ENSAIOS MECÂNICOS Ensaio de tração Ricson Rocha de Souza Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio Grande do Sul 2010
Ensaio de tração Introdução 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.
Introdução Tensão e deformação na tração Ensaio de tração Introdução 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, So, onde é marcada uma distância, Lo, 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, s, produzida na barra é dada por : 3
Ensaio de tração Introdução O termo tensão média provém do fato de a tensão não ser completamente uniforme sobre a área, So, 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, s, a barra sofre uma deformação e . A carga, Q, produz um aumento da distância , Lo, de um valor, L-L0. A deformação linear média é dada então por e=L-L0/L0 adimensional 4
Ensaio de tração Introdução 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. 5
Ensaio de tração Introdução 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. 6
Introdução Procedimento: Fatores de influência na resposta: Ensaio de tração Introdução Procedimento: Um CP previamente preparado de acordo com o material a ser estudado é fixado à máquina de ensaio pelas suas extremidades; Um extensômetro é instalado no CP para medir a variação de comprimento; O CP é submetido a um esforço de tração uniaxial crescente até a sua ruptura (1 kgf/mm2 s ou 9,81MPa/s – pode variar para P&D); No decorrer do ensaio são medidos a força e o comprimento do CP para traçar uma curva tensão-deformação. Fatores de influência na resposta: Velocidade de aplicação da carga (ou interrupções prolongadas do ensaio); Temperatura; Falhas ou alterações no CP; problemas de fixação do CP na máquina de ensaio; rigidez da máquina;
Introdução Corpo de prova: Ensaio de tração Introdução Corpo de prova: Seção Cilíndrica: para produtos acabados de seção circular, forma irregular ou espessura excessivamente grande; Seção retangular: para chapas Atendendo a relação L0 = 5 D0, de preferência com D0 = 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.
Introdução Equipamento de ensaio: Máquina de tração: Ensaio de tração Introdução 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) Câmara ambiental cunha
Ensaio de tração Introdução Equipamento de ensaio: 600kN 2000kN
Introdução Equipamento de ensaio: Máquina de tração: Ensaio de tração Introdução Equipamento de ensaio: Máquina de tração: Teste de cabos (grandes cargas)
Introdução Equipamento de ensaio: Extensômetro: Ensaio de tração Introdução Equipamento de ensaio: Extensômetro: Determina a variação de comprimento entre dois pontos do CP Mecânico, ótico, elétrico ou eletrônico Precisão ex. 0,001mm
Ensaio de tração convencional 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.
Ensaio de tração convencional Curva tensão-deformação característica :
Ensaio de tração convencional Definições: Configuração inicial do CP Medido durante o ensaio Válido para ensaio de tração convencional
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de elasticidade (E) 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. 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:
Ensaio de tração convencional 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).
Ensaio de tração convencional 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
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: Limite de escoamento (σe) 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). Na segunda figura: o módulo E muda pouco com o aumento da % de carbono.
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: Limite de escoamento (σe) 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. Na segunda figura: o módulo E muda pouco com o aumento da % de carbono.
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: Limite de escoamento (σe) Fatores de influência: Velocidade de aplicação da carga. (quanto maior a velocidade de aplicação maior tende a ser o σes) Geometria, acabamento e fixação do CP. (irregularidades geométricas,acabamento superficial ruim diminuem o σes. A falta de axialidade pode alterar ou dificultar a verificação de σe) 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 a “constante 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.
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: Limite convencional n de escoamento (σen) Valor convencionado internacionalmente para substituir o limite de escoamento quando esse é de difícil determinação. 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. 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%).
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: encruamento Encruamento é o processo de endurecimento do material por meio de deformação a frio 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.
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: limite de resistência (σr) Limite de resistência (σr) é dado pela carga máxima atingida durante o ensaio. 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.
Ensaio de tração convencional 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 L0, que deve ser informada junto com o alongamento.
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: alongamento Determinação do alongamento: L0 do CP é previamente dividido em n partes iguais. Fratura no centro do CP; Lf é medido somando os comprimentos das n divisões iniciais. Fratura próxima a uma extremidade do CP;
Ensaio de tração convencional 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
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: limite de ruptura (σf) Tensão produzida pela carga Qf no momento da ruptura do CP. Em materiais dúcteis Qf é menor do que Qr . Em materiais frágeis Qf tende a ser próximo ou igual a Qr .
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de Resiliência (UR) 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.
Ensaio de tração convencional 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 UR devido ao encruamento do material.
Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: Módulo de Tenacidade (UT) 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.
Fratura no ensaio de tração Estudo da fratura à tração Dependendo da quantidade de deformação plástica que a acompanha, uma fratura pode ser macroscopicamente classificada em: Fratura dúctil ou fibrosa: quando existe grande deformação plástica acompanhando a fratura 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).
Fratura no 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).
Fratura no ensaio de tração Estudo da fratura à tração Fratura frágil; caracterizada pela separação do material normal à tensão de tração (ocorre em metais c.c.c. e h.c.). Fratura cisalhante; deslizamento de planos sucessivos em materiais monocristais h.c. até a ruptura por cisalhamento. Fratura completamente dúctil; em materiais muito dúcteis (ouro, chumbo, etc...). Fratura dúctil; fratura taça-cone com inicio no centro do CP e propagação cisalhante, com triaxialidade de tensões.
Fratura no ensaio de tração Estudo da fratura
Fratura no 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: Empilhamento de discordâncias por deformação plástica; Nucleação de microtrincas pela concentração de tensões no empilhamento de discordâncias; Propagação e união das microtrincas de forma instável (imediata) ou através de evolução com tensão constante ou leve aumento.
Fratura no ensaio de tração Estudo da fratura dúctil Processo de fratura frágil: Início da estricção; Triaxialidade de tensões e componentes hidrostáticas. Formação de microcavidades na região central do CP; Crescimento das microcavidades e formação de trincas. Propagação perpendicular da trinca central até as extremidades com posterior formação de planos de cisalhamento a 45º . Formação do cone da fratura.
Ensaio de tração Referências 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..