Relatório de Ensaio de Tração

Flávia Maria de Almeida Siqueira NUSP 5433617 Mariana de Paiva Azevedo Guimarães NUSP 5436259

Rafael Augusto Moreno Gonçalves NUSP 5437413 Renato Pignatari NUSP 5437389

Guilherme Salvador Veiga NUSP 5433256

PMR 2202 – Introdução à Manufatura Mecânica Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

SETEMBRO/2006

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Índice

1. Introdução pág 3 2. Objetivos pág 4 3. Metodologia 3.1. Preparação do Corpo de Prova pág 5 3.2. Método de Ensaio pág 5 3.3 Propriedades a serem obtidas no ensaio de tração pág 6 4. Resultados pág 9

5. Comentários e Conclusões pág 13

6. Referências Bibliográficas pág 14 7. Anexo A: Fatores de Conversão pág 15

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1. Introdução

A partir de uma chapa de aço 1020 confeccionamos o corpo de prova, como será

descrito com mais detalhes adiante. Realizamos em seguida o ensaio de tração, segundo a

norma ASTM E8M 90a, esse ensaio plotará um gráfico de tensão-deformação que junto

com cálculos matemáticos determinará as seguintes propriedades do material: módulo de

elasticidade, limite de escoamento, limite de resistência mecânica, limite de ruptura,

módulo de tenacidade, módulo de resiliência, alongamento total, estricção e determinação

dos coeficientes da curva verdadeira.

Para que os valores obtidos no ensaio possam ser utilizados de forma comparativa, é

necessário a utilização de uma norma que caracteriza as dimensões do corpo de prova e

equipamentos utilizados.

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2. Objetivos

Com os dados coletados na curva é possível fazer uma análise preliminar da

adequação do material a um projeto, determinando entre outras coisas qual o grau de

deformação dado um certo esforço estrutural, a resistência e a tensão de ruptura do

dispositivo projetado. Ou seja, o grupo aprende a determinar as características de um

material para que em projetos futuros possa fazer a melhor opção. O uso das máquinas,

supervisionado pelos técnicos especializados, nos familiariza com o procedimento técnico

do ensaio. Desde a usinagem da peça, na fresa, até o ensaio propriamente dito.

Depois do cálculo das propriedades do material, a confecção do relatório

proporciona ao grupo a conclusão do projeto e a apresentação clara dos dados.

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3. Metodologia

3.1. Preparação do Corpo de Prova

O material utilizado foi o aço 1020. Recebemos uma chapa metálica de

espessura 1mm, a partir da qual confeccionamos o corpo de prova. Com as seguintes

dimensões:

que seguem a norma ASTM E8M 90a. Instruções na norma:. Para fabricar o corpo de

prova, cortamos, a principio, uma pequena chapa de dimensões 200 mm x 40 mm, depois

fixamos esta em um dispositivo apropriado da fresadora e realizamos os cortes, com avanço

30 mm/min em 175 rpm, da secção de elongamento utilizando uma broca de raio 12,5 mm.

Para realização do teste foi necessário ajustar o comprimento da cabeça, superfície de

fixação, para 30 mm adequando-o à capacidade da máquina.

3.2. Método de Ensaio

O método de ensaio segundo a teoria o corpo de prova deve ser preso pelas suas

extremidades nas garras de fixação do dispositivo de testes. A máquina de ensaio de tração

é projetada para alongar o corpo de prova a uma taxa constante, além de medir contínua e

simultaneamente a carga instantânea aplicada e os alongamentos resultantes (usando um

extensômetro). A amostra testada é deformada de maneira permanente, sendo geralmente

66 mm

12,3 mm

37,3 mm

141 mm

12,5 mm

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fraturada. O resultado é registrado em um registrador gráfico na forma de carga em função

do alongamento, essas características são dependentes do tamanho da amostra.

O ensaio de tração realizado por nós foi executado em aula no laboratório da

disciplina como já foi citado anteriormente. Utilizou-se a máquina hidráulica de tração, um

relógio e um plotter.

A máquina de ensaio de tração que tem garras para prender o corpo de prova

permite que o operador varie a carga aplicada durante o ensaio. O relógio fornece o

elongamento da peça em uma escala de 0.01 mm. Os valores extraídos do relógio serão

tratados mais adiante. O plotter nos fornece a curva que servirá mais adiante para realizar

todos os cálculos e atingir os nossos objetivos previamente citados.

O método de ensaio foi o seguinte: prendemos a pequena chapa pelas suas

extremidades. Como as garras da máquina hidráulica já estão gastas, tivemos que fazer uma

pequena adaptação: aplicamos um pouco de carga no corpo de prova e tentamos prendê-lo

mais ainda às garras. Feito isso, marcamos pontos no papel milimetrado através do plotter

para determinar a escala do diagrama que será usada mais adiante nos cálculos. O ensaio

estava pronto para ser iniciado. Um integrante de nosso grupo foi aplicando carga e

anotamos dados durante o comportamento elástico que mais adiante serão mostrados,

depois passamos pelo regime plástico e finalmente o corpo de prova rompeu-se.

3.3 Propriedades a serem obtidas no ensaio de tração

Como já foi citado anteriormente, este projeto tem como objetivo definir algumas

das características do material estudado para que estes dados possam ser usados em algum

projeto futuro. Antes dos cálculos destas características, é necessário entendê-las e o que

elas nos trazem. Para isso, vamos explicar sucintamente as características que serão

definidas logo mais.

A partir da curva tensão-deformação (figura 3) é possível extrair uma série de

informações. Comecemos pelo módulo de elasticidade. Em um ensaio de tração, a primeira

parte do diagrama apresenta-se como uma reta e é chamada de fase linear. O módulo de

elasticidade (D) é o coeficiente angular desta reta e também pode ser escrito como o

quociente entre a tensão e a deformação. Na fase linear, o objeto não sofre deformação

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definitiva, pois apresenta deformação elástica. É partir de uma certa tensão que o objeto

passa a apresentar um comportamento plástico implicando na deformação definitiva do

material e esta tensão é chamada de tensão de escoamento (A). Depois de iniciada a fase

plástica, a carga eventualmente atinge seu valor máximo e a tensão correspondente é

chamada de tensão de resistência mecânica (B). Um maior estiramento da chapa é na

verdade acompanhado por uma redução na carga e a fratura finalmente ocorre no ponto

chamada de tensão de ruptura (C). Depois da ruptura mede-se o corpo de prova e o

aumento de comprimento verificado na tração até a ruptura é chamado de alongamento

total. E também pode ser calculado pelo quociente da diferença de comprimentos inicial e

final e do comprimento inicial.

A tenacidade é a capacidade que o material tem de deformar-se plasticamente e

também reter energia antes da ruptura. O módulo de tenacidade pode ser calculado através

da área total do gráfico (figura 3).

A resiliência é a capacidade que o material tem de reter energia enquanto se

deforma elasticamente e quando livre da tensão devolver esta energia. O módulo de

resiliência é calculado através da área do gráfico onde ocorre o comportamento elástico.

Quando o corpo de prova é estirado, uma contração lateral ocorre e com a redução

da área pode-se observar a estricção de uma certa região da chapa.

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É importante lembrar que a curva de tensão-deformação de engenharia é montada

considerando-se a área da secção constante, o que é uma aproximação. Na verdade com a

diminuição da área de secção as tensões aplicadas no corpo de prova aumentam, desta

forma pode ser necessário construir uma curva real para uma analise mais detalhada. Para

isso é necessário obter certos coeficientes como explicado adiante.

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4. Resultados

Tabela de Medidas Experimentais

Deslocamento (mm) Deformação KGF Força (N) Tensão (MPa) 0 0,00000 0 0 0,00000 0,01 0,00015 40 400 32,52033 0,02 0,00030 80 800 65,04065 0,03 0,00045 120 1200 97,56098 0,04 0,00061 160 1600 130,08130 0,035 0,00053 120 1200 97,56098 0,025 0,00038 80 800 65,04065 0,015 0,00023 40 400 32,52033 0,005 0,00008 0 0 0,00000

Propriedades Obtidas

Módulo de Elasticidade: É dado pela tangente do ângulo da reta de inclinação do gráfico

de deformação no regime linear, E = tan(α).

Logo, E = 214,634 GPa

L0 66 mm

Área de Secção 12,3 mm²

Regime Elásticoy = 214634x - 2E-14

0,00000

20,00000

40,00000

60,0000080,00000

100,00000

120,00000

140,00000

0,00000 0,00010 0,00020 0,00030 0,00040 0,00050 0,00060 0,00070

Deformação

Tens

ão (M

Pa)

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Limite de Escoamento: Determinado a partir da curva obtida no ensaio de deformação,

traçando-se uma paralela àquela do regime elástico com início no ponto de deformação

0,002 e encontrando o ponto em que esta intercepta a curva.

Logo, σe = 200,017 MPa

Limite de Resistência Mecânica: Corresponde a tensão referente ao ponto máximo da

curva obtida.

Dado, no ponto de tensão máxima, uma cota vertical de 122 mm e o fator de transformação

calculado de 14,38848921 N/mm, temos:

σu = 122 * 35,97122302 / 12,3 = 356,788 MPa

Limite de Ruptura: Corresponde a tensão referente no ponto de ruptura do corpo de

prova.

σr = 97 * 35,97122302 / 12,3 = 283,66 MPa

Limite de Escoamento

0

50

100

150

200

250

300

0,00000 0,00500 0,01000 0,01500 0,02000 0,02500 0,03000 0,03500

Deformação

Tens

ão (M

Pa)

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Módulo de Tenacidade: Corresponde a integral da curva obtida, ou seja, a área sob esta

até o ponto de fratura.

No entanto, o módulo de tenacidade também pode ser escrito como:

UT = (σe + σr)/2 *ξf

Assim UT = 72,55 MPa

Módulo de Resiliência: Corresponde a integral da curva obtida em regime elástico, ou

seja, a área sob esta até o limite de escoamento.

No entanto, o módulo de resiliência também pode ser escrito como:

Ur = σe2/2E

Assim Ur = 0,0932 MPa

Alongamento Total: Aumento de comprimento até o ponto de ruptura, adimensional.

∈ = (Lf - L0) / L0 * 100

∈ =(89,5 - 66)/66 * 100

∈ =35,6 %

Estricção: Medida do estrangulamento da secção.

φ= (So – Sf)/ So * 100%

φ = (12,3 – 5,91)/ 12,3 * 100

φ = 51,95 % Determinação dos Coeficientes da Curva Verdadeira: Faz-se através das seguintes

relações:

∈real

= ln (L/L0)

∫

UT = 0

∈ (r)

σd∈ ∫

Ur = 0

∈ (e)

σd∈

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Areal

= A0 / exp(ε

real)

σreal

= F / Areal

Para efeito de determinar os coeficientes da curva real, σ

real = K * (E

real)n, iremos resolver o

seguinte sistema linear resultante da equação abaixo para os pontos de limite de

escoamento e de resistência mecânica.

log(σreal

) = log(K) + n*log(Ereal

)

log(σe) = log(K) + n*log(ln(Le/L0))

log(σu) = log(K) + n*log(ln(Lu/L0))

Resultando em:

n = 0,14776

k = 458,9866

Adiante, apresentamos uma aproximação da curva real:

Deformação Real

050

100150200250300350400450

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Deformação Real

Tens

ão R

eal (

MP

a)

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5. Comentários e Conclusões

Para as algumas das diversas propriedades da liga 1020 de aço, material analisado,

existem valores padrão na literatura. Faz-se necessário uma comparação destes com os

obtidos no experimento a fim de avaliá-lo corretamente.

Valor da Literatura Valor Obtido

Módulo de Elasticidade 190-210 GPa 214,634 GPa Limite de Escoamento 294.8 MPa 200,017 MPa

Limite de Resistência Mecânica 394.7 MPa 356,788 MPa Limite de Ruptura 283,66 MPa

Módulo de Tenacidade 72,55 MPa Módulo de Resiliência 0,0932 MPa

Alongamento Total 36.5 % 35,6 % Estricção 66.0 % 51,95 %

Dadas as condições de realização do ensaio − máquinas pouco precisas,

especialmente pela má fixação nas garras da maquina de tração, e a imprecisão das medidas

de alongamento resultantes deste problema, bem como as dimensões em, alguns casos, um

pouco fora daquelas exigidas pelas normas (em especial a necessidade dos cortes nas

cabeças do corpo de prova a fim de permitir a fixação) − esperávamos resultados ainda

mais discrepantes que aqueles encontrados, podemos então considerar a conclusão deste

projeto bastante satisfatória.

Gostaríamos de agradecer a dedicação dos professores e dos técnicos de laboratório

que, como todos puderam observar, preocuparam-se não apenas em fazer seu trabalho, mas

também em garantir que nós, alunos, entendêssemos cada etapa dos processos.

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6. Referências Bibliográficas

- Sérgio A de Souza, ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAS METÁLICOS

- Normas de Ensaio de Tração: ASTM E8M

- James M Gere, MECÂNICA DOS MATERIAIS

- Engineering Fundamentals Website, http://efunda.globalspec.com/

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6. Anexo A: Fatores de Conversão

Para o cálculo dos fatores de conversão primeiro calculamos a média dos segmentos de

escala plotados no gráfico, depois dividimos as medidas reais (5 mm para o deslocamento e

100KGF para a força pelas médias obtidas, obtendo assim os fatores de conversão):

Escalas Deslocamento Força

40 Ponto 1 28 38 Ponto 2 27 40 Ponto 2 29 44 Ponto 2 27 47 Ponto 2 28

41,8 Média 27,8 0,119617225 Fator 3,597122302