Epm Apostila Capitulo09 Ensaios Mod1

8/3/2019 Epm Apostila Capitulo09 Ensaios Mod1

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Estrutura e Propriedades dos Materiais Ensaios Mecnicos dos Materiais

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9 ENSAIOS MECNICOS DOS MATERIAIS9.1 Introduo9.1.1Propriedades dos materiais

Cada material possui caractersticas prprias: o ferro fundido duro e frgil, o ao

bastante resistente, o vidro transparente e frgil, o plstico impermevel, a borracha

elstica, o tecido bom isolante trmico, etc. Dureza, fragilidade, resistncia,

impermeabilidade, elasticidade, conduo de calor, so exemplos propriedades prprias de

cada material.

Como j visto anteriormente, as propriedades dos materiais esto relacionadas

natureza das ligaes que existem entre os tomos, seja ele metlico ou no-metlico.

Essas propriedades podem ser reunidas em dois grupos: propriedades fsicas e

propriedades qumicas.

As propriedades fsicas determinam o comportamento do material em todas as

circunstncias do processo de fabricao e de utilizao, e so divididas em propriedades

mecnicas, propriedades trmicas e propriedades eltricas.

As propriedades mecnicas aparecem quando o material est sujeito a esforos de

natureza mecnica. Isso quer dizer que essas propriedades determinam a maior ou menor

capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforos que lhe soaplicados. Essa capacidade necessria no s durante o processo de fabricao, mas

tambm durante sua utilizao.

Do ponto de vista da indstria mecnica, esse conjunto de propriedades

considerado o mais importante para a escolha de uma matria-prima.

Dentre as propriedades mecnicas, a mais importante a resistncia mecnica. Essa

propriedade permite que o material seja capaz de resistir ao de determinados tipos de

esforos, como a trao e a compresso (resistncia trao e resistncia compresso),por exemplo. A resistncia mecnica relaciona-se s foras internas de atrao existentes

entre as partculas que compem o material. Quando as ligaes covalentes unem um

grande nmero de tomos, como no caso do carbono, a dureza do material grande.

A elasticidade a capacidade que o material deve ter de se deformar quando

submetido a um esforo, e de voltar forma original quando o esforo termina. Quando se

fala em elasticidade, o primeiro material a ser lembrado a borracha, embora alguns tipos

de materiais plsticos tambm tenham essa propriedade. Porm, preciso lembrar que o


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ao, quando fabricado para esse fim, tambm apresenta essa propriedade. o caso do ao

para a fabricao das molas.

A plasticidade a capacidade que o material deve ter de se deformar quando

submetido a um esforo, e de manter essa forma quando o esforo desaparece. Essa

propriedade importante para os processos de fabricao que exigem conformao

mecnica como, por exemplo: na prensagem, para a fabricao de partes da carroceria de

veculos, na laminao, para a fabricao de chapas, e na extruso, para a fabricao de

tubos. A plasticidade pode se apresentar no material como maleabilidade e como

ductilidade.

A dureza a resistncia do material penetrao, deformao plstica permanente

e ao desgaste. Em geral os materiais duros so tambm frgeis.A fragilidade tambm uma propriedade mecnica, na qual o material apresenta

baixa resistncia aos choques. O vidro, por exemplo, duro e bastante frgil.

As propriedades trmicas determinam o comportamento dos materiais quando so

submetidos a variaes de temperatura. Isso acontece tanto no processamento do material

quanto na sua utilizao. um dado muito importante, por exemplo, na fabricao de

ferramentas de corte.

Oponto de fuso uma propriedade trmica do material que se refere temperaturaem que o material passa do estado slido para o estado lquido. Dentre os materiais

metlicos, o ponto de fuso uma propriedade importante para determinar sua utilizao.

O alumnio, por exemplo, se funde a 660C, enquanto que o cobre se funde a 1.084C. O

ponto de ebulio a temperatura em que o material passa do estado lquido para o estado

gasoso.

A dilatao trmica a propriedade que faz com que os materiais, em geral,

aumentem de tamanho quando a elevao da temperatura. Por causa dessa propriedade, asgrandes estruturas de concreto como prdios, pontes e viadutos, por exemplo, so

construdas com pequenos vos ou folgas entre as lajes, para que elas possam se acomodar

nos dias de muito calor.

A condutividade trmica a capacidade que determinados materiais tm de conduzir

calor.

As propriedades eltricas determinam o comportamento dos materiais quando so

submetidos passagem de uma corrente eltrica.


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A condutividade eltrica uma propriedade dos metais que est relacionada com a

capacidade de conduzir a corrente eltrica. A resistividade, por sua vez, a resistncia que

o material oferece passagem da corrente eltrica.

As propriedades qumicas so as que se manifestam quando o material entra em

contato com outros materiais ou com o ambiente. Elas se apresentam sob a forma de

presena ou ausncia de resistncia corroso, aos cidos e s solues salinas. O

alumnio, por exemplo, um material que, em contato com o ambiente, resiste bem

corroso. O ferro na mesma condio, por sua vez, enferruja, isto , no resiste corroso.

Neste captulo ser dada nfase s principais propriedades mecnicas, as quais sero

mais fceis de serem compreendidas por meio do estudo dos diagramas tenso-

deformao.

9.1.2Ensaios mecnicos dos materiaisOs engenheiros de qualquer especialidade devem compreender como as vrias

propriedades mecnicas so medidas e o que elas representam. Essas propriedades so

necessrias ao projeto de estruturas ou componentes que utilizem materiais

predeterminados, a fim de que no ocorram nveis inaceitveis de deformao e/ou falhas

em servio, ou o encarecimento do produto em funo do superdimensionamento decomponentes.

Qualquer projeto de engenharia, especificamente o projeto de um componente

mecnico, requer para a sua viabilizao um vasto conhecimento das caractersticas,

propriedades e comportamento dos materiais disponveis.

As propriedades mecnicas dos materiais so verificadas pela execuo de ensaios

cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possvel as condies de

servio. Dentre os fatores a serem considerados nos ensaios incluem-se a natureza da cargaaplicada, a durao de aplicao dessa carga e as condies ambientais. A carga pode ser

de trao, compresso ou cisalhamento, e a sua magnitude pode ser constante ao longo do

tempo ou ento flutuar continuamente. O tempo de aplicao pode ser de apenas uma

frao de segundo ou pode se estender por um perodo de muitos anos. Dentro das

condies ambientais destaca-se a temperatura como fator de grande importncia.

As propriedades mecnicas e seu comportamento sob determinadas condies de

esforos so os objetivos de vrias pessoas e grupos que possuem interesses diferentes, tais

como: produtores e consumidores de materiais, instituies de pesquisa, agncias


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governamentais, dentre outros. Por conseguinte, imprescindvel que exista alguma

consistncia na maneira de conduzir os ensaios e na interpretao de seus resultados, a qual

obtida por meio do uso de tcnicas de ensaio padronizadas. Essa normalizao

fundamental, por exemplo, para que se estabelea uma linguagem comum entre

fornecedores e usurios dos materiais, pois prtica normal a realizao de ensaios de

recebimento dos materiais, a partir de uma amostragem estatstica representativa do

volume recebido.

O estabelecimento e a publicao dessas normas padres so freqentemente

coordenados por sociedades profissionais, como a Sociedade Americana para Ensaios e

Materiais (ASTM American Society for Testing and Materials), que a organizao mais

ativa nos Estados Unidos (CALLISTER, 2002) e de larga aceitao no Brasil. No Brasil, aentidade responsvel pelas normas padres a Associao Brasileira de Normas Tcnicas

(ABNT).

Os engenheiros de estruturas tm como funo determinar as tenses e distribuio

de tenso nos componentes sujeitos as cargas bem definidas, utilizando para tal, tcnicas

experimentais de ensaio e/ou por meio de anlises tericas e matemticas de tenso. Os

engenheiros de materiais e os engenheiros metalrgicos, por sua vez, preocupam-se com a

produo e fabricao de materiais para atender as exigncias de servios conformeprevisto pelas anlises de tenso, o que envolve necessariamente uma compreenso das

relaes entre a microestrutura dos materiais e as suas propriedades.

Os ensaios dos materiais podem ser classificados quanto integridade geomtrica e

dimensional da pea ou componente ou quanto velocidade de aplicao da carga.

a) Quanto integridade geomtrica e dimensional da pea ou componente os ensaios

podem ser de dois tipos:

Destrutivos: quando aps executados provocam a inutilizao parcial ou total dapeas (trao, dureza, fadiga etc.);

No-destrutivos: quando aps executados no comprometem a integridade da pea

(raios X, ultra-som etc.).

b) Quanto velocidade de aplicao da carga, os ensaios podem ser:

Estticos: quando a carga aplicada de maneira suficientemente lenta, induzindo a

uma sucesso de estados de equilbrio, caracterizando um processo quase-esttico.

Nessa categoria tm-se os ensaios trao, compresso, flexo, toro e dureza.


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Dinmicos: quando a carga aplicada rapidamente ou ciclicamente. Nesse tm-se os

ensaios de fadiga e de impacto.

Carga constante: quando a carga aplicada durante um longo perodo, que o caso

do ensaio de fluncia.

Os ensaios anteriormente mencionados objetivam verificar a conduta dos componentes

ou materiais sujeitos a esforos especficos e os limites fsicos desses tipos de esforos nas

estruturas e na estabilidade, alm de determinar as caractersticas mecnicas inerentes a

tais componentes ou ao material envolvido. Existem outros testes, denominadosensaios de

fabricao, que objetivam determinar a conduta dos materiais envolvidos diretamente na

fabricao, em geral nos processos que envolvem a conformao mecnica de chapas,

tiras, tubos e outros, e por meio desses resultados, determinar ou alterar os processos e osequipamentos envolvidos. Os chamados ensaios de fabricao, portanto, no avaliam as

propriedades mecnicas, mas apenas fornecem indicaes do comportamento do material

quando submetido a um processo de fabricao (estampagem, dobramento, embutimento

etc.);

9.2 Ensaio de TraoUm dos ensaios mecnicos de tenso-deformao mais usados executado sobre

carga de trao. O ensaio de trao consiste na aplicao gradativa de carga de trao

uniaxial nas extremidades de um corpo de prova especificado, conforme mostra a Figura

9.1.

Figura 9.1 Desenho esquemtico de um corpo de prova submetido carga de trao.


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Tenso definida genericamente como a resistncia interna de uma fora externa

aplicada sobre um corpo, por unidade de rea.

Deformao definida como a variao de uma dimenso qualquer desse corpo, por

unidade da mesma dimenso, quando submetido a um esforo qualquer.

Se uma carga esttica ou se ela se altera de maneira relativamente lenta com o

tempo, e aplicada uniformemente sobre uma seo reta ou superfcie de um componente,

o comportamento mecnico pode ser verificado mediante ensaios de tensodeformao,

os quais so normalmente realizados para metais temperatura ambiente.

Neste tipo de ensaio mede-se a variao no comprimento (l) como funo da carga

(F) aplicada.

O ensaio de trao padronizado por normas tcnicas, entre elas a NBR-6152 daAssociao Brasileira de Normas Tcnicas ABNT, e a ASTM E 8M da American

Society for Testing and Materials ASTM, ambas para materiais metlicos.

O resultado de um ensaio de trao registrado na forma de um grfico ou diagrama

relacionando a carga em funo do alongamento. Como as caractersticas carga-

deformao so dependentes do tamanho da amostra (quanto maior a rea da seo reta do

corpo de prova, maior a carga para produzir o mesmo alongamento), utiliza-se a

normalizao da carga e do alongamento de acordo com os seus parmetros de tenso deengenharia e deformao de engenharia, para minimizar os fatores geomtricos.

O ensaio de trao pode ser utilizado para avaliar diversas propriedades mecnicas

dos materiais de grande importncia em projetos de mquinas e equipamentos mecnicos;

tambm bastante utilizado como teste para o controle das especificaes da matria-

prima fornecida.

Sua ampla utilizao na indstria de componentes mecnicos deve-se vantagem de

fornecer dados quantitativos das caractersticas mecnicas dos materiais, como: limite deresistncia trao (u), limite de escoamento (e), mdulo de elasticidade (E), mdulo de

resilincia (Ur), mdulo de tenacidade (Ut), ductilidade (AL% ou AS%), coeficiente de

encruamento (n) e coeficiente de resistncia (k).

9.2.1 Tenso de engenharia e deformao de engenhariaA tenso convencional, tambm conhecida por tenso nominal ou tenso de

engenharia, c ou simplesmente , definida pela relao:


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oA

F=

onde F(tambm identificada por P ou Q, conforme alguns autores) a carga instantnea

aplicada em uma direo perpendicular seo reta da amostra, e Ao (ou So, conforme

alguns autores) representa a rea da seo reta original antes da aplicao da carga, como

ilustra a Figura 9.2.

No Sistema Internacional (SI), a unidade da tenso de engenharia, chamada somente

de tenso, o Newton por metro quadrado (N/m2), que denominada Pascal (Pa), ou o seu

mltiplo, o megapascal (MPa). Nos Estados Unidos usual a unidade libras-fora por

polegada quadrada, denominada psi (1 MPa = 1N/mm2 = 145 psi, 1 psi = 6,9 x 10-3 MPa).

Figura 9.2 Alongamento de uma barra cilndrica de um material metlico submetido auma carga de trao uniaxial (Adaptada de SMITH, 1998).

A deformao de engenharia definida de acordo com a expresso:

oo

oi

l

l

l

ll =

=

onde lo o comprimento original da amostra antes da aplicao da carga, e li o

comprimento instantneo. A grandeza (li lo) simbolizada por l, e representa a

deformao ou a variao no comprimento a um dado instante.

No Sistema Internacional (SI), a unidade de deformao de engenharia, doravante

denominada somente por deformao, o metro por metro (m/m); logo, a deformao

l = l - lo

l

F

F

Ao

Ao

lo lol


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unidimensional (independente do sistema de unidades). Freqentemente, a deformao

expressa em porcentagem (valor da deformao multiplicada por 100).

9.2.2 Comportamento tenso-deformaoA grande maioria dos materiais metlicos submetidos a uma tenso de trao

relativamente baixa apresenta uma proporcionalidade entre a tenso aplicada e a

deformao observada, conforme a relao:

=E

ou

lAlFE

o

o

==

Esta relao de proporcionalidade foi obtida a partir da analogia com a equao da

elasticidade de uma mola (F=k.x) e conhecida como lei de Hooke.

A constante de proporcionalidadeE, denominada mdulo de elasticidade ou mdulo

de Young, fornece uma indicao da rigidez do material (resistncia do material

deformao elstica) e depende fundamentalmente das foras de ligao atmica.

No Sistema Internacional (SI), os valores de E so normalmente expressos em

gigapascal (GPa), devido serem valores muito elevados.

Para a maioria dos metais tpicos, a magnitude do mdulo de elasticidade varia entre

45 GPa para o magnsio e 407 GPa para o tungstnio. Os valores dos mdulos de

elasticidade para os materiais cermicos so muito elevados. Para os materiais polimricos,

os valores dos mdulos de elasticidade so menores em relao aos metais, variando entre

0,007 a 4 GPa.

A Tabela 9.1 apresenta o mdulo de elasticidade para alguns metais temperaturaambiente (CALLISTER, 2002; ASKELAND & PHUL, 2003).

A diferena na magnitude do mdulo de elasticidade dos metais, cermicas e

polmeros conseqncia dos diferentes tipos de ligao atmica existentes nessas trs

classes de materiais. Alm disso, com o aumento da temperatura o mdulo de

elasticidade tende a diminuir para praticamente todos os materiais, com exceo de

alguns elastmeros.


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Nos materiais metlicos, o mdulo de elasticidade considerado uma propriedade

insensvel com a microestrutura, visto que o seu valor fortemente dominado pela

resistncia das ligaes atmicas.

Tabela 9.1 Mdulo de elasticidade para vrios materiais temperatura ambiente.

MaterialTemperatura de fuso

(C)E

GPa 106 psiChumbo (Pb)Magnsio (Mg)Alumnio (Al)Prata (Ag)Ouro (Au)Lato (Liga)

Titnio (Ti)Cobre (Cu)Nquel (Ni)Ao (Liga)Ferro (Fe)Molibdnio (Mo)Tungstnio (W)Al2O3

327650660962

1064-

166010851453

-1538261034102020

144569727997

107110207207210304407379

26,510

10,411,514

15,5163030

30,544,15955

Fontes: CALLISTER, 2002; ASKELAND & PHUL, 2003.

O processo de deformao no qual a tenso e a deformao so proporcionais chamado de deformao elstica. Neste caso, o grfico da tenso em funo da

deformao resulta em uma relao linear, conforme mostra a Figura 9.3.

Figura 9.3 Diagrama esquemtico tenso-deformao correspondente deformaoelstica para ciclos de carga e descarga.

A inclinao (coeficiente angular) do segmento linear no grfico tenso-deformao

corresponde ao mdulo de elasticidadeEdo material, o qual, como j mencionado, podeser considerado como sendo uma medida de rigidez ou de resistncia do material

O Deformao

T

enso

CargaCoeficiente angular =

mdulo de elasticidade

Descarga


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deformao elstica; ou seja, quanto maior esse mdulo, menor ser a deformao elstica

resultante da aplicao de uma determinada tenso (maior rigidez).

A Figura 9.4 compara o comportamento elstico de um ao e do alumnio

temperatura de 20C. Para uma dada tenso, o alumnio deforma elasticamente trs vezes

mais que o ao.

Figura 9.4 Comparao do comportamento elstico de um ao e do alumnio (Adaptadade ASKELAND & PHUL)

A deformao elstica pequena e no permanente, pois nesse caso os tomos se

afastam das posies originais quando submetidos carga, mas no ocupam novas

posies. Assim, quando cessada a carga aplicada a um material metlico deformado

elasticamente, os tomos voltam s posies originais e o material tem as suas dimenses

originais restabelecidas. Em uma escala atmica, portanto, a deformao elstica

macroscpica manifestada como pequenas alteraes no espaamento interatmico e na

extenso de ligaes interatmicas; como conseqncia, a magnitude do mdulo de

elasticidade representa uma medida da resistncia separao de tomos adjacentes.Para alguns materiais, tais como o ferro fundido cinzento, o concreto e vrios

polmeros, a regio elstica da curva tenso-deformao no linear. Nesse caso, no

possvel determinar um mdulo de elasticidade como visto anteriormente e, assim, utiliza-

se normalmente um mdulo tangencial ou um mdulo secante, conforme ilustrado na

Figura 9.5.

O mdulo tangencial descrito como sendo a inclinao da curva tenso-deformao

em um nvel de tenso especfico, enquanto o mdulo secante representa a inclinao deuma secante traada desde a origem at algum ponto especfico sobre a curva.

1=207MPa

AoE = 207 GPa

AlumnioE = 69 GPa

0,001 0,003


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Figura 9.5 Diagrama esquemtico tenso-deformao mostrando um comportamentoelstico no-linear.

Tenses compressivas, cisalhantes ou torcionais tambm induzem um

comportamento elstico. As caractersticas tenso-deformao a baixos nveis de tenso

so virtualmente as mesmas, tanto para uma situao de trao como para uma de situao

de compresso, incluindo a magnitude do mdulo de elasticidade.

A tenso e a deformao de cisalhamento so proporcionais entre si por meio da

relao:

G=

onde G representa o mdulo de cisalhamento ou mdulo transversal, que a inclinao da

regio elstica linear da curva tenso-deformao de cisalhamento.

A Tabela 9.2 fornece alguns mdulos de cisalhamento.

Tabela 9.2 Mdulo de cisalhamento para vrios materiais.

MaterialTemperatura de fuso

(C)Mdulo de cisalhamento

GPa 106 psiMagnsioAlumnioLato

TitnioCobreNquelAoTungstnio

650660

-

166510851453

-3410

172537

45467683160

2,53,65,4

6,56,71112

23,5Fonte: CALLISTER, 2002.

9.2.3 AnelasticidadeA deformao elstica no um processo totalmente independente do tempo, como

se considerou at o momento ao se afirmar que uma tenso aplicada produz uma

ODeformao

Tens

o

1

2

/ = mdulo secante


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deformao elstica instantnea que permanece constante durante o perodo de tempo em

que a tenso mantida. Por outro lado, ao se liberar a carga, a deformao tambm no

totalmente recuperada (a deformao no retorna imediatamente para zero cessada a carga

aplicada). Para a maioria dos materiais de engenharia existir tambm uma componente da

deformao elstica que dependente do tempo; isto , a deformao elstica ir continuar

aps a aplicao de tenso, e ao cessar a carga ser necessrio um perodo tempo finito

para que o corpo se recupere completamente. Esse comportamento elstico dependente do

tempo conhecido por anelasticidade, e ocorre devido aos processos microscpicos e

atomsticos dependentes do tempo que acompanham a deformao.

Para os metais, no entanto, a componente anelstica normalmente pequena, sendo

freqentemente desprezada. Para alguns materiais polimricos, todavia, a sua magnitude significativa e, neste caso, essa componente conhecida por comportamento viscoelstico.

9.2.4 Propriedades elsticas dos materiaisQuando uma tenso de trao aplicada a uma barra metlica, um alongamento

elstico e sua deformao correspondente z ocorrem na direo da tenso aplicada,

conforme mostrado na Figura 9.6. Esse alongamento acompanhado de uma variao das

dimenses transversais da barra (deformaes compressivas), representadas por x e y,respectivamente, as quais podem ser determinadas. Se a tenso aplicada for uniaxial

(apenas na direoz) e o material for isotrpico, ento x =y.

Pode-se definir o coeficiente de Poisson () como sendo um parmetro resultante da

razo entre as deformaes lateral e axial; assim:

z

y

z

x

==

Uma vez que as deformaes laterais e a deformao axial sempre tero sinais

opostos, o sinal negativo foi includo nesta relao para que seja sempre um nmero

positivo.

O coeficiente de Poisson mede a rigidez do material na direo perpendicular

direo de aplicao da carga uniaxial.


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Figura 9.6 Alongamento axial na direo de z (deformao positiva) e contraes lateraisnas direes de x e y (deformaes negativas), em funo da aplicao de uma tenso de

trao na direo de z.

Teoricamente, o coeficiente de Poisson para materiais isotrpicos deve ser igual a

0,25; entretanto, para os materiais metlicos varia muito em relao a esse valor,

conforme mostra a Tabela 9.3. O valor mximo de , que correspondente ao valor para o

qual no existe qualquer alterao lquida no volume do corpo estudado, de 0,50.

Tabela 9.3 Coeficiente de Poisson para alguns materiais.

MATERIAL MATERIAL

Vidro 0,17 Alumnio 0,33Cromo 0,21 Lato 0,34

Aos-carbono 0,29 Cobre 0,34Magnsio 0,29 Titnio 0,34

Ferro 0,29 Prata 0,37Mangans 0,29 Ouro 0,44

Nquel 0,31 - -

Fontes: CALLISTER, 2002; ASKELAND & PHUL, 2003

Para materiais isotrpicos, os mdulos de cisalhamento e de elasticidade esto

relacionados entre si e com o coeficiente de Poisson por meio da expresso:

)1(G2E +=

Para a maioria dos metais, G 0,4.E(CALLISTER, 2002); portanto, se o valor de

um desses parmetros for conhecido, o outro pode ser aproximado.

z

z

z/2 = lz/2

loz

x/2 = lx/2lox

y/2 = ly/2

loy


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Para materiais que so elasticamente anisotrpicos, as propriedades elsticas somente

sero completamente caracterizadas por meio das especificaes de diversas constantes

elsticas, cuja quantidade depender das caractersticas estruturais do cristal em estudo.

Mesmo para materiais isotrpicos, pelos menos duas constantes elsticas devem ser

fornecidas para que se possam caracterizar completamente as propriedades elsticas desses

materiais.

A maioria dos materiais policristalinos, em funo da orientao ao acaso dos gros,

e os vidros cermicos inorgnicos, so considerados isotrpicos.

Outra propriedade elstica importante a resilincia, a qual ser melhor abordada no

prximo item.

9.2.5 Deformao plstica propriedades de traoPara a maioria dos materiais metlicos, o regime elstico se mantm at deformaes

de aproximadamente 0,005. medida que o material continua a ser deformado alm desse

ponto, a tenso deixa de ser proporcional deformao e, portanto, a lei de Hooke no

mais ser obedecida, ocorrendo uma deformao permanente e no recupervel

denominada deformao plstica.

Para a maioria dos materiais metlicos, a transio do comportamento elstico para oplstico gradual, ocorrendo uma curvatura no ponto de surgimento da deformao

plstica, a qual aumenta mais rapidamente com a elevao de tenso.

A Figura 9.7 mostra um grfico esquemtico do comportamento tenso-deformao

em trao at a regio plstica, para um metal ou liga metlica.

Figura 9.7 Comportamento tenso-deformao para um material tpico.

P

o

Elstico Plstico


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Do ponto de vista atmico, a deformao plstica ocorre devido ruptura de ligaes

com os tomos vizinhos originais, seguida da formao de ligaes com os novos tomos

vizinhos, uma vez que um grande nmero de tomos ou molculas se move relativamente

uns aos outros. Conseqentemente, mesmo que a tenso causadora da deformao seja

removida, os tomos no retornaro s suas posies originais.

O mecanismo da deformao plstica difere para materiais cristalinos e amorfos. No

caso de slidos cristalinos, a deformao ocorre segundo um processo chamado de

escorregamento (ou deslizamento), que envolve o movimento de discordncias. Em slidos

no-cristalinos, bem como em lquidos, o processo de deformao ocorre de acordo com

um mecanismo de escoamento viscoso.

a) Escoamento e limite de escoamento (e)A maioria das estruturas projetada para assegurar que apenas uma deformao

elstica ocorrer quando da aplicao de uma tenso. Portanto, necessrio que se conhea

o nvel de tenso onde a deformao plstica inicia, ou onde ocorre o fenmeno do

escoamento.

A Tabela 9.4 lista o limite de escoamento para alguns materiais.

Tabela 9.4 Limite de escoamento para alguns materiais.

Material eMPa (ksi)

Material eMPa (ksi)

ConcretoAlumnioPVCCobreLato (70Cu-30Zn)FerroNquel

20 (3)35 (5)45 (6)

69 (10)75 (11)

130 (19)138 (20)

Ao (1020)Ferro fundidoAo inoxidvelTitnioMolibdnioTungstnio

180 (26)250 (36)350 (50)450 (65)565 (82)

1000 (144)

Fontes: GARCIA et al., 2000; CALLISTER, 2002.

Para os materiais metlicos que possuem uma transio elastoplstica gradual, o

ponto de escoamento pode ser determinado como sendo a tenso onde ocorre o

afastamento inicial da linearidade na curva tenso-deformao. Esta tenso algumas

vezes chamada de limite de proporcionalidade, conforme est indicado pelo ponto P na

Figura 9.6.


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Quando no for possvel determinar o limite de escoamento com preciso suficiente

adotar-se- o limite convencional n de escoamento ou simplesmente limite n, definido pela

expresso:

o

nn

A

F =

onde Fn a carga em que se observa uma deformao de n% do material.

Em geral, a probabilidade de no ser possvel a observao do escoamento ntido

grande, de modo que se deve estar sempre preparado para a determinao do limite n.

O limite n de escoamento um valor convencionado internacionalmente para

substituir o limite de escoamento. O limite n conveniente, pois determinado mais

rapidamente, mais prtico e atende a todos os fins de aplicao dos materiais metlicos

na engenharia, quanto ao conhecimento do incio da plasticidade dos metais (SOUZA,

1982).

Quando o desvio da proporcionalidade expresso em termos de um aumento da

deformao, tem-se o chamado limite de desvio (offset) n; o limite n, nesse caso,

calculado por meio de um aumento de n% na deformao, aps a fase elstica. Geralmente

o valor de n especificado em 0,2% para os metais e ligas metlicas em geral (deformao

plstica de 0,002 por unidade de comprimento depois que ultrapassa o limite de

proporcionalidade). Para as ligas metlicas que possuem uma regio de plasticidade muito

pequena (aos ou ligas no-ferrosas muito duros) pode-se tomar para n o valor de 0,1% ou

mesmo 0,01% (aos para molas).

Para o cobre e diversas de suas ligas, entretanto, devido grande plasticidade desses

materiais, o clculo no baseado pelo limite de desvio, mas pelo ponto da curva

correspondente a uma deformao total de 0,5%, ou seja, de 0,005.

Os limites convencionais de escoamento 0,001%, 0,1%, 0,2% e 0,5% estomostrados na Figura 9.8. Para determinar a tenso correspondente ao limite 0,2%, por

exemplo, uma deformao, o, igual a 0,2%, medida a partir da origem, O, do diagrama

tenso-deformao, obtendo-se o ponto G; uma linha GD , ento, traada paralelamente

poro reta da curva da zona elstica, e a interseo D da reta com a curva determina a

tenso 0,2% , que o limite de escoamento convencional 0,2% (mtodo do desvio). Se o

diagrama for carga-deformao, calcular-se- esse limite pela expresso anterior, ou seja,

0,2% = F0,2%/Ao, e o ponto D corresponder ento carga F0,2%.


17/110


183

Para determinar o limite convencional 0,5% (mtodo da deformao total), toma-

se uma deformao o a partir do ponto O, igual a 0,5%, obtendo-se o ponto H; em

seguida, levanta-se a perpendicular ao eixo das abscissas at encontrar a curva no ponto E,

que corresponder ou tenso 0,5% (grfico tenso-deformao) ou carga F0,5% (grfico

carga-deformao) que fornecer 0,5%.

Figura 9.8 Determinao dos limites convencionais de escoamento 0,01%, 0,1%, 0,2% e0,5% para aos trabalhados a frio (SOUZA, 1982 apud SAMANS, 1957).

Em alguns casos, a curva tenso-deformao no apresenta a parte linear (regio

elstica) bem definida, o que torna impreciso o traado de uma linha paralela para a

determinao do limite n. Nesses casos, o procedimento mais adequado para a

determinao do limite de escoamento consiste em descarregar e carregar novamente o

corpo de prova j na regio plstica, permitindo a formao da histerese mecnica, como

mostra a Figura 9.9. A partir da reta obtida pela unio entre os pontos A eB da curva da

histerese, traa-se uma paralela a essa reta a partir do ponto referente a n% de deformaoat a curva, obtendo-se o limite de escoamento correspondente.

Figura 9.9 Formao da histerese mecnica.

A

B

e

n


18/110


184

Alguns materiais, tais como os aos, apresentam um comportamento tenso-

deformao em trao semelhante ao mostrado na Figura 9.10. Nesse caso, a transio

elastoplstica muito bem definida, e ocorre de uma forma abrupta, conhecida por

fenmeno do pico de escoamento descontnuo.

Figura 9.10 Comportamento tenso-deformao esquemtico apresentadopor alguns aos.

Como pode ser verificado na Figura 9.10, a deformao plstica inicia na tenso

limite de escoamento superior, com uma diminuio real na tenso; a deformao posterior

flutua ligeiramente em torno de um valor de tenso constante, conhecido por tenso limite

de escoamento inferior; subseqentemente, a tenso aumenta com o aumento da

deformao. Para metais que apresentam esse efeito, a tenso limite de escoamento

tomada como sendo a tenso mdia que est associada com a tenso limite de escoamento

inferior, uma vez que esse ponto bem definido e relativamente insensvel ao

procedimento de ensaio.

A magnitude da tenso limite de escoamento para um metal representa uma medida

da sua resistncia deformao plstica. Esses valores variam entre 35 MPa (5 x 103 psi)

para um alumnio de baixa resistncia, at acima de 1400 MPa (200 x 103 psi) para aos de

elevada resistncia.

b) Limite de resistncia trao (u)Conforme mostra a Figura 9.11, aps o escoamento a tenso necessria para

continuar o processo de deformao plstica em materiais metlicos aumenta at alcanar

um valor mximo (pontoM). A partir desse ponto, a tenso diminui at a fratura do

Tenso

O

e

Deformao

Limite de escoamentosuperior

Limite de escoamento

inferior


19/110


185

material (ponto F); isso ocorre devido rpida diminuio da seo resistente do corpo de

prova ao se ultrapassar a tenso mxima. O limite de resistncia trao, u (algumas

vezes representada pela sigla LRT), a tenso no ponto mximo da curva tenso-

deformao de engenharia, a qual corresponde tenso mxima que pode ser sustentada

por uma estrutura sob trao.

Figura 9.11 Comportamento da curva tenso-deformao de engenharia at a fratura domaterial (Adaptada de CALLISTER, 2002).

A deformao at este ponto uniforme ao longo da regio estreita do corpo de

prova que se encontra sob trao. Contudo, nessa tenso mxima, uma pequena constrio,

ou pescoo, comea a se formar em um ponto determinado, e toda a deformao

subseqente fica confinada nesta regio, conforme ilustra a Figura 9.11. Esse fenmeno

conhecido por estrico ou empescoamento, e a fratura ocorre nessa regio. tenso

aplicada quando da ocorrncia da fratura denomina-se resistncia fratura do material, r.

Os limites de resistncia trao podem variar desde 50 MPa (7 x 103 psi) para um

alumnio, at um valor de 3000 MPa (450 x 103 psi) para aos de elevada resistncia.

c) DuctilidadeA ductilidade outra propriedade mecnica importante. Ela representa uma medida

do grau de deformao plstica que o material suportou at a fratura. Um material que

experimenta uma deformao plstica muito pequena ou mesmo nenhuma quando da sua

fratura chamado de frgil. Os comportamentos tenso-deformao em trao para

materiais dcteis e frgeis esto ilustrados esquematicamente na Figura 9.12.

M

F

u

Deformao

Tenso


20/110


186

Figura 9.12 Representao esquemtica do comportamento tenso-deformao em traopara materiais dcteis e frgeis (Adaptado de GARCIA et al., 2000).

A ductilidade pode ser expressa quantitativamente tanto pelo alongamento percentual

como pela reduo de rea percentual.

O alongamento percentualAL% a porcentagem da deformao plstica quando do

momento da fratura, ou:

100l

ll%AL

o

of

=

onde lf representa o comprimento da poro til do corpo de prova no momento da fratura

e lo o comprimento til original. Uma vez que uma proporo significativa da deformao

plstica no momento da fratura est confinada regio do pescoo, a magnitude do

alongamento depender do comprimento til do corpo de prova. Quanto menor for lo maior

ser a frao do alongamento total relativa ao empescoamento e, conseqentemente,

maior ser o valor deAL%. Portanto, o valor de lo deve ser especificado quando os valores

do alongamento percentual forem citados (freqentemente, lo = 50 mm ou 2 pol.).

A reduo de rea percentual,RA%, tambm chamada de estrico, definida como

sendo:

100A

AA%RA

o

fo

=

ondeAo a rea original da seo reta transversal do corpo de prova eAf a rea da seo

reta transversal no ponto de fratura.

A C C

Tenso

Frgil

Dctil

B

B

Deformao


21/110


187

A maioria dos metais possui um grau moderado de ductilidade temperatura

ambiente; contudo, alguns se tornam frgeis medida que a temperatura reduzida.

Um conhecimento da ductilidade dos materiais importante, pois d uma indicao

do grau segundo o qual uma estrutura ir se deformar plasticamente antes de fraturar, bem

como especifica o grau de deformao permissvel durante operaes de fabricao.

Os materiais frgeis so considerados como aqueles que possuem deformao de

fratura inferior a aproximadamente 5%.

A Tabela 9.5 apresenta alguns valores tpicos para a tenso limite de escoamento,

limite de resistncia trao e ductilidade de alguns metais comuns, temperatura

ambiente.

Essas propriedades so sensveis a qualquer deformao anterior, presena deimpurezas e/ou a qualquer tratamento trmico no qual o material metlico tenha sido

submetido anteriormente. O mdulo de elasticidade um parmetro mecnico insensvel a

esses tratamentos.

Da mesma forma que para o mdulo de elasticidade, as magnitudes tanto das tenses

limite de escoamento como dos limites de resistncia trao diminuem com o aumento da

temperatura; justamente o contrrio observado para a ductilidade, que geralmente

aumenta com a temperatura.

Tabela 9.5 Propriedades mecnicas de vrios metais e ligas no estado recozido.

Material eMPa (ksi))

LRT (r)MPa (ksi)

AL%(em 50 mm ou 2 pol.)

AlumnioCobreLato (70Cu-30Zn)FerroNquelAo (1020)TitnioMolibdnio

35 (5)69 (10)75 (11)

130 (19)138 (20)180 (26)450 (65)565 (82)

90 (13)200 (29)300 (44)262 (38)480 (70)380 (55)520 (75)655 (95)

4045684540252535

Fontes: CALLISTER, 2002.

d) ResilinciaResilincia pode ser definida como a capacidade de um material absorver energia

quando deformado elasticamente, e aps o descarregamento recuperar essa energia. A

propriedade associada o mdulo de resilincia (Ur), que representa a energia de


22/110


188

deformao por unidade de volume exigida para tensionar um material desde um estado

com ausncia de carga at a sua tenso limite de escoamento.

Em termos computacionais, o mdulo de resilincia para um corpo de prova

submetido a um ensaio de trao uniaxial a rea sob a curva tenso-deformao de

engenharia computada at o limite de proporcionalidade; entretanto, na prtica, substitui-se

o limite de proporcionalidade pelo limite de escoamento, assim:

=e

0

r dU

Supondo uma regio elstica linear,

E2E2

1

2

1U

2ee

eeer

=

==

onde e representa a deformao no momento do escoamento.

As unidades de resilincia para o Sistema Internacional (SI) o joule por metro

cbico (J/m3), que equivalente ao Pascal (N/mm2). A unidade usual nos estados Unidos

a polegada-libras-fora por polegada cbica (pol-lbf/pol.3), que equivalente ao psi.

Os materiais resilientes so aqueles que possuem limite de escoamento elevado e

mdulo de elasticidade pequeno. Tais ligas so utilizadas na fabricao de molas.

A Tabela 9.6 lista valores do limite de escoamento e do mdulo de resilincia de

alguns materiais de uso comercial.

Tabela 9.6 Limite de escoamento e mdulo de resilincia de algunsmateriais comerciais.

Material e(MPa) Ur(N.mm/mm3)

Ao baixo carbonoAo inoxidvelFerro fundidoTungstnioCobreAlumnioConcretoPVC

270350250

100060402045

0,1820,3220,1841,231

0,01450,01160,004337,5

Fonte: SOUZA, 1982.

A necessidade de aumentar-se a tenso para dar continuidade deformao plsticado material decorre de um fenmeno denominado encruamento. A partir da regio de


23/110


189

escoamento, o material entra no campo de deformaes permanentes, onde ocorre

endurecimento por deformao a frio.

Esse fenmeno resultado da interao entre discordncias e das suas interaes com

outros obstculos (solutos, contornos de gros etc.), que impedem a livre movimentao

daquelas.

A Figura 9.13 apresenta o efeito do encruamento no limite de escoamento, caso o

ensaio seja interrompido e retomado aps alguns instantes. A zona plstica vai se iniciar a

uma tenso mais elevada e normalmente sem escoamento ntido. Se o ensaio for

novamente interrompido e reiniciado muito tempo depois, novamente a regio plstica se

iniciar a uma tenso mais elevada, embora o escoamento ntido possa reaparecer.

Figura 9.13 Efeito do encruamento no limite de escoamento de um material metlico.

e) Tenacidade

A Tenacidade representa uma medida da capacidade de um material em absorver

energia at a fratura.A geometria do corpo de prova, bem como a maneira como a carga aplicada, so

fatores importantes nas determinaes de tenacidade.

Para condies de carregamento dinmicas (elevada taxa de deformao), e quando

um entalhe ou ponto de concentrao de tenso est presente, a tenacidade ao entalhe

averiguada pelo uso de um ensaio de impacto. Alm disso, a tenacidade fratura uma

propriedade indicativa da resistncia do material fratura quando este possui uma trinca.

Para uma situao esttica ou quase-esttica (pequena taxa de deformao), a

tenacidade pode ser determinada a partir dos resultados de um ensaio de tenso-

2

1

O

A

R

T

M

N

(1) (2)


24/110


190

deformao em trao. Nesse caso, ela pode ser considerada como sendo a rea sob a curva

at o ponto de fratura.

As unidades para a tenacidade so as mesmas para a resilincia, isto , energia por

unidade de volume do material.

Para que um material seja tenaz, ele deve apresentar tanto resistncia como

ductilidade, e freqentemente, materiais dcteis so mais tenazes do que materiais frgeis.

Isto est demonstrado na Figura 9.14, onde as curvas tenso-deformao esto plotadas

para ambos os tipos de materiais. Assim, embora o material frgil tenha maior limite de

escoamento e maior limite de resistncia trao, ele possui menor tenacidade do que o

material dctil, em virtude de sua falta de ductilidade; isso deduzido pela comparao das

reas ABC e ABCna Figura 9.12.Pode se considerar, de forma similar ao mdulo de resilincia, a rea total abaixo da

curva tenso-deformao de engenharia como o mdulo de tenacidade (Ut). Com esse

clculo mais difcil, algumas vezes so usadas as seguintes aproximaes:

materiais dcteis

rrtU

materiais frgeis

rrt3

2U

onde r a tenso de ruptura e r o alongamento correspondente a essa tenso de ruptura.

9.2.6 Tenso Verdadeira e deformao verdadeiraO diagrama tenso-deformao mostrado na Figura 9.11 indica uma diminuio na

tenso necessria para prosseguir a deformao depois de atingido o ponto mximo (ponto

M). Isto acontece porque a rea da seo reta transversal est diminuindo rapidamente na

regio de estrico, onde a deformao est ocorrendo, resultando em uma reduo na

capacidade do corpo de prova em suportar a carga. Como a tenso calculada anteriormente

baseada na rea da seo reta transversal original antes de qualquer deformao, e no

leva em considerao essa diminuio de rea na regio de estrico, a tenso cai

rapidamente.

Algumas vezes necessrio utilizar um esquema fundamentado em tenso

verdadeira-deformao verdadeira. A tenso verdadeira ou real, v, definida como sendo


25/110


191

a carga F dividida pela rea da seo reta transversal instantnea Ai sobre a qual a

deformao est ocorrendo (regio do pescoo), ou:

i

vA

F

=

Como a variao deAi avaliada em cada instante, a regio plstica fica mais bem

caracterizada e a tenso cresce continuamente at a fratura.

Ocasionalmente mais conveniente representar a deformao como uma deformao

verdadeira. A deformao verdadeira,v, dada como funo da variao infinitesimal da

deformao:

l

dld v =

Esta expresso vlida para uma deformao uniaxial uniforme.

Integrando-se a equao acima dentro dos limites inicial (lo) e instantneo (li) do

comprimento, obtm-se a deformao real:

o

i

l

l

vl

lln

l

dl

i

o

==

Esta expresso no aplicvel no trecho a partir do ponto Mna Figura 9.11 (s

vlida no trecho anterior ao pontoMdo diagrama); isto , v deve variar entre os limites 0 e

u.

Desta forma, considerando-se que o volume do material permanece constante na

regio plstica durante a deformao, e desprezando-se as variaes elsticas (Vi = Vo),

pode-se escrever:

tetanconslAlA oo ==

Diferenciando-se a equao acima, tem-se:

0ldAAdl =+

ou

A

dA

l

dl=

ou


26/110


192

A

dAd v =

Integrando-se esta equao, tem-se:

=A

A

v

ooA

dAd

ou

A

Aln ov =

Esta equao s vlida na regio plstica, pois na regio elstica o volume no

permanece constante durante o tracionamento do corpo de prova.Uma comparao esquemtica dos comportamentos tenso-deformao de

engenharia e verdadeira feita na Figura 9. 14.

Figura 9.14 - Representao esquemtica das curvas tenso-deformao real econvencional (GARCIA et al., 2000).

A deformao verdadeira pode ser determinada a partir da deformao de

engenharia, como segue:

1l

l

l

ll

l

l

oo

o=

==

ou

+= 1l

l

o

O

M

Verdadeira

Engenharia


27/110


193

Das equaes da deformao verdadeira, tem-se:

o

ov

l

lln

A

Aln ==

Logo,

)1ln(v +=

Esta equao somente aplicvel at o incio da estrico (ponto M), a partir da

prevalece um estado triaxial de tenses.

A tenso verdadeira pode ser determinada a partir da equao acima, onde:

A

Aln)1ln( ov =+=

ou

+=

1

AA o

Como

A

Fv =

ento,

)1(A

F

o

v +=

ou

)1(v +=

A curva tenso verdadeira-deformao verdadeira apresenta as seguintes relaes:

- na regio elstica:v = Ev- na regio plstica: v = kv

n

onde k o coeficiente de resistncia, que quantifica o nvel de resistncia que o material

pode suportar (Pa); n o coeficiente de encruamento, que representa a capacidade com que

o material distribui a deformao (adimensional).

Esses coeficientes so caractersticas particulares do material; entretanto, podem ser

modificados pela ao de tratamentos trmicos e/ou qumicos.

Para se determinarn

, parte-se da equao que representa a curvatenso verdadeira-

deformao verdadeira na regio plstica:


28/110


194

nvv k =

ou

nvAkF=

Diferenciando-se,

)dAAn(kdFn

v

1n

v +=

Como

A

dAd v =

ento,

)dAdAn(kdF vn

vv1n

v =

No ponto M do diagrama tenso-deformao, a curva apresenta o seu ponto de

inflexo correspondente ao ponto de mxima carga (dF= 0). Ento:

n

v

1n

v MMn = ou

Mvn =

Esta equao mostra que o coeficiente de encruamento corresponde deformao

real no ponto de mxima carga.

9.2.7 Instabilidade em trao (devida ao comeo da estrico)

A estrico (deformao localizada no CP do ensaio de trao) inicia no ponto de

aplicao da mxima carga, a partir do qual o estado uniaxial de tenso d lugar a um

complexo estado triaxial de tenses.

Todo metal sofre o processo de encruamento, que tende sempre a aumentar a carga

necessria para produzir um acrscimo de deformao durante o regime plstico. Esseefeito contraposto pela diminuio gradual da seo transversal do corpo de prova,

medida que ocorre o alongamento do metal. A estrico, que uma deformao localizada,

comea ao ser atingida a carga mxima, onde o aumento da tenso devido ao decrscimo

da seo transversal torna-se maior que o efeito do encruamento. A deformao torna-se

ento instvel e o metal no pode encruar o suficiente para elevar a carga a fim de

continuar a deformao ao longo do corpo de prova, ficando ento a deformao localizada

na regio onde ocorre a estrico, at que acontea a ruptura do material nessa zona estrita.Esta instabilidade tem inicio pela condio:


29/110


195

0d

dF

v

=

Como

AF v=

ento,

0d

dA

d

dA

v

v

v

v=+

Como o volume do CP permanece constante durante a deformao plstica:

0d

dV

v

=

ou

0d

dAl

d

dlA)lA(

d

d

vvv

=+=

Logo,

0ld

Adl

d

dA

v

v

v

r=

+

Como

l

dld v =

ento,

v

v

v d

d=

Esta equao mostra que a instabilidade ocorre quando a tangente da curva tenso-deformao igual magnitude da tenso aplicada.

Esta condio tambm apresentada em termos de deformao convencional

1

d

d vv

+=

que permite uma construo geomtrica conhecida como construo de Considre,

mostrada na Figura 9.15, utilizada na determinao do ponto de carga mxima no ensaio

real, cujo procedimento encontra-se a seguir:


30/110


196

1- No eixo das deformaes marca-se o ponto correspondente a uma deformaoconvencional negativa igual a 1,0 (pontoA);

2- A partir desse ponto, traa-se uma reta que tangencie a curva tenso real-deformaoconvencional;

3- O ponto de tangncia (ponto C) determina a tenso correspondente ao ponto demxima carga do ensaio real (segmento CD);

4- A tenso convencional correspondente ao ponto de mxima carga dada pelosegmento OB).

Figura 9.15 - Construo de Considre. (Adaptada de GARCIA, 2000).

9.2.8 Determinao grfica dek en

A determinao desses coeficientes pode ser obtida graficamente a partir da

logaritmao da relao correspondente regio plstica da curva tenso real-deformao

real:

nvv k =

ou

vv lognkloglog +=

Assim, esta equao segue a forma de uma reta, conforme pode ser verificado na

Figura 9.16.

1,0 c

v

uv

uc

O

B

A

C

D


31/110


197

Figura 9.16 Grfico log-log da curva tenso-deformao verdadeira (Adaptada deGARCIA et al., 2000).

A condio em que v = 1, extrapolando o grfico, fornece v = k, e a inclinao da

reta no sistema log-log representa o valor de n.

A Tabela 9.7 fornece os valores do coeficiente de encruamento n e do coeficiente de

resistncia kde alguns materiais de engenharia.

Tabela 9.7 Valores os coeficientes de encruamento (n) e de resistncia (k)para diversos materiais

Material n k(MPa)

Ao baixo carbono recozidoAo 4340 recozidoAo inoxidvel recozidoAlumnio - recozidoLiga de alumnio tratadaCobre recozidoLato 70/30 recozido

Titnio

0,2610,1500,2290,2110,1600,5400,490

0,170

539651

1001391690325910

-Fonte: GARCIA et al., 2000.

9.2.9 ndice de anisotropia

As propriedades mecnicas de um material deformado plasticamente variam com a

direo em que so medidas; portanto, dependem da direo em que se retira o corpo de

prova para ensaio. A anisotropia aparece por causa da orientao preferencial dos gros do

metal aps uma grande deformao por trabalho mecnico (anisotropia cristalogrfica), ou

k

1,0 v

v

O

n = tg


32/110


198

devido o alinhamento de incluses, vazios, segregao ou alinhamento de uma segunda

fase precipitada por causa tambm de trabalho mecnico.

A anisotropia plstica pode ser avaliada pelo ndice de anisotropia (r), que definido

pela relao entre a deformao real na largura vwe a deformao real na espessura vt, do

corpo de prova durante o ensaio real (para material isotrpico r= 1); assim:

vt

vw

r=

A Tabela 9.8 fornece alguns valores tpicos de r para diferentes materiais.

Tabela 9.8 Valores tpicos do ndice de anisotropia.Material r

Ao normalizadoAo efervescenteAo acalmado com alumnioCobre e latoChumboMetais HC

1,01,0-1,351,35-2,00,8-1,0

0,23,0-6,0

Fonte: SOUZA, 1982.

9.2.10 Fatores que influenciam as propriedades mecnicas

Vrios fatores podem influenciar as propriedades levantadas pelo ensaio de trao

dos materiais, entre eles, a temperatura de ensaio, o teor de soluto no material e a

deformao a frio.

importante estudar a influncia da temperatura nas propriedades mecnicas dos

materiais metlicos, pelo fato de existirem diversas aplicaes dos metais e suas ligas em

temperaturas diferentes da ambiente. Em aplicaes abaixo da temperatura ambiente tm-

se como exemplos: na indstria qumica, com equipamentos que operam em temperaturas

de at 100C; no setor das indstrias de refrigerao, com equipamentos que operam em

at 60C; nas indstrias de produo de oxignio ou de nitrognio lquido, de vasos de

presso e outros, onde tambm so utilizadas baixas temperaturas. No campo das altas

temperaturas tem-se equipamentos para a produo de energia nuclear, indstria qumica e

petrolfera, aeronutica, aeroespacial etc.

De um modo geral, a resistncia de um metal diminui e a ductilidade aumenta

conforme a temperatura do ensaio elevada acima da temperatura ambiente, como mostra


33/110


199

a Figura 9.17. Isso s ocorre, entretanto, se o aumento de temperatura no provocar

mudana estrutural nos materiais.

Figura 9.17 Influncia da temperatura nas curvas tenso-deformao de engenharia paraaos de baixo carbono (Adaptadas de GARCIA, 2000).

O teor de soluto pode influenciar de vrias maneiras os valores das propriedades

levantadas no ensaio de trao do material, dependendo das caractersticas dos elementos

da liga. Um lato 70%Cu-30%Zn, por exemplo, tem resistncia mais elevada que um lato

90%Cu-10%Zn; portanto, o aumento de 20% no teor de zinco eleva as propriedades de

resistncia mecnica da liga.

A Figura 9.18 ilustra a influncia de alguns solutos substitucionais nos valores do

limite de escoamento para o ferro e o cobre.

Figura 9.18 Variao do limite de escoamento no ensaio de trao em funo do teor de

soluto (HUDSON, 1973, apudGARCIA, 2000).


34/110


200

A deformao a frio encrua o material e, portanto, eleva a sua resistncia, bem como

diminui a sua ductilidade.

9.2.11 Fratura dos corpos de prova ensaiados trao

Para todos os materiais, particularmente os metais, as principais variveis externas

que afetam o comportamento durante a deformao e, conseqentemente, as caractersticas

da fratura, so a temperatura, apresena de entalhes (o que favorece a formao de uma

regio de concentrao de tenso), o estado triaxial de tenses, as altas taxas de

deformao e a agressividade do meio ambiente.

Fratura a separao ou fragmentao de um corpo slido em duas ou mais partes,

sob a ao de uma tenso, e pode ser considerada como constituda de duas partes

nucleao da trinca e propagao da trinca.

Macroscopicamente, uma fratura pode ser classificada em duas categorias gerais:

fratura dctil e fratura frgil, conforme seja grande ou pequena a intensidade de

deformao plstica que acompanha a fratura. A fratura dctil caracterizada pela

ocorrncia de uma aprecivel deformao plstica antes e durante a propagao da trinca; a

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

deformao macroscpica e muito pouca microdeformao.

A Figura 9.19 mostra esquematicamente os tipos de fratura mencionados.

Figura 9.19 Representao esquemtica dos tipos de fraturas observadas em metaissubmetidos tenso uniaxial: (a) frgil em policristal; (b) frgil em monocristal;

(c) muito dctil; (d) dctil.


35/110


201

Um metal com boa ductilidade, quando rompido por trao, apresenta uma zona

fibrosa no centro do corpo de prova, denominada taa, uma zona radial adjacente, e uma

zona de cisalhamento nas bordas, denominada cone (Figura 9.19-d). Essas caractersticas

identificam uma fratura dctil, e quanto menos dctil for o metal, menor ser o tamanho da

zona fibrosa, at se tornar macroscopicamente nula, quando ento a fratura considerada

de carter frgil.

A ruptura de carter dctil tem incio no centro da regio estrita do corpo de prova,

por meio de deformao de microcavidades que coalescem, conforme mostrado na Figura

9.20, e seu crescimento se d na regio onde ser constituda a zona fibrosa,

perpendicularmente ao eixo do corpo de prova, formando assim a taa. Nessa zona, a

propagao da trinca ocorre gradualmente e de maneira estvel. Quando a propagao se

torna mais rpida, aparece a zona radial. Isto acontece quando a trinca se aproxima da

superfcie externa do corpo de prova. Da ela segue a direo de 45 do eixo, por

escorregamento, devido ao cisalhamento, formando o cone. Realmente a taa consiste em

vrias superfcies irregulares, o que d fratura a aparncia fibrosa. A fratura taa-cone

transgranular.

Figura 9.20 Estgios de formao da fratura taa-cone (SOUZA, 1982).

Metais de grande ductilidade rompem-se deixando as duas partes separadas apenas

por um ponto ou um gume (Figura. 9.19-c). Essa ruptura caracterizada por uma

deformao plstica ininterrupta, e um tipo de fratura muito dctil, encontrada em metais

como o ouro e o chumbo.

De acordo com a direo de ocorrncia dentro do cristal, a fratura pode ser

intergranular, quando se propaga entre os gros do metal, ou transgranular, quando se

propaga atravs dos gros do cristal.


36/110


202

Os micromecanismos de fratura so: fratura plstica, onde esto includas as

fraturas por deformao plstica ininterrupta e a fratura por formao e coalescncia de

microcavidades;fratura por clivagem, onde a separao se d por avano simultneo de

vrias trincas em planos cristalogrficos paralelos; fratura por quase-clivagem, onde a

diferena do tipo anterior s pode ser distinguida por fenmenos microscpicos que

acontecem na superfcie da fratura; efratura por fadiga, que ser discutida posteriormente

dentro do item sobre ensaio de fadiga.

9.2.12 Corpos de prova de trao

Para determinar as propriedades mecnicas de um material metlico por trao, a

melhor maneira ensaiar um corpo de prova retirado da pea ou componente. Assim, os

ensaios de trao so geralmente executados em corpos de prova normalizados pelas vrias

associaes de normas tcnicas.

Os corpos de prova possuem forma, dimenses e acabamento estabelecidos por

normas tcnicas. Normalmente, utilizam-se corpos de prova de seo circular ou de seo

retangular, dependendo do tamanho e da forma do produto acabado do qual esses corpos

foram retirados.

A chamadaparte til do corpo de prova (lo) a regio onde so feitas as medidas das

propriedades mecnicas do material. As cabeas so as regies mais extremas, que servem

para fixar o corpo de prova mquina, de tal forma que a fora de trao atuante seja axial;

suas sees so maiores do que a parte til, para garantir que a ruptura ocorra na parte til;

suas dimenses e formas dependem do tipo de fixao mquina, podendo ser do tipo

cunha, rosca ou flange. O raio de concordncia (R) entre as cabeas e a parte til

essencial para que seja garantida a fratura na parte til, pois evita concentrao de tenso

que ocorreria se a variao de seo entre as duas partes fosse brusca.

As Figuras 9.21 e 9.22 mostram as formas e dimenses para corpos de prova

retirados de chapas e cilndricos, respectivamente, indicados na norma ASTM E 8M - 01

(ASTM, 2001).


37/110


203

Figura 9.20 Forma e dimenses dos corpos de prova de seo retangular (ASTM, 2001).

Figura 9.21 Forma e dimenses dos corpos de prova de seo circular (ASTM, 2001).

Quando se ensaiam por trao produtos acabados, como barras, fios, arames, cabos

e cordoalhas de ao, por exemplo, a determinao de propriedades mecnicas pode ser

feita de outras maneiras em lugar de corpos de prova usinados.


38/110


204

9.2.13 Tratamento estatstico dos resultados no ensaio de trao

Os resultados obtidos nos ensaios mecnicos, em particular, devem seguir uma

distribuio do tipo normal, variando em torno de um valor mdio que quantifica

numericamente a propriedade observada, conforme a Figura 9.22.

Figura 9.22 Curva esquemtica da distribuio normal dos resultados obtidosno ensaio de trao.

A distribuio normal dada pela equao:

ondexi corresponde a um valor numrico da distribuio em uma determinada amostra de

dados, X a mdia dos diversos valores observados e S o desvio-padro entre os valores

da amostra.

O valor mdio (ou mdia) dos resultados dado por:

n

x

X

n

1i

i=

=

onde n o nmero total de elementos da amostra.

O desvio-padro (grau de disperso dos resultados) a representao do erro

numrico, ou a quantificao da preciso do valor experimental obtido em um determinado

ensaio, e dado por:

=

2

2

ii

S2

)Xx(exp

S2

1)x(f

(x)=Distribuionormal

X SX++++SX


39/110


205

1n

)Xx(

S

n

1i

2

i

=

=

O resultado do ensaio dado por:

SXX =

Por exemplo, se em vrios ensaios para o mesmo material foram obtidos os limites de

resistncia trao mostrados na tabela abaixo, tratar estatisticamente esses resultados:

Corpo de provaLimite de resistncia trao (u)

(MPa)12345

410412417413412

Nesse caso, o valor mdio do limite de resistncia trao ser dado por:

MPa8,4125

412413417412410

5

)(5

1i

iu

u=

++++==

=

O desvio-padro ser:

MPa6,2

4

)8,412412()8,412413()8,412417()8,412412()8,412410(

15

))((

S

22222

5

1i

uiu

=

=++++

=

=

=

=

Portanto, o resultado do ensaio deve ser apresentado por:

MPa6,28,412u =

9.3 Ensaio de Dureza

A dureza a resistncia que um material apresenta ao risco ou a formao de uma

marca permanente, quando pressionado por outro material ou marcadores padronizados.


40/110


206

Os mtodos mais aplicados em engenharia utilizam penetradores com formatos

padronizados e que so pressionados na superfcie do material sob condies especficas de

pr-carga e carga, causando inicialmente deformao elstica e em seguida deformao

plstica.

A rea da marca superficial formada ou a sua profundidade (dependendo do tipo de

dureza) so medidas e correlacionadas com um valor numrico que representa a dureza do

material. Esta correlao baseada na tenso de que o penetrador necessita para vencer a

resistncia da superfcie do material.

Portanto, o ensaio de dureza consiste na impresso de uma pequena marca na

superfcie da pea, pela aplicao de presso com uma ponta de penetrao.

Esse ensaio amplamente utilizado na indstria de componentes mecnicos,tratamentos superficiais, vidros e laminados, devido vantagem de fornecer dados

quantitativos das caractersticas de resistncia deformao permanente das peas

produzidas.

Existem vrios tipos de ensaios de dureza: dureza por risco, dureza por rebote e

dureza por penetrao.

9.3.1 Dureza ao risco pouco utilizado nos materiais metlicos; sua aplicao maior no campo da

mineralogia. Baseia-se no relacionamento do material analisado com outros materiais na

sua capacidade de riscar e ser riscado.

A dureza Mohs o tipo de ensaio por risco mais conhecido, consistindo em uma

escala de 10 minerais padres organizados por sua capacidade de riscar um aos outros. A

Tabela 9.9 mostra a referida escala.

Tabela 9.9 Escala MohsMineral Dureza ao risco

DiamanteSafiraTopzioQuartzoOrtoclsioApatitaFluoritaCalcita

GessoTalco

109876543

21


41/110


207

Nesse caso, o diamante o mineral mais duro, pois ele risca todos os outros minerais

da escala e, portanto, apresenta dureza ao risco 10. J o talco (silicato de magnsio) o

menos duro (dureza 1), pois riscado por todos os outros minerais da escala. O mineral

safira apresenta dureza 9, pois ele risca todos os outros minerais, mas riscada pelo

diamante; e assim por diante.

A maioria dos metais situa-se entre os valores 4 e 8 da escala Mohs. Esse tipo de

dureza, portanto, no serve para definir adequadamente a dureza dos materiais metlicos.

9.3.2 Dureza por rebote

um ensaio dinmico cuja impresso na superfcie do material causada pela queda

livre de um mbolo com uma ponta padronizada de diamante.Nos ensaios desse tipo, o valor da dureza proporcional energia necessria para

deformar o material, e representada pela altura alcanada no rebote do mbolo.

Em materiais dcteis, o mbolo alcanar uma altura de rebote menor, pois esses

materiais consumiro mais energia na deformao do corpo de prova, indicando,

conseqentemente, uma dureza mais baixa.

Dentre esses mtodos, a dureza Shore a mais destacada. Ela utiliza uma barra de

ao com peso de 0,250 kgf (2,5 N) com uma ponta arredondada de diamante, a qual colocada dentro de um tubo de vidro que apresenta uma escala graduada de 0 a 140. A

barra de ao liberada de uma altura padro (256 mm), e a altura do rebote, aps o choque

com a superfcie do material, considerada a dureza deste.

A Figura 9.23 mostra o esboo de um equipamento para medir a dureza Shore.

Figura 9.23 Esboo de um equipamento para medir a dureza Shore (Adaptada deGARCIA, 2000).

R

Pea de ensaio

140

0

Tubo de vidro

Ponta de diamante

Escala

Barra de ao (massa m)

ho

L

ho, L, m, R(padronizados)


42/110


208

As principais vantagens do ensaio de dureza Shore em relao a outros tipos de

ensaios So:

O equipamento leve e porttil, adequado, portanto, determinao da dureza de peasgrandes e ensaios de campo;

A marca superficial deixada no material pelo ensaio pequena, o que indicado nolevantamento de peas acabadas;

Pode ser realizado em condies adversas, como altas temperaturas, por exemplo.Os cuidados a serem tomados quando da realizao desse ensaio manter a

superfcie do material limpa e lisa e o tubo de queda em posio vertical e perpendicular

superfcie.

9.3.3 Dureza por penetrao

Dentro desse tipo de dureza existem vrias modalidades, cujas principais sero

estudadas a seguir.

a) Dureza Brinell

Inicialmente proposto por J.A. Brinell, em 1900, foi o primeiro ensaio de penetrao

padronizado e reconhecido industrialmente.

O mtodo consiste em comprimir uma esfera de ao temperado ou de carboneto detungstnio na superfcie do material ensaiado, gerando uma calota esfrica ou mossa,

conforme esquematizado na Figura 9.24.

Figura 9.24 Esquema de um ensaio Brinell.

D

d

P

Esfera de ao

Corpo de prova


43/110


209

A dureza Brinell dada pela relao entre a carga aplicada e a rea da calota esfrica.

Assim:

S

Pdureza =

onde a dureza expressa em termos de tenso (Pa), P a carga de impresso (N) e S a rea

da calota esfrica impressa (mm2).

Fazendo-se as devidas substituies, tem-se:

)dDD)(D(

P2102,0HB

22

=

ondeD o dimetro do penetrador e do dimetro da impresso.

A dureza Brinell tem unidade de tenso (kgf/mm2); entretanto, prtica usual autilizao apenas do nmero representativo da dureza, seguido do smbolo HB, pois o

nmero Brinell no um conceito fsico satisfatrio, uma vez que a equao acima no

significa a presso mdia sobre a superfcie da impresso.

Tambm pratica usual utilizar as notaes HBs, no caso do uso de esfera de ao, e

HBw, no caso de carboneto de tungstnio.

O tempo de aplicao da carga da ordem de 10 a 15 segundos.

Tanto a carga quanto o dimetro da esfera dependem do material, os quais devem seradequados ao tamanho, espessura e estrutura interna do corpo de prova (na prtica,

mais freqente a utilizao de esferas com dimetro de 10 mm).

Para materiais com dureza Brinell at 450 HB, utiliza-se a carga de 3000 kgf. Para

materiais mais moles, utilizam-se as cargas de 1500 kgf ou 500 kgf, para evitar a formao

de uma impresso muito profunda. Para materiais muito duros (entre 450 e 650 HB),

utiliza-se esfera de carboneto de tungstnio, para evitar a deformao da esfera de ao.

A fim de se obter o mesmo nmero de dureza Brinell com valores de carga edimetro da esfera no padronizados necessrio produzir impresses geometricamente

similares. A semelhana geomtrica conseguida desde que seja mantido o ngulo que o

centro da esfera faz com a impresso (2), devendo os valores de carga e de dimetro

constarem junto ao resultado do ensaio. Essa condio atendida para d1/D1 = d2/D2 ou

adotando-se valores de carga e dimetro da esfera obedecendo a relao P/D2 constante,

conforme mostrado na Tabela 9.10.


44/110


210

Tabela 9.10 Relaes entre carga aplicada e dimetro da esfera paraserem utilizadas no ensaio Brinell.

Smbolo Dimetro da esfera(mm)

0,102.P/D2 Carga P

Valor nominalHBs (HBw) 10/3000HBs (HBw) 10/1500HBs (HBw) 10/1000HBs (HBw) 10/500HBs (HBw) 10/250HBs (HBw) 10/125HBs (HBw) 10/100

HBs (HBw) 5/750HBs (HBw) 5/250

HBs (HBw) 5/125HBs (HBw) 5/62,5HBs (HBw) 5/31,25HBs (HBw) 5/25

HBs (HBw) 2,5/187,5HBs (HBw) 2,5/62,5HBs (HBw) 2,5/31,25HBs (HBw) 2,5/15,62HBs (HBw) 2,5/7,82HBs (HBw) 6,25

HBs (HBw) 2/120HBs (HBw) 2/40HBs (HBw) 2/20HBs (HBw) 2/10HBs (HBw) 2/5HBs (HBw) 2/4

HBs (HBw) 1/30HBs (HBw) 1/10HBs (HBw) 1/5

HBs (HBw) 1/2,5HBs (HBw) 1/1,25HBs (HBw) 1/1

10101010101010

55

5555

2,52,52,52,52,52,5

222222

111

111

3015105

2,51,25

1

3010

52,51,25

1

30105

2,51,25

1

30105

2,51,25

1

30105

2,51,25

1

29,42 kN14,71 kN9,807 kN4,903 kN2,452 kN1,226 kN980,7 N

7,355 kN2,452 kN

1,226 kN612,9 N306,5 N245,2 N

1,839 kN612,9 N306,5 N153,2 N76,61 N61,29 N

1,177 kN392,3 N196,1 N98,07 N49,03 N39,23 N

294,2 N98,07 N49,03 N

24,52 N12,26 N9,807 N

Fonte: ASTM E10-93

Outras informaes sobre o ensaio Brinell.

- O dimetro da impresso formada deve ser medido utilizando-se microscpio ou lupa

graduada, por meio da mdia aritmtica entre duas leituras a 90 uma da outra, para

minimizar leituras errneas e resultados imprecisos.

P

D

d


45/110


211

- A norma brasileira para a realizao do ensaio a NBR-6294, e a norma internacional

mais utilizada no pas a ASTM E10.

- O penetrador deve ser polido e isento de defeitos na superfcie, e a superfcie do corpo de

prova deve estar lisa e isenta de sujidades (xidos, carepas, leos, poeira e outros). A

superfcie do corpo de prova deve ser plana, normal ao eixo de aplicao da carga e bem

apoiada sobre o suporte, para evitar deslocamentos durante o ensaio.

- O tamanho relativamente grande da impresso de Brinell pode ser uma vantagem para

avaliao de dureza em materiais com estrutura interna no uniforme (ferros fundidos, por

exemplo) ou com heterogeneidades localizadas; por outro lado, o grande tamanho da

impresso pode impedir o uso desse teste em peas pequenas ou em partes criticamente

tensionadas, onde a impresso pode ser um local preferencial para a falha mecnica dapea.

- O ensaio de dureza Brinell no adequado para caracterizar peas que tenham sofrido

tratamentos superficiais (cementao, por exemplo), pois a penetrao pode ultrapassar a

camada tratada do material e gerar erros nos valores obtidos.

- Para metais de grande capacidade de encruamento, pode ocorrer amassamento das bordas

da impresso, propiciando uma leitura de um dimetro menor do que o real (d < dr),

conforme esquematizado na Figura 9.25.

Figura 9.25 Amassamento das bordas da impresso.

- Em metais que tenham sido trabalhados a frio a ponto de apresentarem pequenacapacidade de encruamento, pode ocorrer uma aderncia do metal esfera, com as bordas

da calota formada projetando-se ligeiramente para fora da superfcie do corpo de prova,

propiciando uma leitura de dimetro maior que o real (d > dr), conforme mostrado no

esquema da Figura 9.26.

Figura 9.26 Projeo das bordas da calota esfrica.

dr

d

d

dr


46/110


212

- Para que no haja interferncia de uma impresso em outra, da borda da amostra e de sua

profundidade, as seguintes distncias devem ser observadas (Figura 9.26):

A distncia entre os centros de duas impresses vizinhas deve ser no mnimo 4d(quatrovezes o dimetro da calota esfrica) para materiais ferrosos e 6d no caso de outros

materiais;

A distncia entre o centro da impresso e a borda do corpo de prova deve ser de nomnimo 2,5d;

A espessura mnima do corpo de prova deve ser igual a 10 vezes a profundidade dacalota esfrica; no deve aparecer marca superficial no lado oposto da amostra.

Figura 9.26 Esquema mostrando as distncias a serem obedecidas no ensaio Brinell.

Correlao entre a dureza Brinell e o limite de resistncia trao convencional

A existncia de relaes experimentais que permitam converter dureza em tenso

de extrema utilidade nos casos em que se necessita de uma estimativa da resistncia de um

material e no se tem acesso ao ensaio de trao, por exemplo. Essas relaes, embora no

sejam necessariamente precisas, constituem ferramentas teis nesse sentido.

A relao entre dureza Brinell e limite de resistncia trao bastante utilizada, e

dada porHBu ====

onde u o limite de resistncia trao (MPa), e a constante experimental, que

depende do material. O valor de para o ao carbono 3,60; para o lato encruado 3,45;

para o cobre recozido 5,20 e para o alumnio e sua ligas vale 4,00.

Vale ressaltar, que os valores determinados pela equao acima so considerados

aproximados. Assim, os valores da dureza e de adotados devero ser indicados quando se

usa essa relao, a qual no deve ser aplicada para durezas Brinell maiores que 380, pois

10p

p

2,5d 2,5d4d (6d)


47/110


213

neste caso a dureza passa a crescer mais rapidamente do que o limite de resistncia

trao.

b) Dureza Rockwell

Proposto pelas indstrias Rockwell, dos Estados Unidos, por volta de 1922,

atualmente o mtodo mais utilizado internacionalmente.

baseado na profundidade de impresso causada por um penetrador sob a ao de

uma carga como indicador da medida de dureza. Diferente, portanto da dureza Brinell que

leva em conta a rea de impresso.

Existem dois tipos de dureza Rockwell, a comum e a superficial, dependendo do

penetrador e das pr-carga e carga utilizadas.A pr-carga necessria para eliminar a ao de eventuais defeitos superficiais e

ajudar na fixao da amostra no suporte da mquina, bem como causar pequena

deformao permanente, eliminando erros conseqentes da deformao elstica.

O penetrador pode ser uma ponta de diamante cnico com ngulo de 120 e

ligeiramente arredondada (r = 0,2 mm), ou uma esfera de ao endurecido, geralmente com

dimetro de 1,59 mm (1/16), existindo tambm nos dimetros de 3,17 mm, 6,35 mm e

12,70 mm.As pr-cargas e cargas totais utilizadas so mostradas na Tabela 9.10.

Tabela 9.10 Cargas e pr-cargas dos ensaios Rockwell

Dureza Rockwell Pr-carga Carga total

Comum 10 kgf (98 N)60 kgf (589 N)

100 kgf (981 N)150 kgf (1471 N)

Superficial 3 kgf (29 N) 15 kgf (147 N)30 kgf (294 N)45 kgf (441 N)

A profundidade de penetrao correlacionada pela mquina de ensaio a um nmero

arbitrrio, cuja leitura feita diretamente na escala da mquina, aps a retirada da carga

total, mantendo-se, entretanto a carga inicial;

O nmero de dureza Rockwell citado com o smbolo HR, seguido da escala

utilizada e, ocasionalmente, da carga de ensaio.


48/110


214

As escalas de dureza Rockwell dependem do penetrador e da carga aplicada, e

abrangem toda a gama de materiais, conforme mostra a Tabela 9.11.

Tabela 9.11 Escalas de durezas Rockwell comum e superficialDureza Rockwell

Tipo PenetradorCarga(kgf)

Escala Aplicaes tpicas

B Esfera 1,59 mm 100 Vermelha Ferros fundidos e aos notemperados

C Diamante (cone) 150 Preta Ao temperado ou cementadoA Diamante (cone) 60 Preta Metal duro, ao

fundido/temperado/rpidoD Diamante (cone) 100 Preta Ao fundido com espessura

reduzida

E Esfera 3,175 mm 100 Vermelha Ferros fundidos, ligas dealumnio e magnsio, metalduro

F Esfera 1,59 mm 60 Vermelha Metais moles e ligas de cobreG Esfera 1,59 mm 150 Vermelha Bronze, fsforo, ligas de

berlio, FoFo malevelH Esfera 3,175 mm 60 Vermelha Alumnio, zinco, chumbo e

abrasivosK Esfera 3,175 mm 150 Vermelha Metal duro e matais de baixa

durezaL Esfera 6,35 mm 60 Vermelha Mesma Rockwell K, borracha e

plsticosM Esfera 6,35 mm 100 Vermelha Mesma Rockwell K e L,madeira e plsticos

P Esfera 6,35 mm 150 Vermelha Mesma Rockwell K, L e M,plsticos

R Esfera 12,70 mm 60 Vermelha Mesma Rockwell K, L e M,plsticos

S Esfera 12,70 mm 100 Vermelha Mesma Rockwell K, L e M,plsticos

v Esfera 12,70 mm 150 Vermelha Mesma Rockwell K, L, M, P eR ou S

Dureza Rockwell superficialCarga

aplicadaEscala NDiamante

Escala TEsfera

1,59 (mm)

Escala WEsfera 3,175

(mm)

Escala XEsfera 6,35

(mm)

Escala YEsfera 12,70

(mm)15 15 N 15 T 15 W 15 X 15 Y30 30 N 30 T 30 W 30 X 30 Y45 45 N 45 T 45 W 45 X 45 Y

A norma brasileira para esse ensaio a NBR-6671, e a norma internacional mais

utilizada no pas a ASTM E18.


49/110


215

Para se obter resultados isentos, o penetrador e o suporte devem estar limpos e bem

assentados; a superfcie a ser testada deve estar limpa e seca, plana e perpendicular ao eixo

do penetrador; e as cargas devem ser aplicadas sem impacto.

Para materiais desconhecidos deve-se realizar o ensaio partindo de escalas mais altas

para evitar danos no penetrador; posteriormente, usam-se escalas mais baixas.

O tempo de aplicao da pr-carga dever ser menor que 3 segundos, sendo

recomendado perodo de 1 a 8 segundos para a aplicao da carga total, dependendo do

material.

Para que no haja interferncia de uma impresso em outra, da borda da amostra e de

sua profundidade, as seguintes distncias devem ser observadas:

A distncia entre impresses vizinhas deve ser no mnimo 3 vezes o dimetro daimpresso;

A distncia entre uma impresso e a borda do corpo de prova deve ser no mnimo 2,5vezes o dimetro da impresso;

A espessura mnima do corpo de prova deve ser no mnimo 10 vezes a profundidade daimpresso.

Determinao da profundidade de penetrao no ensaio Rockwell

A profundidade de penetrao (p) pode ser determinada a partir dos valores de dureza

fornecidos pela mquina de ensaio, conforme as seguintes equaes:

- Penetrador de diamante:

Comum p = (100 HR).0,002 [mm]

Superficial p = (100 HR).0,001 [mm]

- Penetrador esfrico:Comum p = (130 HR).0,002 [mm]

Superficial p = (100 HR).0,001 [mm]

Converso de dureza Rockwell em dureza Brinell

A dureza Rockwell definida por:

HR = (C1 C2) p


50/110


216

onde C1 e C2 so constantes para cada escala de ensaio;p variao de profundidade (p

= p2 p1); p2 a profundidade de penetrao com a carga total ep1 a profundidade de

penetrao com a pr-carga.

A dureza Brinell, como j mostrado, definida pela relao entre a carga aplicada e a

superfcie da calota esfrica formada:

pD

P

S

PHB

==

onde 22 dDDp = a profundidade da impresso Brinell.

logo

HBD

P

p =

que substituda na primeira equao fornece:

HBD

PCCHR 21

=

onde os valores de C1 e C2 so dados na Tabela 9.12.

Tabela 9.12 Valores de C1 e C2 para as durezas Rockwell.Escala

RockwellC1 C2 (1/mm)

Escala

RockwellC1 C2 (1/mm)

BCADEFG

130100100100130130130

500500500500500500500

15-N30-N45-N15-T30-T45-T

100100100100100100

100010001000100010001000

Existem tabelas de converso entre os diversos tipos de dureza, as quais so

preparadas por associaes tcnicas, e o valores obtidos nos ensaios especficos podemeventualmente divergir dos tabelados, visto que as constantes utilizadas nos c

Epm Apostila Capitulo09 Ensaios Mod1

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