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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 ou real Tensão e deformação na tração Tensão resistência interna de um corpo a uma força externa aplicada por unidade de área. Deformação variação de uma dimensão qualquer desse corpo, por unidade da mesma dimensão, quando esse corpo é submetido a um esforço qualquer.

3 Introdução Ensaio de tração 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 : Tensão e deformação na tração

4 Introdução Ensaio de tração 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 A constante 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. Lei de Hooke (1678 por Sir Robert Hooke) ou Propriedades mecânicas obtidas

5 Introdução Ensaio de tração Propriedades mecânicas obtidas O início da plasticidade é verificado em vários metais e ligas dúcteis, principalmente, no caso dos aços de baixo carbono, pelo fenômeno do escoamento. O escoamento é um tipo de transição heterogênea e localizada, caracterizado por um aumento relativamente grande da deformação com pequena variação da tensão. Depois do escoamento o material está encruado. Denomina-se limite de escoamento a tensão atingida durante o escoamento: Quando não for possível determinar com precisão adota-se o limite n de escoamento: onde Q n é a carga em que se observa uma deformação de n% do material

6 Introdução Ensaio de tração Propriedades mecânicas obtidas alongamento estricção alongamento estricção alongamento estricção alongamento estricção alongamento estricção

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

8 Ensaio de tração Procedimento de ensaio: 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;

9 Introdução Ensaio de tração Corpos 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. 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.

10 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) Modos de fixação na máquina

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

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. Estudo detalhado das propriedades mecânicas

14 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Curva tensão-deformação característica : Estudo detalhado das propriedades mecânicas

15 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Módulo de elasticidade (E) Graficamente é a inclinação da curva tensão-deformação no regime elástico. 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. Quanto maior o módulo, menor será a deformação elástica e mais rígido o material. Estudo detalhado das propriedades mecânicas Liga A mais rígida que a B, pois deformação em A é menor do que em B.

16 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 tangente da reta que é secante à curva indo da origem (O) a um ponto especificado (A). Estudo detalhado das propriedades mecânicas

17 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Limite elástico e de proporcionalidade Limite elástico aparente ou limite Johnson: pode substituir 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: CD=0,5CE e FG//OE FD=1,5FE e MN//OD Estudo detalhado das propriedades mecânicas 1 – traça reta CE 2 – traça reta FD

18 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). Estudo detalhado das propriedades mecânicas

19 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. As faixas de deformação são conhecidas como bandas de Lüders. Cada oscilação da carga durante o escoamento corresponde a formação de uma nova banda. Escoamento termina depois que todas as faixas cobrem o comprimento total do corpo de prova. Metais mais dúcteis e de granulação mais fina apresentam maior será o alongamento do escoamento. Pode ser associado a pequenas quantidades de impurezas intersticiais ou substitucionais existentes no material e discordâncias. Materiais 100% puros não apresentam escoamento. Estudo detalhado das propriedades mecânicas

20 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. Estudo detalhado das propriedades mecânicas

21 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Limite convencional n de escoamento ( σ en ) 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%). Estudo detalhado das propriedades mecânicas

22 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 Estudo detalhado das propriedades mecânicas

23 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. Estudo detalhado das propriedades mecânicas

24 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). Alongamento uniforme: alongamento do escoamento + alongamento da zona plástica. É uma medida comparativa de ductilidade dos materiais. Quanto maior o alongamento, mais dúctil é o material. É influenciado pelo valor da medida inicial L 0, que deve ser informada junto com o alongamento. Estudo detalhado das propriedades mecânicas

25 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; Lf é medido somando os comprimentos das n divisões iniciais + divisões do lado maior. Estudo detalhado das propriedades mecânicas

26 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. Estudo detalhado das propriedades mecânicas

27 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. Estudo detalhado das propriedades mecânicas

28 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de Resiliência e Coef. Poisson 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. O Coeficiente de Poisson mede a rigidez do material na direção perpendicular à direção da carga de tração uniaxial aplicadas. A maioria dos metais tem o valor entre 0,25 (perfeitamente isotrópicos) e 0,35, sendo 0,33 o valor adotado na maioria dos casos Compressão lateral Deformação Limite de proporcionalidade, escoamento ou n

29 Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de Resiliência e Coef. Poisson

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.

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 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 (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.

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

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

36 Fratura no ensaio de tração Ensaio de tração Estudo da fratura dúctil Processo de fratura dúctil: (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.

37 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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