Ensaios Mecanicos, Trabalhos de Engenharia Mecânica

Baixe Ensaios Mecanicos e outras Trabalhos em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DISCIPLINA: MMA – GEM23 PROFESSOR: Sônia Goulart de Oliveira Trabalho 1 – Ensaios Mecânicos de Metais Nomes: Antônio Ricardo Zaiden Bruno Alexandre Roque Guilherme Augusto de Oliveira Luis Paulo Pettersen Uberlândia, 22 de Abril de 2010 2 Sumário Página Resumo 02 1. Introdução 03 2. Desenvolvimento Teórico 03 2.1. Ensaio de Tração 04 2.1.1. Diagrama Tensão-Deformação 05 2.1.2. Materiais Dúcteis e Frágeis 10 2.1.3. Corpos de prova utilizados para o ensaio de tração 12 2.1.4. Medição da Deformação Total - Alongamento 15 2.1.5. Equipamento para o ensaio de tração 16 2.1.6. Fontes de erro na geração da curva tensão-deformação 18 2.1.7. Fixação do Corpo de Prova 20 2.1.8. Outras Propriedades obtidas no Ensaio de Tração 21 2.2. Ensaio de Compressão 23 2.3. Ensaio de Torção 27 2.4. Ensaios de Dureza 30 2.4.1. Dureza Brinell 30 2.4.2. Dureza Rockwell 34 2.4.3. Dureza Vickers 37 2.5. Ensaio de Impacto 39 2.5.1. Ensaio Charpy 40 2.5.2 Ensaio Izod 41 2.6. Ensaio de Tenacidade à Fratura 42 2.7. Ensaio de Fadiga 46 2.7.1. Características do Ensaio de Fadiga 47 2.8. Ensaio de Fluência 49 2.8.1. Tipos de Ensaios de Fluência 51 3. Conclusão 52 Bibliografia 53 5 • Ensaio de tração • Ensaio de compressão • Ensaio de cisalhamento • Ensaio de dobramento • Ensaio de flexão • Ensaio de embutimento • Ensaio de torção • Ensaio de dureza • Ensaio de fluência • Ensaio de fadiga • Ensaio de impacto Os ensaios não destrutivos são entendidos como aqueles que após serem realizados, ao contrário dos destrutivos, não deixam nenhuma marca ou sinal na peça ou corpo de trabalho, portanto não inutilizando-os. Por este fato, estes ensaios são utilizados para a detecção de falhas em produtos acabados e semi acabados. São exemplos de ensaios não destrutivos os seguintes ensaios listados abaixo: • Ensaio visual • Ensaio de líquido penetrante • Ensaio de partículas magnéticas • Ensaio de ultra-som • Ensaio de radiografia industrial A seguir, serão descritos os ensaios de: Tração, Compressão, Torção, Dureza, Impacto, Fadiga, Fluência e Tenacidade à fratura, descrevendo quais são os objetivos principais de cada ensaio, como são executados, as principais normas e propriedades fornecidas por cada um, bem como as normas mais usadas na execução de cada um. 2.1. Ensaio de Tração O texto a seguir foi elaborado através da consulta do portal eletrônico www.cimm.com.br e apostilas do Telecurso 2000, sobre ensaios mecânicos. No ensaio de tração, submete-se a um corpo de prova, um esforço, que tende a alongá-lo, ou até mesmo esticá-lo até a sua ruptura. Os esforços ou cargas aplicadas ao mesmo são medidas na própria máquina de ensaio. Geralmente, este ensaio é realizado utilizando-se um corpo de prova de formas e dimensões padronizadas, para que os resultados que forem obtidos possam ser 6 comparados, ou, dependendo da finalidade do ensaio, tais informações podem ser usadas tecnicamente. Os ensaios de tração permitem conhecer como os materiais reagem aos esforços de tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento se rompe. Como já citou-se anteriormente, quando são submetidos a campos de forças e/ou momentos, os metais deformam-se. A intensidade e o tipo de deformação sofrido pelo metal são funções da resistência mecânica do metal, da intensidade das forças e momentos aplicados, do caminho da deformação, etc. As deformações resultantes dos campos de força podem ser classificadas em dois tipos: • Deformação elástica – é aquela em que removidos os esforços atuando sobre o corpo, ele volta a sua forma original • Deformação plástica – é aquela em que removidos os esforços, não há recuperação da forma original. Os dois tipos de deformação podem ser explicados pelos movimentos atômicos na estrutura cristalina do material. Cada átomo do cristal vibra em torno de uma posição de equilíbrio, característica do tipo de rede cristalina do metal, sendo seu núcleo atraído pelas eletrosferas dos átomos vizinhos e repelido pelos núcleos dos mesmos, como se estivessem em um poço de energia. Sob a ação de esforços externos, os átomos tendem a se deslocar de sua posição de equilíbrio. A deformação plástica envolve a quebra de um número limitado de ligações atômicas pelo movimento de discordâncias. Depois de removidos os esforços, continua a existir um deslocamento diferenciado de uma parte do corpo em relação a outra, ou seja, o corpo não recupera sua forma original. A deformação plástica é resultante do mecanismo de formação de defeitos cristalinos (discordâncias e maclas), permanecendo constante o parâmetro de rede. Logo, a deformação plástica ocorre com o volume constante. Para avaliar a deformação em função da tensão aplicada ao corpo de prova, levanta-se a curva denominada diagrama tensão-deformação. 2.1.1. Diagrama Tensão-Deformação Como já foi citado anteriormente, durante o ensaio de tração, a máquina de ensaio fornece um gráfico, que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o desenvolvimento do ensaio. Mas o objetivo principal do ensaio é a relação entre a tensão e a deformação do material. 7 A tensão é dada pela razão entra força aplicada, denominada F, e a área da seção do corpo de prova, denominada S. Como a seção é variável com a deformação do corpo de prova, convencionou-se que a área da seção utilizada para os cálculos é a área da seção inicial do corpo de prova, denominada So. A curva obtida neste ensaio apresenta certas características que são comuns a vários tipos de materiais com aplicação na engenharia mecânica. Figura 1 – Diagrama tensão-deformação para um material com fase plástica (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.3) A seguir, serão mostrados alguns limites de resistência que podem ser obtidos pelo ensaio de tração. No diagrama abaixo, o ponto A, no final da reta, representa o limite elástico. Após o escoamento que é um endurecimento dos grãos que compõem o deformados a frio. Há um do metal à tração externa, cada vez maior para haver fase, a tensão recomeça a valor máximo, resistência (B). Para o limite de resistência, usa- matemática: Figura 5 – Limite de Resistência Limite de Ruptura Continuando a aplicação da tração, chega denominado limite de ruptura (C). Um fato importante a ser observado é que a tensã ocorre o encruamento, causado pela quebra material quando aumento da resistência exigindo uma tensão a deformação subir, até chegar a um denominado limite de cálculo do valor do se a seguinte relação Lr = Fmax/Ao (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap -se à ruptura do material, que ocorre no ponto 10 . Nessa (3) . 03, pág.6 ) o no 11 limite de ruptura é menor que no limite de resistência, devido à diminuição de área que ocorre no corpo de prova, após ser atingida a carga máxima. Fig ura 6 – Limite de Ruptura (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.6) A seguir, pode-se ver o diagrama completo com todos os limites de resistência: 12 Figura 7 – Diagrama com os limites de resistência (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.6) 2.1.2. Materiais Dúcteis e Frágeis Um material dúctil é aquele que pode ser alongado, flexionado ou torcido, sem se romper. Ele admite deformação plástica permanente, após a deformação elástica. A deformação plástica em geral é acompanhada de encruamento. O ponto de escoamento determina a transição entre as fases elástica e plástica (com ou sem patamar na curva). Um material frágil rompe-se facilmente, ainda na fase elástica. Para estes materiais o domínio plástico é praticamente inexistente, indicando sua pouca capacidade de absorver deformações permanentes. Na curva tensão deformação, a ruptura se situa na fase elástica ou imediatamente ao fim desta, não havendo fase plástica identificável. Abaixo, constam curvas tensão-deformação para diferentes materiais: 15 • Barras de aço destinadas a armaduras para concreto armado com emenda mecânica ou por solda - Determinação da resistência à tração NBR8548 MB1804 08/1984 • Alumínio e suas ligas - Ensaio de tração dos produtos dúcteis e fundidos NBR7549 MB1714 12/2001 2.1.4. Medição da Deformação Total - Alongamento O alongamento do corpo de prova pode ser medido em qualquer etapa do ensaio de tração. Entretanto o comprimento final Lf, no momento da ruptura, é necessário para o cálculo da deformação total. A deformação total é a soma das deformações: • Deformação elástica (recuperada após a ruptura) • Deformação durante o escoamento • Deformação plástica • Deformação depois de atingida a carga máxima A soma da deformação no escoamento com a deformação plástica é a chamada deformação uniforme. Para efetuar a medição do comprimento final, seguem-se os seguintes passos: • Marcam-se n divisões iguais sobre a parte útil do corpo de prova antes do início do ensaio. • Um comprimento de referência L0 deve ser escolhido neste estágio. É recomendável que o comprimento total das n divisões seja bem superior ao comprimento L0 • Traciona-se o corpo até a ruptura, juntando-se a seguir as partes • Mede-se a distância correspondente ao comprimento final, tomando-se o mesmo número de divisões à esquerda e á direita da seção de ruptura, quando possível. Quando a ruptura for próxima ao final da parte útil do corpo de prova, toma-se o número máximo de divisões do citado lado, compensando-se a diferença do lado oposto para completar o comprimento de referência. 16 O procedimento é ilustrado na figura abaixo: Figura 10 - Procedimento para a medição da deformação do corpo de prova (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6543) Medição da redução de Área A estricção ocorre depois de atingida à carga máxima. A deformação é maior nesta região enfraquecida. A estricção é usada como medida da ductilidade, ou seja, quanto maior a estricção, mais dúctil é o material. O fenômeno da estricção é ilustrado na figura abaixo, para um corpo de prova de seção transversal circular. Figura 11 – Ilustração da medição da redução da área da seção do CP. (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6544) 17 Vale ressaltar que a estricção não pode ser considerada uma propriedade específica do material, mas somente uma característica do seu comportamento. Isto se justifica porque o estado de tensões depende da forma da seção transversal, por sua vez, a fratura depende não só do estado de tensões e deformações, mas de como se desenvolveu. Então a deformação após a carga máxima não é sempre a mesma. Apesar do seu caráter mais qualitativo, a estricção é mencionada e usualmente especificada para diversos materiais. As medidas de estricção podem ser tomadas tanto para corpos de seção circular como corpos de seção retangular. As medidas e os valores são mostrados nas figuras abaixo. Figura 12 – Redução da área para CP de seção circular (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6544) Figura 14 - Redução da área para Cp de seção retangular (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6544) 20 Máquinas eletromecânicas Tem seu funcionamento baseado em motor elétrico de velocidade variável, um sistema de engrenagens de redução e um ou vários parafusos que movimentam o cabeçote na direção vertical. Estes movimentos para cima e para baixo permitem executar testes de tração e compressão respectivamente. As velocidades do cabeçote podem ser alteradas pela velocidade do motor. Um servo-sistema pode ser adaptado para controlar mais precisamente a velocidade do cabeçote. Máquinas Hidráulicas Máquinas hidráulicas para testes são baseadas no movimento de um pistão de atuação simples ou dual, que aciona o cabeçote para cima e para baixo. Entretanto, na maioria das máquinas para teste estático existe um pistão de ação simples. Numa máquina de operação manual, o operador ajusta o orifício de uma válvula de agulha com compensação de pressão para controlar a taxa de alimentação. Num servo sistema hidráulico de ciclo fechado, a válvula de agulha é substituída por uma servo-válvula operada eletronicamente para um controle preciso. Em geral as máquinas eletro-mecânicas permitem uma gama maior de velocidades e maiores deslocamentos do cabeçote, por outro lado as máquinas hidráulicas permitem gerar maiores forças de carregamento. 2.1.6. Fontes de erro na geração da curva tensão-deformação No ensaio de tração, os erros mais comuns são ocasionados no extensômetro. Durante o ensaio, a deflexão do quadro de cargo, composto pelas colunas da máquina, cabeçote e mesa, em relação a deformação do corpo de prova pode ser grande o suficiente para gerar significativas discrepâncias. Por isso, o extensômetro deverá medir apenas e deformação do corpo de prova. Na maioria das vezes, liga-se o extensômetro no corpo de prova, ou utilizam-se sistemas de medição sem contato. Um extensômetro é caracterizado por um mecanismo de fixação, as pontas em faca, o comprimento de medição, o movimento percentual e a sua precisão. 21 Figura 18 – Pontas em faca e o escorregamento (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6547) Figura 19 - Representação do escorregamento durante o ensaio de tração (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6547) Caso o ajuste do mecanismo de fixação estiver desgastado ou com pontas, poderão ocorrer erros na confecção do diagrama. O escorregamento é uma fonte de erros muito comum em ensaio de metais. Com o intuito de evitar tais inconvenientes, deve-se adotar um programa de manutenção na máquina de ensaios, para que sejam substituídas pontas desgastadas e as molas que não estejam pressionando adequadamente o corpo de prova. Comprimentos de medição padrão para extensômetros são em geral 1” 2” e 8”. 22 O comprimento de medição necessário depende do tamanho do corpo de prova e do método de teste. Deve ser tomado cuidado para fixar o comprimento de medição na hora de fixar o extensômetro. O ajustamento adequado e a operação das paradas mecânicas eliminam os erros de comprimento de medição. Deve haver a compatibilidade entre o curso total do movimento do extensômetro e o alongamento total do corpo de prova. Para extensômetros com cursos grandes, pode ser difícil determinar o E com precisão. Já com cursos pequenos, poderá não ser possível a medição completa de alguns parâmetros. As garras de fixação da máquina de ensaio em “v” são as mais usadas em testes de metais. Com o aumento da carga axial, as cargas atuam aumentando a pressão de aperto sobre o corpo de prova. Pode haver o ajuste manual das garras, bem como o ajuste hidráulico e pneumático. Caso o numero de testes for grande, não é recomendando o ajuste manual. As garras devem estar limpas e novas, pois se a superfície da mesma estiver suja ou desgastada, pode ocorrer o escorregamento do corpo de prova, o que causa erros no levantamento do diagrama. Outro detalhe de suma importância é o alinhamento do corpo de prova com as garras durante a montagem do teste, pois tais desvios podem provocar o surgimento de tensões de flexão e diminuição dos valores lidos da tensão de tração. Algumas máquinas de teste necessitam do uso de contra porcas, para que se mantenham as morsas em posição adequada. Estas porcas devem ser apertadas com a máquina carregada na sua capacidade máxima de carga, sendo usado um corpo de prova especial para o ajuste. 2.1.7. Fixação do Corpo de prova Para a maioria dos ensaios mecânicos, o corpo de prova deve concentrar as tensões dentro da região de medida, sendo assim, o teste exige um formato especifico de CP. Caso o mesmo não tenha sido bem fabricado, poderá até mesmo quebrar fora da região de medida, acarretando assim erros na deformação. Além disso, deve-se assegurar que os equipamentos de medição usados para a tomada de dimensões, estejam devidamente calibrados. A forma e a magnitude da curva levantada pelo ensaio podem ser afetadas pela velocidade do carregamento, pois alguns materiais podem apresentar um significativo aumento da resistência à tração quando as velocidades de carregamento são aumentadas. Com a introdução dos sistemas de teste com micro-processamento, as cargas podem inadvertidamente ser zeradas, resultando em leituras reduzidas para as tensões. Para evitar este erro recomenda-se fixar o corpo de prova na morsa superior, zerar a carga, e finalmente fixar a extremidade inferior. 25 2.2. Ensaio de compressão O ensaio de compressão consiste numa aplicação lenta e crescente de uma força de compressão uniaxial, em uma amostra padronizada, até a sua ruptura1. O corpo de prova geralmente é colocado dentro de uma gaiola de proteção, para que fragmentos do mesmo não escapem para as adjacências do local de ensaio. Durante o ensaio podem ser anotados os alongamentos sofridos pela amostra, correspondente às forças aplicadas. Uma das exigências da realização do ensaio é a padronização do corpo de prova, que será submetido à ação das forças aplicadas por uma máquina de ensaio universal. Esta padronização, que segue as normas determinadas por órgãos competentes, tem como objetivo evitar a falha do material pelo processo de flambagem. Para que a flambagem não ocorra, a altura da amostra não deve ser maior do que três vezes o valor do seu diâmetro. A figura abaixo ilustra um exemplo de um corpo de prova utilizado num ensaio de compressão: Figura 21- Ilustração de um Corpo de prova para ensaios de compressão (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6548) Algumas máquinas de ensaio fornecem o diagrama Carga x Alongamento (P x ∆l), a partir do qual é construído o diagrama Tensão x Deformação convencional (σ x ε). Este ensaio é muito usado para a obtenção de propriedades mecânicas (como por exemplo, limite de ruptura à compressão) de materiais frágeis, que oferecem boa resistência à compressão, e é de suma importância para a engenharia, sobretudo para materiais como concreto, cerâmica, ferro fundido, etc. 1Instituto de Física da Universidade Federal de Uberlândia, “Apostila de Resistência dos Materiais experimental”, Pag. 14 26 Para os materiais dúcteis sob compressão, até o valor da tensão de escoamento os valores das deformações são semelhantes aos obtidos num ensaio de tração. Admite-se que o módulo de elasticidade E o coeficiente de Poisson υ—, obtidos experimentalmente, são os mesmos para tração e compressão, e, na fase elástica, os materiais dúcteis ensaiados à compressão apresentam um diagrama σ x ε semelhante ao diagrama do mesmo material ensaiado à tração. Assim, obtém-se o mesmo valor para o limite de escoamento2. Figura 22 – Diagrama tensão-deformação convencional de um dúctil submetido à compressão (http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Stress_v_strain_A36_2.png) 1. Tensão máxima 2. Tensão limite de escoamento 3. Limite de ruptura 4. Região de Encruamento 5. Região de "Estricção". 2 Flávio de Sousa Barbosa, Apostila de Resistência dos materiais, UFJF, Pag. 35 27 A tensão na fase elástica pode ser calculada pela seguinte expressão: 0A P=σ [MPa] (7) Onde P é a carga aplicada em Newtons ( N ) e Ao é área de seção transversal inicial do corpo de prova em ( 2mm ). Da equação 2.1 é possível calcular a tensão de ruptura Rupturaσ e a energia U absorvida pelo corpo de prova na fase elástica, através das seguintes equações: 0A PRuptura Ruptura =σ [MPa] (8) E U compcompressão ⋅ = 2 2 .σ [ 3mm mmN ⋅ ] (9) É importante ressaltar que, no caso de materiais dúcteis, o diagrama σ x ε cresce indefinidamente até a ruptura, ao contrário do que mostra o diagrama convencional. No caso de materiais frágeis, a ruptura se dá num plano orientado a aproximadamente 45º em relação à direção de aplicação da carga, devido, principalmente, ao fato da tensão de cisalhamento atingir seu valor máximo neste plano. Para todos os materiais frágeis, o limite de resistência à compressão é maior do que o limite de resistência à tração. A tensão de ruptura e o módulo de resiliência são também calculados pelas equações (8) e (9). 30 As dimensões podem ou não ser padronizadas, pois normalmente este tipo de ensaio não é escolhido como critério de qualidade de um material. Porém, as dimensões do corpo de prova devem ser tais que possibilitem a medição precisa do ângulo de torção e a facilidade de engastamento nas garras da máquina. A máquina usada é uma máquina de torção, porém equipamentos mais simples podem ser utilizados. O ensaio é realizado aplicando-se um momento torsor T (ou torque) em um corpo de prova cilíndrico e maciço. A partir do crescimento do valor do torque, este é relacionado com a deformação que é produzida na seção transversal da amostra4. Esta deformação é o ângulo de torção ϕ, e quando o ensaio é realizado até a ruptura da amostra, obtém um gráfico semelhante àquele obtido no ensaio de tração, onde é possível a identificação de uma região elástica linear e uma região plástica, conforme figura abaixo: Figura 26 – Diagrama Momento Torsor (Mt) pela distorção (θ) (Telecurso 2000, Cap.10, pág.4) As tensões de cisalhamento na amostra são lineares quanto à localização radial, sendo zero no centro da amostra e máxima no raio externo5. As equações utilizadas neste ensaio são obtidas na teoria da resistência dos materiais. De posse dos dois diagramas, podemos obter a máxima tensão de cisalhamento, τmáx, a energia elástica de deformação na torção, e o torque de ruptura a partir das equações 4 Instituto de Física da Universidade Federal de Uberlândia, “Apostila de Resistência dos Materiais experimental”, Pa.,36 5 Joseph E. Shigley, Chares R. Mischke, Richard G. Budynas, Projeto de Engenharia Mecânica, 7ª ed., The McGraw- Hill Companies, Pa.,88 31 Gmáxmáx ⋅= γτ [MPa] (10) ld U esc ⋅⋅ ⋅⋅ = 2 2 π γτ [ 3mm MPa ] (11) r J T RupRuptura ⋅ = . τ [ mmN ⋅ ] (12) Onde 2 4r J ⋅= π é o momento polar de inércia da seção transversal do corpo de prova ( 4mm ), r é o raio da seção (mm), G é o módulo de elasticidade transversal do material (MPa), d é diâmetro (mm) da seção, l o comprimento do corpo de prova (mm) e escτ a tensão de escoamento (MPa). As propriedades mecânicas no ensaio de torção são determinadas de maneira análoga às do ensaio de tração, e têm a mesma importância, apesar de serem relativas a esforços de torção. Isso significa que, na seleção dos materiais que serão submetidos a esforços de torção, é necessário levar em conta que o máximo torque que deve ser aplicado a um eixo tem de ser inferior ao momento torsor no limite de escoamento. Nos materiais frágeis sob torção, a ruptura ocorre por separação de partículas, devido, principalmente, a uma tensão normal de tração que ocorre à 45º. Figura 27 - Ruptura de material frágil submetido a esforços de torção (Telecurso 2000, Cap.10, pág.4) 32 O ensaio de torção é realizado em equipamento específico: a máquina de torção. Figura 28 - Exemplo de uma máquina de ensaio de torção (Telecurso 2000, Cap.10, pág.6) Esta máquina possui duas cabeças às quais o corpo de prova é fixado. Uma das cabeças é giratória e aplica ao corpo de prova o momento de torção. A outra está ligada a um pêndulo que indica, numa escala, o valor do momento aplicado ao corpo de prova 2.4. Ensaios de Dureza Dureza pode ser definida como a resistência que um material oferece à penetração de outro em sua superfície. O ensaio de dureza pode ser feito em peças acabadas, deixando apenas uma pequena marca, às vezes quase imperceptível. Por isso os ensaios de dureza são considerados um importante meio de controle da qualidade do produto. Os ensaios de durezas mais comuns e mais usados são Brinell, Vickers e Rockwell. A seguir serão mostrados os objetivos, modo de execução, principais informações e propriedades fornecidas por cada um desses ensaios. 2.4.1. Dureza Brinell O texto abaixo foi confeccionado baseado em informações contidas nos portais eletrônicos www.mspc.eng.br e www.cimm.com.br O ensaio de dureza Brinell foi proposto em 1900, por um engenheiro sueco chamado Johan August Brinell. Este ensaio é utilizado principalmente nos materiais metálicos e por isso é amplamente utilizado na engenharia e metalurgia. Além disso, foi o primeiro ensaio normatizado. 35 heterogeneidades do material. Este método é o melhor para a medição da dureza macro- dureza de um material, especialmente para materiais com estruturas heterogêneas. A dimensão da dureza Brinell é MPa e a uma das normas que a rege é ASTM E10 (Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials).A ABNT define a norma NBRNM187 (05/1999) para o ensaio de dureza Brinell de materiais metálicos, e divide-se em: Parte 1: Medição da dureza Brinell Parte 2: Calibração de máquinas de medir dureza Brinell Parte 3: Calibração de blocos padrão a serem usados na calibração de máquinas de medir dureza Brinell Figura 32 – Endentação provocada na peça pelo penetrador do ensaio Brinell (http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6558) 2.4.2. Dureza Rockwell É sem dúvida o método mais utilizado no mundo inteiro, devido à facilidade e rapidez de execução do ensaio. É um método que foi proposto em 1922 por Rockwell o qual utiliza um sistema de pré-carga. Para se realizar o ensaio, primeiramente se aplica uma pré-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o material ensaiado, então somente depois da pré-carga que se aplica a carga real do ensaio. A leitura do grau de dureza é feita diretamente em um mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material. 36 Figura 33 – Medidor de dureza do material do ensaio Rockwell (http://www.scribd.com/doc/3969877/Aula-12-Dureza-Rockwell) Para realizar o ensaio podem-se usar dois tipos de penetradores os do tipo esférico compostos por uma esfera de aço temperado, ou o penetrador cônico que é composto por um cone de diamante com 120 ° de conicidade. No mostrador existem duas escalas diferentes, uma escala preta e outra vermelha, elas existem pois quando se utiliza o penetrador cônico de diamante,a leitura do resultado é feita na escala externa do mostrador, de cor preta. Ao se usar o penetrador esférico, a leitura do resultado é feita na escala vermelha. Depois de feita a leitura, já esta determinada o valor da dureza Rockwell, a qual corresponde à profundidade alcançada pelo penetrador, subtraída da recuperação elástica do material a pós a retirada da carga maior. O ensaio de dureza Rockwell pode ser realizado em dois tipos de máquinas, que apenas são diferentes pela precisão de seus componentes. Para medir a dureza Rockwell normal utiliza-se a máquina padrão, a qual é indicada para determinar a dureza em geral. Para medir a dureza Rockwell superficial utiliza-se a máquina mais precisa, a qual é indicada para determinar a dureza de folhas finas ou lâminas. Para os ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma pré-carga de 10 kgf. e a carga maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf. Para ensaios de dureza Rockwell superficial a pré-carga é de 3 kgf. e a carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf. Não se pode comparar a dureza de materiais submetidos a ensaio de dureza Rockwell utilizando escalas diferentes. No quadro abaixo podem-se observar as escalas mais utilizadas nos processos industriais. 37 Figura 34 – Relação das escalas mais usadas para o ensaio Rockwell na indústria (http://www.scribd.com/doc/3969877/Aula-12-Dureza-Rockwell) A dureza Rockwell é representada pelas letras HR, com um sufixo que indique a escala utilizada. Como, por exemplo, o resultado 50HR15N. Este resultado implica que 50 é o valor de dureza Rockwell superficial na escala 15N. Um fator importante antes da realização do ensaio é determinar a profundidade que o penetrador vai atingir durante o ensaio, pois o corpo de prova deve possuir a espessura mínima de 17 vezes a profundidade atingida pelo penetrador. No entanto não há meios de determinar a profundidade exata atingida pelo penetrador no ensaio de dureza Rockwell. 40 A dureza Vickers é representada pelo valor encontrado da dureza, seguido do símbolo HV, e depois do símbolo o valor da carga aplicada. Por exemplo, o valor 108 HV 5 , quer dizer que a dureza Vickers possui o valor de 108 e que foi encontrada após aplicada uma força de 5 kgf. por 10 segundos. Por uma questão de padronização, as cargas recomendadas são: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf. No ensaio Vickers pode ser encontrado várias vantagens e várias desvantagens. Uma das vantagens é que no ensaio Vickers é fornecido uma escala contínua de dureza, medindo todas as gamas de valores de dureza numa única escala. Outra vantagem é que as impressões são extremamente pequenas e, na maioria dos casos, não inutilizam as peças. Também se pode dizer que pelo falto do penetrador ser de diamante, é praticamente indeformável e este ensaio pode ser usado para medir durezas superficiais. No entanto, podem ocorrer erros de medidas ou de aplicação de carga que podem de alguma forma alterar os valores reais de dureza, outro problema no ensaio Vickers é que a máquina utilizada requer aferição constante, pois qualquer erro na velocidade da aplicação da carga pode trazer grandes erros. A Norma Brasileira mais usada para dureza Vickers é a NBR- 6672. 2.5. Ensaios de Impacto Os textos abaixo foram baseados nos endereços eletrônicos informados abaixo das figuras, e manuscritos das aulas de laboratório da disciplina de Princípio de Ciência dos Materiais, do quarto período do curso de graduação em engenharia mecânica da UFU. Os ensaios de impacto são realizados da seguinte forma: Corpos de prova entalhados são submetidos ao impacto de um dado peso sob temperaturas conhecidas em uma máquina pendular. Os resultados apresentados são obtidos na forma de energia absorvida pelo corpo de prova durante o impacto em função da temperatura. São utilizados dois métodos de ensaio de impacto o ensaio Charpy e o Izod. 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. 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. 41 Figura 36 – Ilustração do equipamento utilizado para a realização do ensaio (www.exatec.unisinos.br/.../Aula_15) 2.5.1. Ensaio Charpy Este tipo de ensaio tem sido usado por mais de um século como um teste no qual avalia a tenacidade ao impacto de um material. Figura 37 - Ilustração do corpo de prova utilizado no ensaio Charpy (www.exatec.unisinos.br/.../Aula_15) 42 Os corpos de prova Charpy compreendem três subtipos (A, B e C), de acordo com a forma do entalhe. Os três tipos de corpos de prova e dos respectivos entalhes podem ser observados abaixo: Figura 38 – Representação dos corpos de prova utilizados no ensaio Charpy (http://www.scribd.com/Aula-16-Ensaio-de-impacto/d/3969907) Estes diferentes tipos de forma de entalhe existem para garantir que ocorra a ruptura dos corpos de provas mesmo nos materiais mais dúcteis. E quando a queda do martelo não provoca a ruptura do corpo de prova , o ensaio deve ser repetido com outro tipo de corpo de prova , só que com um entalhe mais severo , fazendo com que a ruptura ocorra. As normas utilizadas para o ensaio Charpy são: • NBRNM 281-1 (11/2003) Materiais metálicos - Parte 1: Ensaio de impacto por pêndulo Charpy • NBR NM281-2 (11/2003) Materiais metálicos - Parte 2: Calibração de máquinas de ensaios de impacto por pêndulo Charpy. • NBR6157 (12/1988) Materiais metálicos - Determinação da resistência ao impacto em corpos-de-prova entalhados simplesmente apoiados 45 (20) Onde, B é a espessura do material, em mm, a é o comprimento da trinca, em mm, Kic é a tenacidade à fratura em deformação plana (Mpa.m^(1/2)) e σe é o limite de escoamento do material, em MPa. O ensaio de tenacidade à fratura consiste na solicitação de um corpo-de- prova específico e de dimensões padronizadas, com um entalhe usinado. Uma pré-trinca de fadiga deve ser introduzida na ponta do entalhe usinado para induzir ao estado de triaxialidade de tensões. Três medidas fundamentais são necessárias para calcular o valor de Kic, que são a espessura do material, B, o comprimento da trinca, a, e altura da peça, W. A figura a seguir mostra os dois tipos de corpos de prova mais utilizados nos ensaios de tenacidade à fratura: Figura 41 – Corpos de prova mais utilizados nos ensaios de tenacidade à fratura. a)Corpo de prova de flexão em três pontos. b)Corpo de prova de tração compacto (http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000391788) Os resultados obtidos no ensaio são representados por uma curva com as variáveis cargas deslocamento. A carga é medida pela célula de carga da própria máquina de ensaio e o deslocamento é medido com auxílio de um “clip-on-gage”, adaptado na boca do entalhe. Para assegurar que o valor de Kic determinado em um ensaio seja válido, é preciso, primeiramente, calcular um resultado condicional Kq, e, em seguida, verificar se esse resultado tem relação com a espessura da peça e o comprimento da trinca, que para o ensaio de flexão em três pontos é dada pela equação (20). Se esta relação for válida, traça-se uma reta secante na origem da curva obtida pelo ensaio, defasada de 5% de inclinação da parte linear elástica da curva obtida pelo ensaio, conforme esquematizado na figura abaixo. A carga Pq, é valida se a carga presente em todos os pontos da curva que precede P5 for menor que P5. Nesta ocasião, Pq é igual a P5 (tipo 1). Porém, se houver uma carga maior que preceda P5, então a carga máxima é Pq (Tipos 2 e 3). 46 Figura 42 – Tipos principais de curvas carga-deslocamento para o ensaio de tenacidade à fratura (ASTM E399-97) (http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000391788) A carga definida será usada para Kic, em peças de flexão em três pontos, por meio da equação a seguir: (21) Onde: Kq é a tenacidade à fratura em deformação-plana Kic, Pq é a carga determinada, B é a espessura da peça, S é a distância entre os dispositivos, W é a altura da peça e “a” é o comprimento da trinca. A equação a seguir mostra a relação matemática de f(a/w) para corpos de prova de flexão em três pontos: (22) 47 Para viabilizar os cálculos de Kq, os valores de f(a/w) são determinados pela norma E399-97, para valores específicos de a/w em espécimes de flexão em três pontos, mostrados no quadro a seguir: Figura 43 – Valores de f(a/w) para corpos de prova de flexão em três pontos (http://libdigi.unicamp.br/document/?code=vtls000391788) Como já foi dito anteriormente, A tenacidade é avaliada comparando-se as curvas para diferentes materiais com diferentes comprimentos de trincas. A figura a seguir mostra as trincas provocadas pelo ensaio: Figura 44 – Peça solicitada e depois fraturada no ensaio de tenacidade á fratura(www.em.pucrs.br/~eleani/.../5-%20fratura_fadiga-fluencia.ppt) 50 Figura 47 – Gráfico tensão x tempo (tração/compressão). (Figura retirada do livro “Projeto de máquinas – uma abordagem integrada”.) O ensaio de fadiga visa a determinação de números de ciclos suportados pelo corpo de prova para um respectivo carregamento. Conhecendo estes dois parâmetros torna-se possível a confecção de um gráfico tensão x ciclos (S x N). São realizados diversos testes até o rompimento do corpo de prova, por isso a importância da padronização do corpo de prova, uma vez que estes resultados serão utilizados em projeto de engenharia. Figura 48 – Corpo de prova para ensaio de flexão rotativa. (Figura retirada da apostila Telecurso 2000, ensaios mecânicos.) As características dos corpos de provas são impossíveis de se conseguir em todos componentes mecânicos, este possui ótimo acabamento superficial, não possui tensões residuais ou concentração de tensões, dentre outros fatores. Para transportar os dados obtidos em laboratório para a vida prática, pesquisadores identificaram estes fatores (modificação de condição de superfície, modificação de tamanho, modificação de carga, modificação de temperatura, confiabilidade e modificação por efeitos variados) que foram inseridos nos cálculos para determinação do limite de fadiga. Por fim o ensaio em construir o gráfico S x N para os diversos tipos de materiais, através dele é possível determinar se determinado componente está projetado para trabalhar com baixas, médias ou altas ciclagens. Analisando o gráfico, nota-se que para a quantidade de ciclos unitária (N=1) o valor do limite de resistência a fadiga equivale ao limite de resistência do material para dimensionamento estático. 51 Alguns metais, como aços e algumas ligas de titânio, podem ser projetados para uma vida infinita, ou seja, quando o componente mecânico estiver sendo solicitado com uma determinada tensão, sendo esta inferior a resistência ultima da peça, ela poderá ser submetida a infinitas rotações que não se romperá por fadiga. Já para outros materiais, a curva continua descendente. Figura 49 – Diagrama S x N, resistência a fadiga versus numero de ciclos. (Figura retirada do livro “Projeto de maquinas – uma abordagem integrada”.) 2.8. Ensaio de Fluência Ao estudar a teoria da resistência dos materiais aprende-se que materiais dúcteis atravessam dois regimes antes da ruptura, elástico e plástico, sendo que os dois regimes são separados pelo ponto de escoamento do material. No primeiro regime as deformações não são permanentes, permitindo que os mesmos voltem ao seu tamanho inicial sem nenhuma deformação permanente. Quando se ultrapassa o ponto de escoamento, atinge-se o regime plástico, onde as deformações não podem ser revertidas como no primeiro caso. Em estudos sobre fluência percebe-se que materiais submetidos a esforços inferiores a tensão de escoamento podem adquirir deformações de natureza plástica. De acordo com o livro “Projeto de maquinas – uma abordagem integrada” tem-se que para materiais ferrosos a taxa de fluência aumenta à medida que se atinja uma faixa entre 30 a 60% da temperatura de fusão do material. Portanto materiais com baixas temperaturas de fusão podem exibir fluências significativas na temperatura ambiente. A fluência somente ocorre devido às falhas existente nas estruturas cristalinas dos materiais, e são intensificadas com o aumento da temperatura. A temperatura também afeta a velocidade com que a fluência ocorrerá. 52 Um exemplo disso é notado em um ensaio retirado da apostila do Telecurso 2000 em que se utiliza o aço carbono e o submete a um ensaio de fluência a uma tensão de 3,5 kgf./mm² durante 1000 horas á temperatura de 500°C, resultando numa deformação de 0,04%, enquanto ao manter o mesmo ensaio, porém a temperatura de 540°C obteve-se uma deformação de cem vezes superior. Os dados de fluência para materiais de engenharia são bastante escassos, devido ao custo e tempo necessários na execução destes ensaios. Por isso seu uso se restringe a atividades de pesquisa e desenvolvimento de novos materiais ou ligas metálicas. Para avaliação da fluência de um material, submete-o a um esforço de tração através da utilização de uma maquina que aplica uma carga de tração constante no corpo de prova, estando este alojado no interior de um forno elétrico, de temperatura constante e controlável. Junto ao equipamento utiliza-se uma célula de carga que permita medir a deformação do corpo de prova. Para a realização do ensaio o corpo de prova deve ser pré-aquecido, sendo as mais variadas as fontes de calor, resistência elétrica, radiação ou indução. Além do ensaio usual de fluência, existem outros dois tipos; ensaio de ruptura por fluência e ensaio de relaxação. Figura 50 – Equipamento utilizado na execução dos ensaios de fluência. (Figura retirada da apostila de ensaios mecânicos do Telecurso 2000.)