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Grupo de Mecânica Aplicada ENSAIOS MECÂNICOS Ricson Rocha de Souza Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio Grande do Sul 2010 Ensaio.

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1 Grupo de Mecânica Aplicada ENSAIOS MECÂNICOS Ricson Rocha de Souza Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio Grande do Sul 2010 Ensaio de tração

2 Introdução Ensaio de tração É um dos ensaios mais utilizados para materiais metálicos devido à facilidade de execução e reprodução. Pode ser realizado de duas formas: Ensaio de tração convencional; Ensaio de tração real. A uniformidade das tensões e o incremento lento de carga possibilitam uma boa caracterização do comportamento elástico e plástico do material, fornecendo dados quantitativos. Dentre os dados obtidos através da curva tensão-deformação traçada a partir do ensaio de tração estão: Modulo Young (elasticidade) e Coef. Poisson; Limites de proporcionalidade, de escoamento, de resistência; Módulo de resiliência, módulo de tenacidade e alongamento.

3 Introdução Ensaio de tração Tensão e deformação na tração Tensão é definida genericamente como a resistência interna de um corpo a uma força externa aplicada sobre ele, por unidade de área. A deformação é definida como a variação de uma dimensão qualquer desse corpo, por unidade da mesma dimensão, quando esse corpo é submetido a um esforço qualquer. Considere-se uma barra metálica cilíndrica de secção transversal uniforme, S o, onde é marcada uma distância, L o, ao longo de seu comprimento. Se essa barra é submetida a uma única força de tração Q, isto é, a uma força normal à secção transversal da barra e coincidente com o seu eixo longitudinal, a tensão média de tração,, produzida na barra é dada por :

4 Introdução Ensaio de tração O termo tensão média provém do fato de a tensão não ser completamente uniforme sobre a área, S o, do espécime, ou seja, cada elemento longitudinal na barra não sofre a mesma deformação. Entretanto, como a variação é muito pequena, pode-se excluir, daqui pra frente, o termo tensão média, chamando-o de apenas tensão. Com a aplicação da tensão,, a barra sofre uma deformação. A carga, Q, produz um aumento da distância, L o, de um valor, L-L 0. A deformação linear média é dada então por L-L 0 /L 0 adimensional

5 Introdução Ensaio de tração Propriedades mecânicas obtidas pelo ensaio de tração convencional Quando um corpo de prova metálico é submetido a um ensaio de tração, pode-se construir um gráfico tensão-deformação, pelas medidas diretas de carga (ou tensão) e da deformação que crescem continuamente até quase o fim do ensaio.

6 Introdução Ensaio de tração Propriedades mecânicas obtidas pelo ensaio de tração convencional ou Lei de Hooke (1678 por Sir Robert Hooke) A constante de proporcionalidade, E, é conhecida por módulo de elasticidade ou módulo de Young. A linearidade do diagrama termina num ponto A, denominado limite elástico. Ao ser atingida uma tensão em que o material já não mais obedece à lei de Hooke, ou seja, a deformação não é proporcional à tensão, chega-se ao ponto A´ denominado limite de proporcionalidade. Admite-se que uma deformação residual de 0,001%, seja o limite da zona elástica.

7 Introdução Ensaio de tração Procedimento: 1)Um CP previamente preparado de acordo com o material a ser estudado é fixado à máquina de ensaio pelas suas extremidades; 2)Um extensômetro é instalado no CP para medir a variação de comprimento; 3)O CP é submetido a um esforço de tração uniaxial crescente até a sua ruptura (1 kgf/mm 2 s ou 9,81MPa/s – pode variar para P&D); 4)No decorrer do ensaio são medidos a força e o comprimento do CP para traçar uma curva tensão-deformação. Fatores de influência na resposta: 1)Velocidade de aplicação da carga (ou interrupções prolongadas do ensaio); 2)Temperatura; 3)Falhas ou alterações no CP; problemas de fixação do CP na máquina de ensaio; rigidez da máquina;

8 Introdução Ensaio de tração Corpo de prova: Seção Cilíndrica: para produtos acabados de seção circular, forma irregular ou espessura excessivamente grande; Seção retangular: para chapas Atendendo a relação L 0 = 5 D 0, de preferência com D 0 = 10mm. (limitado pelo tamanho do produto acabado ou pela capacidade da máquina de ensaio) Extração segundo direção especificada, para materiais trabalhados mecanicamente. Cabeça adaptada à máquina de ensaio (podendo ser rosqueada) Próprio produto acabado: barras, fios e arames; além de produtos compostos como cabos, cordoalhas e correntes.

9 Introdução Ensaio de tração Equipamento de ensaio: Máquina de tração: Hidráulicas ou parafuso contínuo Dispositivo de medição de força: hidráulica, mecânica ou elétrica Baixa rigidez (máquina mole – aumento de carga constante) ou de Alta rigidez (máquina dura – aumento de deformação constante) cunhaCâmara ambiental

10 Introdução Ensaio de tração Equipamento de ensaio: 600kN 2000kN

11 Introdução Ensaio de tração Equipamento de ensaio: Máquina de tração: Teste de cabos (grandes cargas)

12 Introdução Ensaio de tração Equipamento de ensaio: Extensômetro: Determina a variação de comprimento entre dois pontos do CP Mecânico, ótico, elétrico ou eletrônico Precisão ex. 0,001mm

13 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Curva tensão-deformação característica : São observados os processos de deformação elástica, escoamento, deformação plástica com encruamento e deformação plástica com encruamento não uniforme e estricção da seção do CP com progressão da ruptura.

14 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Curva tensão-deformação característica :

15 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Definições: Válido para ensaio de tração convencional Medido durante o ensaio Configuração inicial do CP

16 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de elasticidade (E) E é a constante de proporcionalidade entre tensão e deformação normal no regime elástico. Graficamente é a inclinação da curva tensão-deformação no regime elástico. Determinado pela força de ligação ente átomos. É inversamente proporcional à temperatura, sendo esse efeito mais forte em alguns materiais que em outros: É a medida de rigidez do material: define a quantidade de deformação normal elástica apresentada por um material quando submetido a um nível de tensão normal.

17 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de elasticidade (E) Em ensaios onde a parte elástica linear não é bem definida pode-se medir E pela inclinação da reta tangente da curva na origem (O) ou em um ponto especificado (B). Também é possível determinar E pela inclinação da reta secante à curva indo da origem (O) a um ponto especificado (A).

18 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Limite elástico e de proporcionalidade Limite elástico aparente ou limite Johnson: substitui o limite elástico e o limite de proporcionalidade por ser mais facilmente obtido. Corresponde ao ponto onde a velocidade de deformação é 50% maior que na origem. Esse valor é determinado graficamente conforme um dos dois procedimentos: DE=0,5CD e FG//OE ED=0,5FE e MN//OD

19 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Limite de escoamento ( σ e ) Substitui o limite de proporcionalidade nos ensaios de rotina. Não é bem definido para todos materiais. (Ex. de ocorrência: aço de baixo carbono, alumínio e latão) Costuma dar base a tensão de trabalho em projeto de estruturas (cargas estáticas).

20 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Limite de escoamento ( σ e ) Escoamento é um processo heterogêneo de deformação que ocorre entre a zona elástica e a zona plástica. Pode se dar pela formação e propagação de faixas de deformação plástica (bandas de Lüders), quando ocorre a oscilação da tensão durante o escoamento. Pode se dar uniformemente no CP, sem a variação da tensão no início e decorrer do escoamento. Metais mais dúcteis e de granulação mais fina apresentam maior alongamento no escoamento. É associado a interação entre impurezas e as discordâncias existentes no material. Materiais 100% puros não apresentam escoamento.

21 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Limite de escoamento ( σ e ) Fatores de influência: Velocidade de aplicação da carga. (quanto maior a velocidade de aplicação maior tende a ser o σ e s ) Geometria, acabamento e fixação do CP. (irregularidades geométricas,acabamento superficial ruim diminuem o σ e s. A falta de axialidade pode alterar ou dificultar a verificação de σ e ) Rigidez da máquina de ensaio (K) Na queda do limite superior para o limite inferior de escoamento, a inclinação da curva é determinada pela característica da máquina,constante de mola. O quociente entre a diminuição da carga e a movimentação dos êmbolos para produzir essa diminuição é aconstante de mola. Máquina mole tem um valor baixo da constante da mola e uma máquina dura um valor alto. Máquina dura é sensível à velocidade de deformação e a mole é sensível a variação de carga. O limite superior é relativamente menos afetado pelos fatores apontados do que o superior.

22 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Limite convencional n de escoamento ( σ en ) Método do desvio: Interseção entre curva tensão-deformação e um reta de inclinação E, com origem na deformação n. Método da deformação total: Valor de tensão na curva tensão- deformação para uma deformação total n. Valor convencionado internacionalmente para substituir o limite de escoamento quando esse é de difícil determinação. Valores típicos de n: Ligas metálicas em geral (0,2%); Metais muito duros (0,01% – 0,1%); metais ou ligas com grande plasticidade (0,5%).

23 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: encruamento A medida que o material sofre deformação plástica sua resistência é aumentada. No caso de um descarregamento o material voltará a se deformar plasticamente somente após atingida a tensão máxima já suportada. (O limite de escoamento é aumentado após o encruamento) O processo de carregamento e descarregamento ocorre de forma elástica. Encruamento por envelhecimento: quando o material é recarregado após um tempo considerável a tensão de retomada da plastificação pode se elevar, com eventual aparecimento do processo de escoamento. Encruamento é o processo de endurecimento do material por meio de deformação a frio

24 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: limite de resistência ( σ r ) Pouco significativa para materiais dúcteis. Importante para materiais frágeis. Importante para identificação do material. Dado determinante de fácil obtenção. Normalmente é especificado para ligas metálicas. Sofre menos influência da anisotropia do que o limite de escoamento. Limite de resistência ( σ r ) é dado pela carga máxima atingida durante o ensaio.

25 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: alongamento Alongamento total: medido após a ruptura do CP, formado por (alongamento uniforme + alongamento até a ruptura). Leva em conta o processo de deformação não uniforme que ocorre com a estricção do CP. Alongamento uniforme: alongamento do escoamento + alongamento da zona plástica. Leva em conta o alongamento até o limite de resistência, quando toda a deformação é uniforme. Se medido durante o ensaio ou pelo gráfico tensão-deformação, deve-se retirar a deformação elástica. É uma medida comparativa de ductilidade dos materiais. Quanto maior o alongamento, mais dúctil é o material. O alongamento uniforme é o mais útil, sendo muito importante na análise de processos de estampagem. É influenciado pelo valor da medida inicial L 0, que deve ser informada junto com o alongamento.

26 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: alongamento Determinação do alongamento: L 0 do CP é previamente dividido em n partes iguais. Fratura no centro do CP; L f é medido somando os comprimentos das n divisões iniciais. Fratura próxima a uma extremidade do CP;

27 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: estricção Variação da área da seção transversal do CP no local da fratura. Medida indicativa de ductilidade; Quanto maior a estricção, maior a ductilidade do material. Não é uma propriedade específica do material, mas uma caracterização do seu comportamento no ensaio de tração. Normalmente não é medida em CP de seção retangular. Para CP de seção retangular

28 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: limite de ruptura ( σ f ) Tensão produzida pela carga Q f no momento da ruptura do CP. Em materiais dúcteis Q f é menor do que Q r. Em materiais frágeis Q f tende a ser próximo ou igual a Q r.

29 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de Resiliência ( U R ) Resiliência é a capacidade do material em absorver energia quando deformado elasticamente. Módulo de Resiliência: é a medida da quantidade de energia de deformação por unidade de volume necessária para tensionar um material do estado inicial até atingir a tensão limite de proporcionalidade. Graficamente é a área abaixo do gráfico tensão-deformação na zona elástica.

30 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Resiliência hiperelástica Resiliência hiperelástica se refere à energia de deformação elástica liberada por unidade de volume no descarregamento de um material a partir de um ponto de tensão-deformação dentro do regime plástico. Esse valor é maior que U R devido ao encruamento do material.

31 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de Tenacidade ( U T ) Tenacidade é a capacidade do material em absorver energia na zona plástica. Módulo de Tenacidade: é a medida da quantidade de energia de deformação por unidade de volume que o material pode absorver até o início de sua ruptura (limite de resistência) ou até a fratura (limite de ruptura). Graficamente é a área abaixo do gráfico tensão-deformação até o limite de resistência ou até o limite de ruptura. Compreende tanto a resistência quanto a ductilidade do material. Importante para o projeto de peças que devam sofrer tensões estáticas ou dinâmicas acima do seu limite de escoamento sem se fraturar.

32 Fratura no ensaio de tração Ensaio de tração Estudo da fratura à tração Dependendo da quantidade de deformação plástica que a acompanha, uma fratura pode ser macroscopicamente classificada em: (i) Fratura dúctil ou fibrosa: quando existe grande deformação plástica acompanhando a fratura (ii) Fratura frágil ou cristalina/granular: quando a deformação plástica junto à fratura é pequena ou imperceptível e a propagação das trincas é rápida O limite entre as duas classificações só é bem definido em escala microscópica Quanto à propagação da fratura pode-se fazer a classificação em: fratura intergranular (propagação entre os grãos) e fratura transgranular (propagação através dos grãos).

33 Fratura no ensaio de tração Ensaio de tração Estudo da fratura à tração Pode-se dizer que a fratura se dá em duas fases: início de trinca e propagação de trinca. A tendência para a fratura frágil aumenta com: diminuição da temperatura, aumento da taxa de deformação e com a triaxialidade do estado de tensões; A fratura frágil deve ser evitada devido a sua ocorrência sem advertência, o que pode levar a conseqüências desastrosas; Essa forma de fratura é a mais estudada por causar maiores problemas que a fratura dúctil. Na fratura por cisalhamento ocorre deslizamento intenso entre planos adjacentes devido a tensões cisalhantes (fratura cinza e fibrosa); A fratura por clivagem é controlada pela tração atuando normalmente ao plano de clivagem (fratura brilhante ou granular).

34 Fratura no ensaio de tração Ensaio de tração Estudo da fratura à tração (a) Fratura frágil; caracterizada pela separação do material normal à tensão de tração (ocorre em metais c.c.c. e h.c.). (b) Fratura cisalhante; deslizamento de planos sucessivos em materiais monocristais h.c. até a ruptura por cisalhamento. (c) Fratura completamente dúctil; em materiais muito dúcteis (ouro, chumbo, etc...). (d) Fratura dúctil; fratura taça-cone com inicio no centro do CP e propagação cisalhante, com triaxialidade de tensões.

35 Fratura no ensaio de tração Ensaio de tração Estudo da fratura

36 Fratura no ensaio de tração Ensaio de tração Estudo da fratura frágil Devido a presença de trincas/defeitos no material, a tensão média necessária para a separação do material é menor que a tensão de ligação dos átomos. Segundo a teoria das discordâncias o processo de fratura frágil se dá em três estágios: (a) Empilhamento de discordâncias por deformação plástica; (b) Nucleação de microtrincas pela concentração de tensões no empilhamento de discordâncias; (c) Propagação e união das microtrincas de forma instável (imediata) ou através de evolução com tensão constante ou leve aumento.

37 Fratura no ensaio de tração Ensaio de tração Estudo da fratura dúctil Processo de fratura frágil: (a) Início da estricção; Triaxialidade de tensões e componentes hidrostáticas. (b) Formação de microcavidades na região central do CP; (c) Crescimento das microcavidades e formação de trincas. (d) Propagação perpendicular da trinca central até as extremidades com posterior formação de planos de cisalhamento a 45 º. (e) Formação do cone da fratura.

38 Referências Ensaio de tração Souza, S. A. (1982) Ensaios mecânicos de materiais metálicos – Fundamentos teóricos e práticos. 5 ed. Editora Edgar Blucher LTDA. Garcia, A., Spim, J. A., Santos, C. A. (2000) Ensaios dos Materiais. LTC -- Livros técnicos e científicos editora. Dieter, G. E. (1981) Metalurgia mecânica. Segunda Edição. Editora Guanabara Koogan S.A..


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