Ensaios Tecnolgicos

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica Veja a seguir a representao esquemtica de alguns tipos de esforos que afetam os materiais.

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IntroduoComo 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? 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! Nos sculos passados, como a construo dos objetos era essencialmente artesanal, no havia um controle de qualidade regular dos produtos fabricados. Avaliava-se a qualidade de uma lmina de ao, a dureza de um prego, a pintura de um objeto simplesmente pelo prprio uso. Um desgaste prematuro que conduzisse rpida quebra da ferramenta era o mtodo racional que qualquer um aceitava para determinar a qualidade das peas, ou seja, a anlise da qualidade era baseada no comportamento do objeto depois de pronto. 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. Atualmente, entende-se que o controle de qualidade precisa comear pela matria-prima e deve ocorrer durante todo o processo de produo, incluindo a inspeo e os ensaios finais nos produtos acabados. Nesse quadro, 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. Que propriedades so essas, que podem ser verificadas nos ensaios? possvel que voc j tenha analisado algumas delas ao estudar o mdulo Materiais ou mesmo em outra oportunidade. Mesmo assim, bom refrescar a memria, para entender com mais facilidade os assuntos que viro. Ao terminar o estudo desta aula, voc conhecer algumas propriedades fsicas e qumicas que os materiais precisam ter para resistirem s solicitaes a que sero submetidos durante seu tempo de vida til. Saber quais so os tipos de ensaios simples que podem ser realizados na prpria oficina, sem aparatos especiais. E ficar conhecendo tambm como se classificam os ensaios em funo dos efeitos que causam nos materiais testados.

evidente que os produtos tm de ser fabricados com as caractersticas necessrias para suportar esses esforos. Mas como saber se os materiais apresentam tais caractersticas? Realizando ensaios mecnicos! 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.

Onde so feitos os ensaios Os ensaios podem ser realizados na prpria oficina ou em ambientes especialmente equipados para essa finalidade: os laboratrios de ensaios.

Os ensaios fornecem resultados gerais, que so aplicados a diversos casos, e devem poder ser repetidos em qualquer local que apresente as condies adequadas. So exemplos de ensaios que podem ser realizados na oficina: Ensaio por lima - utilizado para verificar a dureza por meio do corte do cavaco. Quanto mais fcil retirar o cavaco, mais mole o material. Se a ferramenta desliza e no corta, podemos dizer que o material duro. 1

Para que servem os ensaiosSe voc parar para observar crianas brincando de cabo-deguerra, ou uma dona de casa torcendo um pano de cho, ou ainda um ginasta fazendo acrobacias numa cama elstica, ver alguns exemplos de esforos a que os materiais esto sujeitos durante o uso.

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3 Ciclo de Tcnico em Mecnica J os ensaios em corpos de provas, realizados de acordo com as normas tcnicas estabelecidas, em condies padronizadas, permitem obter resultados de aplicao mais geral, que podem ser utilizados e reproduzidos em qualquer lugar.

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Propriedades dos materiaisTodos os campos da tecnologia, especialmente aqueles referentes construo de mquinas e estruturas, esto intimamente ligados aos materiais e s suas propriedades. Tomando como base as mudanas que ocorrem nos materiais, essas propriedades podem ser classificadas em dois grupos: fsicas; qumicas. Se colocamos gua fervente num copo descartvel de plstico, o plstico amolece e muda sua forma. Mesmo mole, o plstico continua com sua composio qumica inalterada. A propriedade de sofrer deformao sem sofrer mudana na composio qumica uma propriedade fsica. Por outro lado, se deixarmos uma barra de ao-carbono (ferro + carbono) exposta ao tempo, observaremos a formao de ferrugem (xido de ferro: ferro + oxignio). O ao-carbono, em contato com o ar, sofre corroso, com mudana na sua composio qumica. A resistncia corroso uma propriedade qumica. Entre as propriedades fsicas, destacam-se as propriedades mecnicas, que se referem forma como os materiais reagem aos esforos externos, apresentando deformao ou ruptura. Quando voc solta o pedal da embreagem do carro, ele volta posio de origem graas elasticidade da mola ligada ao sistema acionador do pedal. A elasticidade um exemplo de propriedade mecnica. Pode ser definida como a capacidade que um material tem de retornar sua forma e dimenses originais quando cessa o esforo que o deformava.

Ensaio pela anlise da centelha - utilizado para fazer a classificao do teor de carbono de um ao, em funo da forma das centelhas que o material emite ao ser atritado num esmeril.

Por meio desses tipos de ensaios no se obtm valores precisos, apenas conhecimentos de caractersticas especficas dos materiais. Os ensaios podem ser realizados em prottipos, no prprio produto final ou em corpos de prova e, para serem confiveis, devem seguir as normas tcnicas estabelecidas. Observaes: Prottipo a verso preliminar de um produto, produzida em pequena quantidade, e utilizada durante a fase de testes. Corpo de prova uma amostra do material que se deseja testar, com dimenses e forma especificadas em normas tcnicas. Imagine que uma empresa resolva produzir um novo tipo de tesoura, com lmina de ao especial. Antes de lanar comercialmente o novo produto, o fabricante quer saber, com segurana, como ser seu comportamento na prtica. Para isso, ele ensaia as matrias-primas, controla o processo de fabricao e produz uma pequena quantidade dessas tesouras, que passam a ser os prottipos. Cada uma dessas tesouras ser submetida a uma srie de testes que procuraro reproduzir todas as situaes de uso cotidiano. Por exemplo, o corte da tesoura pode ser testado em materiais diversos, ou sobre o mesmo material por horas seguidas. Os resultados so analisados e servem como base para o aperfeioamento do produto. Os ensaios de prottipos so muito importantes, pois permitem avaliar se o produto testado apresenta caractersticas adequadas sua funo. Os resultados obtidos nesses testes no podem ser generalizados, mas podem servir de base para outros objetos que sejam semelhantes ou diferentes. 2

A estampagem de uma chapa de ao para fabricao de um cap de automvel, por exemplo, s possvel em materiais que apresentem plasticidade suficiente. Plasticidade a capacidade que um material tem de apresentar deformao permanente aprecivel, sem se romper.

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3 Ciclo de Tcnico em Mecnica Os ensaios destrutivos abordados nas prximas aulas deste mdulo so: trao compresso cisalhamento dobramento flexo embutimento toro dureza fluncia fadiga impacto Ensaios no destrutivos so aqueles que aps sua realizao no deixam nenhuma marca ou sinal e, por conseqncia, nunca inutilizam a pea ou corpo de prova. Por essa razo, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados e semi-acabados. Os ensaios no destrutivos tratados nas aulas deste mdulo so: visual lquido penetrante partculas magnticas ultra-som radiografia industrial Anotaes

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Uma viga de uma ponte rolante deve suportar esforos de flexo sem se romper. Para tanto, necessrio que ela apresente resistncia mecnica suficiente. Resistncia mecnica a capacidade que um material tem de suportar esforos externos (trao, compresso, flexo etc.) sem se romper.

Para determinar qualquer dessas propriedades necessrio realizar um ensaio especfico.

Tipos de ensaios mecnicosExistem vrios critrios para classificar os ensaios mecnicos. A classificao que adotaremos neste mdulo agrupa os ensaios em dois blocos: ensaios destrutivos; ensaios no destrutivos. Ensaios destrutivos so aqueles que deixam algum sinal na pea ou corpo de prova submetido ao ensaio, mesmo que estes no fiquem inutilizados. 3

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3 Ciclo de Tcnico em Mecnica Observe novamente a ilustrao anterior. Repare que a fora axial est dirigida para fora do corpo sobre o qual foi aplicada. Quando a fora axial est dirigida para fora do corpo, trata-se de uma fora axial de trao. A aplicao de uma fora axial de trao num corpo preso produz uma deformao no corpo, isto , um aumento no seu comprimento com diminuio da rea da seo transversal.

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Ensaios de TraoComo voc j sabe, as propriedades mecnicas constituem uma das caractersticas mais importantes dos metais em suas vrias aplicaes na engenharia, visto que o projeto e a fabricao de produtos se baseiam principalmente no comportamento destas propriedades. A determinao das propriedades mecnicas dos materiais obtida por meio de ensaios mecnicos, realizados no prprio produto ou em corpos de prova de dimenses e formas especificadas, segundo procedimentos padronizados por normas brasileiras e estrangeiras. O corpo de prova preferencialmente utilizado quando o resultado do ensaio precisa ser comparado com especificaes de normas internacionais. O ensaio de trao consiste em submeter o material a um esforo que tende a along-lo at a ruptura. Os esforos ou cargas so medidos na prpria mquina de ensaio. No ensaio de trao o corpo deformado por alongamento, at o momento em que se rompe. Os ensaios de trao permitem conhecer como os materiais reagem aos esforos de trao, quais os limites de trao que suportam e a partir de que momento se rompem.

Este aumento de comprimento recebe o nome de alongamento. Veja o efeito do alongamento num corpo submetido a um ensaio de trao.

Na norma brasileira, o alongamento representado pela letra A e calculado subtraindo-se o comprimento inicial do comprimento final e dividindo-se o resultado pelo comprimento inicial. Em linguagem matemtica, esta afirmao pode ser expressa pela seguinte igualdade: A = Lf Lo sendo que Lo repreLo senta o comprimento inicial antes do ensaio e Lf representa o comprimento final aps o ensaio.

Antes da ruptura, a deformaoImagine um corpo preso numa das extremidades, submetido a uma fora, como na ilustrao ao lado. Quando esta fora aplicada na direo do eixo longitudinal, dizemos que se trata de uma fora axial. Ao mesmo tempo, a fora axial perpendicular seo transversal do corpo.

Suponha que voc quer saber qual o alongamento sofrido por um corpo de 12mm que, submetido a uma fora axial de trao, ficou com 13,2mm de comprimento. Aplicando a frmula anterior, voc fica sabendo que:

A =

Lf Lo 1,2 13,2 12 A = A = = 0,1mm / mm Lo 12 12

A unidade mm/mm indica que ocorre uma deformao de 0,1mm por 1mm de dimenso do material. Pode-se tambm indicar a deformao de maneira percentual. Para obter a deformao expressa em porcentagem, basta multiplicar o resultado anterior por 100. No nosso exemplo: A = 0,1mm/mm x 100 = 10%.

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Ensaios Tecnolgicos Deformao elstica: no permanente. Uma vez cessados os esforos, o material volta sua forma original.

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica A unidade de medida de fora adotada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) o newton (N).

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Fique por dentro A unidade quilograma-fora (kgf) ainda usada no Brasil porque a maioria das mquinas disponveis possui escalas nesta unidade. Porm, aps a realizao dos ensaios, os valores de fora devem ser convertidos para newton (N). A unidade de medida de rea o metro quadrado (m ). No caso da medida de tenso, mais freqentemente usado seu 2 submltiplo, o milmetro quadrado (mm ). Assim, a tenso expressa matematicamente como: Deformao plstica: permanente. Uma vez cessados os esforos, o material recupera a deformao elstica, mas fica com uma deformao residual plstica, no voltando mais sua forma original. Fique por dentro Durante muito tempo, a tenso foi medida em kgf/mm ou em psi (pound square inch, que quer dizer: libra por polegada quadrada). Com adoo do Sistema Internacional de Unidades (SI) pelo Brasil, em 1978, essas unidades foram substitudas pelo pascal (Pa). Um mltiplo dessa unidade, o megapascal (MPa), vem sendo utilizado por um nmero crescente de pases, inclusive o Brasil. Veja no quadro de converses a seguir a correspondncia entre essas unidades de medida.2 2

T=

N mm 2

Tenso de trao: o que e como medidaA fora de trao atua sobre a rea da seo transversal do material. Tem-se assim uma relao entre essa fora aplicada e a rea do material que est sendo exigida, denominada tenso. Neste mdulo, a tenso ser representada pela letra T. Em outras palavras Tenso (T) a relao entre uma fora (F) e uma unidade de rea (S):

1N 1 kgf 1 MPa2

= 0,10 2kgf = 0,454 lb2

= 9,807 N2

1 kgf/mm

= 1N/mm = 1422,27 psi

= 0,102 kgf/mm = 9,807 MPa

2

= 9,807 N/mm

Resolva 2 Sabendo que a tenso sofrida por um corpo de 20 N/mm , como voc expressa esta mesma medida em Mpa?

T=

F S

Dica Para efeito de clculo da tenso suportada por um material, considera-se como rea til da seo deste material a soma das reas de suas partes macias. Por exemplo: um cabo metlico para elevao de pesos, cuja rea da seo de 2 2 132,73mm , composto por 42 espiras de 1,2mm , tem como 2 rea til 50,4mm .

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3 Ciclo de Tcnico em Mecnica 2. Sabendo que a tenso de um corpo igual a 12 N/mm2, a 2 quanto corresponde essa tenso em kgf/mm ? (Consulte o quadro de converses, se necessrio).

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Calculando a tensoUm amigo, que est montando uma oficina de manuteno mecnica, pediu sua ajuda para calcular a tenso que deve ser suportada por um tirante de ao de 4mm2 de seo, sabendo que o material estar exposto a uma fora de 40 N. Simples, no mesmo? Sabendo qual a fora aplicada (F = 40 2 N) e qual a rea da seo do tirante (S = 4mm ), basta aplicar a frmula:

T =

F 10N 40N T = T = 2 S 4mm mm 2

Portanto, a tenso que o cabo dever suportar de 10 2 N/mm . Mas, se seu amigo quiser saber a resposta em megapascal, o resultado ser 10 MPa.

Exerccios 1. Calcule a deformao sofrida por um corpo de 15cm, que aps um ensaio de trao passou a apresentar 16cm de comprimento. Expresse a resposta de forma percentual.

3. Qual a tenso, em MPa, sofrida por um corpo com 35mm que est sob efeito de uma fora de 200 kgf? (Consulte o quadro de converses, se necessrio).

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3 Ciclo de Tcnico em Mecnica O limite elstico recebe este nome porque, se o ensaio for interrompido antes deste ponto e a fora de trao for retirada, o corpo volta sua forma original, como faz um elstico. Na fase elstica os metais obedecem lei de Hooke. Suas deformaes so diretamente proporcionais s tenses aplicadas. Exemplificando: se aplicarmos uma tenso de 10 N/mm 2 e o corpo de prova se alongar 0,1%, ao aplicarmos uma fora de 100 N/mm2 o corpo de prova se alongar 1%.

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Diagrama tenso-deformaoQuando um corpo de prova submetido a um ensaio de trao, a mquina de ensaio fornece um grfico que mostra as relaes entre a fora aplicada e as deformaes ocorridas durante o ensaio. Mas o que nos interessa para a determinao das propriedades do material ensaiado a relao entre tenso e deformao. Voc j sabe que a tenso (T) corresponde fora (F) dividida pela rea da seo (S) sobre a qual a fora aplicada. No ensaio de trao convencionou-se que a rea da seo utilizada para os clculos a da seo inicial (So). Assim, aplicando a frmula T =

DicaEm 1678, Sir Robert Hooke descobriu que uma mola tem sempre a deformao () proporcional tenso aplicada (T), desenvolvendo assim a constante da mola (K), ou lei de Hooke, onde K = T/.

F , podemos obter os valoSo

res de tenso para montar um grfico que mostre as relaes entre tenso e deformao. Este grfico conhecido por diagrama tenso-deformao. Os valores de deformao, representados pela letra grega minscula e (psilon), so indicados no eixo das abscissas (x) e os valores de tenso so indicados no eixo das ordenadas (y). A curva resultante apresenta certas caractersticas que so comuns a diversos tipos de materiais usados na rea da Mecnica.

Mdulo de elasticidadeNa fase elstica, se dividirmos a tenso pela deformao, em qualquer ponto, obteremos sempre um valor constante. Este valor constante chamado mdulo de elasticidade.

A expresso matemtica dessa relao :

E=

T

, onde E

a constante que representa o mdulo de elasticidade. O mdulo de elasticidade a medida da rigidez do material. Quanto maior for o mdulo, menor ser a deformao elstica resultante da aplicao de uma tenso e mais rgido ser o material. Esta propriedade muito importante na seleo de materiais para fabricao de molas.

Limite de proporcionalidadeAnalisando o diagrama tenso-deformao passo a passo, voc vai ficar conhecendo cada uma das propriedades que ele permite determinar. A primeira delas o limite elstico. Porm, a lei de Hooke s vale at um determinado valor de tenso, denominado limite de proporcionalidade, que o ponto representado no grfico a seguir por A, a partir do qual a deformao deixa de ser proporcional carga aplicada. Na prtica, considera-se que o limite de proporcionalidade e o limite de elasticidade so coincidentes.

Limite elsticoObserve o diagrama a seguir. Note que foi marcado um ponto A no final da parte reta do grfico. Este ponto representa o limite elstico.

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3 Ciclo de Tcnico em Mecnica Note que a tenso no limite de ruptura menor que no limite de resistncia, devido diminuio da rea que ocorre no corpo de prova depois que se atinge a carga mxima. Agora voc j tem condies de analisar todos esses elementos representados num mesmo diagrama de tensodeformao, como na figura a seguir.

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EscoamentoTerminada a fase elstica, tem incio a fase plstica, na qual ocorre uma deformao permanente no material, mesmo que se retire a fora de trao. No incio da fase plstica ocorre um fenmeno chamado escoamento. O escoamento caracteriza-se por uma deformao permanente do material sem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade de deformao. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito prximos uns dos outros.

Estrico Limite de resistnciaAps o escoamento ocorre o encruamento, que um endurecimento causado pela quebra dos gros que compem o material quando deformados a frio. O material resiste cada vez mais trao externa, exigindo uma tenso cada vez maior para se deformar. a reduo percentual da rea da seo transversal do corpo de prova na regio onde vai se localizar a ruptura. A estrico determina a ductilidade do material. Quanto maior for a porcentagem de estrico, mais dctil ser o material. Por ora suficiente. Que tal descansar um pouco para assentar as idias e depois retomar o estudo resolvendo os exerccios propostos a seguir? Se tiver alguma dificuldade, faa uma reviso dos assuntos tratados nesta aula antes de prosseguir. Anotaes:

Nessa fase, a tenso recomea a subir, at atingir um valor mximo num ponto chamado de limite de resistncia (B). Para calcular o valor do limite de resistncia (LR), basta apli-

F car a frmula: LR = max So

Limite de rupturaContinuando a trao, chega-se ruptura do material, que ocorre num ponto chamado limite de ruptura (C).

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Ensaios Tecnolgicos Exerccios 1. Analise o diagrama de tenso-deformao de um corpo de prova de ao e indique: a) o ponto A, que representa o limite de elasticidade b) o ponto B, que representa o limite de resistncia

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica 5. Dois materiais (A e B) foram submetidos a um ensaio de trao e apresentaram as seguintes curvas de tensodeformao:

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Marque com um X a resposta correta. 2. Compare as regies das fraturas dos corpos de prova A e B, apresentados a seguir. Depois responda: qual corpo de prova representa material dctil?

Qual dos materiais apresenta maior deformao permanente? A ( ) B ( ) Anotaes:

3. Analise o diagrama tenso-deformao abaixo e assinale qual a letra que representa a regio de escoamento. A B C D ( ( ( ( ) ) ) )

4. a) b) c) d)

F A frmula LR = max permite calcular: So( ) o limite de escoamento; ( ) a estrico; ( ) o limite de resistncia; ( ) o limite de ruptura.

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3 Ciclo de Tcnico em Mecnica

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Procedimentos Normalizados no Ensaio de TraoHoje em dia comum encontrar uma grande variedade de artigos importados em qualquer supermercado e at mesmo em pequenas lojas de bairro: so produtos eletrnicos japoneses, panelas antiaderentes francesas, utilidades domsticas com o inconfundvel design italiano e uma infinidade de quinquilharias fabricadas pelos chineses. Isso sem contar os veculos americanos, coreanos, russos etc., que de uma hora para outra invadiram nossas ruas e estradas. Por outro lado, os setores exportadores brasileiros tambm vm conquistando espao no comrcio internacional. A crescente internacionalizao do comrcio de produtos pe em destaque a importncia da normalizao dos ensaios de materiais. Qualquer que seja a procedncia do produto, os testes pelos quais ele passou em seu pas de origem devem poder ser repetidos, nas mesmas condies, em qualquer lugar do mundo. por isso que essa aula ser dedicada ao estudo da normalizao direcionada para o ensaio de trao. Voc ficar sabendo quais so as principais entidades internacionais e nacionais que produzem e divulgam as normas tcnicas mais utilizadas pelos laboratrios de ensaios. E saber tambm o que dizem algumas normas que fornecem especificaes sobre corpos de prova.

Normas tcnicas voltadas para ensaios de traoQuando se trata de realizar ensaios mecnicos, as normas mais utilizadas so as referentes especificao de materiais e ao mtodo de ensaio. Um mtodo descreve o correto procedimento para se efetuar um determinado ensaio mecnico. Desse modo, seguindo-se sempre o mesmo mtodo, os resultados obtidos para um mesmo material so semelhantes e reprodutveis onde quer que o ensaio seja executado. As normas tcnicas mais utilizadas pelos laboratrios de ensaios provm das seguintes instituies: ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas ASTM American Society for Testing and Materials DIN Deutsches Institut fr Normung AFNOR Association Franaise de Normalisation BSI British Standards Institution ASME American Society of Mechanical Engineer ISO International Organization for Standardization JIS Japanese Industrial Standards SAE Society of Automotive Engineers COPANT Comisso Panamericana de Normas Tcnicas Alm dessas, so tambm utilizadas normas particulares de indstrias ou companhias governamentais.

Equipamento para o ensaio de traoO ensaio de trao geralmente realizado na mquina universal, que tem este nome porque se presta realizao de diversos tipos de ensaios. Analise cuidadosamente a ilustrao a seguir, que mostra os componentes bsicos de uma mquina universal de ensaios. Fixa-se o corpo de prova na mquina por suas extremidades, numa posio que permite ao equipamento aplicar-lhe uma fora axial para fora, de modo a aumentar seu comprimento. A mquina de trao hidrulica, movida pela presso de leo, e est ligada a um dinammetro que mede a fora aplicada ao corpo de prova. Observao Dinammetro um equipamento utilizado para medir foras.

Confiabilidade dos ensaiosOs ensaios no indicam propriedades de uma maneira absoluta, porque no reproduzem totalmente os esforos a que uma pea submetida, em servio. Quando realizados no prprio produto, os ensaios tm maior significado pois procuram simular as condies de funcionamento do mesmo. Mas na prtica isso nem sempre realizvel. Alm disso, os resultados assim obtidos teriam apenas uma importncia particular para aquele produto. Para determinarmos as propriedades dos materiais, independentemente das estruturas em que sero utilizados, necessrio recorrer confeco de corpos de prova. Os resultados obtidos dependem do formato do corpo de prova e do mtodo de ensaio adotado. Por exemplo, no ensaio de trao de um corpo de prova de ao, o alongamento uma medida da sua ductilidade. Este valor afetado pelo comprimento do corpo de prova, pelo seu formato, pela velocidade de aplicao da carga e pelas imprecises do mtodo de anlise dos resultados do ensaio. Portanto, os resultados dos ensaios, quando no so suficientemente representativos dos comportamentos em servio, exigem na fase de projeto das estruturas a introduo de um fator multiplicativo chamado coeficiente de segurana, o qual leva em considerao as incertezas, no s provenientes da determinao das propriedades dos materiais, mas tambm da preciso das hipteses tericas referentes existncia e ao clculo das tenses em toda a estrutura.

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Ensaios Tecnolgicos A mquina de ensaio possui um registrador grfico que vai traando o diagrama de fora e deformao, em papel milimetrado, medida em que o ensaio realizado.

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica Entre as cabeas e a parte til h um raio de concordncia para evitar que a ruptura ocorra fora da parte til do corpo de prova (Lo). Segundo a ABNT, o comprimento da parte til dos corpos de prova utilizados nos ensaios de trao deve corresponder a 5 vezes o dimetro da seo da parte til. Por acordo internacional, sempre que possvel um corpo de prova deve ter 10mm de dimetro e 50mm de comprimento inicial. No sendo possvel a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se adotar um corpo com dimenses proporcionais a essas. Corpos de prova com seo retangular so geralmente retirados de placas, chapas ou lminas. Suas dimenses e tolerncias de usinagem so normalizadas pela ISO/R377 enquanto no existir norma brasileira correspondente. A norma brasileira (BR 6152, dez./1980) somente indica que os corpos de prova devem apresentar bom acabamento de superfcie e ausncia de trincas. Dica Para obter informaes mais detalhadas sobre corpos de provas, consulte a norma tcnica especfica. Em materiais soldados, podem ser retirados corpos de prova com a solda no meio ou no sentido longitudinal da solda, como voc pode observar nas figuras a seguir.

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Corpos de provaO ensaio de trao feito em corpos de prova com caractersticas especificadas de acordo com normas tcnicas. Suas dimenses devem ser adequadas capacidade da mquina de ensaio. Normalmente utilizam-se corpos de prova de seo circular ou de seo retangular, dependendo da forma e tamanho do produto acabado do qual foram retirados, como mostram as ilustraes a seguir.

A parte til do corpo de prova, identificada no desenho anterior por Lo, 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 mquina de modo que a fora de trao atuante seja axial. Devem ter seo maior do que a parte til para que a ruptura do corpo de prova no ocorra nelas. Suas dimenses e formas dependem do tipo de fixao mquina. Os tipos de fixao mais comuns so:

cunha

rosca

flange 11

Os ensaios dos corpos de prova soldados normalmente determinam apenas o limite de resistncia trao. Isso porque, ao efetuar o ensaio de trao de um corpo de prova com solda, tensiona-se simultaneamente dois materiais de propriedades diferentes (metal de base e metal de solda). Os valores obtidos no ensaio no representam as propriedades nem de um nem de outro material, pois umas so afetadas pelas outras. O limite de resistncia trao tambm afetado por esta interao, mas determinado mesmo assim para finalidades prticas.

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3 Ciclo de Tcnico em Mecnica 4. Assinale com um X a nica frase falsa sobre ensaios de corpos de prova com solda. a) ( ) possvel retirar corpos de prova de materiais soldados para ensaios de trao; b) ( ) Nos ensaios de corpos de prova de materiais soldados so tensionados, ao mesmo tempo, dois materiais com propriedades diferentes; c) ( ) Os valores obtidos nos ensaios de trao de materiais soldados so vlidos apenas para o metal de base; d) ( ) O limite de resistncia trao, nos ensaios de trao de materiais soldados, afetado pela interao do metal de base e do metal de solda.

o

Preparao do corpo de prova para o ensaio de traoO primeiro procedimento consiste em identificar o material do corpo de prova. Corpos de prova podem ser obtidos a partir da matria-prima ou de partes especficas do produto acabado. Depois, deve-se medir o dimetro do corpo de prova em dois pontos no comprimento da parte til, utilizando um micrmetro, e calcular a mdia. Por fim, deve-se riscar o corpo de prova, isto , traar as divises no comprimento til. Num corpo de prova de 50mm de comprimento, as marcaes devem ser feitas de 5 em 5 milmetros.

Como calcular o alongamentoImagine que voc v produzir uma pea por estamparia ou dobramento, por exemplo. Voc precisar obter uma deformao maior que a desejada, porque aps aliviar a fora aplicada o material sofrer uma recuperao nas suas dimenses, igual ao alongamento elstico. Se o alongamento elstico for conhecido, isto ser fcil. Se no, s na tentativa e a imagine o prejuzo em retrabalhar as ferramentas. O alongamento elstico pode ser medido de forma direta por meio de um aparelho chamado extensmetro, que acoplado ao corpo de prova.

Assim preparado, o corpo de prova estar pronto para ser fixado mquina de ensaio. E voc deve estar igualmente preparado para resolver os exerccios apresentados a seguir.

Exerccios 1. Escreva V se a frase for verdadeira ou F se for falsa: ( ) O formato do corpo de prova e o mtodo adotado afetam os resultados do ensaio de trao. 2. Analise o desenho a seguir e assinale com um X a letra que identifica a parte til do corpo de prova.

a) b) c) d)

( ) ( ) ( ) ( )

Voc j viu que o alongamento plstico define a ductilidade do material: quanto maior o alongamento plstico, maior a facilidade de deformar o material. Pelo alongamento, podemos saber para que tipo de processo de produo um material indicado (forja a frio, laminao, estamparia profunda, etc.). A frmula para calcular o alongamento voc j aprendeu na Aula 2 deste mdulo:

3. Assinale com um X a alternativa que completa a frase corretamente: Segundo a ABNT, o comprimento da parte til dos corpos de prova utilizados nos ensaios de trao deve ser: a) ( ) 5 vezes maior que o dimetro; b) ( ) 6 vezes maior que o dimetro; c) ( ) 8 vezes maior que o dimetro; d) ( ) o dobro do dimetro. 12

A=

Lf - Lo Lo

Ensaios Tecnolgicos O comprimento inicial (Lo) foi medido antes de se submeter o corpo de prova ao ensaio. Portanto, para calcular o alongamento, resta saber qual o comprimento final (Lf). Voc est lembrado daqueles riscos transversais que foram feitos na preparao do corpo de prova? Pois ! A parte til do corpo de prova ficou dividida em certo nmero (n) de partes iguais. Agora voc vai saber para que serve essa marcao. A primeira coisa a fazer juntar, da melhor forma possvel, as duas partes do corpo de prova. Depois, procura-se o risco mais prximo da ruptura e contase a metade das divises (n/2) para cada lado. Mede-se ento o comprimento final, que corresponde distncia entre os dois extremos dessa contagem.

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica No seria nada agradvel uma queda do vigsimo andar. , mas isto aconteceria se a solicitao ultrapassasse o limite elstico, porque qualquer solicitao acima do limite elstico causa deformao permanente. Portanto, o limite elstico a mxima tenso a que uma pea pode ser submetida. Por isso, o conhecimento de seu valor fundamental para qualquer aplicao. A rigor, a determinao do limite elstico deveria ser feita por carregamentos e descarregamentos sucessivos, at que se alcanasse uma tenso que mostrasse, com preciso, uma deformao permanente. Este processo muito trabalhoso e no faz parte dos ensaios de rotina. Porm, devido importncia de se conhecer o limite elstico, em 1939 um cientista chamado Johnson props um mtodo para determinar um limite elstico aparente, que ficou conhecido como limite Johnson. O limite Johnson corresponde tenso na qual a velocidade de deformao 50% maior que na origem. Veja como determinar o limite Johnson na prtica, acompanhando os passos explicados a seguir. 1. Trace uma reta perpendicular ao eixo das tenses, fora da regio da curva tenso-deformao (F-D).

o

Este o mtodo para determinar o comprimento final quando a ruptura ocorre no centro da parte til do corpo de prova. Mas, se a ruptura ocorrer fora do centro, de modo a no permitir a contagem de n/2 divises de cada lado, deve-se adotar o seguinte procedimento normalizado: Toma-se o risco mais prximo da ruptura. Conta-se n/2 divises de um dos lados. Acrescentam-se ao comprimento do lado oposto quantas divises forem necessrias para completar as n/2 divises. A medida de Lf ser a somatria de L+ L, conforme mostra a figura a seguir.

2. Prolongue a reta da zona elstica, a partir do ponto O, at que ela corte a reta FD no ponto E.

Determinao do limite elstico ou de proporcionalidadePara sentir a importncia desta propriedade, imagine-se dentro de um elevador, que funciona preso por um cabo de ao. O que aconteceria se o cabo se alongasse um pouquinho toda vez que o elevador subisse ou descesse? O cabo de ao iria ficar cada vez mais fino, at que a sua espessura se tornasse tal que no suportaria mais o peso da cabine (e com voc l dentro!). 13

Ensaios Tecnolgicos 3. Remarque o ponto D de modo que a medida do segmento FD seja igual a uma vez e meia o segmento FE.

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica

o

Ele obtido verificando-se a parada do ponteiro na escala da fora durante o ensaio e o patamar formado no grfico exibido pela mquina. Com esse dado possvel calcular o limite de escoamento do material. 4. Trace a reta OD. Entretanto, vrios metais no apresentam escoamento, e mesmo nas ligas em que ocorre ele no pode ser observado, na maioria dos casos, porque acontece muito rpido e no possvel detect-lo. Por essas razes, foram convencionados alguns valores para determinar este limite. O valor convencionado (n) corresponde a um alongamento percentual. Os valores de uso mais freqente so: n = 0,2%, para metais e ligas metlicas em geral; n = 0,1%, para aos ou ligas no ferrosas mais duras; n = 0,01%, para aos-mola. Graficamente, o limite de escoamento dos materiais citados pode ser determinado pelo traado de uma linha paralela ao trecho reto do diagrama tenso-deformao, a partir do ponto n. Quando essa linha interceptar a curva, o limite de escoamento estar determinado, como mostra a figura.

5. Trace a reta MN paralela a OD, tangenciando a curva tenso-deformao.

O limite Johnson o valor de tenso do ponto tangencial (A).

Tenso no limite de resistnciaEste valor de tenso utilizado para a especificao dos materiais nas normas, pois o nico resultado preciso que se pode obter no ensaio de trao e utilizado como base de clculo de todas as outras tenses determinadas neste ensaio.

Limite de escoamento: valores convencionaisO limite de escoamento , em algumas situaes, alternativa ao limite elstico, pois tambm delimita o incio da deformao permanente (um pouco acima).

14

Ensaios Tecnolgicos Exerccios Por exemplo, um ao 1080 apresenta um limite de resistncia de aproximadamente 700 MPa. Ao produzirmos novos lotes desse ao, devemos executar seu ensaio para verificar se ele realmente possui esta resistncia. Ou seja, esta especificao utilizada para comparar a resistncia de um ao produzido com o valor referencial da norma. Conhecer o limite de resistncia tambm til para comparar materiais. Por exemplo, um ao 1020 apresenta aproximadamente 400 MPa de resistncia trao. Este valor nos demonstra que o ao 1080 tem uma resistncia 300 MPa maior que o 1020. Apesar de no se utilizar este valor para dimensionar estruturas, ele servir de base para o controle de qualidade dessas ligas.

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica

o

1. Sabendo que o nmero de divises (n) do corpo de prova a seguir 10, represente o comprimento final (Lf).

2. Que propriedade mais importante determinar na prtica: o limite elstico ou o limite de ruptura? Justifique sua resposta. 3. a) b) c) d) O ( ( ( ( limite Johnson serve para determinar: ) o limite de resistncia efetiva; ) o limite elstico aparente; ) o limite de ruptura; ) o limite de escoamento.

Dificuldades com a tenso de ruptura difcil determinar com preciso o limite de ruptura, pois no h forma de parar o ponteiro da fora no instante exato da ruptura. Alm disso, o limite de ruptura no serve para caracterizar o material, pois quanto mais dctil ele , mais se deforma antes de romper-se.

4. Escreva V se a frase a seguir for verdadeira ou F se for falsa: ( ) Em alguns casos, em vez de determinar o limite elstico, podemos recorrer ao limite de escoamento para saber qual a carga mxima suportada por um corpo. 5. Complete a frase com a alternativa que a torna verdadeira: O conhecimento do limite de resistncia importante porque .................. a) o valor utilizado para dimensionar estruturas. b) o nico resultado preciso que se pode obter no ensaio de trao. Anotaes:

Calculando a estricoComo voc j estudou na Aula 3 deste mdulo, a estrico tambm uma medida da ductilidade do material. representada pela letra Z, e calculada pela seguinte frmula:

Z=

So - Sf So

onde So a rea de seo transversal inicial e Sf a rea de seo final, conhecida pela medio da regio fraturada.

Exemplo de relatrio de ensaio de traoInteressado(a): JJA Data: 22/12/2003 Material ensaiado (descrio): Ao 1020 Equipamento: Mquina universal Norma(s) seguida(s): ABNT - NBR 6152C.P. Comrea o n Mdio primento da til seo mm mm inicial mm2 1 10 Executante: 50 78,54 Limite de escoamento N 21991 Mpa 280 Limite de Alongamen- Estricresistncia to o N MPa mm Lf % mm % Df 24 6 64

32987 420 62 Visto:

E ento? Com todos os conceitos j aprendidos, a interpretao do relatrio relativamente simples, no mesmo? Para cada corpo de prova ensaiado so registrados os dados iniciais e depois o comportamento da fora de trao durante o ensaio. assim que se obtm os dados necessrios para oferecer maior segurana ao consumidor, desde o projeto ao produto final.

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Ensaios Tecnolgicos

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica

o

Ensaio de CompressoPodemos observar o esforo de compresso na construo mecnica, principalmente em estruturas e em equipamentos como suportes, bases de mquinas, barramentos etc. s vezes, a grande exigncia requerida para um projeto a resistncia compresso. Nesses casos, o projetista deve especificar um material que possua boa resistncia compresso, que no se deforme facilmente e que assegure boa preciso dimensional quando solicitado por esforos de compresso. O ensaio de compresso o mais indicado para avaliar essas caractersticas, principalmente quando se trata de materiais frgeis, como ferro fundido, madeira, pedra e concreto. tambm recomendado para produtos acabados, como molas e tubos. Porm, no se costuma utilizar ensaios de compresso para os metais. Estudando os assuntos desta aula, voc ficar sabendo quais as razes que explicam o pouco uso dos ensaios de compresso na rea da mecnica, analisar as semelhanas entre o esforo de compresso e o esforo de trao, j estudado nas aulas anteriores, e ficar a par dos procedimentos para a realizao do ensaio de compresso.

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

Nos ensaios de compresso, a lei de Hooke tambm vale para a fase elstica da deformao, e possvel determinar o mdulo de elasticidade para diferentes materiais. Na compresso, as frmulas para clculo da tenso, da deformao e do mdulo de elasticidade so semelhantes s que j foram demonstradas em aulas anteriores para a tenso de trao. Por isso, sero mostradas de maneira resumida, no quadro a seguir.Relaes vlidas para os esforos de compresso Frmula Significado T tenso de compresso F fora de compresso F S rea da seo do corpo =

O que a compresso e a trao tm em comumDe modo geral, podemos dizer que a compresso um esforo axial, que tende a provocar um encurtamento do corpo submetido a este esforo. Nos ensaios de compresso, os corpos de prova so submetidos a uma fora axial para dentro, distribuda de modo uniforme em toda a seo transversal do corpo de prova.

T

S

Lo - Lf = Lo T E=

deformao Lo Lf variao do comprimento do corpo Lo comprimento inicial do corpo E T mdulo de elasticidade tenso deformao

Est na hora de resolver um exerccio para testar seu entendimento do assunto. Consulte as frmulas, se necessrio. Verificando o entendimento Do mesmo modo que o ensaio de trao, o ensaio de compresso pode ser executado na mquina universal de ensaios, com a adaptao de duas placas lisas - uma fixa e outra mvel. entre elas que o corpo de prova apoiado e mantido firme durante a compresso. As relaes que valem para a trao valem tambm para a compresso. Isso significa que um corpo submetido a compresso tambm sofre uma deformao elstica e a seguir uma deformao plstica. Na fase de deformao elstica, o corpo volta ao tamanho original quando se retira a carga de compresso. 16 Um corpo de prova de ao com dimetro d = 20mm e comprimento L = 60mm ser submetido a um ensaio de compresso. Se for aplicada uma fora F de 100.000 N, qual a tenso absorvida pelo corpo de prova (T) e qual a deformao do mesmo ()? O mdulo de elasticidade do ao (E) igual a 210.000 MPa. Respostas: T = ............................... e = ............................. Que tal conferir? Compare seus procedimentos com os apresentados a seguir.

Ensaios Tecnolgicos Em primeiro lugar, voc deve ter calculado a rea da seo do corpo de prova aplicando a frmula:3,14 (20) 2 3,14 x 400 D2 = 3,14 x 100 = 314mm 2 = S= 4 4 4 Conhecendo a rea da seo, possvel calcular a tenso de compresso aplicando a frmula: S=

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica Outro problema a possvel ocorrncia de flambagem, isto , encurvamento do corpo de prova. Isso decorre da instabilidade na compresso do metal dctil. Dependendo das formas de fixao do corpo de prova, h diversas possibilidades de encurvamento, conforme mostra a figura ao lado. A flambagem ocorre principalmente em corpos de prova com comprimento maior em relao ao dimetro. Por esse motivo, dependendo do grau de ductilidade do material, necessrio limitar o comprimento dos corpos de prova, que devem ter de 3 a 8 vezes o valor de seu dimetro. Em alguns materiais muito dcteis esta relao pode chegar a 1:1 (um por um). Outro cuidado a ser tomado para evitar a flambagem o de garantir o perfeito paralelismo entre as placas do equipamento utilizado no ensaio de compresso. Deve-se centrar o corpo de prova no equipamento de teste, para garantir que o esforo de compresso se distribua uniformemente.

o

T=

100.000N F T= 318,47 N/mm 2 = 318,47MPa 314mm 2 S

Para calcular a deformao sofrida pelo corpo de prova aplicando a frmula, =

Lo - Lf precisamos do comprimento Lo

inicial (60mm) e do comprimento final, que ainda no conhecemos. Mas sabemos que o mdulo de elasticidade deste ao de 210.000 MPa. Ento podemos calcular a deformao isolando esta varivel na frmula do mdulo de elasticidade:

E=

318,47MPa T T = 0,0015165 = = 210.000MPa E

Ensaio de compresso dcteis

em

materiais

Para obter a deformao em valor percentual, basta multiplicar o resultado anterior por 100, ou seja: 0,0015165 x 100 = 0,15165%. Isso significa que o corpo sofrer uma deformao de 0,15165% em seu comprimento, ou seja, de 0,09099mm. Como se trata de um ensaio de compresso, esta variao ser no sentido do encurtamento. Portanto, o comprimento final do corpo de prova ser de 59,909mm. Muito bem! Agora que voc j viu as semelhanas entre os esforos de trao e de compresso, que tal ir mais fundo para saber por que este tipo de ensaio nem sempre recomendvel?

Nos materiais dcteis a compresso vai provocando uma deformao lateral aprecivel. Essa deformao lateral prossegue com o ensaio at o corpo de prova se transformar num disco, sem que ocorra a ruptura.

Limitaes do ensaio de compressoO ensaio de compresso no muito utilizado para os metais em razo das dificuldades para medir as propriedades avaliadas neste tipo de ensaio. Os valores numricos so de difcil verificao, podendo levar a erros. Um problema que sempre ocorre no ensaio de compresso o atrito entre o corpo de prova e as placas da mquina de ensaio. A deformao lateral do corpo de prova barrada pelo atrito entre as superfcies do corpo de prova e da mquina. Para diminuir esse problema, necessrio revestir as faces superior e inferior do corpo de prova com materiais de baixo atrito (parafina, teflon etc).

por isso que o ensaio de compresso de materiais dcteis fornece apenas as propriedades mecnicas referentes zona elstica. As propriedades mecnicas mais avaliadas por meio do ensaio so: limite de proporcionalidade, limite de escoamento e mdulo de elasticidade.

Ensaio de compresso em materiais frgeisO ensaio de compresso mais utilizado para materiais frgeis. Uma vez que nesses materiais a fase elstica muito pequena, no possvel determinar com preciso as propriedades relativas a esta fase. A nica propriedade mecnica que avaliada nos ensaios de compresso de materiais frgeis o seu limite de resistncia compresso. Do mesmo modo que nos ensaios de trao, o limite de resistncia compresso calculado pela carga mxima dividida pela seo original do corpo de prova.

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Ensaios Tecnolgicos Relembrando Frmula matemtica para clculo do limite de resistncia:

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica Ensaios em molas - Para determinar a constante elstica de uma mola, ou para verificar sua resistncia, faz-se o ensaio de compresso. Para determinar a constante da mola, constri-se um grfico tenso-deformao, obtendo-se um coeficiente angular que a constante da mola, ou seja, o mdulo de elasticidade. Por outro lado, para verificar a resistncia da mola, aplicam-se cargas predeterminadas e mede-se a altura da mola aps cada carga.

o

LR =

Fmax onde Fmax corresponde carga mxima atingida So

aps o escoamento e So corresponde rea inicial da seo. Com essa informao, fica fcil resolver o prximo exerccio. Vamos tentar? Verificando o entendimento Qual o limite de resistncia compresso (LR) de um materi2 al que tem 400mm de rea da seo transversal e que se rompeu com uma carga de 760 kN? Resposta: LR =............................................ Confira. Sabendo que a frmula para clculo do limite de resistncia tenso de compresso :

LR =

Fmax So2 760.000N = 1.900N/mm = 1.900MPa 2 400mm

basta substituir os termos da frmula pelos valores conhecidos:

LR =

Na prtica, considera-se que o limite de resistncia compresso cerca de 8 vezes maior que o limite de resistncia trao. No sendo vivel a realizao do ensaio de compresso, esta relao tomada como base para o clculo da resistncia compresso.

Ensaio de compresso em produtos acabadosEnsaios de achatamento em tubos - Consiste em colocar uma amostra de um segmento de tubo deitada entre as placas da mquina de compresso e aplicar carga at achatar a amostra.

Fim da aula! Hora de rever a matria e se preparar para resolver os exerccios apresentados a seguir. Pelos resultados, voc ter uma medida do seu progresso. Anotaes: A distncia final entre as placas, que varia conforme a dimenso do tubo, deve ser registrada. O resultado avaliado pelo aparecimento ou no de fissuras, ou seja, rachaduras, sem levar em conta a carga aplicada. Este ensaio permite avaliar qualitativamente a ductilidade do material, do tubo e do cordo de solda do mesmo, pois quanto mais o tubo se deformar sem trincas, mais dctil ser o material.

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Ensaios Tecnolgicos Exerccios Marque com um X a resposta correta: 1. Garantir o paralelismo entre as placas da mquina de ensaio e limitar o comprimento dos corpos de prova, nos ensaios de compresso, so cuidados necessrios para evitar ................. ............................................................. a) ( ) a flambagem; b) ( ) o atrito; c) ( ) a ruptura; d) ( ) o achatamento. 2. Na compresso de metais dcteis no possvel determinar: a) ( ) o limite elstico; b) ( ) o limite de escoamento; c) ( ) a deformao; d) ( ) o limite de ruptura. 3. Nos ensaios de compresso de materiais frgeis, a propriedade mecnica avaliada : a) ( ) limite de proporcionalidade; b) ( ) limite de elasticidade; c) ( ) limite de resistncia; d) ( ) limite de escoamento. 4. Ensaios de compresso costumam ser realizados em produtos acabados, tais como: a) ( ) barras e chapas; b) ( ) tubos e molas; c) ( ) molas e mancais; d) ( ) tubos e discos. 5. Sabendo que um ferro fundido apresenta 200 MPa de resistncia trao, qual o valor aproximado da resistncia compresso deste material?

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica No caso de metais, podemos praticar o cisalhamento com tesouras, prensas de corte, dispositivos especiais ou simplesmente aplicando esforos que resultem em foras cortantes. Ao ocorrer o corte, as partes se movimentam paralelamente, por escorregamento, uma sobre a outra, separandose. A esse fenmeno damos o nome de cisalhamento. Todo material apresenta certa resistncia ao cisalhamento. Saber at onde vai esta resistncia muito importante, principalmente na estamparia, que envolve corte de chapas, ou nas unies de chapas por solda, por rebites ou por parafusos, onde a fora cortante o principal esforo que as unies vo ter de suportar. Nesta aula voc ficar conhecendo dois modos de calcular a tenso de cisalhamento: realizando o ensaio de cisalhamento e utilizando o valor de resistncia trao do material. E ficar sabendo como so feitos os ensaios de cisalhamento de alguns componentes mais sujeitos aos esforos cortantes.

o

A fora que produz o cisalhamentoAo estudar os ensaios de trao e de compresso, voc ficou sabendo que, nos dois casos, a fora aplicada sobre os corpos de prova atua ao longo do eixo longitudinal do corpo.

No caso do cisalhamento, a fora aplicada ao corpo na direo perpendicular ao seu eixo longitudinal.

Ensaio de CisalhamentoPode ser que voc no tenha se dado conta, mas j praticou o cisalhamento muitas vezes em sua vida. Afinal, ao cortar um tecido, ao fatiar um pedao de queijo ou cortar aparas do papel com uma guilhotina, estamos fazendo o cisalhamento. 19

Esta fora cortante, aplicada no plano da seo transversal (plano de tenso), provoca o cisalhamento. Como resposta ao esforo cortante, o material desenvolve em cada um dos pontos de sua seo transversal uma reao chamada resistncia ao cisalhamento. A resistncia de um material ao cisalhamento, dentro de uma determinada situao de uso, pode ser determinada por meio do ensaio de cisalhamento.

Ensaios Tecnolgicos

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica

o

Como feito o ensaio de cisalhamentoA forma do produto final afeta sua resistncia ao cisalhamento. por essa razo que o ensaio de cisalhamento mais freqentemente feito em produtos acabados, tais como pinos, rebites, parafusos, cordes de solda, barras e chapas. tambm por isso que no existem normas para especificao dos corpos de prova. Quando o caso, cada empresa desenvolve seus prprios modelos, em funo das necessidades. Do mesmo modo que nos ensaios de trao e de compresso, a velocidade de aplicao da carga deve ser lenta, para no afetar os resultados do ensaio. Normalmente o ensaio realizado na mquina universal de ensaios, qual se adaptam alguns dispositivos, dependendo do tipo de produto a ser ensaiado. Para ensaios de pinos, rebites e parafusos utiliza-se um dispositivo como o que est representado simplificadamente na figura a seguir. No caso de ensaio de chapas, emprega-se um estampo para corte, como o que mostrado a seguir.

Neste ensaio normalmente determina-se somente a tenso de cisalhamento, isto , o valor da fora que provoca a ruptura da seo transversal do corpo ensaiado. Quer saber mais sobre a tenso de cisalhamento? Ento, estude o prximo tpico.

Tenso de cisalhamentoA tenso de cisalhamento ser aqui identificada por TC. Para calcular a tenso de cisalhamento, usamos a frmula

TC =

F S

onde F representa a fora cortante e S representa

a rea do corpo. Esta frmula permite resolver o problema a seguir. Vamos tentar? Verificando o entendimento Observe o desenho a seguir. Ele mostra um rebite de 20mm de dimetro que ser usado para unir duas chapas de ao, devendo suportar um esforo cortante de 29400 N. Qual a tenso de cisalhamento sobre a seo transversal do rebite?

O dispositivo fixado na mquina de ensaio e os rebites, parafusos ou pinos so inseridos entre as duas partes mveis. Ao se aplicar uma tenso de trao ou compresso no dispositivo, transmite-se uma fora cortante seo transversal do produto ensaiado. No decorrer do ensaio, esta fora ser elevada at que ocorra a ruptura do corpo. No caso de ensaio de solda, utilizam-se corpos de prova semelhantes aos empregados em ensaios de pinos. S que, em vez dos pinos, utilizam-se junes soldadas. Para ensaiar barras, presas ao longo de seu comprimento, com uma extremidade livre, utiliza-se o dispositivo ao lado 20

Resposta: ...................................................

Ensaios Tecnolgicos Vamos conferir? O primeiro passo consiste em calcular a rea da seo transversal do rebite, que dada pela frmula: S = Ento, a rea da seo do rebite :

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica

o

TC =

x D2 4

F Sxn

Isolando o n, que o fator que nos interessa descobrir, chegamos frmula para o clculo do nmero de rebites:

3,14 x 20 2 1.256mm 2 = 314mm 2 S= = 4 4Agora, basta aplicar a frmula para o clculo da tenso de cisalhamento: TC =

n=

F TC x S

F S

No exemplo que estamos analisando, sabemos que: as chapas suportaro uma fora cortante (F) de 20.000 N o dimetro (D) de cada rebite de 4mm a tenso de trao (T) suportada por cada rebite 650 MPa Portanto, j temos todos os dados necessrios para o clculo do nmero de rebites que devero unir as chapas. Basta organizar as informaes disponveis. No temos o valor da tenso de cisalhamento dos rebites, mas sabemos que ela equivale a 75% da tenso de trao, que conhecida. Ento, podemos calcular: TC = 0,75 T TC = 0,75 x 650 TC = 487,5 Mpa Conhecendo o dimetro de cada rebite, podemos calcular a rea da sua seo transversal:

Deste modo: TC =

29400N = 93,63MPa 314mm 2

A realizao de sucessivos ensaios mostrou que existe uma relao constante entre a tenso de cisalhamento e a tenso de trao. Na prtica, considera-se a tenso de cisalhamento (TC) equivalente a 75% da tenso de trao (T). Em linguagem matemtica isto o mesmo que: TC = 0,75 T. por isso que, em muitos casos, em vez de realizar o ensaio de cisalhamento, que exige os dispositivos j vistos, utilizamse os dados do ensaio de trao, mais facilmente disponveis.

Uma aplicao prticaO conhecimento da relao entre a tenso de cisalhamento e a tenso de trao permite resolver inmeros problemas prticos, como o clculo do nmero de rebites necessrios para unir duas chapas, sem necessidade de recorrer ao ensaio de cisalhamento. Como fazer isso? Preste ateno. Imagine que precisemos unir duas chapas, como mostra a ilustrao a seguir.

S=

x D2 4 3,14 x 4 2 50,24mm 2 S= S= S = 12,56mm 2 4 4

Agora, basta transportar os valores conhecidos para a frmula:n= 20.000N 20.000N F n= n= 6.123MPa x mm 2 487,5MPa x 12,56mm 2 TC x S

Como des.

N igual a MPa, podemos cancelar estas unidamm 2

Ento, o nmero de rebites ser: n = 3,266 rebites Por uma questo de segurana, sempre aproximamos o resultado para maior. Assim, podemos concluir que precisamos de 4 rebites para unir as duas chapas anteriores. Sabemos que a tenso de cisalhamento que cada rebite suporta igual a: TC =

F S

Ainda no sabemos qual o nmero de rebites necessrios, por isso vamos cham-lo de n. A tenso de cisalhamento ser ento distribuda pela rea de cada rebite, multiplicada pelo nmero de rebites (S x n). Conseqentemente, a frmula para clculo da tenso de cisalhamento sobre as chapas ser expressa por:

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Ensaios Tecnolgicos Exerccios 1. No cisalhamento, as partes a serem cortadas se movimentam paralelamente por ......................... uma sobre a outra. 2. A fora que faz com que ocorra o cisalhamento chamada de fora ......................... 3. Os dispositivos utilizados no ensaio de cisalhamento, normalmente so adaptados na mquina ......................... 4. Um rebite usado para unir duas chapas de ao. O dimetro do rebite de 6mm e o esforo cortante de 10.000 N. Qual a tenso de cisalhamento no rebite? 5. Duas chapas de ao devero ser unidas por meio de rebites. Sabendo que essas chapas devero resistir a uma fora cortante de 30.000 N e que o nmero mximo de rebites que podemos colocar na juno 3, qual dever ser o dimetro de cada rebite? (A tenso de trao do material do rebite de 650 Mpa).

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica ta livre. Os dois corpos esto sofrendo a ao de uma fora F, que age na direo perpendicular aos eixos dos corpos.

o

A fora F leva uma regio dos corpos a se contrair, devido compresso, enquanto que outra regio se alonga, devido trao. Entre a regio que se contrai e a que se alonga fica uma linha que mantm sua dimenso inalterada - a chamada linha neutra. Em materiais homogneos, costuma-se considerar que a linha neutra fica a igual distncia das superfcies externas inferior e superior do corpo ensaiado.

Dobramento e FlexoImagine-se sentado beira de uma piscina, numa bela tarde ensolarada, completamente relaxado, apenas observando o movimento. De repente, voc v algum dando um salto do trampolim. Se voc prestar ateno, vai observar que a prancha se deforma sob o peso do atleta e depois volta sua forma original. Sem dvida, um dos fatores que contribuem para a beleza do salto a capacidade da prancha do trampolim de suportar o esforo aplicado. Agora, pense no que aconteceria se a prancha do trampolim se dobrasse em vez de voltar sua forma original. Seria catastrfico! Neste caso e em muitos outros, importante conhecer o comportamento dos materiais frente a esse tipo de esforo. Por exemplo, j lhe aconteceu de estar parado sobre uma ponte, num congestionamento, sentindo o cho tremer sob as rodas do seu carro enquanto os veculos ao seu lado se movem? Sorte sua o fato de a ponte balanar. Isso significa que a estrutura estava suportando o esforo produzido pelo peso dos veculos. So situaes como essas que mostram a importncia de saber como os corpos reagem aos esforos de flexo e dobramento, assuntos que sero tratados nesta aula. Alm disso, voc ficar conhecendo os procedimentos para a realizao dos ensaios de dobramento e flexo e saber identificar as propriedades avaliadas em cada caso. Quando esta fora provoca somente uma deformao elstica no material, dizemos que se trata de um esforo de flexo. Quando produz uma deformao plstica, temos um esforo de dobramento. Isso quer dizer que, no fundo, flexo e dobramento so etapas diferentes da aplicao de um mesmo esforo, sendo a flexo associada fase elstica e o dobramento fase plstica. Em algumas aplicaes industriais, envolvendo materiais de alta resistncia, muito importante conhecer o comportamento do material quando submetido a esforos de flexo. Nesses casos, o ensaio interrompido no final da fase elstica e so avaliadas as propriedades mecnicas dessa fase. Quando se trata de materiais dcteis, mais importante conhecer como o material suporta o dobramento. Nesses casos, feito diretamente o ensaio de dobramento, que fornece apenas dados qualitativos. O ensaio de flexo e o ensaio de dobramento utilizam praticamente a mesma montagem, adaptada mquina universal de ensaios: dois roletes, com dimetros determinados em funo do corpo de prova, que funcionam como apoios, afastados entre si a uma distncia preestabelecida; um cutelo semicilndrico, ajustado parte superior da mquina de ensaios.

Da flexo ao dobramentoObserve as duas figuras a seguir: a da esquerda mostra um corpo apoiado em suas duas extremidades e a da direita mostra um corpo preso de um lado, com a extremidade opos22

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o

O valor da carga, na maioria das vezes, no importa. O ngulo determina a severidade do ensaio e geralmente de 90, 120 ou 180. Ao se atingir o ngulo especificado, examina-se a olho nu a zona tracionada, que no deve apresentar trincas, fissuras ou fendas. Caso contrrio, o material no ter passado no ensaio.

Esses ensaios podem ser feitos em corpos de prova ou em produtos, preparados de acordo com normas tcnicas especficas. Embora possam ser feitos no mesmo equipamento, na prtica esses dois ensaios no costumam ser feitos juntos. por isso que, nesta aula, abordaremos cada um deles separadamente. Que tal comear pelo ensaio de dobramento, que menos complicado?

Processos de dobramentoH dois processos de dobramento: o dobramento livre e o dobramento semiguiado. Veja, a seguir, as caractersticas de cada um. Dobramento livre - obtido pela aplicao de fora nas extremidades do corpo de prova, sem aplicao de fora no ponto mximo de dobramento.

O ensaio de dobramentoExperimente dobrar duas barras de um metal: por exemplo, uma de alumnio recozido e outra de alumnio encruado. Voc vai observar que a de alumnio recozido dobra-se totalmente, at uma ponta encostar na outra. A de alumnio encruado, ao ser dobrada, apresentar trincas e provavelmente quebrar antes de se atingir o dobramento total. O ensaio de dobramento isso: ele nos fornece somente uma indicao qualitativa da ductilidade do material. Normalmente os valores numricos obtidos no tm qualquer importncia.

Dobramento semiguiado - O dobramento vai ocorrer numa regio determinada pela posio do cutelo.

Como feito o ensaio de dobramentoO ensaio consiste em dobrar um corpo de prova de eixo retilneo e seo circular (macia ou tubular), retangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados a uma distncia especificada, de acordo com o tamanho do corpo de prova, por meio de um cutelo, que aplica um esforo perpendicular ao eixo do corpo de prova, at que seja atingido um ngulo desejado.

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3 Ciclo de Tcnico em Mecnica

o

Ensaio de dobramento em barras para construo civilBarras de ao usadas na construo civil so exemplos de materiais que, alm de apresentarem resistncia mecnica, devem suportar dobramentos severos durante sua utilizao, e por isso so submetidos a ensaio de dobramento. Esta caracterstica to importante que normalizada e classificada em normas tcnicas. Neste caso, o ensaio consiste em dobrar a barra at se atingir um ngulo de 180 com um cutelo de dimenso especificada de acordo com o tipo de ao da barra - quanto maior a resistncia do ao, maior o cutelo. O dobramento normalmente do tipo semiguiado. A aprovao da barra dada pela ausncia de fissuras ou fendas na zona tracionada do corpo de prova.

Nos materiais frgeis, as flexas medidas so muito pequenas. Conseqentemente, para determinar a tenso de flexo, utilizamos a carga que provoca a fratura do corpo de prova.

Propriedades mecnicas avaliadasO ensaio de flexo fornece dados que permitem avaliar diversas propriedades mecnicas dos materiais. Uma dessas propriedades a tenso de flexo. Mas, para entender como calculada a tenso de flexo, necessrio saber o que vem a ser momento fletor. Isso no ser difcil se voc acompanhar o exemplo a seguir. Imagine uma barra apoiada em dois pontos. Se aplicarmos um esforo prximo a um dos apoios, a flexo da barra ser pequena. Mas, se aplicarmos o mesmo esforo no ponto central da barra, a flexo ser mxima.

Ensaio de dobramento em corpos de provas soldadosO 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. 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.

Agora que voc j aprendeu algumas noes sobre o ensaio de dobramento, que tal conhecer algumas caractersticas do ensaio de flexo? Este o assunto que ser tratado a seguir.

Logo, verificamos que a flexo da barra no depende s da fora, mas tambm da distncia entre o ponto onde a fora aplicada e o ponto de apoio. 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 pelo corpo. Na frmula para calcular o momento fletor, considerase a metade do valor da fora

O ensaio de flexoO ensaio de flexo realizado em materiais frgeis e em materiais resistentes, como o ferro fundido, alguns aos, estruturas de concreto e outros materiais que em seu uso so submetidos a situaes onde o principal esforo o de flexo. Como j foi dito, a montagem do corpo de prova para o ensaio de flexo semelhante do ensaio de dobramento. A novidade que se coloca um extensmetro no centro e embaixo do corpo de prova para fornecer a medida da deformao que chamamos de flexa, correspondente posio de flexo mxima. 24

F 2e a metade do comprimento til do corpo de prova

L 2

Ensaios Tecnolgicos A frmula matemtica para calcular o momento fletor :

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica momento de inrcia para corpos de seo retangular:

o

F L FL Mf = x M f = 2 2 4Outro elemento que voc precisa conhecer o momento de inrcia da seo transversal. Um exemplo o ajudar a entender do que estamos falando. A forma do material influencia muito sua resistncia flexo. Voc pode comprovar isso fazendo a seguinte experincia: arranje uma rgua de plstico ou de madeira, coloque-a deitada sobre dois pontos de apoio e aplique uma fora sobre a rgua, como mostra a figura a seguir.

J=

b x h3 12

Falta ainda um elemento para entender a frmula de clculo da tenso de flexo: o mdulo de resistncia da seo transversal, representado convencionalmente pela letra W. Trata-se de uma medida de resistncia em relao a um momento. Este mdulo significa para a flexo o mesmo que a rea da seo transversal significa para a trao. O valor deste mdulo conhecido dividindo-se o valor do momento de inrcia (J) pela distncia da linha neutra superfcie do corpo de prova (c).

Em linguagem matemtica:

W=

J c

Nos corpos de prova de seo circular, de materiais homogneos, a distncia c equivale metade do dimetro. Em corpos de seo retangular ou quadrada, considera-se a metade do valor da altura. Agora sim, j podemos apresentar a frmula para o clculo da tenso de flexo (TF):

TF = coloque a mesma rgua sobre os dois apoios, s que em p, como mostra a figura seguinte, e aplique uma fora equivalente aplicada antes.

Mf W

Uma vez realizado o ensaio, para calcular a tenso de flexo basta substituir as variveis da frmula pelos valores conhecidos. A combinao das frmulas anteriores, demonstrada a seguir, permite trabalhar diretamente com esses valores.Mf W FL FLc FL c J FL x TF = e W = TF = 4 TF = J 4J j 4 c 4 c

TF =

, Mf =

O valor da carga obtido no ensaio varia conforme o material seja dctil ou frgil. No caso de materiais dcteis, considerase a fora obtida no limite de elasticidade. Quando se trata de materiais frgeis, considera-se a fora registrada no limite de ruptura. Outras propriedades que podem ser avaliadas no ensaio de flexo so a flexa mxima e o mdulo de elasticidade. Pode-se medir a flexa mxima diretamente pelo extensmetro, ou calcul-la por meio de frmula. A frmula para o clculo da flexa mxima (f) : E ento? O que aconteceu? No primeiro caso, ocorreu uma grande flexo. No segundo, a flexo foi quase nula. Isso tudo s porque voc mudou a forma da superfcie sobre a qual estava aplicando a fora. Para cada formato existir um momento de inrcia diferente. O momento de inrcia (J) calculado por frmulas matemticas: momento de inrcia para corpos de seo circular:

f=

1 FL3 x 48 E x J

A frmula para o clculo do mdulo de elasticidade (E) :

E=

FL3 1 x f x J 48

J=

. D 4 6425

Acompanhe um exemplo prtico de aplicao das frmulas anteriores, participando da resoluo do prximo problema:

Ensaios Tecnolgicos Efetuado um ensaio de flexo num corpo de prova de seo circular, com 50mm de dimetro e 685mm de comprimento, registrou-se uma flexa de 1,66mm e a carga aplicada ao ser atingido o limite elstico era de 1.600N. Conhecendo estes dados, vamos calcular: 1 - tenso de flexo 2 - mdulo de elasticidade Vamos determinar primeiro a tenso de flexo. Para isso devemos recorrer frmula:

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica 3. No ensaio de dobramento de corpos soldados costumase medir: a) ( ) o alongamento da face da solda; b) ( ) o alongamento do corpo de prova; c) ( ) o comprimento do cordo de solda; d) ( ) o ngulo da solda. 4. No ensaio de flexo, o extensmetro utilizado para medir ............................... . a) a tenso aplicada; b) o tamanho do corpo de prova; c) a deformao do corpo de prova; d) o alongamento do corpo de prova. 5. Um corpo de prova de 30mm de dimetro e 600mm de comprimento foi submetido a um ensaio de flexo, apresentando uma flexa de 2mm sob uma carga de 360N. Determine: a) a tenso de flexo; b) o mdulo de elasticidade.

o

TF =

FLc 4J

Conhecemos o valor de F (1.600N), o valor de L (685mm) e o valor de c (25mm). Mas s poderemos aplicar esta frmula depois de descobrir o valor de J, que pode ser obtido pela frmula de clculo do momento de inrcia para corpos de seo circular:

J=

D 4 x 50 4 = = 306.640,62mm 4 64 64

Ensaios de Embutimento na estamparia que o ensaio de embutimento encontra sua principal aplicao. E voc sabe por qu? fcil encontrar resposta a esta pergunta: basta observar alguns objetos de uso dirio, como uma panela, a lataria dos automveis e outras tantas peas produzidas a partir de chapas metlicas, por processos de estampagem. A estampagem o processo de converter finas chapas metlicas em peas ou produtos, sem fratura ou concentrao de microtrincas. As chapas utilizadas neste processo devem ser bastante dcteis. Nesta aula, voc ficar sabendo como feito o ensaio de embutimento em chapas, para avaliar sua adequao operao de estampagem. E conhecer os dois principais mtodos de ensaio de embutimento.

Agora sim, podemos calcular a tenso de flexo pela frmula anterior. Para isso, basta substituir as variveis da frmula pelos valores conhecidos e fazer os clculos. Tente resolver e depois confira suas contas, para ver se chegou ao mesmo resultado apresentado a seguir.

TF =

1.600 x 685 x 25 = 22,34MPa 4 x 306.640,62

A prxima tarefa calcular o mdulo de elasticidade. Uma vez que todos os valores so conhecidos, podemos partir diretamente para a aplicao da frmula. Tente fazer isso sozinho, na sua calculadora, e depois confira com a resoluo apresentada a seguir.

E=

1 FL3 1 1.600 x 685 3 E= x x = 21.048MPa 48 f x J 48 1,66 x 306.640,62

No se preocupe em decorar as frmulas. Consulte-as sempre que necessrio. O importante que voc consiga identificar, em cada caso, a frmula mais adequada para resolver o problema apresentado. Para isso, necessrio analisar bem os dados do problema e verificar quais so os valores conhecidos e qual o valor procurado. O resto pode ficar por conta da calculadora, sob seu comando, claro! Exerccios 1. O esforo de flexo age na direo ............................ ao eixo de corpo de prova. a) paralela; b) angular; c) radial; d) perpendicular.

Ductilidade de chapasA operao de estampagem envolve dois tipos de deformaes: o estiramento, que o afinamento da chapa, e a estampagem propriamente dita, que consiste no arrastamento da chapa para dentro da cavidade da matriz por meio de um puno. Nessa operao, a chapa fica presa por um sujeitador que serve como guia para o arrastamento.

2. No mente: a) b) c) d)

ensaio de dobramento podemos avaliar qualitativa( ( ( ( ) ) ) ) o limite de proporcionalidade; o limite de resistncia ao dobramento; a ductilidade do material ensaiado; tenso mxima no dobramento. 26

Ensaios Tecnolgicos A ductilidade a caracterstica bsica para que o produto possa ser estampado. E j estudamos diversos ensaios que podem avaliar esta caracterstica - trao, compresso, dobramento etc. Ento, por que fazer um ensaio especfico para avaliar a ductilidade? Existe uma razo para isso: uma chapa pode apresentar diversas pequenas heterogeneidades, que no afetariam o resultado de ductilidade obtido no ensaio de trao. Mas, ao ser deformada a frio, a chapa pode apresentar pequenas trincas em conseqncia dessas heterogeneidades. Alm de trincas, uma pea estampada pode apresentar diversos outros problemas, como enrugamento, distoro, textura superficial rugosa, fazendo lembrar uma casca de laranja etc. A ocorrncia destes problemas est relacionada com a matria-prima utilizada. Nenhum dos ensaios que estudamos anteriormente fornece todas as informaes sobre a chapa, necessrias para que se possa prever estes problemas. Para evitar surpresas indesejveis, como s descobrir que a chapa inadequada ao processo de estampagem aps a produo da pea, foi desenvolvido o ensaio de embutimento. Este ensaio reproduz, em condies controladas, a estampagem de uma cavidade previamente estabelecida. Os ensaios de embutimento permitem deformar o material quase nas mesmas condies obtidas na operao de produo propriamente dita, s que de maneira controlada, para minimizar a variao nos resultados. Existem ensaios padronizados para avaliar a capacidade de estampagem de chapas. Os mais usados so os ensaios de embutimento Erichsen e Olsen, que voc vai estudar detalhadamente depois de adquirir uma viso geral sobre a realizao dos ensaios de embutimento. Esses ensaios so qualitativos e, por essa razo, os resultados obtidos constituem apenas uma indicao do comportamento que o material apresentar durante o processo de fabricao.

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica A chapa a ser ensaiada presa entre uma matriz e um anel de fixao, que tem por finalidade impedir que o material deslize para dentro da matriz. Depois que a chapa fixada, um puno aplica uma carga que fora a chapa a se abaular at que a ruptura acontea. Um relgio medidor de curso, graduado em dcimos de milmetro, fornece a medida da penetrao do puno na chapa. O resultado do ensaio a medida da profundidade do copo formado pelo puno no momento da ruptura. Alm disso, o exame da superfcie externa da chapa permite verificar se ela perfeita ou se ficou rugosa devido granulao, por ter sido usado um material inadequado.

o

Ensaio ErichsenNo caso do ensaio de embutimento Erichsen o puno tem cabea esfrica de 20mm de dimetro e a carga aplicada no anel de fixao que prende a chapa de cerca de 1.000 kgf.

Descrio do ensaioOs ensaios de embutimento so realizados por meio de dispositivos acoplados a um equipamento que transmite fora. Podem ser feitos na j conhecida mquina universal de ensaios, adaptada com os dispositivos prprios, ou numa mquina especfica para este ensaio, como a que mostramos abaixo.

O atrito entre o puno e a chapa poderia afetar o resultado do ensaio. Por isso, o puno deve ser lubrificado com graxa grafitada, de composio determinada em norma tcnica, para que o nvel de lubrificao seja sempre o mesmo. O momento em que ocorre a ruptura pode ser acompanhado a olho nu ou pelo estalo caracterstico de ruptura. Se a mquina for dotada de um dinammetro que mea a fora aplicada, pode-se determinar o final do ensaio pela queda brusca da carga que ocorre no momento da ruptura. A altura h do copo o ndice Erichsen de embutimento.

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Ensaios Tecnolgicos Existem diversas especificaes de chapas para conformao a frio, que estabelecem um valor mnimo para o ndice Erichsen, de acordo com a espessura da chapa ou de acordo com o tipo de estampagem para o qual a chapa foi produzida (mdia, profunda ou extraprofunda).

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica 4. A principal diferena entre os ensaios Erichsen e Olsen que: a) ( ) O Erichsen leva em conta a carga de ruptura e o Olsen, no; b) ( ) O Erichsen no leva em conta a carga de ruptura e o Olsen, sim; c) ( ) O Erichsen usa um puno esfrico e o Olsen, no; d) ( ) O Erichsen usa um anel de fixao e o Olsen, no. 5. De acordo com o ensaio Olsen, entre duas chapas que dem a mesma medida de copo, ser melhor para estampar aquela que apresentar: a) ( ) mais alta carga de ruptura; b) ( ) menor ductilidade; c) ( ) maior ductilidade; d) ( ) menor carga de ruptura.

o

Ensaio OlsenOutro ensaio de embutimento bastante utilizado o ensaio Olsen. Ele se diferencia do ensaio Erichsen pelo fato de utilizar um puno esfrico de 22,2mm de dimetro e pelos corpos de prova, que so discos de 76mm de dimetro.

Ensaio de ToroDiz o ditado popular: de pequenino que se torce o pepino! E quanto aos metais e outros materiais to usados no nosso dia-a-dia: o que dizer sobre seu comportamento quando submetidos ao esforo de toro? Este um assunto que interessa muito mais do que pode parecer primeira vista, porque vivemos rodeados por situaes em que os esforos de toro esto presentes. J lhe aconteceu de estar apertando um parafuso e, de repente, ficar com dois pedaos de parafuso nas mos? O esforo de toro o responsvel por estragos como esse. E o que dizer de um virabrequim de automvel, dos eixos de mquinas, polias, molas helicoidais e brocas? Em todos estes produtos, o maior esforo mecnico o de toro, ou seja, quando esses produtos quebram porque no resistiram ao esforo de toro. A toro diferente da compresso, da trao e do cisalhamento porque nestes casos o esforo aplicado no sentido longitudinal ou transversal, e na toro o esforo aplicado no sentido de rotao. O ensaio de toro de execuo relativamente simples, porm para obter as propriedades do material ensaiado so necessrios clculos matemticos complexos. Como na toro uma parte do material est sendo tracionada e outra parte comprimida, em casos de rotina podemos usar os dados do ensaio de trao para prever como o material ensaiado se comportar quando sujeito a toro. Estudando os assuntos desta aula, voc ficar sabendo que tipo de fora provoca a toro, o que momento torsor e qual a sua importncia, e que tipo de deformao ocorre nos corpos sujeitos a esforos de toro. Conhecer as especificaes dos corpos de prova para este ensaio e as fraturas tpicas resultantes do ensaio.

Olsen verificou que duas chapas supostamente semelhantes, pois deram a mesma medida de copo quando ensaiadas, precisavam de cargas diferentes para serem deformadas: uma delas necessitava do dobro de carga aplicado outra, para fornecer o mesmo resultado de deformao. Por isso, Olsen determinou a necessidade de medir o valor da carga no instante da trinca. Isso importante porque numa operao de estampagem deve-se dar preferncia chapa que se deforma sob a ao de menor carga, de modo a no sobrecarregar e danificar o equipamento de prensagem. Exerccios Marque com um X a resposta correta. 1. a) b) c) d) 2. de: a) b) c) d) O ensaio de embutimento serve para avaliar: ( ) a ductilidade de uma barra; ( ) a ductilidade de uma chapa; ( ) a dureza de uma chapa; ( ) a resistncia de uma chapa. O ensaio de embutimento aplicado no processo ( ( ( ( ) ) ) ) fundio; forjaria; estamparia; usinagem.

3. No ensaio Erichsen, o nico resultado numrico obtido : a) ( ) a profundidade do copo; b) ( ) o limite de escoamento; c) ( ) a carga de ruptura; d) ( ) dimetro do copo. 28

Ensaios Tecnolgicos

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica Como a fora que o motor transmite maior que a fora resistente da roda, o eixo tende a girar e, por conseqncia, a movimentar a roda. Esse esforo provoca uma deformao elstica no eixo, como mostra a ilustrao.

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Rotao e toroPense num corpo cilndrico, preso por uma de suas extremidades, como na ilustrao abaixo.

Imagine que este corpo passe a sofrer a ao de uma fora no sentido de rotao, aplicada na extremidade solta do corpo.

Analise com ateno o desenho anterior e observe que: D o dimetro do eixo e L, seu comprimento; a letra grega minscula (fi) o ngulo de deformao longitudinal; a letra grega minscula (teta) o ngulo de toro, medido na seo transversal do eixo; no lugar da fora de rotao, aparece um elemento novo: Mt, que representa o momento torsor. Veja a seguir o que momento torsor e como ele age nos esforos de toro.

Momento torsorO corpo tender a girar no sentido da fora e, como a outra extremidade est engastada, ele sofrer uma toro sobre seu prprio eixo. Se um certo limite de toro for ultrapassado, o corpo se romper. Voc est curioso para saber por que este esforo importante? Quem sabe uma situao concreta o ajude a visualizar melhor. O eixo de transmisso dos caminhes um timo exemplo para ilustrar como atua este esforo. Uma ponta do eixo est ligada roda, por meio do diferencial traseiro. A outra ponta est ligada ao motor, por intermdio da caixa de cmbio. No existe coisa mais chata que um pneu furar na hora errada. E os pneus sempre furam em hora errada! Se j lhe aconteceu de ter de trocar um pneu com uma chave de boca de brao curto, voc capaz de avaliar a dificuldade que representa soltar os parafusos da roda com aquele tipo de chave. Um artifcio simples ajuda a reduzir bastante a dificuldade de realizar esta tarefa: basta encaixar um cano na haste da chave, de modo a alongar o comprimento do brao.

O motor transmite uma fora de rotao a uma extremidade do eixo. Na outra extremidade, as rodas oferecem resistncia ao movimento. 29

Fica claro que o alongamento do brao da chave o fator que facilita o afrouxamento dos parafusos, sob efeito do momento da fora aplicada.

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3 Ciclo de Tcnico em Mecnica Quando necessrio verificar o comportamento de materiais, utilizam-se corpos de prova. Para melhor preciso do ensaio, empregam-se corpos de prova de seo circular cheia ou vazada, isto , barras ou tubos. Estes ltimos devem ter um mandril interno para impedir amassamentos pelas garras do aparelho de ensaio. Em casos especiais pode-se usar outras sees. Normalmente as dimenses no so padronizadas, pois raramente se escolhe este ensaio como critrio de qualidade de um material, a no ser em situaes especiais, como para verificar os efeitos de vrios tipos de tratamentos trmicos em aos, principalmente naqueles em que a superfcie do corpo de prova ou da pea a mais atingida. Entretanto, o comprimento e o dimetro do corpo de prova devem ser tais que permitam as medies de momentos e ngulos de toro com preciso e tambm que no dificultem o engastamento nas garras da mquina de ensaio. Por outro lado, tambm muito importante uma centragem precisa do corpo de prova na mquina de ensaio, porque a fora deve ser aplicada no centro do corpo de prova.

o

Momento de uma fora o produto da intensidade da fora (F) pela distncia do ponto de aplicao ao eixo do corpo sobre o qual a fora est sendo aplicada (C). Em linguagem matemtica, o momento de uma fora (Mf) pode ser expresso pela frmula: Mf = F x C. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de momento o newton metro (Nm). Quando se trata de um esforo de toro, o momento de toro, ou momento torsor, tambm chamado de torque.

Propriedades avaliadas no ensaio de toroA partir do momento torsor e do ngulo de toro pode-se elaborar um grfico semelhante ao obtido no ensaio de trao, que permite analisar as seguintes propriedades:

Equipamento para o ensaio de toroO ensaio de toro realizado em equipamento especfico: a mquina de toro. Esta mquina possui duas cabeas s quais o corpo de prova fixado. Uma das cabeas giratria e aplica ao corpo de prova o momento de toro. A outra est ligada a um pndulo que indica, numa escala, o valor do momento aplicado ao corpo de prova.

Estas propriedades so determinadas do mesmo modo que no ensaio de trao e tm a mesma importncia, s que so relativas a esforos de toro. Isso significa que, na especificao dos materiais que sero submetidos a esforos de toro, necessrio levar em conta que o mximo torque que deve ser aplicado a um eixo tem de ser inferior ao momento torsor no limite de proporcionalidade.

Fraturas tpicasO aspecto das fraturas varia conforme o corpo de prova seja feito de material dctil ou frgil. Os corpos de provas de materiais dcteis apresentam uma fratura segundo um plano perpendicular ao seu eixo longitudinal.

Corpo de prova para ensaio de toroEste ensaio bastante utilizado para verificar o comportamento de eixos de transmisso, barras de toro, partes de motor e outros sistemas sujeitos a esforos de toro. Nesses casos, ensaiam-se os prprios produtos. 30

Ensaios Tecnolgicos

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica 3. O material frgil, ao ser fraturado na toro, apresenta: a) ( ) fratura idntica ao material dctil; b) ( ) fratura perpendicular ao eixo do corpo de prova; c) ( ) fratura formando ngulo aproximado de 45 com o eixo do corpo de prova; d) ( ) fratura em ngulo diferente de 45 com o eixo do corpo de prova. 4. a) b) c) d) O ensaio de toro realizado .................................... . ( ) na mquina universal de ensaios; ( ) na prensa hidrulica; ( ) em equipamento especial para o ensaio; ( ) em dispositivo idntico ao do ensaio de trao.

o

Para materiais frgeis, a fratura se d segundo uma superfcie no plana, mas que corta o eixo longitudinal segundo uma linha que, projetada num plano paralelo ao eixo, forma 45 aproximadamente com o mesmo (fratura helicoidal).

5. Observe seu ambiente de trabalho e cite trs exemplos de equipamentos ou produtos onde o esforo de toro o principal.

Dureza BrinellAo escrever a lpis ou lapiseira, voc sente com facilidade a diferena entre uma grafite macia, que desliza suavemente sobre o papel, e uma grafite dura, que deixa o papel marcado. Entretanto, a dureza de um material um conceito relativamente complexo de definir, originando diversas interpretaes. Certamente os assuntos que voc acabou de estudar esto longe de esgotar a literatura disponvel sobre este tipo de ensaio. Dependendo de sua rea de trabalho e especialidade, ser necessrio um aprofundamento. Por ora, resolva os exerccios a seguir, para verificar se os conceitos gerais foram bem entendidos. Exerccios 1. Um corpo cilndrico est sob ao de uma fora de toro de 20 N, aplicada num ponto situado a 10mm do centro da sua seo transversal. Calcule o torque que est atuando sobre este corpo. 2. No diagrama abaixo, escreva: A no ponto que representa o limite de escoamento; B no ponto que representa o limite de proporcionalidade; C no ponto que representa o momento de ruptura; D no ponto que representa o momento mximo. Num bom dicionrio, voc encontra que dureza qualidade ou estado de duro, rijeza. Duro, por sua vez, definido como difcil de penetrar ou de riscar, consistente, slido. Essas definies no caracterizam o que dureza para todas as situaes, pois ela assume um significado diferente conforme o contexto em que empregada: Na rea da metalurgia, considera-se dureza como a resistncia deformao plstica permanente. Isso porque uma grande parte da metalurgia consiste em deformar plasticamente os metais. Na rea da mecnica, a resistncia penetrao de um material duro no outro, pois esta uma caracterstica que pode ser facilmente medida. Para um projetista, uma base de medida, que serve para conhecer a resistncia mecnica e o efeito do tratamento trmico ou mecnico em um metal. Alm disso, permite avaliar a resistncia do material ao desgaste. Para um tcnico em usinagem, a resistncia ao corte do metal, pois este profissional atua com corte de metais, e a maior ou menor dificuldade de usinar um metal caracterizada como maior ou menor dureza. Para um mineralogista a resistncia ao risco que um material pode produzir em outro. E esse um dos critrios usados para classificar minerais. Ou seja, a dureza no uma propriedade absoluta. S tem sentido falar em dureza quando se comparam materiais, isto , s existe um material duro se houver outro mole.

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Ensaios Tecnolgicos importante destacar que, apesar das diversas definies, um material com grande resistncia deformao plstica permanente tambm ter alta resistncia ao desgaste, alta resistncia ao corte e ser difcil de ser riscado, ou seja, ser duro em qualquer uma dessas situaes. Nesta aula voc vai conhecer um dos mtodos de ensaio de dureza mais amplamente utilizados: o ensaio de dureza Brinell. Saber quais so suas vantagens e limitaes e como calculada a dureza de um material a partir deste tipo de ensaio. Vai ser duro? Nem tanto! Estude com ateno e faa os exerccios sugeridos.

3 Ciclo de Tcnico em Mecnica uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esfrica de dimetro d. A dureza Brinell representada pelas letras HB. Est