ENSAIOS MECÂNICOS

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

2. Ensaio de tração Introdução Tensão e deformação na 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 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. Ensaio de tração Introdução Tensão e deformação na tração 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 :

4. Ensaio de tração Introdução Propriedades mecânicas obtidas 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 pore=L-L0/L0 adimensional Lei de Hooke (1678 por Sir Robert Hooke) 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. ou

5. Ensaio de tração Introdução 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 Qn é a carga em que se observa uma deformação de n% do material

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

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

8. Ensaio de tração Introdução • Procedimento de ensaio: • 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;

9. Ensaio de tração Introdução • Corpos 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. • 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. 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) Modos de fixação na máquina

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

12. 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

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

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

16. Ensaio de tração Ensaio de tração convencional Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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).

17. Ensaio de tração Ensaio de tração convencional Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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: 2 – traça reta FD 1 – traça reta CE CD=0,5CE e FG//OE FD=1,5FE e MN//OD

18. Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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).

19. Ensaio de tração Ensaio de tração convencional Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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. • 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.

20. Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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.

21. Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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. • 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%).

22. Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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.

23. Ensaio de tração Ensaio de tração convencional Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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.

24. Ensaio de tração convencional Ensaio de tração Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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 L0, que deve ser informada junto com o alongamento.

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

26. Ensaio de tração Ensaio de tração convencional Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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.

27. Ensaio de tração Ensaio de tração convencional Estudo detalhado das propriedades mecânicas 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 .

28. Ensaio de tração Ensaio de tração convencional 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. Limite de proporcionalidade, escoamento ou n 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

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

30. Ensaio de tração Ensaio de tração convencional Estudo das propriedades mecânicas: Resiliênciahiperelástica • 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.

31. Ensaio de tração 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.

32. Ensaio de tração Fratura no ensaio de tração Estudo dafratura 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  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. Ensaio de tração Fratura no ensaio de tração Estudo dafratura 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.

34. Ensaio de tração Fratura no ensaio de tração Estudo dafratura

35. Ensaio de tração Fratura no ensaio de tração Estudo dafraturafrágil 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.

36. Ensaio de tração Fratura no ensaio de tração Estudo dafraturadúctil • Processo de fratura dúctil: • 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.

37. 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..