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Grupo de Mecânica Aplicada
ENSAIOS MECÂNICOS
Ricson Rocha de SouzaDepartamento de Engenharia Mecânica
Universidade Federal do Rio Grande do Sul2010
Ensaio de tração
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IntroduçãoEnsaio de tração
É um dos ensaios mais utilizados para materiais metálicos devido à facilidade de execução e reprodução.
Pode ser realizado de duas formas: ensaio de tração convencional ou real
Tensão e deformação na tração
Tensão resistência interna de um corpo a uma força externa aplicada por unidade de área.
Deformação variação de uma dimensão qualquer desse corpo, por unidade da mesma dimensão, quando esse corpo é submetido a um esforço qualquer.
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IntroduçãoEnsaio de tração
Considere-se uma barra metálica cilíndrica de secção transversal uniforme, So, onde é marcada uma distância, Lo, ao longo de seu comprimento. Se essa barra é submetida a uma única força de tração Q, isto é, a uma força normal à secção transversal da barra e coincidente com o seu eixo longitudinal, a tensão média de tração, , produzida na barra é dada por :
Tensão e deformação na tração
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IntroduçãoEnsaio de tração
Com a aplicação da tensão, , a barra sofre uma deformação . A carga, Q, produz um aumento da distância , Lo, de um valor, L-L0.
A deformação linear média é dada então por L-L0/L0
adimensional
A constante E é conhecida por módulo de elasticidade ou módulo de Young.
A linearidade do diagrama termina num ponto A, denominado limite elástico.
Ao ser atingida uma tensão em que o material já não mais obedece à lei de Hooke, ou seja, a deformação não é proporcional à tensão, chega-se ao ponto A´ denominado limite de proporcionalidade.
Admite-se que uma deformação residual de 0,001%, seja o limite da zona elástica.
Lei de Hooke (1678 por Sir Robert Hooke)
ou
Propriedades mecânicas obtidas
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IntroduçãoEnsaio de tração
Propriedades mecânicas obtidas
O início da plasticidade é verificado em vários metais e ligas dúcteis, principalmente, no caso dos aços de baixo carbono, pelo fenômeno do escoamento. O escoamento é um tipo de transição heterogênea e localizada, caracterizado por um aumento relativamente grande da deformação com pequena variação da tensão. Depois do escoamento o material está encruado.
Denomina-se limite de escoamento a tensão atingida durante o escoamento:
Quando não for possível determinar com precisão adota-se o limite n de escoamento:
onde Qn é a carga em que se observa uma deformação de n% do material
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IntroduçãoEnsaio de tração
Propriedades mecânicas obtidas
alongamento
estricção
alongamento
estricção
alongamento
estricção
alongamento
estricção
alongamento
estricção
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Ensaio de tração
Definições:
0 Comprimento útil inicialL
0 Seção transversal inicialS
Força atuante (tração é +)Q
0
Tensão normal (tração é +)Q
S
0
0 0
Deformação normalL L L
L L
Válido para ensaio de tração
convencional
Comprimento útil atualL
Medido durante o ensaio
Configuração inicial do CP
0 Comprimento útil inicialL
0 Seção transversal inicialS
Força atuante (tração é +)Q
0 Comprimento útil inicialL
0 Seção transversal inicialS
Comprimento útil atualL
Força atuante (tração é +)Q
0 Comprimento útil inicialL
0 Seção transversal inicialS
0
Tensão normal (tração é +)Q
S
Comprimento útil atualL
Força atuante (tração é +)Q
0 Comprimento útil inicialL
0 Seção transversal inicialS
0
0 0
Deformação normalL L L
L L
0
Tensão normal (tração é +)Q
S
Comprimento útil atualL
Força atuante (tração é +)Q
0 Comprimento útil inicialL
0 Seção transversal inicialS
Introdução
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IntroduçãoEnsaio de tração
Procedimento de ensaio:
1)Um CP previamente preparado de acordo com o material a ser estudado é fixado à máquina de ensaio pelas suas extremidades;
2)Um extensômetro é instalado no CP para medir a variação de comprimento;
3)O CP é submetido a um esforço de tração uniaxial crescente até a sua ruptura (1 kgf/mm2 s ou 9,81MPa/s – pode variar para P&D);
4)No decorrer do ensaio são medidos a força e o comprimento do CP para traçar uma curva tensão-deformação.
Fatores de influência na resposta:
1)Velocidade de aplicação da carga (ou interrupções prolongadas do ensaio);
2)Temperatura;
3)Falhas ou alterações no CP; problemas de fixação do CP na máquina de ensaio; rigidez da máquina;
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IntroduçãoEnsaio de tração
Corpos de prova:
Seção Cilíndrica: para produtos acabados de seção circular, forma irregular ou espessura excessivamente grande;
Seção retangular: para chapas
Atendendo a relação L0 = 5 D0, de preferência com D0 = 10mm.
Extração segundo direção especificada, para materiais trabalhados mecanicamente.
Cabeça adaptada à máquina de ensaio (podendo ser rosqueada)
Próprio produto acabado: barras, fios e arames; além de produtos compostos como cabos, cordoalhas e correntes.
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IntroduçãoEnsaio de tração
Equipamento de ensaio:
Máquina de tração:
►Hidráulicas ou parafuso contínuo
►Dispositivo de medição de força: hidráulica, mecânica ou elétrica
►Baixa rigidez (máquina mole – aumento de carga constante) ou de Alta rigidez (máquina dura – aumento de deformação constante)
Modos de fixação na máquina
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IntroduçãoEnsaio de tração
Equipamento de ensaio:
600kN
2000kN
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IntroduçãoEnsaio de tração
Equipamento de ensaio:
Extensômetro:
►Determina a variação de comprimento entre dois pontos do CP
►Mecânico, ótico, elétrico ou eletrônico
►Precisão ex. 0,001mm
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Ensaio de tração convencionalEnsaio de tração
Curva tensão-deformação característica:
São observados os processos de deformação elástica, escoamento, deformação plástica com encruamento e deformação plástica com encruamento não uniforme e estricção da seção do CP com progressão da ruptura.
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencionalEnsaio de tração
Curva tensão-deformação característica :
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencionalEnsaio de tração
Módulo de elasticidade (E)
Lei de Hooke E E
Graficamente é a inclinação da curva tensão-deformação no regime elástico.
É a medida de rigidez do material: define a quantidade de deformação normal elástica apresentada por um material quando submetido a um nível de tensão normal. Quanto maior o módulo, menor será a deformação elástica e mais rígido o material.
temp. E
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
Liga A mais rígida que a B, pois deformação em A é menor do que em B.
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Ensaio de tração convencional Ensaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de elasticidade (E)
Em ensaios onde a parte elástica
linear não é bem definida pode-se
medir E pela inclinação da reta
tangente da curva na origem (O) ou
em um ponto especificado (B).
Também é possível determinar E pela
tangente da reta que é secante à
curva indo da origem (O) a um ponto
especificado (A).
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencional Ensaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: Limite elástico e de proporcionalidade
Limite elástico aparente ou limite Johnson: pode substituir o limite elástico e o limite de proporcionalidade por ser mais facilmente obtido.
Corresponde ao ponto onde a velocidade de deformação é 50% maior que na origem. Esse valor é determinado graficamente conforme um dos dois procedimentos:
CD=0,5CE
e FG//OE
FD=1,5FE
e MN//OD
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
1 – traça reta CE 2 – traça reta FD
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Ensaio de tração convencional Ensaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: Limite de escoamento (σe)
Substitui o limite de proporcionalidade nos ensaios de rotina.
Não é bem definido para todos materiais. (Ex. de ocorrência: aço de baixo carbono, alumínio e latão)
Costuma dar base a tensão de trabalho em projeto de estruturas (cargas estáticas).
0 0
Limite de escoamento ou i
e ee e
Q Q
S S
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencional Ensaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: Limite de escoamento (σe)Escoamento é um processo heterogêneo de deformação que ocorre entre a zona elástica e a zona plástica.
As faixas de deformação são conhecidas como bandas de Lüders. Cada oscilação da carga durante o escoamento corresponde a formação de uma nova banda. Escoamento termina depois que todas as faixas cobrem o comprimento total do corpo de prova.
Metais mais dúcteis e de granulação mais fina apresentam maior será o alongamento do escoamento.
Pode ser associado a pequenas quantidades de impurezas intersticiais ou substitucionais existentes no material e discordâncias. Materiais 100% puros não apresentam escoamento.
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencional Ensaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: Limite de escoamento (σe)
Fatores de influência:
Velocidade de aplicação da carga. (quanto maior a velocidade de aplicação maior tende a ser o σe
s)
Geometria, acabamento e fixação do CP. (irregularidades geométricas,acabamento superficial ruim diminuem o σe
s. A falta de axialidade pode alterar ou dificultar a verificação de σe)
Rigidez da máquina de ensaio (K)
Na queda do limite superior para o limite inferior de escoamento, a inclinação da curva é determinada pela característica da máquina, “constante de mola”. O quociente entre a diminuição da carga e a movimentação dos êmbolos para produzir essa diminuição é a “constante de mola”.
Máquina mole tem um valor baixo da “constante da mola” e uma máquina dura um valor alto.
Máquina dura é sensível à velocidade de deformação e a mole é sensível a variação de carga. O limite superior é relativamente menos afetado pelos fatores apontados do que o superior.
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencional Ensaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: Limite convencional n de escoamento (σen)
Valor convencionado internacionalmente para substituir o limite de escoamento quando esse é de difícil determinação.
Valores típicos de n: Ligas metálicas em geral (0,2%); Metais muito duros (0,01% – 0,1%); metais ou ligas com grande plasticidade (0,5%).
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencional Ensaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: encruamento
A medida que o material sofre deformação plástica sua resistência é aumentada.
No caso de um descarregamento o material voltará a se deformar plasticamente somente após atingida a tensão máxima já suportada. (O limite de escoamento é aumentado após o encruamento)
O processo de carregamento e descarregamento ocorre de forma elástica.
Encruamento por envelhecimento: quando o material é recarregado após um tempo considerável a tensão de retomada da plastificação pode se elevar, com eventual aparecimento do processo de escoamento.
Encruamento é o processo de endurecimento do material por meio de deformação a frio
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencional Ensaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: limite de resistência (σr)
Pouco significativa para materiais dúcteis.
Importante para materiais frágeis.
Importante para identificação do material. Dado determinante de fácil obtenção. Normalmente é especificado para ligas metálicas.
Sofre menos influência da anisotropia do que o limite de escoamento.
Limite de resistência (σr) é dado pela carga máxima atingida durante o ensaio.
0
Limite de resistência máxr
Q
S
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencional Ensaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: alongamento
Alongamento total: medido após a ruptura do CP, formado por (alongamento uniforme + alongamento até a ruptura).
Alongamento uniforme: alongamento do escoamento + alongamento da zona plástica.
É uma medida comparativa de ductilidade dos materiais. Quanto maior o alongamento, mais dúctil é o material.
É influenciado pelo valor da medida inicial L0, que deve ser informada junto com o alongamento.
0
0
100Alongamento (%)L L
AL
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencional Ensaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: alongamento
Determinação do alongamento: L0 do CP é previamente dividido em n partes iguais.
Fratura no centro do CP; Lf é medido somando os comprimentos das n divisões iniciais.
Fratura próxima a uma extremidade do CP; Lf é medido somando os comprimentos das n divisões iniciais + divisões do lado maior.
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencionalEnsaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: estricção
Variação da área da seção transversal do CP no local da fratura.
Medida indicativa de ductilidade; Quanto maior a estricção, maior a ductilidade do material.
Não é uma propriedade específica do material, mas uma caracterização do seu comportamento no ensaio de tração.
Normalmente não é medida em CP de seção retangular.
0
0
100Estricção (%)S S
S
2 2
0
2
0
100Estricção (%)D D
D
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencionalEnsaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: limite de ruptura (σf)
Tensão produzida pela carga Qf no momento da ruptura do CP.
Em materiais dúcteis Qf é menor do que Qr .
Em materiais frágeis Qf tende a ser próximo ou igual a Qr .
0
Limite de ruptura f
f
Q
S
Estudo detalhado das propriedades mecânicas
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Ensaio de tração convencionalEnsaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de Resiliência e Coef. Poisson
Resiliência é a capacidade do material em absorver energia quando deformado elasticamente.
Módulo de Resiliência: é a medida da quantidade de energia de deformação por unidade de volume necessária para tensionar um material do estado inicial até atingir a tensão limite de proporcionalidade.
O Coeficiente de Poisson mede a rigidez do material na direção perpendicular à direção da carga de tração uniaxial aplicadas. A maioria dos metais tem o valor entre 0,25 (perfeitamente isotrópicos) e 0,35, sendo 0,33 o valor adotado na maioria dos casos
Compressão lateral
Deformação
Limite de proporcionalidade, escoamento ou n
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Ensaio de tração convencionalEnsaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de Resiliência e Coef. Poisson
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Ensaio de tração convencionalEnsaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: Resiliência hiperelástica
Resiliência hiperelástica se refere à energia de deformação elástica liberada por unidade de volume no descarregamento de um material a partir de um ponto de tensão-deformação dentro do regime plástico.
Esse valor é maior que UR devido ao encruamento do material.
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Ensaio de tração convencionalEnsaio de tração
Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de Tenacidade (UT)
Tenacidade é a capacidade do material em absorver energia na zona plástica.
Módulo de Tenacidade: é a medida da quantidade de energia de deformação por unidade de volume que o material pode absorver até o início de sua ruptura (limite de resistência) ou até a fratura (limite de ruptura).
Graficamente é a área abaixo do gráfico tensão-deformação até o limite de resistência ou até o limite de ruptura.
Compreende tanto a resistência quanto a ductilidade do material.
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Fratura no ensaio de traçãoEnsaio de tração
Estudo da fratura à tração
Dependendo da quantidade de deformação plástica que a acompanha, uma fratura pode ser macroscopicamente classificada em:
(i) Fratura dúctil ou fibrosa: quando existe grande deformação plástica acompanhando a fratura
(ii) Fratura frágil ou cristalina/granular: quando a deformação plástica junto à fratura é pequena ou imperceptível e a propagação das trincas é rápida
Quanto à propagação da fratura pode-se fazer a classificação em: fratura intergranular (propagação entre os grãos) e fratura transgranular (propagação através dos grãos).
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Fratura no ensaio de traçãoEnsaio de tração
Estudo da fratura à tração
(a) Fratura frágil; caracterizada pela separação do material normal à tensão de tração (ocorre em metais c.c.c. e h.c.).
(b) Fratura cisalhante; deslizamento de planos sucessivos em materiais monocristais h.c. até a ruptura por cisalhamento.
(c) Fratura completamente dúctil; em materiais muito dúcteis (ouro, chumbo, etc...).
(d) Fratura dúctil; fratura taça-cone com inicio no centro do CP e propagação cisalhante, com triaxialidade de tensões.
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Fratura no ensaio de traçãoEnsaio de tração
Estudo da fratura
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Fratura no ensaio de traçãoEnsaio de tração
Estudo da fratura frágil
Segundo a teoria das discordâncias o processo de fratura frágil se dá em três estágios:
(a)Empilhamento de discordâncias por deformação plástica;
(b)Nucleação de microtrincas pela concentração de tensões no empilhamento de discordâncias;
(c)Propagação e união das microtrincas de forma instável (imediata) ou através de evolução com tensão constante ou leve aumento.
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Fratura no ensaio de traçãoEnsaio de tração
Estudo da fratura dúctil
Processo de fratura dúctil:
(a)Início da estricção; Triaxialidade de tensões e componentes hidrostáticas.
(b)Formação de microcavidades na região central do CP;
(c)Crescimento das microcavidades e formação de trincas.
(d)Propagação perpendicular da trinca central até as extremidades com posterior formação de planos de cisalhamento a 45º .
(e)Formação do cone da fratura.
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ReferênciasEnsaio de tração
Souza, S. A. (1982) Ensaios mecânicos de materiais metálicos – Fundamentos teóricos e práticos. 5 ed. Editora Edgar Blucher LTDA.
Garcia, A., Spim, J. A., Santos, C. A. (2000) Ensaios dos Materiais. LTC -- Livros técnicos e científicos editora.
Dieter, G. E. (1981) Metalurgia mecânica. Segunda Edição. Editora Guanabara Koogan S.A..