Ensaios Destrutivos Bibliografia recomendada
SOUZA, SÉRGIO. A.; Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos.; Rio de Janeiro: Blücher, 5ed, 286p. Telecurso 2000 profissionalizante, mecânica, Ensaios Mecânicos.
Introdução
Em civilizações antigas, avaliava-se a qualidade de uma lâmina de aço, a dureza de um prego ou a pintura de um objeto, através do seu tempo de uso. A qualidade de um componente era baseada no seu comportamento depois de pronto. O acesso a novas matérias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricação obrigaram a criação de métodos padronizados de produção. Ao mesmo tempo, desenvolveram-se processos e métodos de controle de qualidade dos produtos. Atualmente, entende-se que o controle de qualidade precisa existir tanto para avaliar a matériaprima quanto o processo de produção. A este controle de qualidade são incluídos a inspeção e os ensaios finais nos produtos acabados. Diante da necessidade de controlar a qualidade dos produtos encontra-se a importância dos ensaios dos materiais, aos quais pode se verificar se os materiais apresentam as propriedades que os tornarão adequados ao seu uso. Definição
Quando se adquire um material existe a necessidade de saber suas propriedades, pois os mesmos devem responder com segurança a solicitação imposta. Os ensaios são fundamentais para se determinar e consequentemente avaliar as propriedades mecânicas dos materiais, seja eles metais, compósitos ou polímeros. Os ensaios mecânicos são ferramentas importantes de auxílio aos engenheiros, projetistas, indústrias e usuários de forma geral. Os ensaios mecânicos podem ser definidos como os procedimentos padronizados que compreendem testes, cálculos, gráficos e consultas a tabelas, que visam a adquirir características quanto a resistência mecânica do material. Todos estes procedimentos devem estar em conformidade com normas técnicas. Os ensaios são realizados para que se avalie a capacidade do componente ou material suportar determinada solicitação de carregamento. Todo componente dever ser projetado de forma a resistir à solicitação nele imposta. As solicitações podem ser:
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Tipos de ensaios
Os ensaios mecânicos podem ser classificados como ensaios destrutivos ou não destrutivos. Os ensaios destrutivos são aqueles ensaios que promovem a ruptura ou inutilização do material ensaiado. Em alguns casos, os ensaios destrutivos apenas deixam marcas no componente, sem a sua inutilização. Como estes ensaios tendem a inutilizar o componente testado, normalmente eles são executados em corpos-de-prova, o que não impossibilita a sua aplicação em componentes acabados. Os ensaios classificados como ensaios destrutivos são: ensaios de tração, ensaio de dobramento, ensaio de flexão, ensaio de torção, ensaio de fadiga, fadi ga, ensaio de impacto e ensaio de compressão. compress ão. Os ensaios não destrutivos são usados para determinar algumas propriedades físicas do metal, ou detectar falhas internas dos componentes acabados. Estes ensaios não deixam marcas ou sinais nos componentes, conseqüentemente, não o inutilizam. Eles podem ser aplicados a produtos acabados. Os ensaios classificados como ensaios não destrutivos são: Ensaios com raios-X, Ensaio de ultra som, Ensaios elétricos, Ensaio de líquido penetrante, Ensaio de partículas magnéticas, Ensaio visual. Elementos dos ensaios
Os ensaios podem ser realizados no componente fabricado, em protótipos ou em corpos-de-prova. Protótipos são componentes fabricados em fase preliminar de produção, destinados a ensaios mecânicos ou não. Corpos-de-prova são amostras do material em dimensões pré-estabelecidas dentro dos padrões de normas técnicas. Os ensaios em protótipos permitem avaliar se o produto é indicado párea a função desejada, mas seu resultado não pode ser generalizado. Eles servem de base para produtos semelhantes. Os ensaios em corpos-de-prova são ensaios dos materiais, que pode ser generalizados para outras aplicações.
Propriedades dos ensaios
Todos os campos da tecnologia são ligados aos materiais, bem como às suas propriedades. Os materiais possuem dois tipos de propriedades: Propriedades Físicas: o material sofre deformação sem sofrer mudança na composição química. Exemplo mudança de forma de material plástico devido a aquecimento. Propriedades Químicas: o material sofre alteração na sua composição química. Exemplo a corrosão. As propriedades mecânicas são determinadas a partir de ensaios específicos. Os ensaios mecânicos se baseiam na aplicação de um esforço em um material, a fim de determinar a resistência do material em relação a este esforço. Os esforços podem ser de tração, compressão, flexão, torção, cisalhamento, pressão interna, fluência... Resistência mecânica é a capacidade que um material possui em suportar esforços externos sem se romper. Podem ser considerados esforços externos todos aqueles que agem sobre o componente. A escolha do ensaio mecânico adequado é realizada de acordo com o tipo de solicitação ao qual o componente será submetido. A fabricação dos corpos-de-prova para os ensaios e a execução dos ensaios deve seguir determinadas normas pré-estabelecidas de forma a tornar seus resultados representativos. As normas técnicas descrevem o procedimento para se efetuar um determinado ensaio mecânico, além de determinar a geometria e dimensões dos corpos-de-prova. As normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios pertencem às seguintes associações: ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
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ASTM - American Society for Testing and Materials ASME - American Society of Mechanical Engineers DIN - Deutsches Institut für Normung JIS - Japanese Industrial Standards AFNOR - Association Française de Normalisation BSI - British Standards Institution ISO - International Organization for Standardization SAE - Society of Automotive Engineers COPANT - Comissão Panamericana de Normas Técnicas Normas particulares de indústrias ou companhias governamentais. Exercícios 1 – Porque realizar ensaios mecânicos? 2 – Posso realizar ensaios destrutivos em peça acabada? Justifique 3 – Para que serve as normas técnicas? 4 – Defina Resistência Mecânica. 5 – Cite 3 ensaios destrutivos e 3 não destrutivos. Ensaios de Tração
O ensaio de tração tornou-se importante devido a sua facilidade de execução e reprodutividade. Os ensaios de tração relacionam tensão com taxa de deformação. Estes ensaios consistem na aplicação de uma carga uniaxial de tração em corpos-de-prova (CP), aos quais sofrerão alongamento até a ruptura. Os corpos-de-prova possuem formas e dimensões padronizadas, o que permite a comparação e se necessário a reprodução dos resultados. O ensaio consiste no seguinte procedimento: O corpo-de-prova é fixado na máquina de tração e sobre ele são aplicadas cargas axiais crescentes e simultaneamente são medidas as deformações decorrentes a estas cargas aplicadas. O ensaio mantém a uniformidade na variação da deformação até a estricção (para materiais dúcteis), o que permite sua medição com menos erros. A ruptura sempre acontece na região central do CP, a menos que exista alguma anormalidade no CP a fim de se fragilizar outras regiões. No ensaio de tração é possível se determinar os limites de tração e ruptura do material. A carga aplicada no ensaio de tração deve estar alinhada com o eixo longitudinal do CP. Um desalinhamento da carga irá gerar gerar esforços assimétricos que conduzirá conduzirá a erros nos resultados. A velocidade do ensaio é determinada por normas técnicas e deve ser constante. Normalmente esta velocidade é de 1 kgf/mm². Se um corpo está sob a ação de uma força aplicada na direção do eixo longitudinal, dizemos que esta é uma força axial. A força axial é perpendicular a seção transversal do corpo. Quando a força axial tende a aumentar o comprimento do corpo e reduzir a área de seção transversal, trata-se de uma força de tração. Quando a força tende a reduzir o comprimento do corpo e aumentar a área de seção transversal, trata-se de uma força de compressão.
Tensão Normal
O carregamento concentrado P não garante a estabilidade da estrutura. Para saber sobre a estabilidade da estrutura é necessário conhecer o esforço solicitado, a área da seção transversal e o material do componente. 3
Então:
Onde: ζ = Tensão normal média (Pa)
P = Força axial (N) A = Área da seção transversal (m²) Deformação δ = alongamento (m)
= resultado do estiramento de todos os elementos do material através do volume da barra.
Onde: LF é o comprimento final (m) Li é o comprimento inicial (m)
A deformação específica normal ( ε ) representa o alongamento por unidade de comprimento. A deformação é adimensional.
L
i
ou
L
F
L
i
L
i
Tipos de deformação
A deformação elástica não é uma deformação permanente. Quando o carregamento é retirado o componente volta à condição inicial. A deformação plástica é uma deformação permanente, quando o carregamento é retirado o componente permanece deformado. Tipos de materiais Material Dúctil é aquele que pode ser alongado, flexionado ou torcido, sem se romper. Ele
admite deformação plástica permanente, após a deformação elástica. Ex: Aço estrutural, alumínio, cobre, bronze...
Um material frágil possui o domínio plástico praticamente inexistente, indicando sua pouca capacidade de absorver deformações permanentes. Ex : concreto, ferro fundido, vidro, cerâmica...
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Equipamentos utilizados
O ensaio de tração é realizado na máquina universal onde fixa-se o CP na máquina por suas extremidades, numa posição que permite ao equipamento aplicar-lhe uma força axial para fora, de modo a aumentar seu comprimento. A máquina de tração é hidráulica, movida pela pressão de óleo, e está ligada a um dinamômetro que mede a força aplicada ao corpo-de-prova. A máquina de ensaio possui um registrador gráfico que vai traçando o diagrama de tensão deformação, à medida que o ensaio é realizado .
Diagrama tensão deformação - Região Elástica Tensão e deformação são proporcionais e apresentam uma relação linear .
Equação da reta definida pela Lei de Hooke. E =
módulo de elasticidade (Pa) – Representa medida de rigidez. “E” representa a inclinação da reta OA. Maior módulo menor deformação elástica material mais rígido. Reta termina no limite de proporcionalidade, onde a tensão deixa de ser proporcional a deformação. Após limite de proporcionalidade, deformação é maior para mesmo incremento de tensão. σlp = Tensão limite de proporcionalidade
Escoamento.
Determinada pelo limite de escoamento do material. Escoamento é uma transição entre a deformação elástica e a deformação plástica. Alta taxa de deformação com pouco aumento de carga. Inicio de deformação plástica, isto é, início de deformação permanente. Material fica perfeitamente plástico deforma sem aumento de carga. Pode haver dois limites de escoamento: um superior e um inferior. É uma região de altas deformações. σE = Tensão de escoamento
Encruamento
Encruamento Endurecimento por deformação a frio. Região de Recuperação mudança cristalina aumento da resistência para deformação. 5
Necessário um incremento de carga para incremento de deformação. Ponto D = Limite de resistência do material. Tensão última = Tensão onde inicia a estricção. Tensão última é a maior tensão utilizada no ensaio. Deformação ao longo do corpo-de-prova. O limite de resistência do material é importante para materiais frágeis. σU = Tensão normal última.
Estricção
Estricção é a redução da seção transversal do corpo-de-prova na região de ruptura. Perda de resistência local. Área seção transversal reduz em uma região localizada. Deformações provocadas por tensão de cisalhamento. Menor área menor carregamento para manter deformação. Tensão de ruptura é a tensão onde o corpo-de-prova irá romper. σrup = Tensão normal de Ruptura
Diagramas tensão x deformação convencional e real
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Exercícios 1 – Qual a importância do ensaio de tração na indústria mecânica? 2 – Defina, com suas palavras, material dúctil e material frágil? Exemplifique 3 – Determine se as alternativas são verdadeiras (V) ou falsas (F). Caso a alternativa seja falsa justifique. ( ) Encruamento é o amolecimento do material por deformação a frio. ( ) Estricção é a redução da seção transversal do corpo-de-prova na região de ruptura. ( ) Tensão limite de escoamento é a tensão mínima do regime elástico. ( ) Limite de proporcionalidade define onde a tensão começa a ser proporcional a deformação. ( ) Um diagrama tensão-deformação convencional é importante na engenharia porque permite obter dados sobre a resistência à tração ou a compressão do material, sem considerar o tamanho ou a forma física desse material. 4 - Descreva com suas palavras o ensaio de tração. Construa o diagrama tensão x deformação e identifique as principais propriedades adquiridas com o mesmo. Ensaio de compressão
A compressão é um esforço axial que tende a reduzir o comprimento do corpo submetido ao esforço. O esforço de compressão em um corpo é uniformemente distribuído pela sua seção transversal. O ensaio de compressão é também realizado na máquina universal de ensaios, onde o corpo-deprova é submetido ao carregamento que aumenta gradativamente. Como resultado, obtém-se as mesmas relações obtidas para tração. Sob compressão o corpo-de-prova apresenta duas fases de deformação: uma fase elástica, onde o corpo-de-prova volta a condição inicial após carregamento, e outra fase plástica, onde o corpo-de-prova se mantém deformado após carregamento.
Deformação elástica
Deformação plástica
Para a região plástica o diagrama de compressão também respeita a lei de Hooke e são válidas as equações de deformação, tensão e alongamento de tração. O ensaio de compressão não é comumente empregado nos metais por apresentar dificuldade na determinação das propriedades mecânicas. Os métodos para determinação das propriedades mecânicas são os mesmos que aqueles para ensaio de tração. As placas devem estar paralelas para garantir a axialidade da força aplicada. A dificuldade de determinação das propriedades se deve a: Atrito entre o corpo-de-prova e as placas da máquina. Possibilidade de flambagem. Dificuldade de medida de algumas variáveis.
◦
◦
◦
As condições de ensaios variam de acordo com o material Material dúctil:
É possível determinar apenas as propriedades da zona elástica. Impossível medir a carga de ruptura. 7
O corpo-de-prova cilíndrico aumenta sua seção transversal com o aumento da carga, consequentemente, aumenta-se a área de seção transversal e reduz a tensão na seção, logo a resistência aumenta. O material dúctil tende a não se romper, com isto ele pode ser transformado em um disco. A abaixo esboça a forma de um corpo-de-prova dúctil. A relação entre comprimento/diâmetro deve variar entre 3 e 8. Não sendo tão pequeno para evitar o atrito com as placas nem tão grande para se evitar a flambassem.
As propriedades mais detectadas nos ensaios de materiais dúcteis são: limite de proporcionalidade, limite de escoamento e módulo de elasticidade.
Material frágil
O ensaio de compressão é mais utilizado para este tipo de material. Por ser muito pequena, é difícil determinar características da fase elástica. Não possui deformação lateral apreciável. A ruptura ocorre por cisalhamento e escorregamento. Como possui fratura, podem-se determinar propriedades da zona plástica. Dentre as propriedades está o limite de resistência ou o limite de ruptura (são coincidentes).
Em alguns aços, os limites de proporcionalidade e os limites de escoamento para compressão e tração são tabelados.
O limite de resistência a compressão é cerca de oito vezes maior que o limite de resistência à tração. Considerações sobre a flambagem e atrito durante a compressão
Próximo às placas, a deformação lateral do corpo-de-prova é limitada pelo atrito entre a placa e o corpo-de-prova. Este atrito provoca tensões que retardam o escoamento próximo da região, produzindo um gradiente de tensão no seu comprimento.
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Por esta razão , a base de medida para a deformação no ensaio de compressão deve ser tomada na região central do corpo-de-prova. Para se minimizar o atrito entre as partes pode-se lubrificar as extremidades do corpo-de-prova com parafina, graxa, teflon ou outros lubrificantes. A instabilidade na compressão do metal dúctil gera a flambagem no componente, que consiste na deformação lateral do corpo-de-prova durante a compressão.
A flambagem ocorre principalmente em corpo-de-prova com comprimentos muito grande em relação ao diâmetro, logo este efeito pode ser evitado pela redução da relação comprimento/diâmetro e assegurando a uniaxialidade a carga aplicada. Ensaios de compressão em produtos acabados
Os ensaios em tubos podem verificar a ductilidade dos produtos tubulares, mesmo sem medir as cargas aplicadas. O ensaio consiste em aplicar uma carga de compressão longitudinalmente nos corposde-prova até que o tubo seja achatado. A severidade do ensaio é medida pela distância final entre as placas formadas pela parede do tubo e a análise visual da zona tracionada externa, ou seja, avaliase o surgimento de trincas, fendas ou fissuras na parte do tubo que fica fora do contato com as placas da máquina. Este ensaio pode ser realizado em tubos com costura para se avaliar a ductilidade da solda, neste caso a solda é posicionada na região fora de contato com as placas. Maiores deformações sem trinca indicam maiores ductilidade. Ensaios em molas
Tem o objetivo de determinar a constante Elástica da mola e verificar sua resistência. Para se determinar a constante da mola, a mesma é comprimida totalmente três vezes e na quarta compressão fazse medida das deformações da altura, com estas medidas relacionadas a tensão aplicada, calcula-se o módulo de elasticidade (a inclinação da reta).
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Para se verificar a resistência da mola, aplica-se cargas predeterminadas e mede-se a altura da mola após a descarga. Ensaio de cisalhamento
Todo material apresenta certa resistência ao cisalhamento. Saber até onde vai esta resistência é muito importante, principalmente na estamparia, que envolve corte de chapas, ou nas uniões de chapas por solda, por rebites ou por parafusos, onde a força cortante é o principal esforço que as uniões vão ter que suportar. A força que causa o cisalhamento é uma força aplicada paralela a área de seção que se está avaliando. Esta força é paralela a seção transversal.
Tensão de Cisalhamento ou Tensão de Corte é um tipo de tensão gerado por forças aplicadas em sentidos opostos, porém em direções semelhantes no material analisado. A tensão de cisalhamento é definida por:
Onde η é a tensão de cisalhamento (Pa) V é a força cisalhante (N) A é a área de cisalhamento.
Tipos de cisalhamento
No cisalhamento de pinos ou parafusos há, basicamente, dois tipos de cisalhamento (ou corte): o simples e o duplo. A diferença entre eles está no número de partes que o pino/parafuso pode ser romper. A seguir serão apresentadas ilustrações de cada um dos dois tipos de cisalhamento:
Cisalhamento simples
cisalhamento duplo 10
O ensaio de cisalhamento
Como a resistência ao cisalhamento é influenciada pela forma do produto a se avaliar, seu ensaio tende a ser realizado em componentes acabados, como rebites, parafusos, cordões de solda, barras, ... Não existem normas para especificação dos corpos-de-prova. Quando é o necessário, cada empresa desenvolve seus próprios modelos em função da sua necessidade. Do mesmo modo que nos ensaios de tração e de compressão, a velocidade de aplicação da carga deve ser lenta, para não afetar os resultados do ensaio. Normalmente o ensaio é realizado na máquina universal de ensaios, à qual se adaptam alguns dispositivos, dependendo do tipo de produto a ser ensaiado. Para ensaios de pinos, rebites, parafusos ou soldas utiliza-se o seguinte dispositivo. O dispositivo é fixado na máquina de ensaio e suas partes móveis são fixadas pelos componentes que se deseja avaliar. Ao se aplicar a tensão de tração no dispositivo, esta será transmitida na forma de cisalhamento para as junções onde será determinada a resistência ao cisalhamento do material. Para o caso de soldas, utiliza-se a mesma montagem, porém soldada. Para ensaiar barras, presas ao longo de seu comprimento, com uma extremidade livre, utiliza-se o dispositivo abaixo:
No caso de ensaio de chapas, emprega-se um estampo para corte, como o que é mostrado a seguir.
Neste ensaio normalmente determina-se somente a tensão de cisalhamento, isto é, o valor da força que provoca a ruptura da seção transversal do corpo ensaiado. A realização de sucessivos ensaios mostrou que existe uma relação constante entre a tensão de cisalhamento e a tensão de tração. Na prática, considera-se a tensão de cisalhamento (TC) equivalente a 75% da tensão de tração (T). Em linguagem matemática isto é o mesmo que: TC = 0,75 T. 11
Exercício
1 - Precisa-se unir 2 chapas que estão sob carregamento de uma força F=20000N. As chapas são unidas por rebites de 4mm de diâmetro. Sabendo que a tensão de tração suportada pelo rebite é de 650MPa. Determine a quantidade necessária de rebites para manter a união segura.
Dureza
O significado da propriedade dureza pode ser definido por diferentes formas, de acordo com a área de atuação de quem o define (Souza, ). A dureza Brinell é representada por HB (hardness Brinell). Metalurgista: Dureza significa a resistência à deformação plástica permanente. Mecânico: Dureza é a resistência a penetração de um material duro no outro. Projetista: a dureza é considerada uma base de medida para o conhecimento da resistência e do tratamento térmico ou mecânico de um metal e da sua resistência ao desgaste. Usinagem: a dureza fornece uma medida da resistência ao corte do metal. Mineralogia: a dureza é medida pela resistência ao risco que um material pode fazer em outro. O ensaio de dureza pode ser dividido em três tipos: 1. Por penetração. 2. Por choque. 3. Por risco. Dureza por risco
Mineral Padrão
A dureza por risco relaciona minerais Talco quanto à possibilidade de um riscar o outro Gipsita Considerações sobre os metais: Calcita O cobre recozido tem dureza Mohs Fluorita 3. Apatita A Martensita tem dureza Mohs 7. A maior parte dos metais fica ente Ortoclásio dureza 4 e 8. O método não é sensível a pequenas Quartzo variações de dureza. Topázio
Escala de Mohs
1
Risca o:
2 3 4 5 6 7 8
Safira
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Diamante
10
O elemento:
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Dureza por penetração Dureza Brinell (HB)
Método mais utilizado na medição de dureza. O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d. A dureza Brinell (HB) é a relação entre a carga aplicada (F) e a área da calota esférica impressa no material ensaiado (Ac).
Onde: p = profundidade da impressão (mm). D = diâmetro da esfera (mm). d = diâmetro da calota impressa (mm). Exemplo: Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza Brinell no qual se utilizou uma esfera de 2,5 mm de diâmetro e uma carga de 187,5 kgf. A medida do diâmetro de impressão foi de 1 mm. Qual a dureza do material ensaiado?
A unidade (kgf/mm²) não é utilizada devido ao fato de a dureza não ser um conceito físico bem definido, pois a equação não considera o valor médio da pressão sobre toda a superfície da impressão. Para facilitar a determinação da dureza do material, podem-se utilizar tabelas que convertem, automaticamente, os diâmetros da calota em dureza Brinell. O ensaio proposto por Brinell, é padronizado com carga de 3.000 kgf e esfera de aço temperado com 10 mm de diâmetro com aplicação de carga por 15 segundos. Para medições não padronizadas devem-se ter os seguintes cuidados: A carga é determinada de tal modo que o diâmetro de impressão d esteja no intervalo de 0,25D a 0,5D. Deve – se manter constante o fator de carga, ou seja, a relação:F/D². A manutenção desta relação garante o diâmetro dentro do intervalo de diâmetro citado. De acordo com a faixa de dureza e do tipo de material são fixados os valores de carga, como mostrado na tabela.
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O diâmetro da esfera é determinado em função da espessura do corpo de prova ensaiado. A norma brasileira, estabelece que a espessura mínima do material ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade da calota. Exemplo
Uma empresa comprou um lote de chapas de aço carbono com as seguintes especificações: espessura: 4 mm dureza Brinell (HB): 180 Essas chapas devem ser submetidas ao ensaio de dureza Brinell para confirmar se estão de acordo com as especificações. Essas chapas podem ser ensaiadas com uma esfera de 10 mm.
Para aço carbono e esfera D = 10 mm F/D² = 30 F= 30. 10² = 3000 kgf. Calculo da profundidade Espessura do material
e>17.p
= 17.0,53 = 9,01 mm
Mas a espessura da chapa é de 4mm, então ela não pode ser ensaiada por uma esfera de 10 mm, deve-se utilizar uma menor. 14
Representação dos resultados obtidos
O número de dureza Brinell deve ser seguido pelo símbolo HB, sem qualquer sufixo, sempre que se tratar do ensaio padronizado, com aplicação da carga durante 15 segundos. Em outras condições, o símbolo HB recebe um sufixo formado por números que indicam as condições específicas do teste, na seguinte ordem: diâmetro da esfera, carga e tempo de aplicação da carga. Exemplo:
Escrever um valor de dureza Brinell 85, medido com uma esfera de 10 mm de diâmetro e uma carga de 1.000 kgf, aplicada por 30 segundos. 85HB 10/1000/30 Limitações do ensaio
O ensaio é limitado a materiais de dureza até 500 HB, pois durezas maiores que esta danificará a esfera. Sempre que a carga é retirada há uma recuperação elástica, logo o diâmetro de impressão não será o mesmo que aquele em contato com a esfera, aumentando o seu raio de curvatura. Os metais muito duros possuem zona plástica reduzida, logo possui pouca deformação plástica, com isto a recuperação elástica é uma fonte de erros na determinação da dureza. O ensaio não deve ser realizado em superfícies cilíndricas com raio de curvatura menor que 5 vezes o diâmetro da esfera utilizada, porque haveria escoamento lateral do material e a dureza medida seria menor que a real. Erro devido à distorção do material
Relação entre Dureza Brinell e limite de resistência convencional
A relação empírica entre o limite de resistência para aços e a dureza é determinada pela equação . Para durezas maiores que 380 HB, há a tendência de a dureza aumentar mais rapidamente que o limite de resistência, provavelmente pela deformação da esfera ou por efeitos de tensões de compressão residual na impressão, originárias de aços muito duros. Vantagens e desvantagens
Comparada a outros métodos, a esfera do teste Brinell provoca a endentação mais profunda e mais larga. Com isto a dureza medida no teste abrange uma porção maior de material, resultando numa média de medição mais precisa, tendo em conta possíveis estruturas policristalinas e heterogeneidades do material.
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Este método é o melhor para a medição da dureza macro-dureza de um material, especialmente para materiais com estruturas heterogêneas.
Dureza Rockwell
Vantagens e técnica do ensaio
É o segundo tipo de dureza por penetração, e foi introduzido por Rockwell em 1922. Este método tornou-se difundido por apresentar vantagens em relação ao processo de dureza Brinell. A dureza Rockwell é simbolizada por HR ( Hardness Rockwell). Trata-se de um ensaio mais rápido pelo fato de a dureza ser medida diretamente e automaticamente na máquina, eliminando os erros pessoais. Além disto, por ter penetradores menores, pode ser aplicado em componentes acabados, pois danifica menos a sua superfície. É aplicado em linhas de produção, na verificação de tratamentos térmicos ou superficiais, devido a sua velocidade de aplicação. Os penetradores utilizados no ensaio Rockwell podem ser do tipo esférico ou cônico. Os penetradores do tipo esférico são fabricados em aço temperado e os cônicos são em diamante com 120° de conicidade. Neste processo de medição de dureza a carga é aplicada em duas etapas. Uma pré-carga que garante o contato firme com a superfície do corpo de prova e para fixar bem o mesmo. Logo após é aplicada a carga maior, aquela própria para o ensaio. Após a retirada desta última carga, a profundidade de impressão é dada diretamente no mostrador da máquina, em forma de um número de dureza, após voltar ao valor menor de carga.
A leitura do grau de dureza á feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material. 16
O mostrador apresenta duas escalas de medida de medidas que são relacionadas ao tipo de penetrador utilizado. Para penetradores cônicos de diamante, deve-se fazer a leitura do resultado na escala externa do mostrador. Para o penetrador esférico, faz-se a leitura do resultado na escala interna. O valor de dureza medido é um valor adimensional, e corresponde à profundidade alcançada pelo penetrador, subtraídas a recuperação elástica do material, após a retirada da carga de maior intensidade, e a profundidade decorrente da aplicação da pré-carga. Equipamentos para ensaio de dureza Rockwell
As máquinas para ensaio Rockwell podem ser de dois tipos, uma para avaliação de dureza geral e outra para dureza superficial, onde é avaliada a dureza de camadas superficial do material, sendo indicada para avaliação de durezas em chapas finas. Nos ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma précarga de 10 kgf e a carga maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf. Nos ensaios de dureza Rockwell superficial a pré-carga é de 3 kgf e a carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf. Para se comparar valores de durezas de diferentes materiais, é preciso ter o cuidado de que todas as durezas estejam na mesma escala. As escalas de medição de dureza Rockwell podem ser visualizadas na tabela .
OBS: cargas em kgf 17
OBS: cargas em kgf. Representação da dureza Rockwell
O valor da dureza deve ser seguido pelo símbolo HR , com um sufixo que indique a escala utilizada. Exemplo: O resultado de dureza é 64 HRC
Dureza = 64 HR Ensaio na escala C
O resultado da dureza é 50HR15N
Dureza = 50 HR Ensaio superficial na escala 15N
Exemplo: Uma empresa adquiriu um material com a seguinte especificação: 70H15T. Quais as condições
do ensaio para confirmar se o material está de acordo com a especificação? Tipo de máquina: ensaio superficial Tipo/ dimensão do penetrador: esfera de aço com d=1,5875mm Pré-carga: 3 kgf Carga maior: 15 kgf Cor da escala que é realizado o ensaio: vermelha.
Determinação da profundidade de penetração
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Para se ensaiar chapas ou qualquer componente é preciso determinar a máxima profundidade que o penetrador irá alcançar, de modo a estabelecer se o ensaio poderá ou não ser realizado naquele componente. Para se estimar a profundidade mínima do penetrador pode-se utilizar as seguintes equações: 1 – Para penetrador de diamante HR comum profundidade = 0,002.(100 - HR) HR superficial profundidade = 0,001.(100 - HR) 2 – Para penetrador esférico HR comum profundidade = 0,002.(130 - HR) HR superficial profundidade = 0,001.(100 - HR) A espessura do componente ensaiado deve ser pelo menos 17 vezes a medida estimada da profundidade. Espessura ≥ 17. profundidade Exemplo: Qual a profundidade aproximada de penetração será atingida ao ensaiar um material com
dureza estimada de 40HRC. Ensaio com escala Rockwell C – normal Penetrador de diamante Dureza estimada = 40 HR profundidade = 0,002.(100 - HR) = 0,002.(100-40) = 0,12 mm
Exemplo: Qual deve ser a espessura mínima de uma chapa que será submetida ao ensaio de dureza
Rockwell para um material com dureza esperada de 80HRB? Ensaio com escala Rockwell B – normal Penetrador esférico em aço Dureza estimada = 80 HR
profundidade = 0,002.(130 - HR) = 0,002.(130 – 80) = 0,1 mm Espessura ≥ 17. Profundidade = 17 . 0,1 = 1,7 mm Logo a chapa deve ter espessura mínima de 1,7 mm
Considerações finais
A superfície a ser ensaiada deve estar livre de irregularidades para que se evite erros de medição. A carga inicial serve, também, para minimizar o efeito das irregularidades superficiais ou aderência das bordas do metal no penetrador.
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Se a superfície não for plana, deve-se fazer uma correção pois este ensaio está baseado na profundidade da impressão e não na sua área. A correção é realizada através de normas ou pesquisas anteriores. Geralmente, a primeira medida é descartada, servindo apenas para ajuste do penetrador na máquina. O ensaio Rockwell tem limitações na descontinuidade das escalas de dureza. Para materiais que apresentam dureza no limite de uma escala e no início de outra não podem ser comparados entre si quanto à dureza. Outra limitação importante é que o resultado de dureza no ensaio Rockwell não tem relação com o valor de resistência à tração, como acontece no ensaio Brinell. Dureza Vickers
Técnica e vantagens do ensaio
Este estudo foi introduzido por Smith e Sandland em 1925 e recebeu o nome de dureza Vickers devido à fabricante da máquina para este tipo de ensaio, a Vickers-Armstrong. O penetrador é uma pirâmide de base quadrada, com ângulo de 136° entre as faces opostas. Este ensaio apresenta valores de impressão semelhantes à dureza Brinell, pois a relação ideal de diâmetros para esta dureza (d/D = 0,375) acontece quando as tangentes à esfera, partindo dos cantos de impressão fazem entre si um ângulo de 136°. Os ensaios de dureza Vickers podem ser aplicados a todos os tipos de materiais. Como o penetrador é um diamante, ele é praticamente indeformável e como O valor de dureza Vickers (HV) é o quociente da carga aplicada (F) pela área de impressão (A) deixada no corpo ensaiado.
A máquina que faz o ensaio Vickers não fornece o valor da área de impressão da pirâmide, mas permite obter, por meio de um microscópio acoplado, as medidas das diagonais (d1 e d2) formadas pelos vértices opostos da base da pirâmide. Conhecendo as medidas das diagonais, é possível calcular a área da pirâmide de base quadrada (A), utilizando a fórmula:
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Então
Onde A força é calculada em kgf e
Representação do resultado do ensaio
A dureza Vickers é representada pelo valor de dureza, seguido do símbolo HV e de um número que indica o valor da carga aplicada. Exemplo: A representação 440 HV 30 indica que o valor da dureza Vickers é 440 e que a carga aplicada
foi de 30 kgf. O tempo normal de aplicação da carga varia de 10 a 15 segundos. Quando a duração da aplicação da carga é diferente, indica-se o tempo de aplicação após a carga. Exemplo: Na representação: 440 HV 30/20, o último número indica que a carga foi aplicada por 20
segundos. Cargas usadas no ensaio Vickers
Neste método, ao contrário do que ocorre no Brinell, as cargas podem ser de qualquer valor, pois as impressões são sempre proporcionais à carga, para um mesmo material. Deste modo, o valor de dureza será o mesmo, independentemente da carga utilizada. Por uma questão de padronização, as cargas recomendadas são: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf. Microdureza Vickers
Para aplicações específicas, voltadas principalmente para superfícies tratadas (carbonetação, têmpera) ou para a determinação de dureza de microconstituintes individuais de uma microestrutura, utiliza-se o ensaio de microdureza Vickers.
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A microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento prático que o ensaio Vickers, só que utiliza cargas menores que 1 kgf. A carga pode ter valores tão pequenos como 10 gf. Na microdureza, como a carga aplicada é pequena, a impressão produzida é microscópica. Defeitos de impressão
Uma impressão perfeita, no ensaio Vickers, deve apresentar os lados retos. Entretanto, podem ocorrer defeitos de impressão, devidos ao afundamento ou à aderência do metal em volta das faces do penetrador.
Vantagens
O ensaio Vickers fornece uma escala contínua de dureza, medindo todos os valores de dureza numa única escala. As impressões são extremamente pequenas e, na maioria dos casos, não inutilizam as peças, mesmo as acabadas. O penetrador, por ser de diamante, é praticamente indeformável. Este ensaio aplica-se a materiais de qualquer espessura, e pode também ser usado para medir durezas superficiais. Limitações
Devem-se tomar cuidados especiais para evitar erros de medida ou de aplicação de carga, que alteram muito os valores reais de dureza. A preparação do corpo de prova para microdureza deve ser feita, obrigatoriamente, por metalografia, utilizando-se, de preferência, o polimento eletrolítico, para evitar o encruamento superficial. Quando se usam cargas menores do que 300 gf, pode haver recuperação elástica, dificultando a medida das diagonais. A máquina de dureza Vickers requer aferição constante, pois qualquer erro na velocidade de aplicação da carga traz grandes diferenças nos valores de dureza.
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Ensaios de Dobramento e Flexão Conceitos iniciais
Considere os elementos submetidos à força mostrada.
Com a aplicação das forças eles adquirem esta forma:
O esforço de Flexão gera a ocorrência de deformação elástica. O esforço de dobramento gera a ocorrência de deformação plástica. Ambos os ensaios, flexão e dobramento, utilizam a mesma montagem, um cutelo e dois roletes com diâmetros determinados de acordo com o corpo-de-prova.
Os ensaios de flexão e dobramento são realizados na máquina universal. Para materiais dúcteis é mais importante conhecer a ductilidade dos materiais. Materiais mais resistentes exigem o conhecimento das propriedades de flexão. Ensaio de Dobramento
O ensaio de dobramento fornece a indicação qualitativa da ductilidade do material. Este tipo de ensaio não fornece valor numérico, mas permite estabelecer propriedades mecânicas do material. O corpo-de-prova tem eixo retilíneo e seção transversal circular, tubular, retangular ou quadrada. A distância de afastamento entre os apoios é determinada de acordo com o tamanho do corpo-de-prova. Não existe a necessidade de se medir a carga aplicada. O diâmetro do cutelo (D) varia de acordo com severidade do ensaio. Geralmente o diâmetro do cutelo é determinado em função do diâmetro ou espessura do corpo-de-prova. A velocidade não é um fator determinante no dobramento.
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O ângulo de dobramento ( α) também indica a severidade do ensaio, podendo assumir os valores de 90°, 120° ou 180°.
α
Critério para a aprovação do ensaio : A região tracionada no ensaio não deve conter trincas ou fissuras.
O ensaio revela a ductilidade em qualquer região do material. O ensaio pode ser realizado em uma única etapa ou duas etapas. Realizam-se duas etapas quando o diâmetro do cutelo é muito pequeno ou nulo. D’ D , onde D’ é o menor possível.
Processos de dobramento Dobramento livre:
O dobramento é obtido pela aplicação de força nas extremidades do corpo-de-prova, sem aplicação de força no ponto máximo de dobramento.
Dobramento semi-guiado :
Uma extremidade é engastada de algum modo e o dobramento é efetuado na outra extremidade ou em outro local do corpo-de-prova.
Ensaio de flexão
O ensaio de flexão é mais realizado em materiais frágeis e em materiais resistentes como ferro fundido, estruturas de concreto, aço ferramenta, .... A barra utilizada no ensaio de flexão deve ter o comprimento especificado por norma. A seção transversal pode ser qualquer. O corpo é apoiado em dois pontos eqüidistantes. A carga durante o ensaio é aumentada lentamente até o rompimento do corpo-de-prova. 24
Neste ensaio é possível se medir a flexa da viga.
Flexa (f) é o comprimento entre a linha neutra deformada e a inicial. Propriedades avaliadas
Tensão de flexão
A flexão da barra depende da força aplicada e sua localização.
Momento fletor (M f ) é o produto entre a força e a
distância ao qual ela é aplicada. Isto no caso de flexão.
A equação para calculo do momento fletor é: M
f
F L x M 2
2
f
FL 4
Momento de inércia (I)
Para seção circular o momento de inércia é definido pela equação: 4
I
d
64
Onde d é o diâmetro da barra. Para seção retangular o momento de inércia é definido pela equação: bh I 3
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Onde
b é base da seção transversal. h é a altura da seção transversal.
Módulo de resistência da seção transversal (W)
W
é resistência a um momento.
I
c
Onde c = raio, para corpos de seção circular. c = 0,5 h , para corpos de seção retangular. Logo a equação para tensão de flexão ( T f ) é: T f
M
f
W
Após medição das variáveis de ensaios pode-se obter a tensão de flexão. Para materiais dúcteis considera-se a força obtida no limite de elasticidade. Para materiais frágeis considera-se a força registrada no limite de ruptura. Flexa máxima (f) FL f 48 EI 3
Módulo de elasticidade (E) FL E 48 fI 3
Exemplo: Após um ensaio de flexão num corpo-de-prova de seção circular, com 50 mm de diâmetro e
685 de comprimento, registrou-se uma flexa de 1,66 mm e a carga aplicada ao ser atingido o limite elástico era de 1600N. Pede-se: a) A tensão de flexão no corpo-de-prova. b) O módulo de elasticidade mo material. Exercícios 1 – Descreva os ensaios de dobramento e flexão. 2 – Porque o ensaio de dobramento é considerado qualitativo. 3 – Um corpo de prova de 30 mm de diâmetro e 600 mm de comprimento foi submetido a um ensaio
de flexão, apresentando uma flexa de 2 mm sob uma carga de 360 N. Determine: a) a tensão de flexão; b) o módulo de elasticidade.
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Ensaio de Fluência
Definições
A fluência é a deformação plástica que ocorre num material, sob tensão constante ou quase constante, em função do tempo. Para materiais metálicos a temperatura tem forte influência sobre este fator. A fluência ocorre devido à movimentação de falhas, que sempre existem na estrutura cristalina dos metais. Podem ser divididos em três tipos: – Ensaio de fluência: mantém-se constante a carga e a temperatura, medindo-se a deformação com o decorrer do tempo. – Ensaio de ruptura por fluência : o ensaio é conduzido até a ruptura do material, medindo-se o tempo de ruptura, podendo-se medir a deformação ao longo do tempo. – Ensaio de relaxação: Mantém-se a temperatura e a deformação constante e mede-se a queda de tensão inicialmente aplicada para a obtenção da deformação com o decorrer do tempo. Considerações
Nas condições reais de uso, os produtos sofrem solicitações diversas por longos períodos de tempo. Em algumas situações, os produtos apresentam deformação permanente mesmo sofrendo solicitações abaixo do seu limite elástico, isto ocorre mais freqüentemente quando há envolvimento de temperatura. A velocidade de fluência é enormemente influenciada pela temperatura: Seja a uma um aço carbono sob uma tensão por 1000h consecutivas: – Se tensão=3,5 kgf/mm² e T = 500ºC ε = 0,04% – Se tensão=3,5 kgf/mm² e T = 540ºC ε = 4% Teoria da Fluência
O mecanismo de fluência envolve 4 processos. – Estágio I – Escorregamento das discordâncias. Existe um encruamento que diminui a velocidade de fluência no material. Mecanismo de fluência se torna mais difícil de operar com o prosseguimento do ensaio. Os escorregamentos das discordâncias são impedidos por barreiras que surgem no decorrer do tempo. Inicialmente, quando se aplica a tensão no metal a uma dada temperatura, as discordâncias são primeiramente impedidas de escorregar por pequenas barreiras, porém encontram barreiras maiores que só serão vencidas após tempos mais longos. Estágio I – Ascensão de discordâncias ocasionando a
formação de subgrãos. – O processo de recuperação é rápida o suficiente para equilibrar o encruamento. – Quanto maior for a temperatura, maior será a recuperação e menos estacionário será o estágio 2. Estágio II – Deslizamento de contornos de grãos – É caracterizado por grande movimentação das discordâncias. – Surge a nítida formação de microtrincas no material. – Surge acentuadamente a estricção em corpos de prova ensaiados por tração. Descrição do ensaio 27
Geralmente submete-e o corpo-de-prova ao esforço de tração. Corpos de prova utilizados são semelhantes aos utilizados na tração. É aplicada uma carga de tração constante ao corpo de prova, que fica em um forno elétrico com temperatura constante e controlável. Antes do ensaio o cp deve passar por um aquecimento, sem que o mesmo seja superaquecido. A máquina para o ensaio de fluência é mostrado abaixo.
Descrição do Ensaio de fluência
Este ensaio consiste em aplicar uma determinada carga em um corpo de prova, a uma dada temperatura, e avaliar a deformação que ocorre durante a realização do ensaio. Carga e temperatura são mantidas constantes durante todo o processo. Este ensaio possui longo tempo de duração, em média 1000h. O resultado do ensaio é dado por uma curva de deformação (fluência) pelo tempo de duração do ensaio. Ensaio de ruptura por fluência
Mesmo princípio anterior, mas com corpos de prova sendo levados até a ruptura. Como utilizam-se cargas maiores e, então são obtidas maiores velocidades de fluência. O corpo de prova atinge deformações maiores: no ensaio de fluência ε 1%, nos ensaios de ruptura
por fluência ε pode atingir 50%.
A tensão e a temperatura são mantidas constantes neste ensaio. Os resultados obtidos no ensaio são: tempo para a ruptura do corpo de prova, medida da deformação e medida da estricção, em certos casos. Tem duração média 1.000 horas. São necessários muitos corpos de provas, ensaiados com cargas diferentes, para se obter resultados significativos. Ensaio de Relaxação
Produzem dados sobre velocidade de fluência/tensão numa gama variada de velocidades, com apenas um corpo de prova. É realizado mantendo a deformação constante, por meio da redução da tensão aplicada ao corpo de prova ao longo do tempo. A maioria dos ensaios de relaxação apresenta um tempo de duração 1.000 a 2.000 horas. Os resultados não têm relação direta com aplicação prática e são extrapolados empiricamente para situações reais. Necessidade de um estreito controle da temperatura do ambiente onde se encontra o equipamento. A principal desvantagem deste ensaio prende-se às exigências do equipamento, cujo sistema de medição de força deve permitir medições precisas de pequenas variações de carga ao longo do tempo.
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Ensaio de Fadiga
Conceitos iniciais
Fadiga é a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à carga máxima suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas repetidas. A ruptura por fadiga começa a partir de uma trinca (nucleação) ou pequena falha superficial, que se propaga ampliando seu tamanho, devido às solicitações cíclicas. Quando a trinca aumenta de forma que a área restante do material não suporte mais o esforço que está sendo aplicado, a peça se rompe repentinamente. A falha por fadiga acontece devido a esforços cíclicos repetidos (Trata-se das tensões cíclicas).
Nas figuras abaixo são apresentadas fotos de elementos fraturados por fadiga.
Tipos de ensaios de Fadiga
Os aparelhos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de aplicação de cargas, que permite alterar a intensidade e o sentido do esforço, e por um contador de número de ciclos. O teste é interrompido assim que o corpo de prova se rompe. De acordo com o tipo de solicitação o ensaio pode ser definido como: – Torção; – Tração-compressão; – Flexão; – Flexão rotativa. Ensaio Flexo-rotativo
Na figura abaixo é mostrado um esquema de fixação dos corpos-de-prova, onde os mesmos são flexionados antes de serem rotacionados. Durante a rotação, a região central do corpo-de-prova é solicitada por esforços de tração e compressão, alternadamente.
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