Ensaio de tração

Ensaio de tração

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CURSO DE ENGENHARIA E CONTROLE DE AUTOMAÇÃO

ENSAIO DE TRAÇÃO

Bauru – SP

Abril 2011

Colaboradores

Adriano Cesar Mazotti A62018-4

Ary Sergio Recuche A2957G-0

Carla Cristina dos Santos A2945C-7

Danielle Cristina da Silva Pires Correa A1412A-8

José Leonardo Gonçalves A011056

José Roberto Antunes A62226-8

Leandro Rodrigo De Oliveira A28EDF-2

Lucas Pimentel Gobbo 348495-5

ENSAIO DE TRAÇÃO

Trabalho Técnico de Laboratório de Ciência dos Materiais da Turma do 3° Ano de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Paulista – UNIP

Professor Marcelo Migliatti

Bauru – SP

Abril 2011

RESUMO

SUMÁRIO

1. Objetivo 5

2. Intodução 6

3. Materiais e Métodos 7

4. Estudo das Propriedades do Ensaio de Tração 10

4.1. Região de comportamento Elástico 10

4.2. Região de comportamento Plástico 12

4.2.1. Ductilidade 12

4.2.2. Estricção 13

4.2.3. Encruamento 14

4.2.4. Módulo de tenacidade 14

4.3. Região de escoamento (parâmetro de resistência) 14

4.4. Ponto de Ruptura Total 16

5. Conclusão 17

6. Referência Bibliográfica 19

7. Lista de Figuras 20

8. Lista de Siglas 20

  1. Introdução

No ensaio de tração observamos o comportamento do material empregado ao ensaio quando submetido à ação de uma carga uniaxial em um corpo de forma específica até a sua ruptura.

Na realização do ensaio obtivemos um gráfico, tensão-deformação, onde é possível analisar o comportamento do material ao longo do ensaio.

O ensaio de tração depende basicamente da máquina utilizada no qual se realizará o experimento, nesse caso utilizamos a máquina de Ensaio Universal DL-5000/10000, que além de realizar ensaios de tração, realiza ensaios de compressão, flexão, cisalhamento, embutimento metalográfico dobramento etc.

  1. Objetivo

O ensaio de tração tem como função de auxiliar no estudo da resistência do material empregado no experimento, nos fornecendo dados que permitiram melhor analise do material utilizado no experimento, como: limite de resistência tração (u), limite de escoamento (e), módulo de elasticidade (ε), módulo de resistência , módulo de tenacidade (Ut), ductilidade, coeficiente de encruamento (n) e coeficiente de resistência (k).

O ensaio consiste em tracionar um corpo de prova cilíndrico, no caso de, 160 mm de comprimento e 8mm de diâmetro até o seu rompimento total. Esse ensaio nos ajudará a coletar dados que nos permitirá analisar as informações importantes de características e especificações do material.

  1. Materiais e Métodos

O material que nós utilizamos para este experimento foi aço carbono SAE 1020, com comprimento de 160 mm e diâmetro de 8 mm.

Este material é um tipo de aço muito utilizado no mercado, tanto na área de construção civil na forma de vergalhão, como na área de aplicações mecânica onde também apresenta diversas utilidades. Isto porque este tipo de aço apresenta baixo teor de carbono, possibilitando uma alta tenacidade e fácil usinabilidade.

Outro fator que o coloca entre os aços mais utilizados da atualidade é seu preço, bastante inferior aos outros tipos de aços, que o torna muito atrativo, explicando sua usinabilidade tão variada.

Sua nomenclatura estrutural pode ser observada na tabela abaixo.

Material

Teor de Carbono %

Limite de Elasticidade Fel (GPa)

Limite de Escoamento Fy (Mpa)

Limite de resistência à Tração Fem (MPa)

Alongamento %

SAE 1020

0,20

170

210

380

25

Para realização deste experimento foi utilizada a máquina universal de ensaios DL – Digital Line, da marca EMIC que atende a necessidade de ensaios de 5000 / 10000 Kgf. Esta máquina pode ser utilizada em diversos tipos de materiais, os principais são: metais e ligas, polímeros, cerâmicas, compósitos, Biomateriais e materiais avançados.

Esta máquina é projetada para trabalhos sobre uma bancada, os ensaios são feitos na sua parte inferior, permitindo um fácil manuseio. O sistema eletromecânico é acionado através de fusos de esferas recirculantes, colunas guias e serno de controle. É controlado por um software de ensaios (Tesc 3.1 – EMIC), instalado em um microcomputador.

Esta máquina possui um amplo leque de ensaios destrutivos, tais como, tração, compressão, flexão, dobramento, cisalhamento, deslocamento, adesão, flambagem, penetração, extração, delaminação, coeficiente de atrito.

A seguir, podemos observar as características técnicas desta máquina:

  • Capacidade: de 10000 Kgf em ambos sentidos (tração ou compressão).

  • Acionamento: eletromecânico por motor de velocidade variável e fuso de esfera.

  • Faixa de velocidades: 0,02 a 500 mm/min.

  • Faixa de abertura (sem garras): de 220 a 1200 mm.

  • Largura útil entre as colunas: 400 mm.

  • Transdutores de medição de força: Célula de carga de strain gages.

  • Transdutores de medição de deformação: Extensômetros de strain gages, potenciométricos ou outros.

  • Transdutores de medição de deslocamento: embutido na máquina.

  • Faixa de medição de carga recomendável para células de carga: 50:1 de capacidade de célula.

  • Interface com o operador: através de um pequeno teclado para operações simples (figura abaixo), e de um microcomputador para medição e execução de ensaios.

  • Comunicação com o microcomputador: através de um canal serial padrão RS-232.

  • Peso aproximado; 400 kgf.

Figura 1: Teclado da máquina, obtida no manual de instalação da linha DL – EMIC

Figura 2: Máquina Universal de Ensaio - EMIC

Figura3: Material Utilizado no Ensaio

  1. Estudo das Propriedades do Ensaio de Tração

O ensaio de tração é um experimento que consegue extrair alguns dados importantes de diversos materiais, por ser estritamente empírico o que existe sobre os ensaios de tração é um gráfico, bastante peculiar, que pode explicar o comportamento de ensaio de vários tipos de materiais. A figura a seguir mostra um gráfico de ensaio de tração bastante comum, os pontos de maior importância são apresentados a seguir e explicados em breve.

Figura 4: Gráfico Tensão-Deformação

0A – região de comportamento Elástico

AB – região de deslizamento de discordância (ou escoamento)

BU – região de encruamento uniforme

UF – região de encruamento não uniforme

4.1. Região de comportamento Elástico

O comportamento elástico de um material é uma propriedade mecânica que caracteriza a capacidade do mesmo de retornar as suas dimensões e formas inicias após ser submetido a forças externas. Essa propriedade antecede a deformação plástica.

O módulo de deformação plástica é determinado por vários fatores.

A intensidade das forças internas de atração entre os átomos do material, sendo que quanto maior for essa intensidade maior será também o módulo da sua intensidade.

• Do arranjo dos átomos do material, sendo que os materiais que possuem uma estrutura cristalina - arranjo repetitivo de átomos - possuem um modulo de elasticidade maior que os materiais de estrutura amorfa, que é o arranjo de átomos sem nenhuma regularidade.

Figura 5: Estrutura Cristalina

Figura 6: Estrutura Amorfa

• Da temperatura, pois “o modulo de elasticidade de todos os materiais decresce com o aumento da temperatura.” (Van Vlack, 1970).

• Direção cristalina, visto que “os materiais não são isotrópicos em relação ao módulo de elasticidade, pois este varia com a orientação cristalina.” (Van Vlack, 1970).

Forças externas

Um material pode ser submetido a tensões de tração, compressão ou cisalhamento, sendo que esta ultima, segundo Van Vlack é o tipo de tensão a que os materiais menos resistem e as tensões de tração e compressão podem ser decompostas em componentes de cisalhamento.

A tensão de cisalhamento causa um escorregamento de um plano cristalino em relação a outro plano e esse escorregamento causa um deslocamento permanente na estrutura cristalina, conforme ilustração abaixo.

Figura 7: Deslocamento de átomos em função da tensão de cisalhamento

Esse escorregamento dos planos atômicos da estrutura cristalina ocorre devido ao movimento de discordância, que são as “imperfeições” na estrutura cristalina. Essas discordâncias podem ser intrínsecas, ou seja, são características próprias do próprio material, ou extrínsecas, quando se adiciona intencionalmente ao material essas discordâncias com o objetivo de melhorar as suas propriedades.

4.2. Região de comportamento Plástico

Deformação plástica é a deformação permanente provocada por tensão igual ou superior à resistência associada ao limite de proporcionalidade. É o resultado do decorrente deslocamento permanente dos átomos que compõe e que constituem o material em análise, diferindo e determinando, a deformação elástica, em que os átomos conservam as suas posições relativas. A deformação plástica modifica a cadeia molecular interna do metal, tornando mais difícil o escorregamento interior e aumentando a sua dureza do metal. Esse aumento na dureza por deformação plástica é denominado endurecimento por deformação a frio ou encruamento e é acompanhado de elevação do valor da resistência e redução da ductilidade do metal.

4.2.1. Ductilidade

É a máxima deformação que um material pode suportar até que ele se rompa (quebre), e ao momento que é aplicado a tensão e que o material vai se deformando transformando este em um material dúctil. Quando o material se rompe sem sofrer deformação é considerado um material frágil. 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.

Figura 8: Demonstração do alongamento do corpo de prova

O alongamento do corpo de prova de calculo pela seguinte formula:

A = () /

Onde:

- é o comprimento inicial

- é o comprimento final.

É efetuado o calculo e chegado ao alongamento.

No experimento realizado o alongamento foi a seguinte:

A = (172 – 160) / 160

A = 0, 075 mm/mm

O que indica que o material sofreu uma deformação de 0, 075 mm por 1 mm do comprimento do material em teste.

4.2.2. Estricção

Estricção do material e quando o material começa a adquirir um formato de um fio que se parece, e que pode variar de um material para outro dependendo da sua estrutura molecular, e que medida através de calculo matemático envolvendo as suas dimensões (diâmetro e comprimento), se calcula o quanto o material se deformou. A estricção também é uma medida da ductilidade do material. É representada pela letra Z, e calculada pela seguinte fórmula.

Z = () /

Onde:

- é a área de seção transversal inicial

- a área de seção final, conhecida pela medição da região fraturada.

4.2.3. Encruamento

Conforme o material em teste vai se deformando vai também alterando a sua cadeia molécula ou estrutura se definindo por ser o endurecimento do material pela sua deformação plástica. Interagindo com varias forças que influenciam em suas deformações plásticas interferindo diretamente, e que levam ao aumento da força para conseguirem a sua deformação. Tendo assim que o encruamento é o endurecimento por deformação plástica.

Também denominado Limite de Resistência, o endurecimento do material causado pela quebra dos grãos que o compõem quando deformados a frio. O material resiste cada vez mais à tração externa, exigindo uma tensão cada vez maior para se deformar. Materiais encruados, que sofreram quebra dos grãos que compõem sua estrutura, tendem a apresentar maior temperatura de transição.

4.2.4. Módulo de tenacidade

Tenacidade é a capacidade do material em absorver energia no intervalo de sua deformação plástica, retira-se uma unidade de volume do material que esta sob uma força de tração linear, que até que chegue à sua linha de ruptura que conseqüentemente aumenta a força gradativamente, definindo assim o módulo de ruptura. Então se calcula a área da curva que se formou até a sua ruptura, e conclui-se o módulo de tenacidade. As dimensões do corpo de prova, a forma e o tamanho do entalhe usado determinam um dado estado de tensões que não se distribuem de modo uniforme por todo o corpo de prova, no ensaio. Por isso, esse ensaio não fornece um valor quantitativo da tenacidade do metal

4.3. Região de escoamento (parâmetro de resistência)

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.

Temos duas maneiras de representar o limite de escoamento o Contínuo e o Descontínuo.

  • Contínuo:

Realiza carregamentos e descarregamentos, adotando uma tensão correspondente a uma deformação permanente igual a uma porcentagem da base do extensômetro.

  • Descontínuo:

Verifica a composição dos matérias, se tem um bom acabamento superficial, bom alinhamento e maiores velocidade para deformar seu material.

Observação dos dados Coletados:

Gráfico coletado no experimento explicando onde esta havendo a tensão de escoamento:

Figura 9: Gráfico tensão-deformação (Laboratório)

4.4. Ponto de Ruptura Total

Antes de acontecer, a ruptura é precedida por alguns estágios, esses estágios são na verdade a reacomodação das moléculas do material a ser ensaiado. Ao passo em que a tensão mecânica aumenta o comprimento da amostra varia e as moléculas se reajustam, pois as forças de ligação moleculares ainda são mais fortes que a tração aplicada, no momento que a quantidade de material, e consequentemente a quantidade de ligações moleculares, for insuficiente para suportar essa tração daí, ocorrera o rompimento. A figura abaixo mostra as etapas que precedem a ruptura e a ruptura propriamente dita.

1 2 3 4 5

Figura 10: Demonstração de Ruptura Total

Onde:

  1. formação de região aparentemente estrangulada.

  2. formação de cavidade internas.

  3. formação de trincos ou fissuras que podem até ser externas.

  4. um trinco é formado no material.

  5. ruptura.

Figura 11: Ruptura do Material (Laboratório)

5. Conclusão

Com a ampliação do gráfico obtido com o ensaio de tração realizado em laboratório, que nos permite observar com mais facilidade cada área característica que o material apresentou, podemos notar quatro áreas com comportamentos distintos. O primeiro comportamento do material observado foi o elástico, que apresentou uma curva de limite linear elástico bem definido. Em seguida, observamos a área de comportamento plástico/escoamento, conhecido também como pescoçamento, mas essa área não é muito visível no gráfico experimental como no gráfico teórico, mas podemos considerar como um erro que o gráfico apresenta, talvez por alguma possível folga que a máquina pode apresentar, devido a sua calibração ser feita anualmente; pela diminuição da curva para que o gráfico fique mais visível no programa utilizado e ou até mesmo algum erro durante o ensaio. A área de comportamento plástico, é onde o material passa a se deformar, nesta etapa se observa a redução rápida do diâmetro do corpo de prova. E por último, observamos o momento de sua ruptura total, se o ângulo no momento da fratura apresentar 45º, com esperado dos materiais dúcteis, pode-se considerar a fratura como dúctil.

Figura12: Ampliação do gráfico tensão-deformação obtido no ensaio laboratorial com a legenda de cada área observada.

O ensaio de tração apresentou a curva esperada, seguida da fratura, como se tratava de um aço de baixo carbono sem tratamento de endurecimento, no caso o material utilizado era um aço comum 1020. Para um resultado mais preciso, seria necessário realizar o ensaio por mais algumas vezes, para assim poder traçar uma média e calcular também o erro previsto.

6. Referência Bibliográfica

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