio-X: Aplicações● Aplicada na inspeção de fundidos, soldas e componentes montados em sistemas ou

conjuntos;● Aplicada em vários metais: ferrosos e não ferrosos e materiais não metálicos, tais como

cerâmicas e plásticos.

Page 70: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Raios γ• Radiações eletromagnéticas, idênticas ao raios-X, com comprimento de onda: 0,01 - 0,005 A;• Lei de decaimento exponencial: N = N0 . e -λ’.t

N0 = número de átomos iniciais;λ’ = constante de decaimento radioativo; eN = número de átomos existentes na amostra após otempo (t).• Meia-Vida: tempo necessário para que o número de átomos de um material radioativo se reduza à metade.

Page 71: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Vantagens do ensaio de raios γ em relação ao raios-X

● O equipamento de raios gama, constituído pelo isótopo, envólucro protetor deste isótopo e alguns suportes, é relativamente pequeno, sendo de fácil transporte;

● Devido ao menor comprimento de onda dos raios gama, a penetração é maior, permitindo o ensaio de objetos de espessuras maiores;

● O custo do equipamento é relativamente baixo;● O funcionamento do equipamento independe do suprimento de

energia elétrica e de refrigeração;● Este ensaio permite maiores variações de espessura do objeto, sem

perda de qualidade da imagem.

Page 72: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Desvantagens do ensaio de raios γ em relação ao raios-X

● Os isótopos geralmente emitem raios de menor intensidade, exigindo maior tempo de exposição;

● Algumas fontes radioativas têm meia-vida relativamente curta, requerendo frequente substituição;

● Devido à constante emissão de radiação na utilização de isótopos radioativos, faz-se necessária proteção especial para o pessoal de operação.

Page 73: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio por UltrassomA percussão de uma peça metálica por meio de um martelo e a observação do som gerado pela peça são técnicas utilizadas por inspetores de qualidade, com o objetivo de identificar possíveis falhas na peça.

A evolução da tecnologia trouxe a técnica da utilização das ondas ou impulsos ultra-sônicos como mais um método de ensaio não-destrutivo para detecção de defeitos superficiais ou internos.

As vibrações mecânicas de frequência muito superior a audível são vibrações ultra-sônicas.

Page 74: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ultrassom: Princípio de Funcionamento

Page 75: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ultrassom: Métodos● Método de transparência, utilizando-se de vibrações constantes ultra-sônicas é

aplicável em placas, barras e perfis metálicos (ao longo do eixo transversal), pequenas peças na localização do defeito, determinando as dimensões deste em ensaios contínuos e automatizados;

Page 76: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ultrassom: Métodos● Método de reflexão, utilizando-se de pulsos ultra-sônicos sendo

aplicáveis em barras e perfis ao longo do eixo longitudinal, em peças forjadas e peças grandes.

Page 77: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ultrassom: Considerações

Tanto em um método como no outro, quanto maior a freqüência de vibração, menor é o tamanho do defeito possível de ser detectado (o menor tamanho detectável é aproximadamente um terço do comprimento de onda); por outro lado, quanto maior a frequência, maior a absorção do sinal, principalmente para materiais mais elásticos, como borracha.

Para aços, as frequências atingem até 10 MHz, enquanto para borracha é indicada frequência de 100 kHz. No primeiro caso, é possível detectar falhas de até 1 μm e, no segundo, só maiores de 5mm.

Page 78: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ultrassom: Exemplo

Page 79: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ultrassom: ConceitosA velocidade de propagação também está diretamente relacionada ao comprimento de onda e da freqüência da onda propagada, sendo definida como:

V = λ . f

● V = velocidade da onda [m/s];● λ = comprimento de onda [m]; ● f = freqüência da onda [Hz].

A granulometria também consiste em um fator a ser analisado; principalmente na determinação da escolha da frequência de trabalho utilizada no ensaio de ultra-som. As frequências utilizadas industrialmente são: 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 5,0 e 6,0 MHz, 0,5 a 1,0 MHz para os fundidos; 2 MHz para os forjados; 4 MHz para os laminados de ferro; 6 MHz para o alumínio trefilado.

Page 80: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ultrassom: Conceitos

Esquema de propagação da onda sonora

Page 81: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio por Partícula MagnéticaConsiste em submeter a peça, ou parte desta, a um campo magnético. Na região magnetizada da peça, as descontinuidades existentes, ou seja a falta de continuidade das propriedades magnéticas do material, irão causar um campo de fuga do fluxo magnético.

Com a aplicação das partículas ferromagnéticas, ocorrerá a aglomeração destas nos campos de fuga, uma vez que serão por eles atraídas devido ao surgimento de pólos magnéticos.

A aglomeração indicará o contorno do campo de fuga, fornecendo a visualização do formato e da extensão da extensão da descontinuidade.

Page 82: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio por Partícula Magnética

Page 83: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio por Partícula Magnética

Esquemático das direções de magnetização

Page 84: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio por Partícula Magnética: Tipos de correntes● Corrente contínua (CC): somente obtida através de baterias, e que na prática não é

aplicável em processos industriais ;● Corrente alternada (AC): usada para detecção de descontinuidades superficiais.

Promove maior mobilidade às partículas, tem pouca penetração, as linhas de força são mais concentradas na superfície e portanto é mais recomendada para a detecção de descontinuidades superficiais.

Page 85: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio por Partícula Magnética: Tipos de correntes● Corrente alternada retificada de meia onda: usada para detecção de descontinuidades

sub-superficiais (poucos milímetros de profundidade). O uso de algumas técnicas pode representar até 6 a 10 mm de profundidade;

● Corrente Alternada Retificada de Onda Completa : usada para detecção de descontinuidades sub-superficiais. O uso de algumas técnicas pode representar até 12 mm de profundidade.

Page 86: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio por Partícula Magnética: Tipos de correntes● Corrente trifásica : pode ser utilizada na forma retificada de meia onda ou onda

completa. A corrente elétrica trifásica retificada de onda completa é a que mais se aproxima às características de uma corrente contínua.

Page 87: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio por Partícula Magnética

Exemplos de Aplicação

Page 88: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio por Líquido Penetrante

O ensaio por líquidos penetrantes presta-se a detectar descontinuidades superficiais e que sejam abertas na superfície, tais como trincas, poros, dobras, etc. podendo ser aplicado em todos os materiais sólidos e que não sejam porosos ou com superfície muito grosseira.

É muito usado em materiais não magnéticos como alumínio, magnésio, aços inoxidáveis austeníticos, ligas de titânio, e zircônio, além dos materiais magnéticos. É também aplicado em cerâmica vitrificada, vidro e plásticos.

O método consiste em fazer penetrar na abertura da descontinuidade um líquido. Após a remoção do excesso de líquido da superfície, faz-se sair dadescontinuidade o líquido retido através de um revelador. A imagem da descontinuidade fica então desenhada sobre a superfície.

Page 89: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Etapas do Ensaio por Líquido Penetrante● Preparação da superfície - Limpeza inicial: Antes de se iniciar o

ensaio, a superfície deve ser limpa e seca. Não devem existir água, óleo ou outro contaminante. Contaminantes ou excesso de rugosidade, ferrugem, etc, tornam o ensaio não confiável;

● Aplicação do Penetrante: Consiste na aplicação de um líquido chamado penetrante, geralmente de cor vermelha, de tal maneira que forme um filme sobre a superfície e que por ação do fenômeno chamado capilaridade penetre na descontinuidade. Deve ser dado um certo tempo para que a penetração se complete;

Page 90: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Etapas do Ensaio por Líquido Penetrante● Remoção do excesso de penetrante: consiste na remoção do excesso do

penetrante da superfície, através de produtos adequados , condizentes com o tipo de líquido penetrante aplicado , devendo a superfície ficar isenta de qualquer resíduo na superfície;

● Revelação: consiste na aplicação de um filme uniforme de revelador sobre a superfície. O revelador é usualmente um pó fino branco. Pode ser aplicado seco ou em suspensão. O revelador absorve o penetrante das descontinuidades e revelando-as. Deve ser previsto um tempo de revelação para sucesso do ensaio.

Page 91: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Etapas do Ensaio por Líquido Penetrante● Avaliação e Inspeção: após a aplicação do revelador, as indicações

começam a serem observadas, através da mancha causada pela absorção do penetrante contido nas aberturas, e que serão objetos de avaliação.

A inspeção deve ser feita sob boas condições de luminosidade, se o penetrante é do tipo visível (cor contrastante com o revelador) ou sob luz negra, em área escurecida, caso o penetrante seja fluorescente.

Nesta etapa deve ser preparado um relatório escrito que mostre as condições do ensaio, tipo e identificação da peça ensaiada, resultado da inspeção e condição de aprovação ou rejeição da peça.

● Limpeza pós ensaio: a última etapa, geralmente obrigatória, é a limpeza de todos os resíduos de produtos, que podem prejudicar uma etapa posterior de trabalho da peça (soldagem, usinagem, etc.).

Page 92: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Limitações do Ensaio por Líquido Penetrante● Só detecta descontinuidades abertas para a superfície, já que o penetrante

tem que entrar na descontinuidade para ser posteriormente revelado. Por esta razão, a descontinuidade não deve estar preenchida com material estranho.

● A superfície do material não pode ser porosa ou absorvente já que não haveria possibilidade de remover totalmente o excesso de penetrante, causando mascaramento de resultados.

● A aplicação do penetrante deve ser feita numa determinada faixa de temperatura permitida ou recomendada pelo fabricante dos produtos. Superfícies muito frias (abaixo de 5°C ) ou muito quentes (acima de 52°C) não são recomendáveis ao ensaio. Neste caso, produtos ou técnicas especiais devem ser aplicadas.

● Algumas aplicações das peças em inspeção fazem com que a limpeza seja efetuada da maneira mais completa possível após o ensaio (caso de maquinaria para indústria alimentícia, material a ser soldado posteriormente, etc). Este fato pode tornar-se limitativo ao exame, especialmente quando esta limpeza for difícil de fazer.

Page 93: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Vantagens do Ensaio por Líquido Penetrante● A principal vantagem do método é a sua simplicidade. É fácil de fazer de

interpretar os resultados. O aprendizado é simples, requer pouco tempo de treinamento do inspetor;

● Como a indicação assemelha-se a uma fotografia do defeito, é muito fácil de avaliar os resultados. Em contrapartida o inspetor deve estar ciente dos cuidados básicos a serem tomados (limpeza, tempo de penetração, etc), pois a simplicidade pode se tornar uma faca de dois gumes;

● Não há limitação para o tamanho e forma das peças a ensaiar, nem tipo de material; por outro lado, as peças devem ser susceptíveis à limpeza e sua superfície não pode ser muito rugosa e nem porosa;

● O método pode revelar descontinuidades (trincas) extremamente finas (da ordem de 0,001 mm de abertura ).

Page 94: Ensaios Mecânicos- Tecnologia dos Materiais

Ensaio por Líquido Penetrante