Relatório de Resistência dos materiais - ENSAIO DE TRAÇÃO

Relatório de Resistência dos materiais - ENSAIO DE TRAÇÃO

Universidade Federal de Itajubá

Instituto de Engenharia Mecânica

EME405 – Resistência dos Materiais I

Laboratório – Prof. José Célio

Ensaio 03 – Tração

Matrícula: 14551

Nome: Cid Henrique Otoni de Carvalho

Turma: P3

Sumário

Introdução ----------------------------------------------------------------------------------------- 2

Objetivo -------------------------------------------------------------------------------------------- 2

Desenvolvimento --------------------------------------------------------------------------------- 2

Conclusão ------------------------------------------------------------------------------------------ 10

Bibliografia ---------------------------------------------------------------------------------------- 11

Anexos --------------------------------------------------------------------------------------------- 11

I – Introdução

O ensaio de tração é considerado um dos mais importantes dos ensaios de resistência dos materiais, pois é de fácil execução e reprodução.

Esta propriedade de um determinado material de resistir à tração é de suma importância no desenvolvimento de peças e estruturas em geral. Tendo conhecimento da carga que será aplicada a estrutura e do módulo de elasticidade do material, pode-se determinar o dimensionamento correto para esta estrutura.

Neste ensaio, submete-se o corpo de prova de um determinado material a um esforço que irá provocar um alongamento ou esticamento do mesmo. Este ensaio é feito em uma máquina universal de ensaios que aplica esforços crescentes no corpo de prova, com as medidas de deformação sendo analisadas em um aparelho à parte. É importante destacar que o corpo de prova é padronizado, tornando possível a comparação entre diversos ensaios.

II – Objetivos

O ensaio de tração tem como objetivos a análise da região fraturada, caso esta ocorra, a determinação da resistência a tração do material, além da análise da curva tensão-deformação do material em estudo.

III – Desenvolvimento

III.1 - Aspectos teóricos

O ensaio de tração consiste em submeter o material a um esforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio. No ensaio de tração o corpo é deformado por alongamento, até o momento em que se rompe. 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.

A aplicação de uma força axial de tração num corpo preso produz uma deformação no corpo, isto é, um aumento no seu comprimento com diminuição da área da seção transversal. Este aumento de comprimento recebe o nome de alongamento.

Na norma brasileira, o alongamento é representado pela letra A e é calculado subtraindo-se o comprimento inicial do comprimento final e dividindo-se o resultado pelo comprimento inicial. Em linguagem matemática, esta afirmação pode ser expressa pela seguinte igualdade:

sendo que Lo representa o comprimento inicial antes do ensaio e Lf representa o comprimento final após o ensaio.

Há dois tipos de deformação, que se sucedem quando o material é submetido a uma força de tração: a elástica e a plástica.

· Deformação elástica: não é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material volta à sua forma original.

· Deformação plástica: é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material recupera a deformação elástica, mas fica com uma deformação residual plástica, não voltando mais à sua forma original.

A força de tração atua sobre a área da seção transversal do material. Tem-se assim uma relação entre essa força aplicada e a área do material que está sendo exigida, denominada tensão. Tensão (T) é a relação entre uma força (F) e uma unidade de área (S):

Diagrama tensão-deformação

Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio de tração, a máquina de ensaio fornece um gráfico que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o ensaio. Mas o que nos interessa para a determinação das propriedades do material ensaiado é a relação entre tensão e deformação. No ensaio de tração convencionou-se que a área da seção utilizada para os cálculos é a da seção inicial (So). Assim, aplicando a fórmula podemos obter os valores de tensão para montar um gráfico que mostre as relações entre tensão e deformação. Este gráfico é conhecido por diagrama tensão-deformação. Os valores de deformação, representados pela letra grega minúscula e (epsílon), são indicados no eixo das abscissas (x) e os valores de tensão são indicados no eixo das ordenadas (y). A curva resultante apresenta certas características que são comuns a diversos tipos de materiais usados na área da Mecânica.

Analisando o diagrama tensão-deformação passo a passo, podem-se conhecer cada uma das propriedades que ele permite determinar.

Limite elástico

Observando-se o diagrama a seguir, nota-se que foi marcado um ponto A no final da parte reta do gráfico. Este ponto representa o limite elástico.

O limite elástico recebe este nome porque, se o ensaio for interrompido antes deste ponto e a força de tração for retirada, o corpo volta à sua forma original, como faz um elástico. Na fase elástica os metais obedecem à lei de Hooke. Suas deformações são diretamente proporcionais às tensões aplicadas.

Módulo de elasticidade

Na fase elástica, se dividirmos a tensão pela deformação, em qualquer ponto, obteremos sempre um valor constante. Este valor constante é chamado módulo de elasticidade. A expressão matemática dessa relação é:

onde E é a constante que representa o módulo de elasticidade.

O módulo de elasticidade é a medida da rigidez do material. Quanto maior for o módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão, e mais rígido será o material. Esta propriedade é muito importante na seleção de materiais para fabricação de molas.

Limite de proporcionalidade

Porém, 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. Na prática, considera-se que o limite de proporcionalidade e o limite de elasticidade são coincidentes.

Escoamento

Terminada a fase elástica, tem início a fase plástica, na qual ocorre uma deformação permanente no material, mesmo que se retire a força de tração. No início da fase plástica ocorre um fenômeno chamado escoamento. O escoamento caracteriza-se por uma deformação permanente do material sem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade de deformação. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito próximos uns dos outros.

Limite de resistência

Após o escoamento ocorre o encruamento, que é um endurecimento causado pela quebra dos grãos que compõem o material quando deformados a frio. O material resiste cada vez mais à tração externa, exigindo uma tensão cada vez maior para se deformar.

Nessa fase, a tensão recomeça a subir, até atingir um valor máximo num ponto chamado de limite de resistência (B). Para calcular o valor do limite de resistência (LR), basta aplicar a fórmula:

Limite de ruptura

Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, que ocorre num ponto chamado limite de ruptura (C). Nota-se que a tensão no limite de ruptura é menor que no limite de resistência, devido à diminuição da área que ocorre no corpo de prova depois que se atinge a carga máxima.

Estricção

É a redução percentual da área da seção transversal do corpo de prova na região aonde vai se localizar a ruptura. A estricção determina a ductilidade do material. Quanto maior for a porcentagem de estricção, mais dúctil será o material.

Normas técnicas voltadas para ensaios de tração

Quando se trata de realizar ensaios mecânicos, as normas mais utilizadas são as referentes à especificação de materiais e ao método de ensaio. Um método descreve o correto procedimento para se efetuar um determinado ensaio mecânico. Desse modo, seguindo-se sempre o mesmo método, os resultados obtidos para um mesmo material são semelhantes e reprodutíveis onde quer que o ensaio seja executado.

Corpos de prova

O ensaio de tração é feito em corpos de prova com características especificadas de acordo com normas técnicas. Suas dimensões devem ser adequadas à capacidade da máquina de ensaio. Normalmente utilizam-se corpos de prova de seção circular ou de seção retangular, dependendo da forma e tamanho do produto acabado do qual foram retirados, como mostram as ilustrações a seguir.

A parte útil do corpo de prova, identificada no desenho anterior por Lo, é a região onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material.

As cabeças são as regiões extremas, que servem para fixar o corpo de prova à máquina de modo que a força de tração atuante seja axial. Devem ter seção maior do que a parte útil para que a ruptura do corpo de prova não ocorra nelas. Suas dimensões e formas dependem do tipo de fixação à máquina. Os tipos de fixação mais comuns são:

Entre as cabeças e a parte útil há um raio de concordância para evitar que a ruptura ocorra fora da parte útil do corpo de prova (Lo). Segundo a ABNT, o comprimento da parte útil dos corpos de prova utilizados nos ensaios de tração deve corresponder a 5 vezes o diâmetro da seção da parte útil. Por acordo internacional, sempre que possível um corpo de prova deve ter 10 mm de diâmetro e 50 mm de comprimento inicial. Não sendo possível a retirada de um corpo de prova deste tipo, deve-se adotar um corpo com dimensões proporcionais a essas. Corpos de prova com seção retangular são geralmente retirados de placas, chapas ou lâminas. Suas dimensões e tolerâncias de usinagem são normalizadas pela ISO/R377 enquanto não existir norma brasileira correspondente. A norma brasileira (NBR 6152, dez./1980) somente indica que os corpos de prova devem apresentar bom acabamento de superfície e ausência de trincas.

Em materiais soldados, podem ser retirados corpos de prova com a solda no meio ou no sentido longitudinal da solda.

Preparação do corpo de prova para o ensaio de tração

O primeiro procedimento consiste em identificar o material do corpo de prova. Corpos de prova podem ser obtidos a partir da matéria-prima ou de partes específicas do produto acabado. Depois, deve-se medir o diâmetro do corpo de prova em dois pontos no comprimento da parte útil, utilizando um micrômetro, e calcular a média. Por fim, deve-se riscar o corpo de prova, isto é, traçar as divisões no comprimento útil. Num corpo de prova de 50 mm de comprimento, as marcações devem ser feitas de 5 em 5 milímetros. Assim preparado, o corpo de prova estará pronto para ser fixado à máquina de ensaio.

Cálculo do alongamento

O alongamento elástico pode ser medido de forma direta por meio de um aparelho chamado extensômetro, que é acoplado ao corpo de prova.

Mas também pode ser determinado pela fórmula apresentada anteriormente. A primeira coisa a fazer é juntar, da melhor forma possível, as duas partes do corpo de prova.

Depois, procura-se o risco mais próximo da ruptura e conta-se a metade das divisões (n/2) para cada lado. Mede-se então o comprimento final, que corresponde à distância entre os dois extremos dessa contagem.

Este é o método para determinar o comprimento final quando a ruptura ocorre no centro da parte útil do corpo de prova.

Cálculo da estricção

A estricção é uma medida da ductilidade do material. É representada pela letra Z, e calculada pela seguinte fórmula:

onde So é a área de seção transversal inicial e Sf a área de seção final, conhecida pela medição da região fraturada.

III.2 – Ensaio

Como não foi possível obter os dados do experimento da turma P3, foi necessário o uso dos dados da turma P2.

Para se realizar o experimento, utilizou-se um corpo de prova de aço, um paquímetro e uma máquina de ensaio universal, os quais estão especificados nos anexos.

No experimento, foram feitas duas marcas a 25mm do centro. Colocou-se o corpo de prova na máquina, ajustada para a velocidade de tração de 5mm/min, e realizou-se o ensaio. Depois de realizar-se o experimento, analisou-se o gráfico tensão-deformação obtido e a fratura no corpo de prova.

Assim, pode-se construir a seguinte tabela:

Diâmetro inicial

Comprimento base

Tensão máxima

Tensão de ruptura

Deformação na ruptura

(mm)

(mm)

(MPa)

(MPa)

(mm)

5,98

80

463,3

294,9

12,6

Área

Deformação máxima

Deformação específica

Diâmetro na ruptura

Estricção

(mm²)

(mm)

(%)

(mm)

(%)

27,5

8,1

6,25

3,18

22,2

Cálculos:

Deformação específica (esp):

esp = [(f - 0)/ 0] x 100

esp = [(88,1 –80)/80] x 100

esp = 10,13%

Onde: 0 é o diâmetro inicial

f é o diâmetro final

Estricção:

Estricção = [(Af – A0)/ A0] x 100

Estricção = [(7,94 – 28,08)/28,08] x 100

Estricção = 71,7%

Onde: Af é a área final

A0 é a área inicial

IV – Conclusão

Por meio da análise do gráfico tensão-deformação obtido no ensaio, percebe-se que não houve escoamento definido. Podem também ser observados quatro pontos de instabilidade na região elástica, provenientes do escorregamento do corpo de prova na fixação.

A superfície de fratura é do tipo taça-cone, com aparência fibrosa, o que caracteriza um material dúctil.

Outros dois fatores que classificam o material são a deformação específica e a estricção do material; a deformação específica e a estricção encontradas caracterizam um material dúctil.

O ensaio se mostrou bastante prático e funcional, permitindo a correta análise e conhecimento das propriedades do material do corpo de prova utilizado, mesmo considerando que a peça não apresentava boa usinagem.

V – Bibliografia

BEER, F. P. & JOHNSTON, E. R., (1995), Resistência dos Materiais, MAKRON Books, 3ª Ed, pp. 64–84.

VI – Anexos

Equipamentos e materiais utilizados:

  • Máquina universal de ensaios EMIC com capacidade de carga de 30 KN;

  • Paquímetro – Mitutoyo, precisão 0,02 mm;

  • 1 corpo de prova de aço ABNT 1010.

Dimensões do corpo de prova (mm):

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