Universidade de São PauloEscola de Engenharia de São Carlos

Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e

Automobilística

Ensaios Mecânicos

dos Materiais

SMM0193-Engenharia e Ciência dos Materiais I

Prof. Waldek W. Bose Filho

1

Fratura

Frágil

Dútil

Projeto contra Fallha

• Fratura:

“É a separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas ou mais partes

sob ação de uma tensão, devido ao início e propagação de uma trinca”

Fatores que afetam a fratura Taxa de deformação

Estado de tensão

-plano de tensões (triaxial de def.)

-triaxial de tensões (plano de def.)

Temperatura

Condições de Fratura

Torção

Fadiga

Tração

Fluência

Fratura frágil em Temperaturas Baixas

Fragilização por Hidrogênio

Fragilização no Tratamento Térmico

TIPOS DE TENSÕES E DEFORMAÇÕES QUE UM COMONENTE PODE

ESTAR SUJEITO

ou

compressão

Flexão

4

Como os metais são materiais estruturais, oconhecimento de suas propriedades mecânicas éfundamental para sua aplicação. As propriedadesdesejadas podem ser avaliadas pela medição:

■ Dureza

■ Tenacidade ao Impacto

■ Tração e Compressão

■ Flexão

■ Fadiga

■ Fluência

5

I. Dureza

6

Os ensaios de dureza são largamente utilizados para a especificação de

materiais. Entretanto, o conceito físico de dureza não têm o mesmo significado

para todos os utilizadores desta propriedade:

resistência à deformação plástica (metalurgista)

resistência à penetração de um material duro no outro (eng.mecânico)

uma base de medida da resistência, do T. T. ou mecânico e de sua

resistência ao desgaste (projetista)

resistência ao risco que um material pode fazer em outro (mineralogista)

Sob este ponto de vista os ensaios de dureza podem ser divididos em três

tipos principais:

por penetração

por choque

por risco

7

No caso de materiais de engenharia, o terceiro caso é raramenteempregado, sendo a escala Mohs (1822) a mais antiga para este tipo dedureza. Esta consiste em uma tabela de 10 minerais padrões, arranjadosem ordem crescente da possibilidade de ser riscado pelo mineralseguinte. Nesta ordem, tem-se o talco (1); gipstita (2); fluorita (3) eassim por diante até chegar no diamante (10).

Os dois primeiros tipos de dureza são mais empregados no ramo dametalurgia e da mecânica, sendo a dureza de penetração a maislargamente utilizada.

Nesta aula, serão vistos pormenores das dureza por penetração:- Brinell,- Rockwell- Vickers,- Meyer,- Microdureza- Dureza por choque Shore.

8

• Dureza Brinell: ASTM E10 - 15a Standard Test Method for Brinell Hardness of

Metallic Materials

1900 J. A Brinell HB Consiste de comprimir lentamente uma esfera de

aço, de diâmetro D, sobre uma superfície polida e limpa de um metal através de

uma carga Q, durante um tempo t.

dDD(D

Q2

p.D.

Q

S

QHB

22c

- Sc é a área superficial, p é a profundidade da impressão.

- d deve ser tomado como a média dos valores de duas

medidas realizadas a 90 uma da outra.

- - A dureza HB é definida em N/mm2.

- Q = 3000 kgf d = 10 mm Tabelas

No caso de metais moles ou peças pequenas existe a necessidade de diminuir-

se Q e d, respectivamente. Estas alterações devem obedecer certos critérios e

para metais duros (> 500 kgf/mm2) pode-se substituir a esfera de aço por uma

de W.

9

• A limitação da carga e do diâmetro da esfera proposta por Brinell pode

ser contornada se:

.constD

d

D

d

2sen

2

2

1

1

Uma aproximação pode ser feita considerando, esferas de 1, 2, 5 e 10 mm e que a

relação carga aplicada e diâmetro da esfera seja uma constante: KD

P2

sendo K :

30 para aços, fofos, e ligas duras;

10 para ligas de Cu e ligas de Al duras;

05 para ligas de Cu, Al e ligas anti-fricção

2,5 – 1 para ligas de Pb, Sn e metal patente.

O valor de 0,36 vale para aços doces, entretanto este valor pode mudar

para:

• 0,33 para aços T. T.

• 0,49 para Ni recozido

• 0,41 para Ni e latão encruado

• 0,52 para cobre recozido

• 0,40 para alumínio e suas ligas.

mm2

Kgf36,0 HB

r

Existem alguns erros e limitações do ensaio:

Deformação elástica

Impressão distorcida e deformação da esfera

Tamanho da impressão

Tratamentos superficiais

Planicidade das superfícies

No caso dos aços existe uma relação empírica entre dureza Brinell e o limite

de resistência, r, dada por:

Dureza Meyer

Meyer surgiu com uma definição mais racional da dureza do que a proposta por

Brinell. Neste caso a dureza seria baseada na área projetada e não na

superficial.

dr

QHM

QP

22

4

Meyer propôs uma relação empírica entre a carga e o tamanho da impressão,

normalmente chamada de lei de Meyer:

dkP 'n

onde k e n’ são constantes do material relacionados respectivamente a

resistência do metal à penetração e ao encruamento.

• Dureza Rockwell: ASTM E18 - 15a Standard Test Method for Rockwell

Hardness of Metallic Materials

A dureza Rockewell simbolizada por HR, elimina o tempo necessário para a medição de

qualquer dimensão da impressão causada, pois o resultado é diretamente lido na máquina

de ensaio, sendo portanto rápido e livre de erros pessoais.

Além disto, utilizando

penetradores pequenos, permite

distinguir pequenas diferenças de

dureza em aços duros e materiais

tratados superficialmente podem

ser testados sem danos.

(a) Máquina de dureza Rockwell. (b)

Etapas da medição com a

utilização de um penetrador

cônico de diamante.

pCCHR 21

C1 e C2 são constantes para cada escala usada (TABELADOS) e p é a diferença

em milímetros de profundidade, ou seja a diferença entre a profundidade com

aplicação da pré carga e a carga total

• Dureza Vickers: ASTM E92 - 15a Standard Test Method for Vickers Hardness

of Metallic Materials

Este tipo de dureza foi introduzido em 1925, e recebeu este nome porque aCompanhia Vickers-Armstrong Ltda, fabricou as máquinas mais conhecidaspara fornecer este tipo de dureza.

Método é baseado na penetração de uma pirâmide de base quadrada, com

ângulo entre as faces opostas de 136 feita de diamante. Um esquema do

penetrador é apresentado na figura abaixo:

L

Q8544,1

L

2

136senQ2

HV22

[kgf/mm2]

A seguinte relação entre a dureza Vickers e o limite de escoamento pode ser

feita: 2'n

e 1,03

HV

onde n’= n + 2 = expoente de Meyer.

VANTAGENS:

escala contínua

impressões pequenas

precisão de medida

deformação nula do penetrador

apenas uma escala de dureza

aplicação para toda a gama de materiais

qualquer espessura

ANOMALIAS:

(a) impressão perfeita, (b) impressão

defeituosa: afundamento e (c) impressão

defeituosa: aderência

Microdureza: ASTM E384 Standard Test Method for Microindentation

Hardness of Material

Muitas das aplicações da dureza Vickers está voltada para aplicações de microdureza.

Assim, para determinação de profundidade de camadas cementadas, temperadas, etc,

além da medição de durezas de fases ou microconstituintes podem ser feita pelo uso

da microdureza.

Quanto ao tipo de penetrador usado, há dois tipos de microdureza: Vickers e Knoop. A

microdureza Vickers usa a mesma técnica descrita anteriormente.

No caso da microdureza Knoop, o penetrador é do tipo apresentado na figura

(a) comparação do tamanho de impressões Knoop e Vickers para uma mesma

carga aplicada. (b) impressão Knoop em detalhes.

L

Q23,14

A

QHK

2mp

A expressão para obtenção da dureza Knoop pode ser dada como:

CUIDADOS:

preparação deve ser metalográfica

cargas pequenas podem resultar em recuperação elástica grande

problemas de afundamento e aderência

calibração frequente

conversão de micro para macro dureza somente para cargas

maiores do que 500gf.

Dureza Shore:

A dureza por choque é um ensaio dinâmico que produz a impressão num corpo de prova

por meio de um penetrador que bate na sua superfície plana. Esse choque pode ser

produzido por meio de um pêndulo (já abandonado) ou pela queda livre de um êmbolo,

tendo na ponta um penetrador.

Em 1907, Shore propôs uma medida de dureza por choque que mede a altura do ressalto

de um peso que cai livremente até bater na superfície lisa e plan de um corpo de prova.

Esta altura de ressalto mede a perda de energia cinética do peso, absorvida pelo corpo de

prova.

Ainda que, o comprimento e peso do martelo, além da altura de queda e o diâmetro da

ponta de diamante dependem de cada fabricante, todos os aparelhos indicam a mesma

dureza para um mesmo material.

A impressão Shore é pequena, o equipamento é portátil, pode executar dureza em peças

grandes deve ser lisas, a escala é contínua e a norma ASTM E-448 descreve o ensaio

para metais e ASTM D2240 para borracha.

Dureza Escleroscópica, HSc ou HSd, é um

número relacionado a altura do rebote do

martelo. É medido sobre uma escala

determinada pela divisão em 100 unidades da

média do rebote do martelo em um bloco de um

aço ferramenta AISI W-5 temperado (para

máxima dureza) e não temperado.

II. ENSAIO DE IMPACTO: ASTM E23 - 16b Standard Test Methods for

Notched Bar Impact of Metallic Materials

A fratura frágil é grandemente influenciada pelo estado de tensão, temperatura e taxa de

deformação. Não necessariamente estes três fatores necessitam de se manifestarem

conjuntamente para que uma falha catastrófica aconteça.

Sendo assim, os ensaios que permitem avaliar a influência destes três fatores na resistência à

fratura dos materiais, são de grande importância e visam principalmente correlacionar seus

resultados com as fraturas ocorridas na prática e principalmente servem para evitar que

aconteçam fraturas de caráter frágil do material em serviço.

Normalmente, um estado triaxial de tensões (entalhes) e baixas temperaturas são os fatores

principais responsáveis por ocorrência de fratura frágil. Entretanto, já que estes efeitos são

acentuados em taxas de carregamento elevadas, vários tipos de testes de impacto têm sido

utilizados para determinar a susceptibilidade dos materiais à fratura frágil.

Como existem certas desvantagens com relação a este tipo de testes (os resultados não

podem ser utilizados como dados de projetos), vários outros ensaios tem sido

desenvolvidos, sendo que estes utilizam o conceito da mecânica da fratura (KIC, CTOD,

integral J). Estes ensaios não serão abordados na aula de hoje.

O ensaio de impacto, pela sua facilidade de ensaio e baixo custo de confecção dos

corpos de prova, fez dele um dos primeiros e mais empregados para o estudo de fratura

frágil nos metais. Dos resultados deste tipo de ensaio pode-se determinar a tendência de

um material a se comportar de maneira frágil. Geralmente os corpos de prova para

ensaio de impacto são de duas classes (ASTM E23).

Velocidade de impacto = 5 m/s e taxa de deformação de 103 s-1.

Uma outra medida importante obtida do ensaio Charpy se refere a observação da superfície de fratura para determinação da percentagem de fratura dútil e frágil.

Superfície de fratura de corpos de prova Charpy testados a diferentes temperaturas. Da

esquerda para direita temp. de ensaio em oC.

O ensaio de impacto é mais significativo quando realizado em um intervalo de temperatura,

de maneira que pode ser determinado a temperatura. Pode ser adotado pelo menos cinco

critérios para a temperatura de transição.

Pode ser adotado pelo menos cinco critérios para a temperatura de transição.

Será que todos os metais apresentam temperatura de transição dútil – frágil?

Efeito da anisotropia

ENSAIO DE IMPACTO INSTRUMENTADO

Os ensaios de impacto comum não fornece resultados que possam ser utilizados nos

projetos de engenharia estrutural, pois não existe correspondência entre níveis de tensão e

desempenho na prática.

Desta forma foi desenvolvido um equipamento capaz de fornecer dados quantitativos da

tensão desenvolvida durante o ensaio. Assim, o ensaio de impacto instrumentado, pode se

obter um gráfico carga – tempo e a partir deste gráfico tem-se a energia W1, necessária para

iniciar a trinca e a energia Wp necessária para propagar a mesma.

Ensaio de tração uniaxial

➢O ensaio de tração consiste na

aplicação de carga uniaxial

crescente até a ruptura. Mede-se

a variação do comprimento como

função da carga e fornece dados

quantitativos das características

mecânicas dos materiais;

➢Os CPs geralmente possuem

seção transversal circular ou

retangular com proporções

geométricas normalizadas

29

Curva Típica x (tração)Liga de alumínio

p32

e

Deformação Elástica

Características Principais:

➢A deformação elástica é resultado de um pequeno alongamento

ou contração da célula cristalina na direção da tensão (tração ou

compressão) aplicada;

➢Deformação não é permanente, o que significa que quando a

carga é liberada, a peça retorna à sua forma original;

➢Processo no qual tensão e deformação são proporcionais

(obedece a lei de Hooke) → F=KX;

➢Gráfico da tensão x deformação resulta em uma relação linear. A

inclinação deste segmento corresponde ao módulo de elasticidade

E

Módulo de Elasticidade (E)

E

E = módulo de elasticidade

ou Young (GPa)

σ = tensão (MPa)

ε = deformação (mm/mm)

α

7

Principais características:

➢Quanto maior o módulo, mais rígido será o material ou menor

será a deformação elástica;

➢O módulo do aço (≈ 200 GPa) é cerca de 3 vezes maior que o

correspondente para as ligas de alumínio (≈ 70 GPa), ou seja, e

quanto maior o módulo de elasticidade, menor a deformação

elástica resultante.

➢O módulo de elasticidade corresponde a rigidez

ou a resistência do material à uma deformação elástica.

➢O módulo de elasticidade está ligado diretamente com as

forças das ligações interatômicas

9

Comportamento não-linear

■ Alguns metais como

ferro fundido cinzento, o

concreto e muitos

polímeros apresentam

um comportamento não

linear na parte elástica

da curva tensão x

deformação

Módulo de Elasticidade

➢O módulo de elasticidade é

dependente da temperatura;

➢Quanto maior a temperatura

o E tende a diminuir.

* Polímero termoplástico

** Polímero termofixo

*** Compósitos

38

Deformação Plástica

39

➢Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste

apenas até deformações de aproximadamente 0,2 a 0,5%.

➢À medida que o material é deformado além, desse ponto, a

tensão não é mais proporcional à deformação (lei de Hooke) e

ocorre uma deformação permanente não recuperável denominada

de deformação plástica;

➢A deformação plástica corresponde à quebra de ligações com os

átomos vizinhos originais e em seguida formação de novas

ligações;

➢A deformação plástica ocorre mediante um processo de

escorregamento (cisalhamento) , que envolve o movimento de

discordâncias.

Limite de proporcionalidade e Tensão limite

de escoamento

➢O limite de proporcionalidade pode ser

determinado como o ponto onde ocorre o

afastamento da linearidade na curva tensão

– deformação (ponto P).

➢A posição

determinada

deste ponto pode não ser

com precisão. Porconseqüência foi adotada uma convenção: é

construída uma linha paralela à região

elástica a partir de uma pré-deformação de

0,002 ou 0,2%.

➢A intersecção desta linha com a curva

tensão – deformação é a tensão limite de

Alongamento

escoamento

escoamento (σy) 40

n = 0,5% = ligas não ferrosas moles

n = 0,2% – metais e ligas metálicas em geral

n = 0,1% aços ou ligas muito duras

n = 0,01% - aços molas

Limite de resistência à tração

➢Após o escoamento, a tensão

necessária para continuar a

deformação plástica aumenta até

um valor máximo (ponto M) e

então diminui até a fratura do

material;

➢Para um material de alta

capacidade deformaçãodedo CP decresce

ao ultrapassar o

plástica, o φ rapidamente

ponto M e assim a carga

necessária para continuar a

deformação, diminui até a ruptura

final.

O limite de resistência à tração é a tensão no ponto máximo da curva tensão-

deformação. É a máxima tensão que pode ser sustentada por uma estrutura

que se encontra sob tração, ponto M. 14

Ductilidade

43

Definição: é uma medida da extensão da deformação que ocorre

até a fratura

Ductilidade pode ser definida como:

➢Alongamento percentual %AL = 100 x (Lf - L0)/L0

• onde Lf é o alongamento do CP na fratura

• uma fração substancial da deformação se concentra na estricção, o que faz com que %AL dependa do comprimento do corpo de prova. Assim o valor de L0 deve ser citado.

➢Redução de área percentual %RA = 100 x(A0 -Af)/A0

• onde A0 e Af se referem à área da seção reta original e na fratura.

• Independente de A0 e L0 e em geral é deAL%

Tenacidade em Tração

Material Dúctil

44

Material Frágil

➢Representa

habilidade de

uma medida da

um material em

absorver energia até a fratura;

➢Pode ser determinada a partir da

curva x. Ela é a área sobre a

curva;

➢Para que um material seja tenaz,

deve apresentar resistência e

ductilidade. Materiais dúcteis são

mais tenazes que os frágeis.

Resiliência

45

r

e

U d0

Definição: Capacidade de um material

absorver energia sob tração quando ele é

deformado elasticamente e devolvê-la quando

relaxado (recuperar);

✓ O módulo de resiliência é dado pela área dacurva tensão-deformação até o escoamento

ou através da fórmula:

✓ Na região linear Ur =yy /2 =y(y /E)/2 =2y /2E

Assim, materiais de alta resiliência possuem

alto limite de escoamento e baixo módulo de

materiais seriam ideaiselasticidade. Estes

para uso em molas.

e

r

U d 0

Ensaio de Tração: Curva Tensão – Deformação

Convencional

■ Tensão Convencional, nominal

ou de Engenharia

σC=tensão

P=carga aplicada

O

CA

P

S0=seção transversal original

■ Deformação Convencional,

nominal ou de Engenharia

εC = deformação (adimensional - mm/mm)

l0 = comprimento inicial de referência (mm)

l = comprimento de referência para cada

carga (mm)46

𝑒𝑐 =𝑙 − 𝑙0𝑙0

=∆𝑙

𝑙0

Coeficiente de Poisson

É o coeficiente que mede a rigidez do material na direção

perpendicular à direção da carga de tração uniaxial aplicada.

No ensaio de tração é o quociente entre a deformação lateral (’) e a

deformação na direção da tensão aplicada ().

Propriedades Mecânicas da metais

e ligas

48

Encruamento

➢ A partir da região de

escoamento, o material entra

no campo de deformações

permanentes, onde ocorre

endurecimento por trabalho a

frio (encruamento);

➢ Resulta em função da

interação entre discordâncias

e das suas interações com

obstáculos como solutos e

contornos de grãos. É

cada

ocorra

preciso uma energia

vez maior para que

essa movimentação 27

➢ Região localizada em uma seção

reduzida em que grande parte da

deformação se concentra;

➢ Ocorre quando o aumento da

dureza por encruamento é menor

que a tensão aplicada e o material

sofre uma grande deformação.

Empescoçamento - Estricção

50

Tensão Verdadeira e Deformação

Verdadeira

➢ Na curva tensão-deformação

convencional

máximo (ponto

após o ponto

M), o material

aumenta em resistência devido

ao encruamento, mas a área da

seção reta está diminuindo

devido ao empescoçamento;

➢ Resulta em

capacidade

uma redução na

do corpo em

suportar carga;

➢ A tensão calculada nessa carga

é baseada na área da seção

original e não leva em conta o

pescoço. 30

Estricção ou

empescoçamento

Tensão Verdadeira e Deformação

Verdadeira

i

VA

P

➢ A Tensão Verdadeira é definida

como sendo a carga P dividido

sobre a área instantânea, ou

seja, área do pescoço após o

limite de resistência à tração

➢ A Deformação Verdadeira é

definida pela expressão

l052

V ln

li

Relações entre Tensões e

Deformações Reais e Convencionais

■ Deformação ■ Tensão

l

l0

ln(1 eC ) r ln

1 eC

l

l0 C

C

P P

S S0

S

l0S

r C(1 eC )

(1eC) r

1 eS 0

lnS0 ln

l ln(1 e )

53

𝑒𝐶 =𝑙 − 𝑙0𝑙0

=∆𝑙

𝑙0=

𝑙

𝑙0− 1

Efeito da temperatura

➢ A temperatura podeinfluenciar significativamente as propriedades mecânicas levantadas pelo ensaio de tração

➢ Em geral, a resistência diminui e a ductilidadeaumenta aumento

conforme ode

temperatura

54

Ensaio de Compressão

➢ O ensaio de compressão é aaplicação de carga compressivauniaxial em um CP;

➢ A deformação linear obtida pelamedida da distância entre as placasque comprimem o corpo versus acarga de compressão consiste noresultado do ensaio;

➢ As propriedades mecânicas obtidassão as mesmas do ensaio detração.

55

Curva x - Compressão

56

Ensaio de Compressão

➢ Em funçãosubmicroscópicas

de trincas os materiais

frágeis são geralmente fracosem condições de tração, já queas tensões de tração tendem apropagar essas trincas

➢ Materiais frágeis como ascerâmicas apresentam porémalta resistência à compressão

57

Ensaio Compressão – Modos de Deformação

(a)Flambagem, quando L/D > 5

(b) Cisalhamento, quando L/D > 2,5

(c) Barril duplo, quando L/D > 2,0

(d)Barril , quando L/D > 2,0 e há

fricção nas superfícies de contato

(e)Compressão homogênea, quando

L/D < 2,0 e não existe fricção nas

superfícies de contato

(f)Instabilidade compressiva devido ao

amolecimento do material por efeito de

carga.

A flambagem, o cisalhamento e a instabilidade devem ser evitados58

Ensaio de Compressão

Q Resultado do ensaio decompressão aplicado emum cilindro de cobre

59

Ensaio de compressão: Embarrilhamento

➢ Durante o ensaio de compressão,as faces do corpo de prova queestão em contato direto com asplacas sofrem uma resistência quese opõe ao escoamento domaterial devido às forças de atrito.

➢ Isto leva a um corpo de prova emforma de barril (embarrilhamento)tornando necessário adeterminação das tensões edeformações verdadeiras;

60

atuam conjuntamente, tanto modo como nos valores

➢ Os fatores atrito e relação L/D

no da

deformação.

Tensões e Compressões Verdadeiras

➢ Tensão Verdadeira:

2

0 0

4.P.hr

.D .h

➢ Deformação Verdadeira:

h

40

r ln

h0

Ensaio de Torção

➢ O Ensaio de torçãoconsiste na aplicação decarga rotativa em umcorpo de prova geralmentede geometria cilíndrica;

➢ Mede-se otorção como

ângulo de função do

momento torsor aplicado;

➢ Muito utilizado na indústriade componentes mecânicos comode arranque,

motores turbinas

aeronáuticas, rotores demáquinas pesadas, barras de torção, molas etc... 41

Ensaio de torção

As propriedades

principais obtidas no

ensaio de torção são:

de ruptura à

■ Módulo de elasticidade

■ Limite de escoamento à torção

e

■ Módulo torção

u

transversal

G 42

G= módulo de elasticidade transversal

(ensaios de torção)

= Tensão de cisalhamento

= Deformação de cisalhamento

G .

Relação entre G , e E

43

➢Para materiais isotrópicos,

o módulo de elasticidade

está relacionado com o

coeficiente de Poisson

e com o Módulo de

Cisalhamento

Relação entre G e E:

E 2G(1 )

Valores de E, G e coeficiente de Poisson

44

Normalmente varia entre 0,25 a 0,35

Ensaio de Flexão

➢O Ensaio de flexão consistena aplicação de umacarga crescente emdeterminados pontos deuma barra

➢ Mede-se o valor da cargaversus a deformaçãomáxima

➢ Existem dois tiposprincipais de Ensaios:Ensaio de flexão em trêspontos e Ensaio de flexãoem quatro pontos 45

3 pontos

4 pontos

Ensaio de Flexão

As principais propriedades

obtidas em um Ensaio de

Flexão são:

➢ Módulo de ruptura na flexão

➢ Módulo de elasticidade

➢ Módulo de resiliência

➢ Módulo de tenacidade

■ É um ensaio muito utilizado

em cerâmicas, polímeros emetais

dados

duros, pois fornece

de deformação

quando sujeitos a cargas de

flexão 46

Ensaio de Fluência

materiais devido átomos, movimento

à difusão dosde

escorregamento ediscordâncias, recristalização.

➢ Fenômeno ocorre em T>0,4Tf

(acima de 0,4 da temp. fusão).47

Definição Fluência: fenômeno de deformação plástica acumulada com

o tempo que um sólido apresenta, sob o efeito constante da tensão e

temperatura.

➢ O ensaio de fluência consiste naaplicação de uma carga constanteem um material durante um períodode tempo, em temperaturaselevadas;

➢ Essas condições são favoráveis amudanças de comportamento dos

Ensaio de Fluência➢ No ensaio de fluência pode-

se obter apenas o tempo deruptura total (ensaio deruptura por fluência).

➢ Normalmente no ensaio defluência são medidas asdeformações que ocorremno CP em função do tempo(ensaio de fluência).

➢ Entre os materiaisensaiados em fluência pode-se citar os empregadoseminstalações depetroquímicas, nucleares,

refinarias usinas

indústriaaeroespacial, turbinas,forno craqueamento etc.. 48

Ensaio de Fluência

O ensaio de fluência pode ser dividido em três estágios:

■ Primário: decréscimo contínuo da taxade fluência (d/dt) em função doaumento de resistência devido aoencruamento

■ Secundário: taxa de fluênciaconstante, função do equilíbrio entreencruamento e recuperação (devidotemp.). O parâmetro mais importante(taxa mínima de fluência) consistena inclinação da curva nesse estágio

fluência devido a estricção doculminando na ruptura devido

■ Terciário: aceleração da taxa deCP

àformação e propagação de trincas 49

Ensaio de Fadiga

■ Os materiais metálicos, quando submetidoscíclicos rompem-se a tensões inferiores

a esforços àquelas

determinadas nos ensaios de tração e compressão. A ruptura que ocorre é denominada ruptura por fadiga

■ O ensaio de fadiga consiste na aplicação de carga cíclica em corpo de prova padronizado

50

Tensões Cíclicas

■ Ciclo de tensões aleatórias.

Em geral são possíveis trêsmodalidades diferentes de tensãooscilante-tempo:

■ Ciclo de tensões alternadas:dependência regular e senoidalem relação ao tempo, alternandoentre uma tensão máxima detração e uma tensão mínima decompressão de igual magnitude;

■ Ciclo de tensões repetidas:valores máximos e mínimos sãoassimétricos e relação ao nível 0de tensão;

51

Curva σ-N ou Curva de Wöhler

➢ Em geral, a curva σ-N de materiaisferrosos (+ Ti) apresenta um limite deresistência à fadiga. Para valoresabaixo desse limite o CP nunca irá sofrer ruptura por fadiga

caracterizada pela resistência➢ Para ligas não ferrosas a fadiga é

àfadiga, tensão na qual ocorre rupturapor fadiga após um número de ciclosespecíficos(106 a 108)

➢ Vida à fadiga consiste no número deciclos que causará a ruptura emdeterminado nível de tensão

➢ Em função do número de ciclos parahaver ruptura o ensaio pode ser debaixo ciclo (104) ou de alto ciclo(acima desse limite)

73

Curva σ-N ou Curva de Wöhler

■ Resultado de ensaio de fadiga para diferentes materiais74

➢ Limite de resistência à fadiga (Rf): em certos materiais (aços, titânio,...)abaixo de um determinado limite de tensão abaixo do qual o material nuncasofrerá ruptura por fadiga.

➢ Resistência à fadiga (f): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá afalha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al,Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por resistência à fadiga

Para os aços o limite de resistência à fadiga (Rf) está entre 35-65% do limite deresistência à tração.

Diferença entre Limite à Fadiga e Resistência a Fadiga

54

Nucleação da Trinca

■ A ruptura do material por fadiga ocorre devido à formação epropagação de trincas;

■ As trincas se iniciam principalmente em defeitos desuperfície,entalhes, inclusões, contornos de grãos, defeitosde solidificação, pontos de corrosão e pontos que sofremdeformação localizada.

55

Propagação de Trincas

➢ A concentração detensão(tração)na pontada trinca favorece odeslizamento deplanos em 45o (A,B eC)

➢ Em resposta àdeformação plástica, aponta da trinca torna-se curva (embota).

➢ Na recuperação datensão (ou tensão decompressão) a ponta écomprimida, formandonovamente uma pontaaguda e o processovolta a se repetir emcada ciclo 56

Características Macroscópicas

Nucleação

Propagação

instável

Características macroscópicas gerais de uma fratura por fadig5a7.57

Modo Macroscópico de Propagação de

Trinca por Fadiga

A superfície de uma fratura por fadiga apresenta duas regiões

distintas:

➢Região de propagação estável da trinca (aspecto polido, devido ao atrito das faces da

trinca com possíveis marcas de progressão da trinca;

➢Corresponde à área de fratura final não tendo ação do atrito (grosseiro, irregular,

texturizado) – fratura frágil ou dúctil

Ni

NpNff

58

Bibliografia

59

de Materiais – uma Introdução, Willian D.Q Ciência e EngenhariaCallister, Jr. LTC 5. edição.

Materials, 4th edQ The Science and Engineering of Donald R. Askeland – Pradeep P. Phulé.

Q Dieter, G.E. Metalurgia Mecânica 2.ed. Rio de Janeiro: GuanabaraDois, 1981.

Q Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Fundamentos teóricos e práticos. 5º. Edição. Sérgio Augusto de Souza

Q AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E8M-01A (2001). Standard test methods of tension testing of metallic materials. Metric. Philadelphia.

Q AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E9-89a00 (2000). Standard Test Methods of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature

OBRIGADO PELA

ATENÇÃO !!!

69