PROPRIEDADES DOS MATERIAIS ENSAIO DE IMPACTO.pdf
17
2012 PROPRIEDADES DOS MATERIAIS: ENSAIO DE IMPACTO
Transcript of PROPRIEDADES DOS MATERIAIS ENSAIO DE IMPACTO.pdf
2012
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS: ENSAIO DE IMPACTO
RESUMO
Os engenheiros devem compreender como as diversas propriedades mecânicas são
medidas e o que elas representam. Essas propriedades são necessárias ao projeto de
estruturas ou componentes que utilizem materiais predeterminados, a fim de que não
ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou falhas em serviço, ou o encarecimento do
produto em função do superdimensionamento de componentes.
As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de ensaios
cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições
de serviço. Os fatores a serem considerados nos ensaios incluem-se a natureza da carga
aplicada, a duração de aplicação dessa carga e as condições ambientais.
Os ensaios dos materiais podem ser classificados quanto à integridade geométrica e
dimensional da peça ou componente – destrutivos e não-destrutivos - ou quanto à
velocidade de aplicação da carga – Estáticos, Dinâmicos e Cargas constantes.
Os ensaios mencionados objetivam verificar a conduta dos componentes ou materiais
sujeitos a esforços específicos e os limites físicos desses tipos de esforços nas estruturas
e na estabilidade, além de determinar as características mecânicas inerentes a tais
componentes ou ao material envolvido.
ABSTRACT
Engineers must understand how the different mechanical properties are measured and
what they represent. These properties are necessary to the design of structures or
components using predetermined materials, so that there are no unacceptable levels of
deformation and / or failures in service or product enhancement due to the oversizing of
components.
The mechanical properties of materials are verified by executing carefully planned tests
that replicate as closely as possible the conditions of service. The factors to be considered
in the tests include the nature of the applied load, the length of applying that load and
environmental conditions.
Tests of materials can be classified as geometric and dimensional integrity of the part or
component - destructive and non-destructive - or about the speed of load application -
Static, Dynamic and constant loads.
The tests aim to verify the mentioned behavior of components or materials subject to
specific efforts and the physical limits of these types of efforts in structural stability and to
determine the mechanical characteristics inherent to such components or materials
involved.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Regiões de fraturas ......................................................................................... 7
Figura 2 – Fratura frágil ocorrida no navio de carga Liberty em 1941 .............................. 8
Figura 3 – Ilustração simplificada do ensaio de impacto .................................................. 10
Figura 4 – Máquina de ensaio de impacto tipo JXB ......................................................... 11
Figura 5 – Formas e dimensões do corpo de prova Charpy ............................................ 12
Figura 6 – Formas e dimensões do ensaio Izod ............................................................... 13
Figura 7 – Característica do ensaio Izod .......................................................................... 14
Figura 8 – Dimensões do corpo de prova Mesnager ........................................................ 15
Figura 9 – Dimensões do corpo de prova Schanadt ........................................................ 15
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO.....................................................................................................................6
FRATURAS .........................................................................................................................7
FATORES QUE INFLUENCIAM O COMPORTAMENTO FRÁGIL DOS MATERIAIS
DÚCTEIS.............................................................................................................................9
DESCRIÇÃO DO ENSAIO DE IMPACTO .........................................................................10
CORPOS DE PROVA........................................................................................................12
OUTRAS VARIAÇÕES PARA OS CORPOS DE PROVAS...............................................15
CONCLUSÃO ....................................................................................................................16
BIBLIOGRAFIA..................................................................................................................17
6
INTRODUÇÃO
Durante a Segunda Guerra Mundial, o fenômeno da fratura frágil despertou a
atenção de projetistas e engenheiros devido à alta incidência desse tipo de fratura
em estruturas soldadas de aço de navios e tanques de guerra. Alguns navios
partiam-se ao meio, mesmo que não estivessem em mar aberto e turbulento, apesar
de serem construídos de aços-liga que apresentavam razoável ductilidade, conforme
ensaios de tração realizados à temperatura ambiente. A incidência desse tipo de
fratura ocorria nos meses de inverno, e problemas semelhantes já haviam sido
relatados em linhas de tubulações de petróleo, vasos de pressão e pontes de
estrutura metálica. Todos esses problemas motivaram a implantação de programas
de pesquisas que determinassem as causas dessas falhas em serviço e indicassem
providências para impedir futuras ocorrências. Foi observado que três fatores
principais contribuem para o surgimento da fratura frágil em materiais que são
normalmente dúcteis à temperatura ambiente: a existência de um estado triaxial de
tensões, as baixas temperaturas e a taxa de deformação elevada.
O teste de impacto e um método para determinar o comportamento de materiais
submetidos a uma carga de choque em curvatura, tensão ou torção. A quantidade
normalmente medida é a energia absorvida na ruptura do corpo de prova em um
único impacto, como no Teste de Impacto Charpy, Teste de Impacto Izod e Teste de
Impacto de Tensão. Os testes de impacto também são realizados submetendo-se os
corpos de prova a vários impactos de intensidade crescente, como no teste de
impacto de queda de esfera de aço, e testes de impacto repetidos. A resiliência ao
impacto e dureza escleroscópica são determinadas em testes de impacto não-
destrutivos.
7
FRATURAS
As fraturas produzidas por impacto podem ser frágeis ou dúcteis. As fraturas frágeis
caracterizam-se pelo aspecto cristalino e as fraturas dúcteis apresentam aparência
fibrosa.
Figura 1 – Regiões de fraturas.
Os materiais frágeis rompem-se sem nenhuma deformação plástica, de forma
brusca. Por isso, esses materiais não podem ser utilizados em aplicações nas quais
sejam comuns esforços bruscos, como em eixos de máquinas, bielas etc.
Para estas aplicações são desejáveis materiais que tenham capacidade de absorver
energia e dissipá-la, para que a ruptura não aconteça, ou seja, matérias que
apresentam tenacidade.
Esta propriedade esta relacionada com a fase plástica dos materiais e por isso se
utilizam as ligas metálicas dúcteis neste tipo de aplicação.
8
Porém, mesmo utilizando ligas dúcteis, com resistência suficiente para suportar uma
determinada aplicação, verificou-se na prática que um material dúctil pode romper-se
de forma frágil.
Esta característica dos materiais ficou mais evidente durante a Segunda Guerra
Mundial, quando os equipamentos bélicos foram levados a solicitações críticas de
uso, despertando o interesse dos cientistas pelo assunto.
Abaixo um exemplo de fratura abrupta devido à fragilidade do material.
Figura 2 – Fratura frágil ocorrida no navio de carga Liberty em 1941.
9
FATORES QUE INFLUENCIAM O COMPORTAMENTO FRÁGIL DOSMATERIAIS DÚCTEIS
Um material dúctil pode romper-se sem deformação plástica apreciável, ou seja, de
maneira frágil, quando as condições abaixo estiverem presentes.
Velocidade de aplicação da suficientemente alta;
Trinca ou entalhe do material;
Temperatura de uso do material suficientemente baixa.
Alguns materiais são mais afetados pela velocidade alta do choque, apresentando
uma sensibilidade que é chamada sensibilidade à velocidade.
Uma trinca promove concentração de tensões muito elevadas, o que faz com que a
maior parte da energia produzida pela ação do golpe seja concentrada numa região
localizada da peça, com a conseqüente formatação da fratura frágil. A existência de
uma trinca, por menor que seja, muda substancialmente o comportamento do
material dúctil.
Esta característica do material dúctil, de comportar-se como frágil devido à trinca, é
freqüentemente chamada de sensibilidade ao entalhe.
A temperatura tem um efeito muito acentuado na resistência dos metais ao choque,
ao contrário do que ocorre na resistência estática.
A energia absorvida por um corpo de prova varia sensivelmente com a temperatura
do ensaio.
Um corpo de prova a uma temperatura T1 pode absorver muito mais energia do que
se estivesse a uma temperatura T2, bem menor que T1, ou pode absorver a mesma
energia a uma temperatura T3, pouco menor que T1.
10
DESCRIÇÃO DO ENSAIO DE IMPACTO
Um dos ensaios que permitem estudar os efeitos das cargas dinâmicas e o ensaio
de impacto. Este ensaio é usado para medir a tendência de um metal de se
comportar de maneira frágil.
O choque ou impacto representa um esforço de natureza dinâmica, porque a carga é
aplicada repentina e bruscamente.
No impacto, não é só a força aplicada que conta. Outro fator é a velocidade de
aplicação da força. Força associada com velocidade traduz-se em energia.
O método mais comum para ensaiar metais é o do golpe, desferido por um peso em
oscilação. O pêndulo é levado a uma certa posição, onde adquire uma energia
inicial. Ao cair ele encontra no seu percurso o corpo de prova que se rompe. A sua
trajetória continua até certa altura, que corresponde a posição final, onde o pêndulo
apresenta uma energia final.
Figura 3 – Ilustração simplificada do ensaio de impacto.
11
A diferença entre as energias inicial e final corresponde à energia absorvida pelo
material.
De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (S.I.), a unidade de energia
adotada é o joule (J). Em máquinas mais antigas, a unidade de energia pode ser
dada em kgf * m, kgf * cm ou kgf * mm.
A máquina é dotada de uma escala, que indica a posição do pêndulo, e é calibrada
de modo a indicar a energia potencial.
Figura 4 – Máquina de ensaio de impacto tipo JXB.
12
CORPOS DE PROVA
Nos ensaios de impacto, utilizam-se duas classes de corpos de prova com entalhe: o
CHARPY e o IZOD. Há um tipo especial para ferros fundidos e ligas não ferrosas
fundidas sobre pressão. Esses corpos de prova seguem especificações de normas
internacionais, baseadas na norma americana E-23 da ASTM.
CHARPY:
Os corpos de prova Charpy compreendem três subtipos (A, B e C), de acordo com a
forma do entalhe.
A figura a seguir mostra as formas e dimensões desses três tipos de corpos de
prova e dos respectivos entalhes.
Figura 5 – Formas e dimensões do corpo de prova Charpy.
13
Entalhes mais profundos ou agudos, Charpy A, são indicados para teste de materiais
mais dúcteis ou quando se usam menores velocidades no teste. As duas condições
favorecem a ruptura frágil.
IZOD:
O ensaio é realizado em pêndulo de impacto, semelhante ao pêndulo do teste
Charpy. Entretanto a fixação e posição do corpo de prova são específicas do teste.
No ensaio IZOD o corpo de prova é fixado por um par de garras na posição vertical.
Quando o pêndulo da máquina de teste Izod é liberado ele oscila na direção
descendente e atinge o corpo de prova na posição vertical do braço. O corpo de
prova é quebrado. O braço do pêndulo continua seu movimento, com redução de
momento devido à energia absorvida pelo corpo de prova no instante do impacto.
Uma escala graduada fornece a leitura da energia gasta na fratura do corpo de
prova.
Para obtenção de um resultado representativo normalmente é recomendado tomar a
média de resultados de três testes.
Figura 6 – Formas e dimensões do ensaio Izod.
14
Os corpos de prova devem ter seção quadrada com 10 mm de lado e comprimento
de 75 mm. O entalhe é executado a 28 mm da extremidade e tem a forma de V (ver
figura).
Figura 7 – Característica do ensaio Izod.
Entalhes agudos como o do corpo de prova Izod são indicados para teste de
materiais mais dúcteis ou quando se usam menores velocidades no teste. As duas
condições favorecem a ruptura frágil.
Para ferros fundidos e metais fundidos sob pressão o corpo de prova não necessita
de entalhe (mesma recomendação do teste Charpy).
15
OUTRAS VARIAÇÕES PARA OS CORPOS DE PROVAS
Variações do corpo de prova do ensaio Charpy são adotadas por algumas normas
internacionais. Assim são os corpos de prova Mesnager, semelhante ao corpo
Charpy tipo C com profundidade de entalhe reduzida e o corpo de prova Schanadt,
com cinco diferentes geometrias de entalhe. No corpo Schanad um pino de aço é
posicionado dentro do entalhe para a execução do teste. O pino previne o
aparecimento de tensões de compressão no impacto.
Figura 8 – Dimensões do corpo de prova Mesnager.
Figura 9 – Dimensões do corpo de prova Schanadt.
16
CONCLUSÃO
Os testes são de extrema importância para se verificar e analisar o comportamento
dos materiais sob a ação de diversos fatores em situações adversas, além de
determinar suas características e fundamentais para o dimensionamento dos
elementos estruturais.
O ensaio é uma observação do comportamento de um material quando submetido à
ação de agentes externos como esforços e outros. Os ensaios são padronizados,
definidos por normas, de forma que seus resultados sejam significativos para cada
material e possam ser facilmente comparados. Os ensaios adquirem paulatinamente
importância pela precisão e comparação entre materiais, sendo necessário para a
segurança e rendimento de obras e equipamentos.
É importante que se realize os testes descritos com vários corpos de prova afim de
que se obtenha resultados mais precisos sobre o material ensaiado. Necessita-se
destacar também que todos os ensaios mencionados neste trabalho são realizados
sob condições normais de temperatura. Sob ação das intempéries, os testes podem
variar sensivelmente.
17
BIBLIOGRAFIA
SHIGLEY, J.E.,Michke, C.R. e BUDYNAS,R.G. – Projeto de Engenharua Mecânica,7ªed., Bookman, 2005.
TEOFILO, Jorge. Estrutura e Propriedade dos Materiais: Ensaios Mecânicos dosMateriais. Disponível em: <http://jorgeteofilo.files.wordpress.com/2010/08/epm-apostila-capitulo09-ensaios-mod1.pdf> Acesso em 7 setembro 2012.
Ensaio de Impacto. Disponível em: <http://www.artigonal.com/tecnologias-artigos/ensaio-de-impacto-1006632.html> Acesso em 7 setembro 2012.
