UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ – UFPAITEC - FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENSAIO DE IMPACTO

Belém – 2013

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ – UFPAITEC - FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENSAIO DE IMPACTORelatório de ensaio mecânico destrutivo de

impacto realizado como parte avaliativa da disciplina de Laboratório de Ensaios Mecânicos sob orientação do prof. Dr. Eduardo Braga (LABEM- FEM - ITEC- UFPA).

Belém – 2013

Sumário

1. INTRODUÇÃO..................................................................................................................4

2. OBJETIVO.........................................................................................................................5

3. COMPORTAMENTO DE MATERIAIS SOB AÇÃO DO ESFORÇO DE IMPACTO5

4. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS........................................................................8

4.1 Materiais..............................................................................................................................8

4.2 Métodos...............................................................................................................................9

5. RESULTADOS OBTIDOS NO EXPERIMENTO....................................................15

6. CONCLUSÃO..................................................................................................................15

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................15

1. INTRODUÇÃO

O choque ou impacto representa um esforço de natureza dinâmica, ou seja, a

carga é aplicada repentina e bruscamente. Esse tipo de esforço é muito frequente

em máquinas, peças de máquinas e eventualmente em estruturas. O

comportamento dos materiais sob ação de forças dinâmicas geralmente difere de

seu comportamento quando está sujeito à forças elásticas.

Portanto, é de fundamental importância se conhecer o comportamento de

determinados materiais sob a ação deste tipo de força dinâmica. O ensaio de

impacto fornece informações do comportamento de materiais que sofrem este

esforço, melhorando a qualidade, segurança e confiabilidade dos materiais usados

em sistemas sujeitos à este tipo de força.

Embora hoje em dia existam ensaios mais elaborados e representativos, pela

sua simplicidade e rapidez,  o ensaio de impacto (ou ensaio de choque) é aplicado

por exigência de normas (ASME, AWS, DIN, ISO, etc) e são diversas as razões que

motivam a sua aplicação, uma delas, por exemplo, é como teste de aceitação de

materiais aplicados em equipamentos que operarão em baixas temperaturas ainda

sujeitos ao impacto. Outra aplicação é como um dos ensaios obrigatórios para

validação do procedimento de soldagem utilizado em determinada junta soldada.

Além disso, o ensaio de impacto age como ferramenta auxiliar para estudo da

temperatura de transição dúctil-frágil dos materiais.

O corpo de prova é padronizado por normas (ASTM A370 e ABNT / NBR

6157 em geral) e provido de um entalhe de medidas também padronizadas para

localizar sua ruptura e produzir um estado de tensões triaxial, sendo então

submetido a uma flexão por impacto, produzida por martelo pendular.

Os critérios de avaliação deste ensaio são a energia absorvida pelo corpo de

prova, a característica e percentual da fratura (dúctil ou frágil) e percentual de

expansão lateral do corpo de prova. O resultado mais importante do ensaio de

impacto é a medida da energia absorvida pelo corpo de prova para se deformar e

romper, que é calculada através da variação da energia potencial gravitacional do

martelo (componente da máquina de ensaio de impacto) antes e após o impacto.

Quanto menor for a energia absorvida, mais frágil será o comportamento do material

àquela temperatura.

2. OBJETIVO

Conhecer experimentalmente o ensaio de impacto, sua metodologia e resultados de

forma a assegurar a confiabilidade dos resultados obtidos.

3. COMPORTAMENTO DE MATERIAIS SOB AÇÃO DO ESFORÇO DE IMPACTO

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. 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,

materiais que apresentam tenacidade.

Esta propriedade está relacionada com a fase plástica dos materiais e por

isso se utilizam as ligas metálicas dúcteis neste tipo de aplicação. 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.

Um material dúctil pode se romper sem deformação plástica apreciável, ou

seja, de maneira frágil, nas seguintes condições: velocidade de aplicação da carga

suficientemente alta; trinca ou entalhe no 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 consequente formação da fratura frágil. A

existência de uma trinca, por menor que seja, muda substancialmente o

comportamento do material dúctil. Esta característica do material dúctil é

frequentemente chamada de sensibilidade ao entalhe. L A

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.

A existência de trincas no material, a baixa temperatura e a alta velocidade de

carregamento constituem os fatores básicos para que ocorra uma fratura do tipo

frágil nos materiais metálicos dúcteis.

As dimensões do corpo de prova, a forma e o tamanho do entalhe usado

determinam um dado estado de tensões que não se distribuem de modo uniforme

por todo o corpo de prova, no ensaio. Por isso, esse ensaio não fornece um valor

quantitativo da tenacidade do material.

A energia medida é um valor relativo e serve apenas para comparar

resultados obtidos nas mesmas condições de ensaio. Isso explica por que os

resultados desse ensaio não têm aplicação nos cálculos de projetos de

engenharia.

O dispositivo utilizado para realizar o experimento está esquematizado na

figura 1.

Figura 01 - Esquema do equipamento tipo ''martelo pendular'' usado para a realização do ensaio.Fonte: Chiaverini

Os ensaios de impacto são normalmente especificados para baixas

temperaturas, porém podem ser realizados também sob temperaturas ambientes ou

até sob temperaturas superiores à do ambiente.

No caso de baixa temperatura, utilizam-se água ou gelo seco, solventes

orgânicos, nitrogênio líquido ou gases frios, nos quais os corpos de prova devem ser

mantidos sob temperatura especificada por no mínimo cinco minutos em meio

líquido e 60 minutos em meio gasoso.

Os corpos de prova a serem ensaiados sob temperaturas elevadas devem, de

preferência, ser imersos em óleo agitado ou outro banho líquido adequado, onde

devem ser mantidos pelo menos por dez minutos antes do ensaio; em caso de

utilização de forno, os corpos de prova devem permanecer no forno pelo menos

durante 60 minutos antes de ensaiar.

Nesses dois casos em que a temperatura de ensaio é diferente da ambiente, os

corpos de prova devem ser introduzidos na máquina e rompidos em no máximo

cinco segundos para que não haja variação significativa da temperatura; além disso,

o meio de aquecimento ou resfriamento deve conter um sistema de homogenização

da temperatura.

Existe uma faixa de temperatura, denominada temperatura de transição, em que

a energia absorvida cai apreciavelmente, em especial nos metais do sistema cúbico

de corpo centrado (ccc), como por exemplo os aços ferríticos. Acima dessa

temperatura de transição, os corpos de prova rompem por um mecanismo de

cizalhamento, requerendo absorção de maior quantidade de energia, ao passo que

abaixo dessa temperatura o mecanismo de rompimento frágil é de clivagem, onde a

absorção de energia é muito menor.

 A temperatura de transição é bastante influenciada pelo tamanho do corpo de

prova, geometria do entalhe, composição química do metal e tamanho de grão

ferrítico. Os metais de estrutura cúbica de faces centradas (cfc), como por exemplo

os aços inoxidáveis austeníticos, oferecem maior resistência à fratura por clivagem,

e por isso não apresentam mudança brusca de comportamento.

4. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

4.1 Materiais

Corpo de Prova de aço Naval.

Figura 02 - Corpo de Prova utilizado no ensaioFonte: Autoria própria

Máquina tipo martelo pendular

Figura 03 - Equipamento utilizado para a realização do ensaio.Fonte: Autoria Própria

4.2 Métodos

Devem ser considerados tanto a força aplicada quanto a sua velocidade para

a determinação do impacto. Força associada com velocidade se traduz em energia.

O ensaio de impacto consiste em medir a quantidade de energia absorvida por

uma amostra do material, quando submetida à ação de um esforço de choque de

valor conhecido. O método mais comum para ensaiar metais é o do golpe, desferido

por um peso em oscilação.

A máquina correspondente é o martelo pendular. O pêndulo é levado a uma

certa posição, onde adquire uma energia potencial. Ao cair, ele encontra no seu

percurso o corpo de prova, que se rompe. A sua trajetória continua até certa altura,

que corresponde à posição final, onde o pêndulo apresenta uma energia final.

A diferença entre as energias inicial e final corresponde à energia absorvida

pelo material. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), 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. A equação para o cálculo da energia potencial (Ep) é:

Ep = m x g x h;

Onde:

m= massa

g =aceleração da gravidade

h =altura

No ensaio de impacto, a massa do martelo e a aceleração da gravidade são

conhecidas. A altura inicial também é conhecida. A única variável desconhecida é a

altura final, que é obtida pelo ensaio. O mostrador da máquina simplesmente registra

a diferença entre a altura inicial e a altura final, após o rompimento do corpo de

prova, numa escala relacionada com a unidade de medida de energia adotada.

Figura 04- Indicador de energia absorvida na máquina de ensaio de impacto.

Fonte - Autoria Própria

O corpo de prova é entalhado para permitir a localização da fratura e produzir

um estado triaxial de tensões. Os corpos de prova geralmente utilizados para a

realização do ensaio de impacto são: corpo de prova Charpy e corpo de prova Izod,

ambos especificados pela norma ASTM E23.

  Os corpos de prova Charpy são classificados em tipo A, B e C, com secção

quadrada de 10mm, comprimento de 55mm e entalhes no centro do corpo de prova.

O tipo A tem o entalhe na forma de V, o tipo B na forma de buraco de

fechadura e o tipo C na forma de U. Os corpos de prova Charpy sào simplesmente

apoiados, de maneira centralizada; a distância entre apoios é de 40 mm.

Figura 05 - Corpos de Prova Tipo Charpy

Fonte: Chiaverini

Já O corpo de prova Izod tem seção quadrada de 10mm, comprimento de

75mm, entalhe a uma distância de 28mm de uma das extremidades, em forma de V.

É engastado na sua parte maior, e o entalhe fica próximo ao ponto de engaste.

Figura 05 - Corpos de Prova Tipo Izod

Fonte: Chiaverini

Os corpos de prova com entalhes mais agudos ou mais profundos, como é

caso dos corpos Izod e Charpy tipo A, sào utilizados para mostrar a diferença de

energias absorvidas nos ensaios de metais mais dúcteis, pois têm a tendência de

propiciar fraturas frágeis.

Para ensaios de materiais frágeis, como é o caso do ferro fundido e de metais

fundidos sob pressão, os corpos de prova geralmente não necessitam do entalhe. A

usinagem do entalhe pode ser feita por meio de brochadeira, plaina ou fresadora, e

o seu perfil deve ser controlado por um projetor de perfil.

Figura 06 - Corpo de prova sem entalhe.

Fonte: ASTM E23E

No caso de materiais cujas dimensões nào permitem a confecção de corpos

de prova normais, é possível retirar os corpos de prova reduzidos que constam do

método E 23 da ASTM.

Figura 07- Corpo de Prova Reduzido.

Fonte: ASTM E23

A norma NBR 6157, por sua vez, requer que o corpo de prova tenha entalhes

em ''U'' ou em V e que sigam as especificações apresentadas nas imagens abaixo.

Figura 08- Especificações das dimensões de corpos de prova pela NBR 6157

Fonte: NBR 6157

Figura 09 - Corpo de prova com entalhe em U e 3 cm de profundidade.

Fonte: NBR 6157

Figura 10 - Corpo de prova com entalhe em U e 5 cm de profundidade.

Fonte: NBR 6157

Figura 11 - Corpo de prova com entalhe em V.

Fonte: NBR 6157

5. RESULTADOS OBTIDOS NO EXPERIMENTO

6. CONCLUSÃO

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS