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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA DISCIPLINA: MMA – GEM23 PROFESSOR: Sônia Goulart de Oliveira

Nomes:
Antônio Ricardo Zaiden
Luis Paulo Pettersen

Trabalho 1 – Ensaios Mecânicos de Metais Bruno Alexandre Roque Guilherme Augusto de Oliveira Uberlândia, 2 de Abril de 2010

Sumário Página Resumo 02 1. Introdução 03 2. Desenvolvimento Teórico 03 2.1. Ensaio de Tração 04 2.1.1. Diagrama Tensão-Deformação 05 2.1.2. Materiais Dúcteis e Frágeis 10 2.1.3. Corpos de prova utilizados para o ensaio de tração 12 2.1.4. Medição da Deformação Total - Alongamento 15 2.1.5. Equipamento para o ensaio de tração 16 2.1.6. Fontes de erro na geração da curva tensão-deformação 18 2.1.7. Fixação do Corpo de Prova 20 2.1.8. Outras Propriedades obtidas no Ensaio de Tração 21 2.2. Ensaio de Compressão 23 2.3. Ensaio de Torção 27 2.4. Ensaios de Dureza 30 2.4.1. Dureza Brinell 30 2.4.2. Dureza Rockwell 34 2.4.3. Dureza Vickers 37 2.5. Ensaio de Impacto 39 2.5.1. Ensaio Charpy 40 2.5.2 Ensaio Izod 41 2.6. Ensaio de Tenacidade à Fratura 42 2.7. Ensaio de Fadiga 46 2.7.1. Características do Ensaio de Fadiga 47 2.8. Ensaio de Fluência 49 2.8.1. Tipos de Ensaios de Fluência 51 3. Conclusão 52 Bibliografia 53

Resumo

Com uma indústria moderna cada vez mais competitiva, o conhecimento das matérias primas tornou-se um fator de grande relevância para os projetos mecânicos. Usar o material adequado para a fabricação de um componente, garante não apenas que o mesmo estará dimensionado e não falhará, mas também que o projeto poderá ser realizado utilizando-se um material que proporciona reduções de custos para a fabricação, tornando o item mais competitivo no mercado. Este trabalho propõe um estudo dos principais ensaios mecânicos, (Tração, Compressão, Torção, Dureza, Impacto, Fadiga, Fluência e Tenacidade à fratura). Para cada um destes ensaios, explicitaram-se os objetivos, normas, aparelhos e formas de execução de cada ensaio. O uso de figuras, sobretudo tiradas do portal (http://w.cimm.com.br), das apostilas do Telecurso 2000, facilitaram muito no entendimento e demonstração dos parâmetros envolvidos em cada experimento.

1. Introdução

Em um projeto de engenharia, seja ele de grande ou pequeno porte, é de suma importância o conhecimento do comportamento do material empregado no projeto, isto é, suas propriedades mecânicas, em diversas condições de uso. Estas condições de uso envolvem uma gama de variáveis, tais como a temperatura, tipo de carga aplicada e sua freqüência de aplicação, desgaste, deformabilidade, atmosfera corrosiva, entre outros.

Para que o engenheiro projetista possa ter êxito em seu trabalho, é imprescindível que o mesmo tenha em mãos os parâmetros de comportamento dos materiais empregados no projeto. Tais parâmetros podem ser obtidos pelos ensaios mecânicos. Apesar de existirem tabelas com os valores de propriedades dos materiais utilizados na engenharia, é importante que os engenheiros tenham conhecimento da metodologia da execução dos ensaios, bem como o que significa cada parâmetro.

Portanto, devem-se conhecer os fundamentos básicos relativos a cada ensaio mecânico.

Com este objetivo, serão descritos nessa seção, os ensaios mecânicos mais relevantes para os materiais empregados na engenharia mecânica, são os ensaios de: Tração, Compressão, Torção, Dureza, Impacto, Fadiga, Fluência e Tenacidade à fratura.

2. Desenvolvimento Teórico

Será feita uma breve discussão acerca da classificação dos tipos de ensaios mecânicos. Os ensaios mecânicos podem ser agrupados em dois blocos:

• Ensaios Destrutivos; • Ensaios Mecânicos Não-Destrutivos

Os ensaios destrutivos são entendidos como aqueles que deixam algum sinal na peça ou no corpo de prova submetido ao mesmo, ainda que estes não fiquem inutilizados. Pode-se citar como ensaios destrutivos os seguintes:

• Ensaio de tração • Ensaio de compressão

• Ensaio de cisalhamento

• Ensaio de dobramento

• Ensaio de flexão

• Ensaio de embutimento

• Ensaio de torção

• Ensaio de dureza

• Ensaio de fluência

• Ensaio de fadiga

• Ensaio de impacto

Os ensaios não destrutivos são entendidos como aqueles que após serem realizados, ao contrário dos destrutivos, não deixam nenhuma marca ou sinal na peça ou corpo de trabalho, portanto não inutilizando-os. Por este fato, estes ensaios são utilizados para a detecção de falhas em produtos acabados e semi acabados. São exemplos de ensaios não destrutivos os seguintes ensaios listados abaixo:

• Ensaio visual • Ensaio de líquido penetrante

• Ensaio de partículas magnéticas

• Ensaio de ultra-som

• Ensaio de radiografia industrial

A seguir, serão descritos os ensaios de: Tração, Compressão, Torção, Dureza, Impacto,

Fadiga, Fluência e Tenacidade à fratura, descrevendo quais são os objetivos principais de cada ensaio, como são executados, as principais normas e propriedades fornecidas por cada um, bem como as normas mais usadas na execução de cada um.

2.1. Ensaio de Tração

O texto a seguir foi elaborado através da consulta do portal eletrônico w.cimm.com.br e apostilas do Telecurso 2000, sobre ensaios mecânicos. No ensaio de tração, submete-se a um corpo de prova, um esforço, que tende a alongá-lo, ou até mesmo esticá-lo até a sua ruptura. Os esforços ou cargas aplicadas ao mesmo são medidas na própria máquina de ensaio. Geralmente, este ensaio é realizado utilizando-se um corpo de prova de formas e dimensões padronizadas, para que os resultados que forem obtidos possam ser comparados, ou, dependendo da finalidade do ensaio, tais informações podem ser usadas tecnicamente.

Os ensaios de tração permitem conhecer como os materiais reagem aos esforços de tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento se rompe. Como já citou-se anteriormente, quando são submetidos a campos de forças e/ou momentos, os metais deformam-se. A intensidade e o tipo de deformação sofrido pelo metal são funções da resistência mecânica do metal, da intensidade das forças e momentos aplicados, do caminho da deformação, etc.

As deformações resultantes dos campos de força podem ser classificadas em dois tipos:

• Deformação elástica – é aquela em que removidos os esforços atuando sobre o corpo, ele volta a sua forma original • Deformação plástica – é aquela em que removidos os esforços, não há recuperação da forma original.

Os dois tipos de deformação podem ser explicados pelos movimentos atômicos na estrutura cristalina do material. Cada átomo do cristal vibra em torno de uma posição de equilíbrio, característica do tipo de rede cristalina do metal, sendo seu núcleo atraído pelas eletrosferas dos átomos vizinhos e repelido pelos núcleos dos mesmos, como se estivessem em um poço de energia. Sob a ação de esforços externos, os átomos tendem a se deslocar de sua posição de equilíbrio.

A deformação plástica envolve a quebra de um número limitado de ligações atômicas pelo movimento de discordâncias. Depois de removidos os esforços, continua a existir um deslocamento diferenciado de uma parte do corpo em relação a outra, ou seja, o corpo não recupera sua forma original. A deformação plástica é resultante do mecanismo de formação de defeitos cristalinos (discordâncias e maclas), permanecendo constante o parâmetro de rede. Logo, a deformação plástica ocorre com o volume constante.

Para avaliar a deformação em função da tensão aplicada ao corpo de prova, levanta-se a curva denominada diagrama tensão-deformação.

2.1.1. Diagrama Tensão-Deformação

Como já foi citado anteriormente, durante o ensaio de tração, a máquina de ensaio fornece um gráfico, que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o desenvolvimento do ensaio. Mas o objetivo principal do ensaio é a relação entre a tensão e a deformação do material.

A tensão é dada pela razão entra força aplicada, denominada F, e a área da seção do corpo de prova, denominada S.

Como a seção é variável com a deformação do corpo de prova, convencionou-se que a área da seção utilizada para os cálculos é a área da seção inicial do corpo de prova, denominada So. A curva obtida neste ensaio apresenta certas características que são comuns a vários tipos de materiais com aplicação na engenharia mecânica.

Figura 1 – Diagrama tensão-deformação para um material com fase plástica (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.3)

A seguir, serão mostrados alguns limites de resistência que podem ser obtidos pelo ensaio de tração. No diagrama abaixo, o ponto A, no final da reta, representa o limite elástico.

Figura 2 – Representação do limite elástico (Telecurso 2000, Ensaio de Materiais, Cap. 03, pág.4)

Caso o ensaio for interrompido antes do ponto elástico e a força de tração for retirada do corpo de prova, o mesmo volta a sua forma original, como se fosse um “elástico de borracha”, numa analogia simples. Na fase elástica, todos os metais seguem a lei de Hooke, sendo a variação tensão-deformação linear. Tal lei fora formulada por Robert Hooke, no século XVII. Hooke observou que uma mola tem sempre uma deformação, designada ε, proporcional á tensão aplicada T, desenvolvendo-se desta forma a constante da mola, designada K, desta forma, tem-se a seguinte relação:

K = T/ ε

Fazendo a analogia da lei de Hooke para o ensaio de tração, durante a fase elástica, a divisão da tensão pela deformação, em qualquer ponto, é um valor constante, denominado módulo de elasticidade E. O módulo de elasticidade mensura a rigidez do material à tração. Quanto maior for o valor de E, menores serão as deformações elásticas resultantes da aplicação de carga, sendo mais rígido o material. O módulo de elasticidade é dado pela seguinte relação matemática:

E = T/ ε(2)

Limite de Proporcionalidade

A lei de Hooke só vale até um determinado valor de tensão, denominado limite de proporcionalidade, que é o ponto representado no gráfico a seguir por A’, a partir do qual a deformação deixa de ser proporcional à carga aplicada. Muitas vezes, considera-se que o limite de proporcionalidade coincide com o limite de elasticidade.

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