Relat-rio de Tra--o - EME405

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Universidade Federal de Itajubá IEM - Instituto de Engenharia Mecânica EME 405 – Resistência dos Materiais I LEN – Laboratório de Ensaios Destrutivos e Não Destrutivos

Ensaio de tração Laboratório de Ensaios Destrutivos e Não-Destrutivos

Raphael Marinho Lomonaco Neto – 15883 Engenharia Mecânica 1

1. Introdução Diante da necessidade do homem de buscar explicações para muitas das questões técnicas que este enfrentava ao logo do seu crescimento, foram criadas máquinas e operações de testes, dentre eles o teste de tração. Neste relatório, serão apresentados discussões e resultados apresentados em um teste de tração realizado com objetivos acadêmicos. Juntamente da apresentação, estão afixadas imagens que visam ilustrar muitos dos comentários e resultados discutidos.

2. Objetivo O ensaio de tração tem como objetivo o estudo da resistência de um determinado material e a análise do seu comportamento quando submetido à tração. Esse estudo complementa a análise exigida em grande parte das empresas metalmetalúrgicas, assim como a qualificação de um material perante a exigência de empresas e projetos.

3. Desenvolvimento Teórico O teste de tração como ensaio mecânico, pode ser considerado como um dos melhores ensaios visando a relação custo-benefício uma vez que o seu custo efetivo, tomadas as devidas condições e exigências, pode ser muito menor que outros ensaios de mesmo cunho. Um laboratório dotado de uma máquina de ensaio de tração, pode cobrar valores muito aceitáveis frente as exigências financeiras do setor, quando o ensaio se resumir a algumas considerações essenciais, de baixa complexidade. O cliente que exigir maiores informações e, portanto, maior dedicação, deverá arcar com o ônus da sua exigência, sabendo que os dados e resultados finais ainda serão financeiramente mais atrativos que outros testes similares. O ensaio de tração consiste basicamente em tracionar um corpo de prova denominado como CP, a uma velocidade constante, até a ruptura. Existem diversos tipos de corpos de prova utilizados na prática, porém todos atendem aos requisitos estabelecidos pela ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas e as suas NB – Normas Brasileiras. Durante o ensaio, é possível realizar diversas medições que caracterizam o material ensaiado. Os parâmetros utilizados e resultados obtidos podem ser encontrados com maior detalhamento no Anexo I deste documento. Nesta seção, serão ainda apresentados alguns dos parâmetros utilizados e sua descrição teórica, de modo a objetivar o enfoque prático deste ensaio.

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Parâmetros elásticos e de escoamento De modo geral, são parâmetros inconclusivos para medições e conclusões na região plástica do material ensaiado. Porém, são de suma importância nos cálculos de tensões e dimensionamento de cargas. Nesta ciência, são encontrados sob a forma de valores de engenharia e valores reais. Contudo, neste caso, os valores de engenharia e os valores reais são numericamente muito próximos, pois os valores de deformação encontrados são da ordem de 0,2%

Módulo de elasticidade (E): Também conhecido como Módulo de Young devido ao físico e médico Thomas Young (1773-1829). Parâmetro que indica a rigidez do material e é inversamente proporcional à temperatura. Pouco dependente de pequenas variações na composição química de elementos cristalinos, como, por exemplo, na composição de aços e ligas. Segundo a expressão simplificada da lei de Hooke, o módulo de elasticidade pode ser expresso como:

E=

ఙ ఢ

onde ߪ é a tensão na qual se obtém a deformação real. Esta deformação pode ser medida por meio de extensômeros para evitar que a deformação do sistema de testes altere os valores do módulo de elasticidade medidos, garantindo precisão e segurança durante o ensaio.

Módulo de Elasticidade Transversal (G): Corresponde à rigidez do material quando submetido a um carregamento de cisalhamento, expresso como:

G=

ఛ ఊ

Onde ߬ e ߛ é as tensão e a respectiva deformação cisalhante sofrida pelo corpo de prova. Se um material sofre um esforço de cisalhamento puro, na região elástica, o ângulo de distorção e a tensão τ são proporcionais.

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Coeficiente de Poisson (ν): Representado pela letra grega ν (ni), o coeficiente de Poisson é a razão entre a deformação específica lateral e longitudinal sendo, para a maior parte dos materiais, em torno de 0,3. ν=

െ

ఌమ ఌభ

Sendo ε2 a deformação específica lateral e ε1 a deformação específica longitudinal. De modo geral e explicativo temos:

Limite de escoamento Principal parâmetro quando no projeto estrutural de uma peça, o limite de escoamento, também conhecido como tensão de escoamento é um dos dados principais obtidos no ensaio de tração. O limite de escoamento define em um projeto fatores de suam importância para os bons resultados e a segurança do dispositivo ou máquina. Os materiais podem ser divididos em dois grandes grupos segundo suas características intrínsecas à tensão de escoamento: os materiais dúcteis e os materiais frágeis. Os materiais dúcteis são aqueles que na curva Tensão x Deformação, apresentam patamar de escoamento, que dá início à fase plástica do material. Quando estes materiais sofrem tensão superior à tensão de escoamento, sofrem deformação plástica, gerando deformação residual. Melhores conclusões podem ser geradas pela observação do gráfico abaixo:

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Diagrama tensão-deformação para uma liga típica de alumínio – de modo geral, aproximação para materiais dúcteis

1. Tensão máxima de tração 2. Limite de escoamento 3. Tensão limite de proporcionalidade 4. Ruptura 5. Deformação residual (tipicamente 0,002).

O outro grupo é o de materiais frágeis. Estes materiais não apresentam patamar de escoamento, de modo que no ensaio de tração ,a sua fratura, ou ruptura, ocorre instantes após a tensão máxima de tração. Não há escoamento puro e, conseqüentemente, não há escoamento residual. O gráfico abaixo pode exemplificar a teoria:

Diagrama tensão-deformação para um material frágil 1. Tensão máxima de tração 2. Ruptura.

Alguns materiais dúcteis ainda se expressam sob dois modos diferentes materiais que apresentam ponto descontínuo na curva Tensão - Deformação e materiais que apresentam escoamento contínuo (mudam do comportamento elástico para o plástico continuamente).

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No segundo caso, quando é mais difícil determinar o limite exato de escoamento, as normas de execução dos ensaios sugerem defini-lo como sendo a tensão para gerar uma deformação entre e=0,2% e e=0,5%. Em ambos os casos, a deformação elástica do CP é praticamente desprezível e a área real do material é aproximadamente igual à sua área inicial (‫ܣ‬௬௦ » ‫ܣ‬଴ ), o que leva à definição de limite de escoamento como sendo igual ao expresso como abaixo: ߪఊ௦ ሺൌ ‫ܧܮ‬ሻ ൌ

‫ܨ‬ఊ௦ ‫ܨ‬௬௦ ؆ ‫ܣ‬ఊ௦ ‫ܣ‬଴

onde Fys é a força exercida pelo sistema de testes sobre o CP de área inicial ‫ܣ‬଴ .

4. Desenvolvimento Experimental Para a realização deste ensaio mecânico de teste de tração foram utilizados os seguintes materiais:

• Máquina universal de ensaios EMIC, com capacidade 30KN de força, com certificado de aferição recente • Computador responsável pelo monitoramento dos dados coletados pela máquina universal • Corpo de prova: aço de baixo teor de carbono, usinado, não polido Para a realização deste experimento o corpo de prova utilizado sofreu processo de usinagem, porém não sofreu polimento. Ambos os processos mecânicos são recomendados como parte integrante da norma de modo a eliminar as imperfeições superficiais da peça. Tais ações corretivas são de grande importância para a veracidade e qualidade dos resultados.

Exemplo de corpo de prova como o utilizado nesta descrição de ensaio.

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A máquina universal EMIC foi configurada de modo a tracionar o material a uma velocidade constante de 10 mm por min. Com a preparação concluída, o corpo de prova foi preso às garras da máquina universal em ambos os lados. Como resultado da aplicação de força inicial da máquina no material, foi desprezada uma curva inicial no gráfico resultante do ensaio. Conforme a aplicação de tensão, o material do corpo de prova entra na sua região de deformação elástica. Durante o período que segue, nota-se aumento da temperatura na região próxima ao local que sofre estricção. Passada a região de escoamento, facilmente identificada no gráfico pelo patamar quase retilíneo, o material entra na sua fase plástica. Toda e qualquer força aplicada a partir desse ponto vai gerar deformação residual em materiais dúcteis. A estricção do corpo de prova em sua região central é notável. Logo em seguida, é aplicada a força máxima de tração e em poucos instantes o material se rompe exatamente na região que sofreu estricção. Certa análise pode verificar que o material sofreu fratura do tipo taça-cone, resposta de ruptura típica de materiais dúcteis. Uma análise mais cuidadosa e aproximada identifica que o tipo de fratura é a transgranular, caracterísitica também observada em materiais dúcteis. Uma prova clara é a impressão fosca percebida no plano de fratura do material. Materiais frágeis sofrem fraturas intergranulares, dando aspecto brilhante ao plano de ruptura do corpo de prova. Esses materiais também têm como características, serem sensíveis à tensões aplicadas ortogonalmente ao eixo uniaxial do corpo de prova – tensões normais. O software utilizado pela máquina universal é interessante pois corrige automaticamente a curva obtida pelo método das retas tangentes, eliminado a fase inicial de força aplicada – conforme descrição acima – além de eliminar trechos infinitesimais que gerariam erros nos dados devido às imperfeições internas do material, como inclusões, falhas, vazios intersticiais e bolhas. A seguir alguns dados obtidos pelo teste. • • • • • •

Deformação de ruptura: 11,8 mm Tensão de Ruptura: 272,0 MPa Deformação máxima: 7,5 mm Tensão máxima: 440,2 MPa alongamento máximo: 203 micros alongamento de ruptura: 319 micros

Neste ponto segue também um exemplo do gráfico obtido neste experimento. O gráfico correspondente a este ensaio assim como maiores detalhamentos, podem ser conferidos no Anexo I deste documento.

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Diagrama tensão-deformação obtido através de um ensaio de tração – gráfico geral

1. Tensão Máxima de Tração 2. Tensão de Escoamento 3. Tensão de Ruptura 4. Região de Encruamento 5. Região de "Empescoçamento"

5. Conclusões O ensaio realizado nos permite de forma clara, identificar e conhecer as propriedades dos materiais dúcteis. O ensaio obteve sucesso e demonstrou de forma objetiva e didática a ruptura de um material de prova comumente encontrado em diversas áreas do setor mecânico. Não foram identificadas possíveis fontes de erros nos dados em virtude do bom resultado obtido.

6. Referências Bibliográficas Na redação deste documento foram utilizadas as seguintes fontes bibliográficas: - http://cursos.unisanta.br/mecanica/ciclo8/Capitulo1-parte2.pdf - http://pt.wikipedia.org/wiki/Ensaio_de_tra%C3%A7%C3%A3o - E Russell Johnston Jr. - Ferdinand Pierre Beer - Resistência dos Materiais – Ed. Makron

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7. Anexo

Imagem das características e resultados do ensaio mecânico de teste de tração, obtida através do software acoplado à maquina universal EMIC do laboratório de Ensaios Destrutivos e Não Destrutivos da Universidade Federal de Itajubá

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