UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES ADALBERTO VIEIRA DA COSTA

JURANDIR GUTIERREZ JR. RICARDO MANTOVANI RODRIGUES

VIDAL DONIZETE DE PAULA E SILVA

ENSAIOS MECNICOS DE MATERIAIS METLICOS

MOGI DAS CRUZES, SP 19 DE NOVEMBRO 2009

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UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES Jurandir Gutierrez Jr. RGM - 52380

Vidal Donizete de Paula e Silva RGM - 52714 Adalberto Vieira da Costa RGM - 52908

Ricardo Mantovani Rodrigues RGM - 53072

ENSAIOS MECNICOS DE MATERIAIS METLICOS

Relatrio apresentado a Disciplina de: Desgastes Mecnicos no 4 semestre do Curso de Tecnologia em Manuteno Industrial da Universidade de Mogi das Cruzes, como Requisito Parcial Obteno de nota bimestral.

Prof Gerson de Faria Melo

MOGI DAS CRUZES, SP 19 DE NOVEMBRO 2009

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RESUMO

Este relatrio apresenta uma breve introduo sobre Ensaios Mecnicos em Materiais Metlicos, uma descrio geral sobre os vrios tipos de Ensaios Mecnicos, e especificamente informaes sobre os ensaios de Dureza, Trao e Impacto, que foram os Ensaios realizados, assim como os resultados obtidos nos Ensaios Mecnicos em Materiais Metlicos realizados dia 31/11/2009 no Laboratrio da Universidade de Mogi das Cruzes, o relatrio encerrado com uma concluso feita com as experincias dos alunos obtidas durante os Ensaios.

Resumo do Relatrio de Ensaios Mecnicos e Materiais Metlicos, de autoria de Jurandir Gutierrez Jr., Vidal

Donizete da Paula e Silva, Adalberto Vieira da Costa e Ricardo Mantovani Rodrigues ( Alunos da Universidade de Mogi das Cruzes), realizados em 2009.

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NDICE

Pgina

LISTA DE FIGURAS ................................................................................................v e vi LISTA DE TABELAS ................................................................................................... vii

Captulo

I INTRODUO .................................................................................. 1 Ensaios Mecnicos 1 Noes Sobre Normas Tcnicas 2 Unidades Sitema Internacional (SI) 3 Tipos de Ensaios Mecnicos 4

II DESCRIO SOBRE OS ENSAIOS MECNICOS ....................... 6 Ensaio de Dureza 6 Ensaio de Trao 14 Ensaio de Impacto 29

III PROCEDIMENETOS - APRESENTAO RESULTADOS........ 34 Ensaio de Dureza Rockwell 34 Ensaio de Trao 36 Ensaio de Impacto Fratura Frgil 39

IV CONCLUSO.................................................................................. 42 Concluso 42

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................43

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LISTA DE FIGURAS Figura Pgina

1. Relao entre Tenso e Dureza ........................................................................... 6 2. Deformao plstica na Dureza Brinell ............................................................... 8 3. Esquema de uma mquina de dureza Brinell....................................................... 10 4. Esquema de medida de Dureza Rockwell............................................................ 11 5. Esquema de uma Mquina de Dureza Rockwell ................................................. 12 6. Mquina utilizada no teste de Trao (UMC) (a) Fixao do corpo de

prova (b) ......................................................................................................... 14 7. Mquina de Trao Esquemtica ......................................................................... 14 8. Barra submetida a esforo de trao .................................................................... 16 9. Curva Tenso () x Deformao () .................................................................... 17 10. Corpos de Prova para Ensaio de Trao segundo ABNT.................................. 18 11. Diagrama Tenso - Deformao ........................................................................ 19 12. Limite de elasticidade e de proporcionalidade .................................................. 21 13. Limite de Escoamento - Superior e Inferior ...................................................... 21 14. Limite de escoamento convencional n............................................................... 22 15. Limite de Resistncia e de Ruptura ................................................................... 23 16. Metodo para determinao do valor de L para o alongamento.......................... 24 17. Mtodo de determinao da estrico em corpos de prova

retangulares .................................................................................................... 25 18. Tipos de Fraturas ............................................................................................... 25 19. Determinao da Resilincia Hiperelstica ....................................................... 26 20. Energia para romper (modulo de tenacidade) um material (a) dctil e

(b) frgil.......................................................................................................... 27 21. Comparao entre a Resilincia e a Tenacidade de dois aos ........................... 27 22. Determinao do Mdulo de Tenacidade .......................................................... 28 23. Curva de trao .................................................................................................. 29 24. Mquina para ensaio de Impacto - Esquemtica ............................................... 30 25. Mquina Charpy; (a) Mquina Izod; (b) Mquina de Impacto com

Trao (c) ....................................................................................................... 30 26. Corpos de Prova para Ensaio de Impacto, recomendados pela ASTM

e ABNT .......................................................................................................... 31 27. Temperatura de Transio ................................................................................. 31 28. Relao da Resistncia de Impacto com a orientao das amostras.................. 32

vi

29. Relao da tenso de fratura com o tamanho de gro........................................ 33 30. Mquina utilizada nos testes de Dureza Rockwell; (a) Escala para

leitura da dureza (para Rockwell C escala preta central) (b) ......................... 34 31. Corpos de Prova para Dureza ............................................................................ 34 32. Pontos para verificao da dureza ..................................................................... 35 33. Unidade de Controle de Carga........................................................................... 36 34. Corpo de Prova .................................................................................................. 36 35. Estrico inicial.................................................................................................. 37 36. Ruptura............................................................................................................... 37 37. Estrico Final/Ruptura ..................................................................................... 37 38. Grfico de Fora - Deformao ......................................................................... 37 39. Mquina para Ensaio de Impacto....................................................................... 39 40. Mostrador da Escala........................................................................................... 39 41. Corpos de Prova Sharp para Ensaio de Impacto................................................ 40 42. Corpos de Prova aps Ensaio de Impacto.......................................................... 41

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LISTA DE TABELAS Tabela Pgina

1. Escala de Mohs .................................................................................................... 7 2. Relao P/D ........................................................................................................ 9 3. Alguns tipos de escala de dureza Rockwell......................................................... 11 4. Modulo de Elasticidade de alguns Metais e Ligas temperatura

ambiente ......................................................................................................... 20 5. Modulo de Resilincia para alguns Materiais...................................................... 22 6. Modulo de Tenacidade de algumas Ligas............................................................ 28 7. Teste de Dureza Rockwell Escala C - Resultados obtidos para vrios

tipos de aos ................................................................................................... 35 8. Teste de Trao - Resultados obtidos para dois tipos de aos ............................. 38 9. Teste de Trao - Valores calculados para Tenso de Trao ( ) e

Deformao Linear ( ) ................................................................................ 38 10. Teste de Trao - Valores calculados para Alongamento total do

Corpo de Prova ( A ) e Estrico ( ) ........................................................... 38 11. Ensaio de Impacto - Resultados obtidos para vrios tipos de materiais ............ 41

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CAPTULO I

INTRODUO

Ensaios Mecnicos

Com o passar dos tempos, o melhor entendimento e conhecimento dos materiais (metais), o desenvolvimento de novas ligas e a enorme gama de aplicaes possveis com os materiais, foram e esto sendo desenvolvidos e padronizados ensaios mecnicos e metalrgicos para testar os materiais e os produtos metlicos.

As principais propriedades mecnicas dos materiais obtidas por ensaios, so: Resistncia (tenso que aceita o material), Elasticidade (deformao possvel, com a aplicao de uma determinada tenso e retorno as caractersticas originais, aps a retirada desta tenso), Plasticidade (capacidade de sofrer deformao permanente sem rompimento), Resilincia (capacidade de absorver energia) e Tenacidade (energia total para provocar fratura).

Os principais objetivos de se ensaiar um material (metal), vo desde obter informaes comparativas constantes sobre um determinado material, at o desenvolvimento de novos materiais.

Podem-se relacionar as principais finalidades de ensaiar os materiais como sendo, gerar informao tcnica para consulta e comparao, tornar a qualidade dos materiais mais uniformes em seu respectivo processo produtivo, agruparem-se os tipos de material, servir de base de dados para uma correta determinao de qual material usar em um determinado projeto de engenharia, servir de referencial comparativo entre locais de ensaio diferentes e servir como balizador de resultados entre cliente e fornecedor.

Tecnicamente, podemos ainda, possibilitar ensaios laboratoriais, ganhar tempo nas pesquisas, reduzir custos e reduzir tempos no desenvolvimento de projetos de engenharia.

O controle de produo tambm pode ser realizado atravs de ensaios mecnicos e o aperfeioamento de um material metlico pode ser estudado pelas suas propriedades

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mecnicas. Analogamente, o projeto de uma pea e a seleo do seu material so feitos tomando-se por base as propriedades mecnicas do material a ser usado. Os ensaios mecnicos podem tambm servir para a comparao de materiais distintos e, juntamente com a anlise qumica do material, avaliar a grosso modo a histria prvia de um material desconhecido, sem a necessidade de um exame metalogrfico mais demorado, isto , avaliar o tipo de material, o processo de fabricao e sua aplicao possvel.

A classificao dos ensaios mecnicos e metalrgicos subdivide-se em Destrutivos e No Destrutivos (quanto a Integridade Fsica do Produto); Estticos, Dinmicos e Carga Constante (quanto a velocidade de aplicao da carga).

Os ensaios destrutivos promovem a ruptura ou a inutilizao do material. Os ensaios chamados no-destrutivos consistem em testar um dado material (pea metlica) sem a necessidade de destru-la, objetivando determinar seus limites operacionais mximos e verificar se necessria a sua substituio ou aceitvel utilizao por mais um dado perodo. Este ensaio procura medir a deformao plstica, deformao elstica e a ruptura existente em uma dada pea, detectando falhas internas da mesma. Na categoria dos ensaios destrutivos, esto classificados os ensaios de trao, dobramento, flexo, toro, fadiga, impacto, compresso e outros. O ensaio de dureza, que, embora possa, em certos casos, no inutilizar a pea ensaiada, tambm est includo nessa categoria. Dentre os ensaios no-destrutivos, esto os ensaios com raios X, ultra-som, Magnaflux, eltricos e outros.

Noes Sobre Normas Tcnicas

A expresso norma tcnica utilizada de modo genrico e inclui especificaes de materiais, mtodos de ensaio e de anlise, normas de clculo e segurana, terminologia tcnica de materiais, de componentes, de processos de fabricao, simbologias para representao em frmulas e desenhos, padronizaes dimensionais, etc.

Quando se trata da realizao de ensaios mecnicos, o que mais se utiliza so as normas referentes especificao de materiais e ao mtodo de ensaio.

Um mtodo descreve o correto procedimento para se efetuar um determinado ensaio mecnico. Desse modo, seguindo-se sempre o mesmo mtodo, os resultados obtidos para um mesmo material so semelhantes e reprodutveis onde quer que o ensaio seja executado. O mtodo de ensaio fornece ainda os requisitos exigidos para o equipamento que vai ser usado, alm do tamanho e forma dos corpos de prova a serem ensaiados. O mtodo de ensaio define tambm os conceitos importantes relacionados ao ensaio em questo e

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menciona como os resultados devem ser fornecidos em um relatrio final. Para um mesmo ensaio, no h diferenas significativas entre os mtodos das vrias associaes mundiais de normas tcnicas, Todos eles procuram dar a mesma tcnica de realizao do ensaio.

As normas tcnicas mais utilizadas pelos laboratrios de ensaios pertencem s seguintes associaes: ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas), ASTM (American Society for Testing and Materials), DIN (Deutsches Institui fr Normung), AFNOR (Association Fran-aise de Normalisation), BSI (British Standards Institution), ASME (American Society of Mechanical Engineers), ISO (International Organization for Standardization), JIS (Japanese Industrial Standards), SAE (Society of Automotive Engineers), COPANT (Comisso Panamericana de Normas Tcnicas), alm de diversas normas particulares de indstrias ou companhias governamentais.

Unidades - Sistema Internacional (SI)

De acordo com o Decreto n. 81.621, de 03 de maio de 1978, ficou estabelecido o uso, em todo o territrio brasileiro, do Sistema Internacional de Unidades, que compreende sete unidades de base: metro (m), quilograma (kg), segundo (s), ampre.(), kelvin (K), mol (mol) e candeia (cd), alm de duas unidades suplementares: radiano (rd) e esterradiano (sr), estas ltimas para ngulos plano e slido, respectivamente. As demais unidades usadas so derivadas dessas mencionadas,

As unidades derivadas mais comumente usadas em ensaios mecnicos so as seguintes: rea (mm2 ou cm2, submltiplos do m2); fora (newton, N); presso (N/mm2); tenso (pascal, Pa, ou o mltiplo mega pascal, MPa); energia (joule, J); todas elas dentro do SI. Alm dessas, emprega-se tambm a unidade de presso bar (bar), em vigor apenas temporariamente, porm uma unidade muito cmoda para o caso de ensaio de presso interna. A unidade quilograma-fora (kgf) ainda empregada, pois seu uso ainda muito grande no Brasil, e tambm porque a grande maioria das mquinas disponveis ainda possui suas escalas nesta unidade. O mesmo se pode dizer quanto s unidades quilogrmetro, kgf m, para energia, e kgf/cm2 e atmosfera (atm), para presso ou tenso, assim como para algumas unidades norte-americanas, que so a libra por polegada quadrada (psi) para tenso, e a libra-p (ft-lb) para energia, mencionadas em livros sobre ensaios mecnicos. Na sequncia temos os fatores de converso dessas unidades.

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1N = 0,102 kgf l kgf = 0,454 lb = 9,807 N l MPa = 0,102kgf/mm2

l kgf/mm2 = l 422,27 psi = 9,807 MPa =9,807 N/mm2 l J = 0,102kgf- m l kgf m = 7,233 ft-lb = 9,807 J l kgf/cm2 = l atm = 14,222 psi = 0,09807 MPa = 0,9807 bar 1 = (x/180) rd

Tipos de Ensaios Mecnicos

Ensaios de Trao Consiste na aplicao de uma carga de trao crescente, em uma nica direo,

em um dado corpo de prova, previamente preparado e normatizado, at a ruptura do mesmo. Neste ensaio deseja-se medir a variao no comprimento em funo da carga aplicada. Muitos dados tcnicos so obtidos com este ensaio e um dos mais utilizados no mundo metal-mecnico, os principais dados obtidos neste ensaio so Limite de Resistncia Trao, Limite de Escoamento, Mdulo de Elasticidade, Mdulo de Resilincia, Mdulo de Tenacidade, Ductilidade, Coeficiente de Encruamento e Coeficiente de Resistncia.

Ensaio de Compresso Consiste na aplicao de uma carga compressiva, em uma nica direo, em um

dado corpo de prova, previamente preparado e normatizado. Deseja-se determinar a deformao linear obtida. Quando um material submetido ao ensaio de compresso, a relao entre tenso e deformao so semelhantes as obtidas no ensaio de trao.

Ensaio de Dureza Consiste na impresso de uma pequena marca feita na superfcie do material, com

a ajuda de uma ponte de penetrao, que pode ser uma esfera de ao e/ou uma ponta de diamante. A dureza do material (metal) diretamente relacionada a marca deixada nesta superfcie, com a caracterstica da marca e da carga aplicada. Simbolicamente mencionando, em um ensaio de dureza simples, quanto menor for a marca, maior ser a dureza do material para uma mesma carga e vice versa.

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Ensaio de Toro Consiste na aplicao de carga rotativa em um corpo de prova, normalmente

cilndrico. Mede-se o ngulo de deformao em funo do momento torsor aplicado.

Ensaio de Flexo Consiste na aplicao de carga em uma parte de uma determinada barra de

geometria padronizada.

Ensaio de Fluncia Consiste na aplicao de carga constante em um material durante um perodo de

tempo, submetido a temperatura elevada, com o objetivo de determinar a vida til do material, netas circunstncias.

Ensaio de Fadiga Consiste na aplicao de carga cclica em um material (corpo de prova

normatizado). O objetivo determinar quantos ciclos o material suporta antes de se deformar ou romper.

Ensaio de Impacto Consiste em aplicar carga pela queda de um martelo ou pndulo, de uma altura

determinada, sobre um corpo de prova. Os mais conhecidos ensaios de impacto so o Charpy (EUA) e o Izod (Europa). Objetivo, determinar a energia absorvida pelo material antes de seu rompimento (fratura).

Ensaio de Tenacidade Fratura Consiste em um ensaio onde so testados os comportamentos de materiais que

possuem trincas, ou outros defeitos internos pequenos. Objetiva-se saber o quanto esses materiais podem suportar at se deformar ou romper.

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CAPTULO II

DESCRIO SOBRE OS ENSAIOS MECNICOS

Ensaio de Dureza

A dureza de um material definida como a propriedade do material de resistir deformao elstica ou plstica em presena de outro material mais duro. A resistncia penetrao, oferecida pelo material, principalmente uma funo do seu mdulo de elasticidade e de suas caractersticas de encruamento. O ensaio de dureza um dos mais utilizados pela facilidade de realizao e ausncia de destruio da amostra, pela possibilidade de avaliar as propriedades dos diferentes componentes estruturais e camadas superficiais finas, por estabelecer uma relao entre os resultados da prova de dureza e os dados de outros mtodos de ensaio. A dureza e a resistncia trao esto intimamente relacionadas, sendo o ensaio de dureza comumente empregado na indstria substituindo o ensaio de trao Figura 1.

Figura1 Relao entre Tenso e Dureza

Mtodo para medida de Dureza

Os mtodos existentes de medida de dureza se distinguem uns dos outros pela forma do durmetro usado, pelas condies de aplicao da carga e pelo mtodo de calculo da

200 400 600 Dureza Brinell

Aos

Ferro fundido

Ten

so

50

100

150

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dureza. A escolha do procedimento de determinao da dureza depende de diferentes fatores: da dureza do material a ser ensaiado, de suas medidas, da espessura da camada superficial, etc.

Em funo da velocidade com que se aplica a carga, os procedimentos de determinao da dureza se dividem em estticos e dinmicos, e segundo o mtodo de aplicao podem ser de penetrao ou de riscagem. Os mais utilizados so os de penetrao esttica. Em todos os procedimentos de ensaio de dureza importante preparar a superfcie da amostra. Esta superfcie deve estar livre de defeitos (casca de oxidao, desprendimento de material, abaulamento, etc.). A exigncia da qualidade da superfcie depende do durmetro e da magnitude da carga aplicada. Nos mtodos estticos existem diferentes tipos de ensaio: dureza Brinell, Rockwell, Vickers por riscagem (pouco utilizvel). No mtodo dinmico: ressalto (dureza Shore).

Dureza por Riscagem

A dureza por este mtodo determinada atravs do comportamento do material ao ser riscado por outro de dureza conhecida. Este mtodo usado geralmente em geologia na identificao de minerais, para isto utilizam minerais padronizados e relacionados em tabela chamada de escala de Mohs, Tabela 1.

Tabela 1: Escala de Mohs

Minrio Escala Composio Talco 1 3MgO4SiO2H2O Gesso 2 (Ca SO4 )2H2O Calcita 3 CaCO3 Fluorita 4 CaF3 Apatita 5 Ca(PO4)3(OH,F,Cl)

Ortoclsio 6 KAlSiO3O8 Quartzo 7 SiO2 Topzio 8 Al2SiO2(OH,F )2 Corindo 9 Safira

Diamante 10 Carbono

Esta escala no utilizada para metais. As maiorias dos metais esto classificados entre os valores 4 e 8 e pequenas diferenas de dureza no so precisamente acusadas.

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Dureza por Ressalto

um mtodo dinmico de determinar a dureza. O mais conhecido o mtodo de rebote elstico do martelo (Dureza Shore). A dureza determina atravs de um pequeno martelo com ponta de diamante que cai livremente sobre a superfcie do corpo de prova de uma determinada altura A altura do rebote depois do choque alterada devido a perda de energia cintica do peso, energia absorvida pelo corpo de prova para ocorrer deformao elstica e plstica no lugar do impacto.

Dureza Brinell

O ensaio de dureza Brinell consiste em aplicar uma carga sobre uma esfera de ao com dimetro(D) e dureza maior que 850 Kgf/ mm2,apoiada na superfcie plana, polida e limpa da amostra, durante um tempo (t). A penetrao da esfera de ao (durmetro) deforma o material e produz uma impresso com a forma de uma calota esfrica cujo dimetro (d) medido com micrmetro ptico. Na superfcie da amostra sob o durmetro, se realiza uma intensa deformao plstica, Figura 2, e o dimetro da calota resulta tanto menor quanto maior a resistncia do material da amostra deformao efetuada pelo durmetro. O coeficiente da dureza Brinell, equao 01, dado em funo do dimetro (d) mdio da impresso, medidas de dois dimetros, em ngulo reto, e a relao da carga aplicada pela rea da calota (A) (Kgf/ mm2).

Dd11

2

DP

APHB

22

==

(01)

Figura2 Deformao plstica na Dureza Brinell.

Para os ensaios de dureza Brinell utiliza-se durmetros com dimetros de 2,5; 5 e 10 mm, as cargas aplicadas de 500 a 3000 kgf. Ao determinar a dureza com um durmetro cujo D = 10 mm, com uma carga P = 3000 kgf e tempo de t = 10 s, o nmero de dureza se anota

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como HB400, HB250, HB500, etc. em caso de outras condies de ensaio, o ndice HB se completa com cifras que indicam o dimetro da esfera (mm), a carga (Kgf) e o tempo (s). Por exemplo, HB 5/750/30 350. Este o nmero de dureza Brinell (350), obtido com uma esfera com D = 5 mm, carga de 750 Kgf, durante 30s. O ensaio Brinell pode ser usado para ensaiar materiais com dureza de HB8 at HB450. Se a dureza for maior o durmetro sofre uma deformao residual que ultrapassa a tolerncia normalizada. A espessura da amostra no deve ser menor que 10 vezes a da impresso. A distncia medida do centro da impresso at as bordas da amostra deve ser maior que 2,5d e a distncia entre os centros de duas impresses prximas deve ser no mnimo igual a 4d. Da equao 01 se deduz que a fim de obter valores iguais de HB ensaiando uma mesma amostra com esferas de diferentes dimetros, as relaes P/D e d/D devem ser constantes.

A relao d/D se mantm constante dentro dos limites 0,3 0,6 (0,3D < d < 0,6D). Para se obter impresso de dimenses timas, imprescindvel eleger corretamente a relao entre a carga e o dimetro da esfera. A magnitude da relao P/D depende da dureza do material Tabela 2. Conhecendo os valores predeterminados de P e D e medindo d, se encontra o nmero de dureza, por tabelas normalizadas.

Tabela 2: Relao P/D

P/D2 Dureza 30 HB > 130 10 HB 35 130

2,5 HB < 35

A dureza Brinell determinada em instrumentos especiais como mostra a Figura 3.

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Figura3 Esquema de uma mquina de dureza Brinell.

1 - volante; 2 -,parafuso de ajuste; 3 escala para prefixar o tempo de aplicao da carga; 4 boto de conexo; 5 mesa de apoio; 6 suporte para o durmetro; 7 anel de apoio; 8 casquilho; 9 mola; 11 lmpada; 12 e 15 barras; 14 microcomputador; 17 biela; 18 pesos; 19 manivela; 20 redutor; 21 motor eltrico

Para muitos metais e ligas metlicas existe entre HB e resist uma relao linear resist =

xHB. O coeficiente de proporcionalidade x tanto maior quanto menor o grau de deformao uniforme e depende tambm das propriedades elsticas do material. Para a

maioria das ligas de alumnio x 0,25, para aos x 0,35.

Dureza Rockwell

Neste ensaio, a impresso feita atravs de um cone de diamante com ngulo de 1200 e ponta levemente arredondada com raio igual a 0,2 mm ou esfera de ao com dimetros de 1/16 e 1/8. A amostra submetida ao sucessiva de cargas: uma previa Po e outra total P1 (carga bsica). A carga total :

P = Po + P1.

A quantidade de dureza Rockwell medida em unidades convencionais e igual a magnitude da profundidade de penetrao do durmetro. O esquema da determinao da dureza Rockwell com durmetro de diamante mostrado na Figura 4.

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Figura4 Esquema de medida de Dureza Rockwell.

No incio aplicada uma carga prvia Po = 10 Kgf, que se mantm at o final do ensaio, para a ajustagem do zero no marcador e depois a carga total (P). A vantagem deste ensaio por ser um processo rpido, de fcil de execuo e isento de erros pessoais, j que os valores de medida da dureza so lidos diretamente na mquina. A dureza Rockwell determinada por diversas escalas conforme o tipo de penetrados e carga usada Tabela03.

Tabela 3: Alguns tipos de escala de dureza Rockwell.

Escala Durmetro Cargas Limite de dureza A Diamante 60 Kgf 70-85

C Diamante 150 Kgf 20-67

D Diamante 100 Kgf

B Esfera de ao 1/16 100 Kgf 25-100 F Esfera de ao 1/16 60 Kgf

G Esfera de ao 1/16 150 Kgf E Esfera de ao 1/8 100 Kgf

O valor de medida da dureza um nmero adimensional, corresponde a profundidade de penetrao e no uma relao de carga e rea da impresso como na dureza Brinell. A dureza Rockwell se escreve do mesmo modo que a Brinell; HRC 65, HRB 30, HRA 80, etc.

A Figura 5 mostra uma mquina de ensaio de dureza Rockwell.

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Figura5 Esquema de uma Mquina de Dureza Rockwell.

1 - travessa; 2 - suspenso; 3 e 18 amortecedor; escala para prefixar o tempo de aplicao da carga; 4 alavanca; 5 manilla; 6 parafuso; 7 tampa; 8 alavancas; 9 prisma; 10 indicador; 11 volante; 12 chaveta; 13 casquilho; 14 bancada; 15 pesos; 16 pontal; 17 parafuso de elevao; 19 molas; 20 suporte; 21 a 23 mesas de apio

Dureza Vickers

No ensaio de dureza Vickers utilizado um durmetro de diamante na forma de uma pirmide de base quadrada, com ngulos entre as faces apostas de 136o. Depois de retirada a carga (P), mede-se a diagonal (L) da impresso. O nmero de dureza determinado como a razo entre a carga aplicada e a rea da impresso equao 02.

[ ]22 Kgf/mmLP1,8544HV = (02)

Como resultado do ensaio, apenas a diagonal da impresso medida, com preciso de 0,01 mm e conhecendo a carga aplicada possvel encontrar o valor da dureza mediante tabelas padronizadas. Os resultados obtidos com esta escala so aproximadamente iguais aos valores da escala Brinell, dentro do intervalo de 250 a 600. O ensaio Vickers utiliza cargas que variam de 1 a 120 kg. A existncia de uma carga relativamente pequena e de pouca profundidade de penetrao do durmetro condicionam a necessidade de uma preparao minuciosa da superfcie, a amostra deve estar polida e

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sem encruamento. A espessura mnima da amostra a ensaiar deve ser maior que 1,2 vez a diagonal para os aos e 1,5 vez para os metais no ferrosos e suas ligas.

Micro Dureza

O mtodo de micro dureza se emprega para determinar a dureza de volumes de materiais microscpicos, em peas muito pequenas, camadas superficiais e recobrimentos finos e principalmente em medir a dureza de fases separadas ou estruturas dos componentes das ligas.

O ensaio produz uma impresso microscpica no material aplicando cargas de 1 a 10 gf em durmetros Vickers ou Knoop. Para o ensaio Vickers utiliza-se a tcnica anterior. Para o ensaio Knoop, utiliza-se um penetrador de diamante na forma de pirmide alongada, onde a relao da diagonal maior (L) com a menor 7:1. O valor da micro dureza se determina pela equao 03.

22 mmkgf

L1000 Q 14,229HK = (03)

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Ensaio de Trao

A facilidade de execuo e a reprodutividade dos resultados tornam o ensaio de trao o mais importante de todos os ensaios, o ensaio que promove o maior nmero de propriedades mecnicas dos materiais.

A aplicao de uma fora num corpo slido promove uma deformao do material na direo do esforo e o ensaio de trao consiste em submeter um material a um esforo que tende a estic-lo ou along-lo. Geralmente, o ensaio realizado num corpo de prova de formas e dimenses padronizadas, para que os resultados obtidos possam ser comparados ou, se necessrio, reproduzidos. Este corpo de prova fixado Figura 6 (b) numa mquina de ensaio Figura 6(a) e Figura 7, que aplica esforos crescentes na sua direo axial, sendo medidas as deformaes correspondentes por intermdio de um aparelho especial (o mais comum o extensmetro), Os esforos ou cargas so medidos na prpria mquina de ensaio e o corpo de prova levado at a sua ruptura.

(a) (b) Figura 6 Mquina utilizada no teste de Trao (UMC) (a) Fixao do corpo de prova (b).

Figura 7 Mquina de Trao esquemtica

Corpo de prova

Clula de carga

Travesso mvel

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Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformaes promovidas no material so uniformemente distribudas em todo o seu corpo, pelo menos at ser atingida uma carga mxima prxima do final do ensaio e, como possvel fazer com que a carga cresa numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de trao permite medir satisfatoriamente a resistncia do material. A uniformidade da deformao permite ainda obter medies precisas da variao dessa deformao em funo da tenso aplicada. Essa variao, extremamente til para o engenheiro, determinada pelo traado da curva tenso-deformao, a qual pode ser obtida diretamente pela mquina ou por pontos.

A uniformidade de deformaes termina no momento em que atingida a carga mxima suportada pelo material, quando comea a aparecer o fenmeno da estrico ou diminuio da seo do corpo de prova, nos casos de metais com certa ductilidade. A ruptura sempre se d na regio estrita do material, a menos que um defeito interno no material, fora dessa regio, promova a ruptura do mesmo, o que raramente acontece.

A preciso de um ensaio de trao depende, evidentemente, da preciso dos aparelhos de medida de que se dispe. Com pequenas deformaes, pode-se conseguir uma preciso maior na tenso do que quando so atingidas grandes deformaes do material.

A velocidade do ensaio geralmente dada pelos mtodos estabelecidos pelas diferentes Associaes de normas tcnicas; quando, porm, se realiza um ensaio de trao para fins de estudo ou pesquisa, essa velocidade pode ser alterada, conforme o caso. Essa velocidade muito importante e dela dependem alguns resultados numricos de propriedades mecnicas obtidos pelo ensaio. Em geral, os mtodos de ensaio especificam a velocidade em torno de l kgf/rmn2 por segundo.

Ensaio de Trao Convencional

Tenso e Deformao

Na engenharia, define-se a tenso de trao convencional () como sendo a resistncia interna de um corpo de prova uma fora externa aplicada sobre ele por unidade de rea (Ao ). Em uma barra cilndrica de seo transversal uniforme (Ao), com uma distncia (Lo) marcada ao longo de seu comprimento e submetida a uma fora de trao (F) Figura 8, tem-se que a tenso mdia de trao dada pela equao 03. A tenso mdia pelo fato da tenso no ser uniforme sobre a rea, essa no uniformidade causada

16

pelo crescimento dos cristais dos materiais policristalinos. A unidade de medida da tenso dada em Kgf/mm2, libras/pol2 (psi) ,N/ m2 (Pascal).

AoQ

= (03)

Figura 8 Barra submetida a esforo de trao. A deformao a variao de uma dimenso qualquer deste corpo de prova por

unidade da mesma dimenso quando submetido a um esforo determinada pela equao

04, onde deformao, (Lo) o comprimento inicial e (L) o comprimento final da amostra. A deformao adimensional.

00

0

LL

LLL

=

=

(04) No incio do teste ocorre uma deformao reversvel do material, sendo que se a

carga for removida o material volta as suas dimenses originais, chamada deformao elstica. Entretanto, se a carga aplicada for grande, o material no retorna mais as suas dimenses originais, aps a retirada da solicitao, ficando permanentemente deformado (deformao plstica). Em qualquer fase, para continuar a deformao necessrio o aumento da tenso aplicada. Na regio plstica o material apresenta o fenmeno de encruamento, ou seja, o material endurecido pela ao da deformao. Em seguida, a tenso atinge um valor mximo que pode ser suportado pelo material com deformao homognea, a partir deste valor, ocorre uma deformao localizada na rea de seco transversal do corpo de prova (estrico), para metais com alguma ductibilidade. Depois que a estrico teve incio, a tenso convencional decresce com a deformao posterior at que o corpo de prova se rompa (fratura), Figura 9.

Propriedades Mecnicas Obtidas no Ensaio

Quando um corpo de prova metlico submetido a um ensaio de trao, pode-se construir um grfico tenso-deformao, pelas medidas diretas da carga (ou tenso) e da deformao que crescem continuamente at quase o fim do ensaio. A relao entre a tenso

(Ao)

(F)

17

e a deformao na regio elstica linear para metais e cermicas e esta proporcionalidade descrita pela Lei de Hook, Figura 9 e determinada nas equaes 05 e 06, onde (E) uma constante denominada mdulo de Young ou mdulo de elasticidade. Os materiais apresentam anisotropia em relao ao mdulo de elasticidade, pois este varia com a orientao cristalina. Por exemplo, o ferro possui na direo [111] um mdulo de elasticidade igual a 29.000 Kgf/mm2 e na direo [100] igual a 13.000 Kgf/mm2. Para o ferro policristalino, portanto, o valor mdio do mdulo de elasticidade 21.000 Kgf/mm2.

Figura 9 Curva Tenso () x Deformao ().

= E (05) ou

=E

(06)

Normas de Ensaios

Para que os resultados dos ensaios sejam comparveis entre si, deve existir uma relao entre o comprimento e o dimetro do corpo de prova.

No Brasil, o ensaio foi normalizado pela Associao Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT) e recebe a designao NBR-6152 para produtos lisos.

Os corpos de prova podem ser seco circular ou retangular como na Figura 10.

Limite de Resistncia

Fratura

Deformao

Tens

o

18

Figura 10 Corpos de Prova para Ensaio de Trao segundo ABNT.

Normas para Ensaios de outros Produtos

Produtos acabados como barras ou arames podem ser ensaiados diretamente. Em produtos como cabo, corrente no necessrio usinar corpos de prova, mas o limite de escoamento, resistncia, alongamento e estrico devem ser abandonados, so aplicadas medies especificadas para cada produto.

Em materiais soldados o corpo de prova deve ter a solda no meio, o valor registrado deve ser a carga de ruptura, pois o alongamento afetado pela solda. Para se medir a eficincia da solda deve-se dividir a carga de ruptura do material soldado pela carga de ruptura do material base. Em solda mais resistente que o metal-base usado nos projetos o limite de escoamento e o alongamento do metal-base, caso contrrio usa-se as propriedades do material de solda.

19

Limite de Elasticidade Modulo de Elasticidade

Elasticidade de um material a sua capacidade de voltar forma original em ciclo de carregamento e descarregamento. A deformao elstica reversvel, ou seja, desaparece quando a tenso removida. A deformao elstica conseqncia da movimentao dos tomos constituintes da rede cristalina do material, desde que a posio relativa desses tomos seja mantida.

Uma pea de ao, por exemplo, sob efeito de tenses de trao ou de compresso sofre deformaes, que podem ser elsticas ou plsticas. Tal comportamento deve-se natureza cristalina dos metais, pela presena de planos de escorregamento ou de menor resistncia mecnica no interior do reticulado.

At certo nvel de tenso aplicada, o material trabalha no regime elstico, isto , segue a lei de Hook e a deformao linear especfica proporcional ao esforo aplicado. A proporcionalidade pode ser observada no trecho retilneo do diagrama tenso-deformao, Figura 11 e a constante de proporcionalidade denominada mdulo de deformao longitudinal ou mdulo de elasticidade. Ultrapassado o limite de proporcionalidade, tem lugar a fase plstica, na qual ocorrem deformaes crescentes sem variao de tenso (patamar de escoamento). O valor constante dessa tenso uma importante caracterstica e denominada resistncia ao escoamento.

Figura 11 Diagrama Tenso Deformao.

Aps o escoamento, a estrutura interna do ao se rearranja e o material passa pelo encruamento, em que se verifica novamente a variao de tenso com a deformao especfica, porm de forma no-linear. A relao entre os valores da tenso e da

20

deformao linear especfica, na fase elstica, o mdulo de elasticidade, cujo valor proporcional s foras de atrao entre os tomos.

Sendo o mdulo de elasticidade uma propriedade intrnseca do material, pode ser utilizado a equao 06 a expresso matemtica para clculo dessas constantes :

=E (06)

O valor de (E), equao 06, constante para cada metal ou liga metlica. Na Tabela 4 vemos valores aproximados para alguns metais e ligas.

O modulo de elasticidade a medida da rigidez do material; quanto maior o mdulo menor ser a deformao elstica resultante da aplicao de uma tenso e mais rgido ser o metal.

Tabela 4: Modulo de Elasticidade de alguns Metais e Ligas temperatura ambiente.

Limite de Proporcionalidade e de Elasticidade

A mxima tenso para a qual a Lei de Hook ainda vlida, chamada de limite

de proporcionalidade (p) indicada pelo ponto A na Figura 12.

21

Figura 12 Limite de elasticidade e de proporcionalidade

A tenso da qual a deformao elstica denomina-se de limite elstico (el), a maior tenso que o material pode suportar sem deixar qualquer deformao permanente quando o material descarregado. A figura 12 mostra o fim da linearidade indicado pelo ponto B.

Limite de Escoamento

A partir do limite de elasticidade o material entra no regime plstico. Para metais dcteis o incio da deformao plstica indicado por uma queda brusca na carga,

apresentando um ponto de escoamento superior (es) e um inferior (ei), Figura 13.

Figura 13 Limite de Escoamento - Superior e Inferior.

Quando no for possvel determinar precisamente a tenso de escoamento, as normas do ensaio especificam esta tenso como sendo aquela necessria para produzir uma dada quantidade de deformao plstica convencional n de escoamento. Geralmente o valor de n especificado para 0,2% de deformao plstica para ligas metlicas que possuem uma regio de plasticidade muito pequena (aos ou ligas no ferrosas muito duras), pode-se tomar n o valor de 0,1% ou mesmo 0,001% (caso dos moles). Para materiais com grande plasticidade (Cobre e ligas de Cobre) o valor n 0,5%. Por exemplo,

Deformao

Ten

so

O

esc. inferior

esc. superior.

Deformao Te

ns

o

O

elast. prop.

B

A

22

o limite convencional de escoamento de 0,2% obtido pela interseco da curva com uma reta, traa da paralela poro elstica da curva tenso em funo da deformao a partir do ponto de deformao 0,2%, Figura 14.

Figura 14 Limite de escoamento convencional n.

Resilincia

O material necessita absorver energia para produzir deformao elstica e plstica. A quantidade de energia de deformao por unidade de volume quando a tenso vai de

zero at o limite de escoamento (o), isto , durante a deformao elstica, dada pelo mdulo de resilncia. Para tenso uniaxial a energia dada pela equao 07:

xx0 21U = (07)

e a equao 08 representa o mdulo de resilncia.

( )08 2E

U E

21

21U

20

R0

000R ===

Tabela 5: Modulo de Resilincia para alguns Materiais.

Deformao

Tens

o

O

Regime elstico Regime plstico

esc.

0,002

23

Limite de Resistencia

A tenso mxima suportada por um material, como mostra a Figura 15, chamada de limite de resistncia (R), determinado pela formula 09 e dado em kgf/mm, o limite de resistncia serve para especificar o material, do mesmo modo que a anlise qumica serve para identificar o material e sempre acompanhado por outras propriedades dos metais e ligas.

Figura 15 Limite de Resistncia e de Ruptura.

AoQR

=R (09) onde Qr a carga mxima atingida no ensaio.

Alongamento, Estrico e Limite de Ruptura

Alongamento

No ensaio de trao convencional o clculo do alongamento (A) leva em conta a deformao total at a ruptura do corpo de prova. Assim, o valor de (L) da equao 10

100L

LLA0

0

= (10)

que composto pela deformao elstica (recuperada aps a ruptura) + deformao durante o escoamento + deformao plstica + deformao aps atingir a carga mxima. A deformao durante o escoamento + deformao plstica constituem o chamado alongamento uniforme, devido uniformidade da deformao at ser atingida a carga Qr equao 11. Depois de se ultrapassar Qr, a deformao deixa de ser uniforme ao longo do comprimento do corpo de prova, por causa do aparecimento ntido da estrico, que surge em virtude da maioria da deformao ficar concentrada numa regio mais fraca do material, aparecendo ento contraes laterais concentradas nessa regio, eliminando a uniformidade da deformao.

Terminado o escoamento, o metal entra na fase plstica e o ensaio prossegue at ser atingida uma tenso mxima suportada pelo metal, que caracteriza o final da zona plstica. O

Deformao

Tens

o

O

Res.

Rup.

24

limite de resistncia, r, do metal .(dado em kgf/mm2) determinado pela expresso onde Qr a carga mxima atingida durante o ensaio.

SoQr

r = (11)

Aps ser atingida a carga, Qr, entra-se na fase de ruptura do material, caracterizada pelo fenmeno da estrico, que uma diminuio muitas vezes sensvel da seco transversal do corpo de prova, numa certa regio do mesmo. Quanto mais mole o material, mais estrita se torna a seco nessa fase. nessa regio que se d a ruptura do corpo de prova, finalizando o ensaio. Durante essa fase, a deformao torna-se no uniforme e a fora deixa de agir unicamente na direo normal seco transversal do corpo de prova.

Figura 16 Metodo para determinao do valor de L para o alongamento.

Estrico

Aps ser atingida a carga mxima, o estgio seguinte corresponde fase de fratura

do material, caracterizado pelo fenmeno de estrico (). O fenmeno de estrico ocorre pela diminuio da seco transversal do material na regio aonde vai se localizar a ruptura, devido deformao localizada, a estrico tambm uma medida de ductilidade ento quanto maior for a porcentagem de estrico, mais dctil ser o metal. A tenso de rompimento do material chamada de limite de fratura ou ruptura. A estrico medida pela variao do dimetro dos corpos de provas circulares pela equao 12.

( )12 100A

AA0

f0

=

Para corpos de prova retangulares, a estrico medida pela variao das dimenses transversais, conforme mostra a Figura 17, porm raramente utilizados.

25

Figura 17 Mtodo de determinao da estrico em corpos de prova retangulares.

Limite de Ruptura

A carga que produz a ruptura do material geralmente menor, que a carga

mxima do limite de resistncia. A propriedade mecnica denominada limite de ruptura f,

dada pela equao 12 onde Qf a carga de ruptura.

SoQ f

f = (12)

Essa propriedade mecnica nunca especificada por no caracterizar o material. Quanto mais dctil o material, mais ele se deforma ou se alonga antes de romper, mais a carga, Qf, diminui pelo decrscimo da seco final. Alm disso, a carga Qs, muito difcil de ser determinada com preciso, devido no ser possvel interromper o ponteiro da mquina no

instante exato da ruptura, para a leitura da carga. Quanto mais frgil o material, mais f se aproxima de r e, no estudo da fratura frgil, muitas vezes se menciona f em lugar de r.

As fraturas podem ser: Frgil: ocorre pela separao em duas partes, geralmente normal a tenso de trao, ao longo de certos planos cristalinos Figura 18 a.

Muito Dctil: fraturas em materiais muito moles, que apresentam uma grande deformao plstica, rompem-se deixando as duas partes separadas apenas por um ponto Figura 18 b. Dctil: ocorre na maioria dos metais, nesta fratura ocorre nitidamente o fenmeno de pescoamento. A fratura tambm chamada de taa - cone Figura 18 c.

Figura 18 Tipos de Fraturas. A fratura frgil apresenta uma aparncia granular e brilhante e a fratura dctil uma aparncia transgranular e opaca.

a b c

26

Resilincia Hiperelstica e Tenacidade

Resilincia Hiperelstica

Se considerarmos a resilincia dentro da zona plstica, a energia acumulada, por unidade de volume, no descarregamento de um ponto C, Figura 19, maior que o modulo de resilincia e chamada resilincia hiperelstica. Essa energia igual rea CDE da figura, onde a linha CD paralela linha AO da zona elstica e CE perpendicular ao eixo das abscissas. A rea CDE maior que a rea OAF.

Figura 19 Determinao da Resilincia Hiperelstica.

Tenacidade

Tenacidade de um metal e a sua capacidade de absorver energia na zona plstica. A tenacidade medida atravs do mdulo de tenacidade, que a quantidade de energia absorvida por unidade de volume no ensaio de trao at a fratura, ou a quantidade de energia por unidade de volume que o material pode resistir sem causar a sua ruptura. A primeira definio leva em conta a energia at o final do ensaio, ao passo que a segunda s vai at a carga mxima (limite de resistncia) suportada pelo metal.

A Figura 20 mostra essa quantidade de energia dada pela rea total sob a curva tenso-deformaco. Pode-se observar que o mdulo de tenacidade compreende tanto a resistncia como a ductilidade do material. A Figura 21 mostra um exemplo de dois materiais, um deles ao estrutural de mdio carbono e o outro um ao para molas de alto carbono. Por essa figura, pode-se verificar que um material com alto mdulo de resilincia tem, geralmente, um baixo mdulo de tenacidade e vice-versa. Por causa do

27

alto limite de escoamento do ao para molas, seu mdulo de resilincia alto e, por causa da maior ductilidade do ao estrutural, seu mdulo de tenacidade alto.

Figura 20 Energia para romper (modulo de tenacidade) um material (a) dctil e (b) frgil.

Figura 21 Comparao entre a Resilincia e a Tenacidade de dois aos.

O modulo de tenacidade pode ser calculada atravs da rea sob curva de tenso versus deformao. A figura 22 mostra uma curva de trao para ao ao Carbono. A rea sob curva pode ser dada aproximadamente pela equao 13, e representa a rea entre os pontos FGHI, mas a curva no representa o comportamento real na regio plstica, porque baseada na rea original do corpo de prova.

frTU = (13)

28

Figura 22 Determinao do Mdulo de Tenacidade.

Para metais frgeis, como ferro fundido cinzento, com uma curva igual a mostrada na Figura 20 b, o mdulo de tenacidade determinado pela equao 14, assumindo que a

curva seja uma parbola. frTU = 32

(14)

A unidade de Ur kgf mm/mm3. Como as equaes acima envolvem o valor de f

conveniente especificar o comprimento inicial de medida para precisar bem a deformao do metal na fratura.

Tabela 6: Modulo de Tenacidade de algumas Ligas.

29

Ensaio de Impacto

um ensaio de esforo de natureza dinmica, ou seja, a carga aplicada de maneira repentina e brusca, envolvendo a produo e a transferncia de energia, realizando

trabalho nas partes que recebem o golpe. A curva x Figura 23 podemos obter as

seguintes propriedades: Resilincia que a capacidade do material absorver energia durante a deformao elstica e Tenacidade a capacidade de absorver energia durante a deformao plstica at a ruptura.

Figura 23 Curva de trao. O ensaio de impacto muito utilizado para o estudo de fratura frgil nos metais,

principalmente quando submetidos a baixas temperaturas. um ensaio apenas para comparao entre materiais ensaiados nas mesmas condies, pois o seu resultado, medida de energia absorvida, no fornece indicaes seguras sobre o comportamento do metal ao choque em geral, sendo necessrios vrios ensaios e a curva mdia para obteno de resultados mais precisos.

O principio bsico do ensaio a medida de energia absorvida pelo material para se deformar, durante a ao do esforo de choque. Na equao 15 pode-se calcular esta

energia que medida pela diferena da altura de um martelo antes e aps o choque (H) e seu peso (P), conforme a Figura 24. Quanto menor a energia absorvida maior a tendncia fragilidade do material.

( )15 PHUabs =

aa

b

a Resilincia b - Tenacidade

Deformao

Ten

so

de

Tr

ao

30

Figura 24 Mquina para ensaio de Impacto Esquemtica.

Figura 25 Mquina Charpy; (a) Mquina Izod; (b) Mquina de Impacto com Trao (c).

Corpo de Prova

Durante o ensaio de impacto utilizado corpos de provas padronizados e provido de entalhe para localizar a ruptura e produzir um estado de tenso triaxial produzindo uma fratura com pouca deformao plstica. Existem dois tipos de ensaio de impacto; o ensaio Charpy e o ensaio Izod, especificados pela norma americana E-23 da ASTM, sendo diferenciados atravs dos entalhes. O ensaio Charpy apresenta entalhes na forma de V, U e de fechadura invertida, localizados no centro do corpo de prova. O ensaio Izod, o entalhe na forma de V e localizado na lateral do corpo de prova Figura 26.

Alm dos ensaios Charpy e Izod, existem outros ensaios menos utilizados como o Mesnager e o Schnadt.

Mostrador

Posio inicial

Martelo

Posio final

Corpo de prova

31

Figura 26 Corpos de Prova para Ensaio de Impacto, recomendados pela ASTM e ABNT.

Influncia da Temperatura

A energia absorvida pelo material durante o impacto varia sensivelmente com a temperatura. Quando a temperatura T1 for muito maior que a temperatura T2, o corpo de prova com T1 absorve maior energia que o corpo de prova com T2, ou podendo absorver praticamente a mesma energia quando T1 for um pouco maior que T2. Existe uma faixa de temperatura relativamente pequena na qual a energia absorvida cai apreciavelmente, definida como temperatura de transio, onde ocorre uma mudana no comportamento da ruptura de dctil para frgil ou vice-versa. Esta passagem no repentina e definida por um intervalo de temperatura Figura 27. A temperaturas baixas, uma trinca pode se propagar a uma velocidade maior que os mecanismos de deformao plstica, absorvendo assim pouca energia. Em temperaturas mais altas ocorre deformao plstica antes da fratura com absoro de energia.

Figura 27 Temperatura de Transio.

1- Fratura frgil em servio 2- Fcil nucleao de trincas 3- Fratura mista 4- Fratura dctil 5- Difcil nucleao e propagao de trincas

20 -20 -100

1

2

3

4

5

Ener

gia

Abs

orv

ida

(Kgf

x

m)

Temperatura C

32

Os aos, como a maior parte dos metais CCC, absorvem mais energia ao romper se de modo dctil do que frgil, por isso, o ensaio de impacto e necessrio para avaliar a temperatura de transio do comportamento dctil para o frgil que se observa a medida que diminui a temperatura. A temperatura de transio varia com a taxa de carregamento. Sendo assim, um ao deformado lentamente pode falhar ductilmente, enquanto que sob impacto, fragilmente, j que no h chance de ocorrncia de deformao plstica nesse ltimo. A temperatura de transio depende tambm da geometria da trinca. Para materiais idnticos, quanto mais aguda for a trinca, maior ser a temperatura aparente de transio.

Influncia de Fatores na Temperatura de Transio

Composio Qumica

Quase todos os elementos so fragilizantes e aumentam a temperatura de transio, sendo que o Mn benfico provavelmente por retirar o nitrognio que um elemento fragilizante diminuindo assim a temperatura de transio, o Ti como formador de nitrato e carboneto e Al por diminuir o contorno de gro, tambm abaixam a temperatura de transio.

Orientao dos Corpos de Provas

Em produtos laminados ou forjados a resistncia ao impacto varia com a orientao das amostras retiradas. Quando as amostras so retiradas no sentido longitudinal a resistncia maior que em materiais retirados no sentido transversal Figura 28.

Figura 28 Relao da Resistncia de Impacto com a orientao das amostras.

33

Tamanho do Gro

A propagao catastrfica depende do tamanho da trinca e ocorre em planos cristalogrficos bem definidos. Em materiais policristalinos o tamanho de gro tem grande influncia na propagao da trinca, com tamanhos pequenos de gros a tendncia manter trincas pequenas evitando a propagao contrria a tamanhos grandes de gros Figura 29. Os materiais policristalinos so constitudos por gros com orientao cristalogrfica diferente. A trinca tendera mudar sua orientao ao passar de um gro para outro permanecendo no mesmo plano cristalogrfico definido, para isso necessrio maior energia durante o processo de fratura.

Figura 29 Relao da tenso de fratura com o tamanho de gro.

0

20

40

60

80

0 2 4 6 8 10 d-1/2 ( m-1/2 )

f ( t

on

/m2

)

34

CAPTULO III

PROCEDIMENTOS E APRESENTAO DOS RESULTADOS

Ensaio de Dureza Rockwell

Procedimentos

Equipamento e Corpos de Provas

Mquina utilizada para os ensaios: Wilson Rockwell Hardiness Tester, Figura 30, com penetrador piramidal em diamante.

(a) (b) Figura 30 Mquina utilizada nos testes de Dureza Rockwell; (a) Escala para leitura da

dureza (para Rockwell C escala preta central) (b). - Corpos de Provas

Materiais SAE 1035 - Tratado SAE 1045 Tratado SAE 1090 Tratado VTD Ao Ferramenta

Figura 31 Corpos de Prova para Dureza.

35

Procedimentos nos Ensaios

1 Posicionou-se os corpos de provas sobre a haste de apoio de modos a possibilitar duas verificaes de dureza, uma prximo a superfcie do material (ponto 1) e posteriormente prximo ao centro do material (ponto 2), Figura 32.

Figura 32 Pontos para verificao da dureza. 2 Encostou-se o penetrador na superfcie do corpo de prova e aplicou-se uma pr carga de 10kgf, j regulada pela mquina e confirmada pela chegada do ponteiro indicador na marca em preto no centro do mostrador. 3 Zerou-se a escala

4 Soltou-se a alavanca lateral para a aplicao de uma carga de 150kgf, aplicada automaticamente pela mquina aps uns 15s. 5 Retornou-se a alavanca para posio inicial. 6 Fizeram-se as leituras das durezas obtidas na escala preta do mostrador, Figura 30 (b). 7 Anotou-se os resultados por material verificado, Tabela 7.

Tabela 7: Teste de Dureza Rockwell Escala C - Resultados obtidos para vrios tipos de aos.

Material Medido Prximo a Superfcie

Ponto 1 (0,5) Prximo ao Centro

Ponto 2 (0,5) SAE 1035 - Tratado 52 HRc 49 HRc

SAE 1045 - Tratado 55 HRc 34 HRc

SAE 1090 - Tratado 62,5 HRc 6305 HRc

VDT Ao Ferramenta

Tratado 65 HRc 66 HRc

( 0,5 = Tolerancia Presiometade da menor diviso - escala de 10 = 0,5

Ponto 1

Ponto 2

36

Ensaio de Tao

Procedimentos

Equipamento e Corpos de Provas

Mquina utilizada para os ensaios: - Mquina Universal de Ensaios; clula de carga com capacidade de 30t

- Sistema de controle da mquina: 1 - Estensometria (no utilizado) 2 - Controle de deslocamento da mquina (e no do corpo de prova) 3 - Controle de carga (registra a carga mxima aplicada no material) Figura 33.

Figura 33 Unidade de Controle de Carga.

- Impressora para plotagem dos grficos

- Corpos de Provas seces circulares Figura 34 Materiais SAE 1020 e SAE 1045 Dimetro de 10mm (parte til) Dimetro da cabea18mm Comprimento til aproximado

82,5 mm para material SAE 1020 84 mm para material SAE 1045

Procedimentos nos Ensaios

1 Com auxilio de uma trena mediu-se os comprimentos iniciais aproximados dos corpos de provas, Tabela 8. 2 Posicionou-se e ajustou-se o corpo de prova (1 ensaio SAE 1020, 2 ensaio SAE 1045) na mandbula da mquina. 3 Zerou-se o mostrador do sistema de controle.

Figura 34 Corpo de Prova.

37

4 Acionou-se a mquina para a aplicao da carga de teste 5 Observou-se aps algum tempo uma estrico ocorrida na parte til do corpo de prova (dimetro 10mm) Figura 35. 6 - Observou-se aps algum tempo a ruptura dos corpos de provas Figuras 36 e37 . 7 - Com auxilio de uma trena mediu-se os comprimentos finais aproximados dos corpos de provas aps os ensaios, Tabela 8. 8 Retirou-se da impressora o grfico fora deformao material SAE 1020 Figura 38.

Figura 38 Grfico de Fora - Deformao.

Figura 35 Estrico inicial.

Figura 37 Estrico Final/Ruptura.

Figura 36 Ruptura.

Ruptura

38

9 Para apresentao no relatrio calculou-se a Tenso de Trao o alongamento Total e a Estrico Tabelas 9 e 10.

Resultados Obtidos e Calculados nos Ensaios de Trao

Tabela 8: Teste de Trao - Resultados obtidos para dois tipos de aos.

Material

Testado do Corpo de Prova

(mm) Comprimento do Corpo

de Prova (mm) Tenso Mxima

(F) (kgf/mm) Inicial (So) Final (S) Inicial (Lo) Final (L)

SAE 1020 10 7 82,5 90 4600 SAE 1045 10 8,6 84 88,3 6800

Tabela 9: Teste de Trao - Valores calculados para Tenso de Trao ( ) e Deformao Linear ( ).

Material Testado rea transversal Ao=.r Tenso de Trao = F/Ao SAE 1020 .5 = 78,54 mm 4600/78,54 = 58,56 kgf/mm SAE 1045 .5 = 78,54 mm 6800/78,54 = 86,58 kgf/mm

( Ao= rea da seo transversal inicial do corpo de prova) (L= Acrescimo no comprimento Lo, durante o ensaio e Lo= Comprimento til inicial)

Tabela 10: Teste de Trao - Valores calculados para Alongamento total do Corpo de Prova ( A ) e Estrico ( ).

Material

Testado Alongamento Total

A=((L-Lo)/Lo).100 Estrico =((So-S)/So).100

SAE 1020 ((90-82,5) / 82,5) .100=9,01% ((10-7)/10).100 = 30% SAE 1045 ((88,3-84) / 84) .100=5,1% ((10-8,6)/10.100 = 14%

(L =Distncia final aps rompimento e Lo = Comrimento til inicial) (S = Seo final estrita e So = Seo inicial)

39

Ensaio de Impacto Fratura Frgil

Procedimentos

Equipamento e Corpos de Provas

Mquina utilizada para os ensaios: Mquina para ensaio de impacto no mtodo Sharp, Figura 39. - Capacidade de carga de 30t - Mostrador da escala em kgm = kgf . m = Energia, Figura 40

Figura 39 Mquina para Ensaio de Impacto.

Figura 40 Mostrador da Escala.

40

- Corpos de Provas Sharp tipo A Materiais SAE 1020, SAE 1045, AISI 304 (Inox) e Alumnio Seo quadrada 10mm x 10mm, entalhe com 2mm de profundidade Figura 41 Comprimento 55mm

Figura 41 Corpos de Prova Sharp para Ensaio de Impacto.

Procedimentos nos Ensaios

1 Soltou-se o martelo sem o corpo de prova. 2 Observou-se que o ponteiro do marcador indicou pouco menos de zero que a energia absorvida pela mquina. 3 Posicionou-se o corpo de prova na parte inferior da mquina. 4 Zerou-se a escala Figura 40, o ponteiro que determina o zero da escala em funo da posio do martelo. 5 Soltou-se o pendulo 6 Observou-se que o ponteiro do marcador indicou um valor correspondente a absoro de energia pelo corpo de prova, Tabela 11.

41

7 - Recuperou-se o corpo de prova e verificou-se sua situao, Figura 42 e Tabela 11.

Figura 42 Corpos de Prova aps Ensaio de Impacto.

Tabela 11: Ensaio de Impacto - Resultados obtidos para vrios tipos de materiais.

Ensaio / Material Medido Energia absorvida pelo

Corpo de Prova [kgm] 0,5 Situao do Corpo de Prova

1 / SAE 1020 12,8 No rompeu

2 / SAE 1020 21 No rompeu

3 / SAE 1045 1,6 Rompeu

4 / SAE 1045 2,5 Rompeu

5 / AISI 304 (Inox) 13,5 Rompeu 6 / AISI 304 (Inox) 13,3 Rompeu

7 / Alumnio 4,1 Rompeu

8 / Alumnio 4,0 Rompeu

( 0,5 = Tolerancia Presiometade da menor diviso - escala de 10 = 0,5 )

SAE 1045 SAE 1020

AISI 304 (Inox)

Alumnio

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CAPTULO IV

CONCLUSO

Os ensaios mecnicos so fundamentais na indstria no controlo de qualidade da produo, em investigao na caracterizao de materiais ou na investigao de ocorrncias durante a utilizao ou testes com os diversos materiais. A escolha da metodologia de ensaio em funo da propriedade mecnica que se deseja conhecer, do tipo de solicitao a que a pea ou componente vai estar sujeita e/ou das especificaes a que o produto fabricado deve obedecer. No ensaio de dureza realizado, Ensaio de Dureza Rockwell, conclumos que algumas vantagens significativas fazem parte este tipo de ensaio. Algumas destas vantagens so as rpidas leituras do resultado, sem a necessidade de clculos e a impresso que pode muitas vezes no danificar a pea que est sendo ensaiada. Conclumos ainda que a dureza medida na superfcie e no centro dos corpos de ensaio tem diferenas em funo do tratamento trmico recebido. Conclumos que quanto maior for o alongamento mais dctil ser o metal, podendo assim comparar-mos a ductibilidade de dois ou mais materiais atravs do ensaio de trao. Conclumos com o ensaio de impacto que uma ruptura frgil pode trazer grandes prejuzos, pois acontece sem que haja uma deformao plstica visvel, que indique a fratura.

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REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

SOUZA, Srgio A. Ensaios mecnicos de materiasi metlicos. Fundamentos tericos e prticos. 5 ed. So Paulo: ed Edgard Blcher, 1982.

CONTRON Sistemas de Controles. Ensaio de Dureza Rockwell. Disponvel em: www.comtron.com.br/download/ensaio_de_dureza_rockwell.doc. Acessado em 2 nov. 2009.

CONTRON Sistemas de Controles. Ensaio de Trao. Disponvel em: www.comtron.com.br/download/ensaio_de_dureza_rockwell.doc. Acessado em 2 nov. 2009.

Site Metal Mundi. Ensaios Mecnicos e Metalrgicos. Disponvel em: http://www.metalmundi.com/si/site/1112?idioma=portugues. Acessado em 6 nov. 2009

Site Informaes Sobre. Ensaio de Trao. Disponvel em: www.informacaosobre.com/Ensaio_de_trao - Informaes, artigos e estudos sobre diversos assuntos em Portugus do Brasil. Acessado em 2 nov. 2009.