Ensaios dos materiais

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Ensaios dos Materiais apresenta as principais técnicas do tema e sua aplicação em exercícios. Seus eminentes autores reúnem vasta experiência em ensino e pesquisa, repassando-a ao texto com conceitos e metodologias utilizadas para caracterizar, por meio de ensaios, propriedades mecânicas e comportamento mecânico em condições estáticas e dinâmicas de aplicação de carga, bem como a conduta de materiais durante processos de fabricação como a conformação plástica, entre outros. Didaticamente organizado, este livro-texto contém ainda informações adicionais sobre temas específicos e cinco apêndices que servem à consulta imediata permitindo ao estudante acesso mais aprofundado a esses temas.

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1. Introdução aos Ensaios dos Materiais

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1

Introdução aos

Ensaios dos Materiais

T

odo projeto de um componente mecânico, ou, mais amplamente, qualquer projeto de engenharia, requer, para sua viabilização, um vasto conhecimento das características, propriedades e comportamento dos materiais disponíveis. Os critérios de especificação ou escolha de materiais impõem, para a realização dos ensaios, métodos normalizados que objetivam levantar as propriedades mecânicas e seu comportamento sob determinadas condições de esforços. Essa normalização é fundamental para que se estabeleça uma linguagem comum entre fornecedores e usuários dos materiais, já que é prática comum a realização de ensaios de recebimento dos materiais encomendados, a partir de uma amostragem estatística representativa do volume recebido.

A Fig. 1.1 mostra a classificação geral dos processos de conformação dos metais, segundo seus critérios básicos, seja aplicação de tensões, seja aplicação de temperaturas.

O comportamento mecânico de qualquer material utilizado em engenharia é função de sua estrutura interna e de sua aplicação em projeto. As relações existentes entre as diferentes características que influenciam no desempenho de determinado componente e a parte da ciência que estuda tais relações podem ser vistas na Fig. 1.2.

 

2. Ensaio de Tração

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Ensaio de Tração

Ensaio de tração  consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente em um corpo de prova específico até a ruptura. Mede-se a variação no comprimento (L) como função da carga aplicada (P), e após o tratamento adequado dos resultados obtém-se uma curva tensão (s) versus a deformação () do corpo de prova. Trata-se de ensaio amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, devido à vantagem de fornecer dados quantitativos das características mecânicas dos materiais. Dentre as principais destacam-se: limite de resistência à tração (su), limite de escoamento (se), módulo de elasticidade (E), módulo de resiliência (Ur), módulo de tenacidade (Ut), coeficiente de encruamento (n), coeficiente de resistência (k) e parâmetros relativos à ductilidade (estricção – w e alongamento – DL). O ensaio de tração é bastante utilizado como teste para o controle das especificações da entrada de matéria-prima e controle de processo. Os resultados fornecidos pelo ensaio de tração são fortemente influenciados pela temperatura, velocidade de deformação, anisotropia do material, tamanho de grão, porcentagem de impurezas, bem como pelas condições ambientais.

 

3. Ensaio de Compressão

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Ensaio de Compressão

Ensaio de compressão  consiste na aplicação de carga de compressão uniaxial crescente em um corpo de prova específico. A deformação linear, obtida pela medida da distância entre as placas que comprimem o corpo versus a carga de compressão, consiste na resposta desse tipo de ensaio, basicamente utilizado na indústria de construção civil e na indústria de materiais cerâmicos. Fornece resultados que permitem quantificar o comportamento mecânico de concreto, madeira, compósitos e materiais de baixa ductilidade (frágeis). Na indústria de conformação, é utilizado para parametrizar condições de processos que envolvam laminação, forjamento, extrusão e semelhantes. Os resultados numéricos obtidos no ensaio de compressão são semelhantes aos obtidos no ensaio de tração. Os resultados de ensaio são influenciados pelas mesmas variáveis do ensaio de tração (Temperatura, Velocidade de

Deformação, Anisotropia do Material, Tamanho de Grão, Porcentagem de Impurezas e

 

4. Ensaio de Dureza

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Ensaio de Dureza

Ensaio de dureza  consiste na aplicação de uma carga na superfície do material empregando um penetrador padronizado, produzindo uma marca superficial ou impressão. A medida da dureza do material ou da dureza superficial é dada como função das características da marca de impressão e da carga aplicada em cada tipo de ensaio realizado (Fig. 4.1). Esse ensaio é amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos e elétricos, tratamentos superficiais, vidros e laminados, devido à vantagem de fornecer dados quantitativos das características de resistência à deformação permanente das peças produzidas. É utilizado como um ensaio para o controle das especificações da entrada de matéria-prima e durante as etapas de fabricação de componentes, e em alguns casos em produtos finais.

Desenvolvido inicialmente para os materiais metálicos, hoje encontra vasta aplicação também para materiais poliméricos, cerâmicos, semicondutores e filmes finos. Cabe ressaltar que os resultados de dureza podem variar em função de tratamentos aplicados ao material (tratamentos térmicos, tratamentos termoquímicos, mecânicos, refusão a laser, etc.), temperatura e condições da superfície.

 

5. Ensaio de Torção

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Ensaio de Torção

Ensaio de torção  consiste na aplicação de carga rotativa em um corpo de prova geralmente de geometria cilíndrica. Mede-se ângulo de deformação (u) como função do momento de torção aplicado (Mt). Esse ensaio é amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, como: motores de arranque, turbinas aeronáuticas, rotores de máquinas pesadas, brocas, parafusos e outros, principalmente devido à vantagem de fornecer dados quantitativos das características mecânicas dos materiais que compõem o componente, em particular as tensões de cisalhamento. Dentre os principais resultados do ensaio destacamse: limite de escoamento ao cisalhamento (te), limite de resistência ao cisalhamento (tu), módulo de elasticidade transversal (G), módulo de resiliência à torção (UTr) e o módulo de tenacidade à torção (UTt).

    Não é indicado como um teste para o controle de especificações de entrada de matériaprima, sendo utilizado apenas em casos específicos. Os resultados fornecidos pelo ensaio de torção são fortemente influenciados pela temperatura, velocidade de deformação, anisotropia do material, tamanho de grão, porcentagem de impurezas, qualquer tipo de tratamento térmico sofrido pelo corpo de prova, assim como pelas condições ambientais do ensaio.

 

6. Ensaio de Flexão

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Ensaio de Flexão

Ensaio de flexão  consiste na aplicação de uma carga crescente em determinados pontos de uma barra de geometria padronizada, a qual pode estar na condição biapoiada ou engastada em uma das extremidades. Mede-se o valor da carga versus a deformação máxima, ou a flecha (n), deslocamento dos pontos de aplicação de carga, atingida na flexão. É um ensaio muito utilizado na indústria de cerâmicos, em concreto e madeira, metais duros, como ferro fundido, aço ferramenta e aço rápido, devido ao fato de fornecer dados quantitativos da deformação que esses materiais podem sofrer quando sujeitos a cargas de flexão. Os materiais dúcteis, quando sujeitos a esse tipo de carga, são capazes de absorver grandes deformações, ocorrendo dobramento do corpo de prova, não fornecendo assim resultados quantitativos qualificados para o ensaio de flexão. Nesses casos esse ensaio consiste mais em um ensaio de fabricação, chamado de dobramento. Existem três tipos principais desse ensaio: o ensaio de flexão em três pontos, em que a barra a ser testada é biapoiada nas extremidades e a carga é aplicada no centro do comprimento do corpo de prova; o ensaio de flexão em quatro pontos, em que a barra a ser testada é biapoiada nas extremidades e a carga é aplicada em dois pontos na região central do comprimento, separados por uma distância padronizada; e o chamado método engastado, que consiste em engastar uma extremidade do corpo de prova e a aplicação da carga na outra extremidade.

 

7. Ensaio de Fluência

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Ensaio de Fluência

  �Frequentemente materiais são submetidos a operações por longos períodos sob condições de elevada temperatura e tensão mecânica estática. Essas condições são favoráveis a mudanças de comportamento dos materiais em função do processo de difusão dos átomos, do movimento de discordâncias, do escorregamento de contornos de grão e da recristalização.

Para a análise desse comportamento, é utilizado o ensaio de fluência, que consiste na aplicação de uma carga inicial e constante em um material durante um período de tempo, quando submetido a temperaturas elevadas (Fig. 7.1). O objetivo do ensaio é a determinação da vida útil do material nessas condições. Entre os principais materiais ensaiados em fluência, podem ser citados os empregados em instalações de refinarias petroquímicas, usinas nucleares, indústria aeroespacial, tubulações, turbinas etc. Esse ensaio não constitui um ensaio de rotina devido ao grande tempo necessário para a sua realização, motivo pelo qual foram desenvolvidas técnicas de extrapolação de resultados para longos períodos e ensaios alternativos em condições severas.

 

8. Ensaio de Fadiga

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Ensaio de Fadiga

Ensaio de fadiga  consiste na aplicação de carga cíclica em corpo de prova apropriado e padronizado segundo o tipo de ensaio a ser realizado. É extensamente utilizado na indústria automobilística e, em particular, na indústria aeronáutica, existindo desde ensaios em pequenos componentes até em estruturas completas, como asas e longarinas. O ensaio mais utilizado em outras modalidades de indústria é o ensaio de flexão rotativa, conforme mostram as Figs. 8.1(a) e 8.9, e variações no tipo de solicitação mecânica também podem ser aplicadas, como tração e compressão uniaxiais e cisalhamento. O ensaio de fadiga é capaz de fornecer dados quantitativos relativos às características de um material ou componente ao suportar, por longos períodos, sem se romper, cargas repetitivas e/ou cíclicas.

Os principais resultados do ensaio, normalmente obtidos a partir de gráficos em termos de tensão e número de ciclos [Fig. 8.1(b)], são: limite de resistência à fadiga (sRf), resistência à fadiga (sf) e vida em fadiga (Nf). Os resultados dos ensaios podem variar devido a uma diversidade de fatores.

 

9. Ensaio de Impacto

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Ensaio de Impacto

  �O comportamento dúctil-frágil dos materiais pode ser mais amplamente caracterizado por ensaios de impacto. A carga nesses ensaios é aplicada na forma de esforços por choque

(dinâmicos), e o impacto é obtido por meio da queda de um martelo ou pêndulo, de uma altura determinada, sobre a peça a examinar. As massas utilizadas nos ensaios são intercambiáveis, possuem diferentes pesos e podem cair de alturas variáveis. Os ensaios mais conhecidos são denominados Charpy e Izod, dependendo da configuração geométrica do entalhe e do modo de fixação do corpo de prova na máquina (Fig. 9.1). O ensaio Charpy é mais popular nos Estados Unidos, e o Izod, na Europa. Como resultado do ensaio, obtémse a energia absorvida pelo material até a fratura, ou seja, a tenacidade ao impacto, além da resistência ao impacto relacionando-se a energia absorvida com a área da seção resistente. A principal aplicação desse ensaio refere-se à caracterização do comportamento dos materiais, na transição da propriedade dúctil para a frágil como função da temperatura, possibilitando a determinação da faixa de temperaturas na qual um material muda de dúctil para frágil. O ensaio de impacto é amplamente utilizado nas indústrias naval e bélica, e, em particular, nas construções que deverão suportar baixas temperaturas. Atualmente também são bastante aplicados a materiais poliméricos e cerâmicos.

 

10. Ensaio de Tenacidade à Fratura

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Ensaio de Tenacidade à Fratura

Ensaio de tenacidade à fratura  permite que se compreenda o comportamento dos materiais que contêm trincas ou outros defeitos internos de pequenas dimensões pela análise da máxima tensão que um material pode suportar na presença desses defeitos. O ensaio consiste na aplicação de uma força ou tensão de tração ou flexão em um corpo de prova confeccionado com um entalhe e uma pré-trinca obtida por fadiga, induzindo um ponto de triaxialidade ou de concentração de tensões. Graças aos resultados do ensaio na forma de curvas, conforme mostra a Fig. 10.1, é possível determinar o valor da intensidade de tensão que causa o crescimento da trinca e a consequente fratura do material. Dentre os principais parâmetros intrínsecos que exercem influência na tenacidade à fratura dos materiais — e em especial dos metais —, podem ser destacados a configuração geométrica do material estudado, as propriedades do material e o fator de intensidade de tensão (K).

 

11. Ensaios de Fabricação

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Ensaios de Fabricação

Ensaios de fabricação  avaliam características intrínsecas do material na etapa de produção.

Em geral, processos que envolvam a conformação de materiais — mais especificamente os metálicos — muitas vezes exigem o conhecimento do comportamento de determinada peça durante o processo de conformação. É comum utilizarem-se chapas ou fitas de espessura fina em processos de estampagem, ou ainda barras ou placas que devam ser dobradas ou curvadas, para dar a forma final de um determinado produto. Os ensaios de fabricação são utilizados para avaliar condições de conformação que evitarão o enrugamento ou trincas de bordas (no caso da estampagem de copos) ou geometrias de maior complexidade. São

úteis, também, para determinar as condições de esforços envolvidos entre a ferramenta de conformação e o material de trabalho (Fig. 11.1). No caso do dobramento, os ensaios de fabricação têm grande valor na determinação do retorno de curvatura, devido à elasticidade do material, permitindo obter-se valores físicos sobre o ajuste que será necessário dar ao

 

12. Ensaios Não Destrutivos

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Ensaios Não Destrutivos

  �Na indústria mecânica, em particular na aeronáutica, é muito comum a necessidade de inspecionar máquinas e peças durante o período de vida útil. Nesses casos, não será possível a destruição da peça ou do componente a ser testado, uma vez que, após inspecionado, ele deverá ser recolocado no sistema de origem. A nucleação de trincas de fadiga ou imperfeições internas em produtos acabados poderá comprometer o sucesso do componente em operação. Nesses casos particulares, o engenheiro deverá recorrer aos ensaios não destrutivos dos materiais. Esses ensaios permitem analisar a peça obtendo informações tanto quantitativas quanto qualitativas sobre a integridade de um componente mecânico, permitindo assim ao profissional encarregado garantir sua substituição antes que tal componente falhe em operação. Os en­saios não destrutivos são amplamente utilizados nos setores de manutenção e inspeção de máquinas e motores, e, dependendo do tipo de ensaio a ser aplicado, podem proporcionar baixos custos de utilização, praticidade e rapidez de ensaio. A Fig. 12.1 apresenta alguns dos tipos principais de ensaios não destrutivos utilizados industrialmente.

 

Exercícios Propostos

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E

Exercícios Propostos

JJ

EXERCÍCIO 1

Uma barra de aço foi submetida a um ensaio de tração convencional, apresentando os seguintes resultados:

Carga (N)

Alongamento — L (mm)

  14.900

0,05

  30.000

  44.200

  59.200

  74.500

  89.000

103.500

119.000

128.000

137.500

144.000

150.000

153.600

157.000

161.000

162.400

165.000

166.000

167.000

168.000

168.200

168.500

169.000

170.500

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

Dados: diâmetro do corpo de prova  19 mm comprimento de referência L0  200 mm carga máxima atingida no ensaio  201.000 N comprimento final entre as marcas de referência  218 mm diâmetro da seção estrita  16,7 mm

 

Apêndices

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A

Apêndices

Apêndice A

Parâmetros Elásticos por Vibração Mecânica

U

ma técnica de grande importância industrial e também muito utilizada para materiais cerâmicos consiste em medir a frequência natural de ressonância de uma barra de seção transversal definida, excitada mecanicamente por meio de uma batida (impacto) aplicada em um ponto específico da barra utilizando-se uma ferramenta apropriada (martelo). O corpo de prova é suportado nas linhas nodais de vibração e submetido a uma leve pancada mecânica, a qual reage com a emissão de uma resposta acústica (um som), conforme esboço da Fig. A.1.

Esse método é descrito em detalhes nas normas ASTM E1875:2000 e ASTM E1876:2001 e possui a vantagem de permitir a determinação dos parâmetros elásticos em elevadas temperaturas e temperaturas criogênicas.

Figura A.1  Esboço do sistema para determinação de constantes elásticas utilizando-se a frequência natural de ressonância.

JJ

� ROCEDIMENTOS PARA A DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS ELÁSTICOS

 

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