Análise das propriedades mecânicas em aços e ferros fundidos

Análise das propriedades mecânicas em aços e ferros fundidos

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

RELATÓRIO REFERENTE AOS ENSAIOS MECÂNICOS REALIZADOS NOS LABORATÓRIOS DA PUC-Pr

CURITIBA

2008

Cesar Augusto Oleinik Luzia

Rafael Galina

Raphael Orsolin

Thiago Santos Negozzeky

Willian Albach Hoffmann

RELATÓRIO REFERENTE AOS ENSAIOS MECÂNICOS REALIZADOS NOS LABORATÒRIOS DA PUC-Pr

Trabalho apresentado para o Programa de Aprendizagem: Materiais I, Prof.: Cesar Augusto Neitzke , do curso de graduação em Engenharia Mecânica, 3° período diurno, para a obtenção de nota parcial.

CURITIBA

2008

1. RESUMO

Durante essas três semanas que se passaram foram realizados testes de dureza, testes de impacto, e ensaios de tração. Nos três testes tivemos como principal objetivo analisar as propriedades mecânicas de cada material. Como resultado, no teste de dureza pode-se observar a dureza de cada material, no teste de impacto podemos analisar o que ocorre com um material quando se é aplicado através de um impacto uma força de 300J, e no ensaio de tração pode-se analisar o que aconteceu com cada barra durante o processo e também analisar as propriedades mecânicas de cada material através dos gráficos. Com isso concluímos que para se colocar um projeto em prática precisamos realizar esses testes para que não ocorra problemas futuros no projeto.

2. INTRODUÇÃO

Os materiais, independentes de quais sejam, são solicitados no dia-a-dia, de diferentes maneiras e de diferentes intensidades. Por isso faz-se necessário que tenhamos certeza de que o material utilizado em nosso projeto seja compatível com o trabalho ao qual ele será designado, e não corramos riscos de falhas ou variações em sua estrutura, podendo por em risco a vida de seres humanos, o que seria uma catástrofe. Além disso, não queremos perdas econômicas.

Então para que seja verificada a integridade do nosso material, foram desenvolvidas técnicas de análise das propriedades mecânicas dos materiais, as quais são: ensaio de dureza, ensaio de impacto e ensaio de tração.

Podemos analisar através do ensaio de dureza a resistência de um material à uma deformação plástica e isso é feito por uma pequena impressão ou um risco [1]. Através do ensaio de impacto podemos determinar as características de fratura dos materiais, sabendo-se assim como se comportará um material a certa temperatura, classificando-o como frágil ou dúctil. No ensaio de tração podemos avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais que são importantes em projetos, as quais são: módulo de elasticidade, tensão máxima do material à tração, limite de proporcionalidade, tensão de escoamento, resiliência, tenacidade entre outras [1].

Em relação às propriedades os aços possuem uma maior ductilidade do que os ferros fundidos devido à porcentagem inferior de carbono em sua composição, por isso os ferros fundidos apresentam uma maior fragilidade, e uma maior resistência, variando conforme a sua característica particular, ou seja, ferro fundido vermicular, nodular, ou cinzento [1].

3. OBJETIVOS

O ensaio de dureza tem como objetivo estudar a ductilidade de um material para uso em determinados processos, este ensaio é usado para medir quanto ele pode ser dúctil ou frágil e determinar sua resistência.

O ensaio de impacto (Charpy) tem como objetivo estudar os efeitos das cargas dinâmicas, este ensaio é usado para medir a tendência de um metal de se comportar de maneira frágil.

O ensaio de tração tem como objetivo avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais que serão utilizados em determinados tipos de projetos, como por exemplo, módulo de elasticidade, tensão de escoamento, tensão de ruptura, etc. e outras propriedades como ductilidade, tenacidade e resiliência. Como os metais são materiais estruturais, os conhecimentos de suas propriedades mecânicas são de fundamental importância para sua aplicação.

4. MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 ENSAIO DE DUREZA

4.1.1 Equipamentos utilizados no ensaio de Dureza:

    1. Máquina de Ensaio de dureza Rockwell, carga menor de 10kg, principais de 60, 100e a maior 150Kg, (marca Durômetro Wilson series 600).

    2. Esferas de aço, diâmetros 1\16, 1\8, 1\4, 1\2 polegada.

    3. Penetrador cônico de diamante (Brale).

4.1.2 Material utilizado no ensaio de Dureza:

a) Aço SAE 1020

b) Aço SAE 1010

c) Ferro fundido vermicular

d) Ferro fundido cinzento.

e) Ferro fundido nodular.

4.1.3 Método:

Para realizar o experimento primeiramente ligamos a máquina verificando a voltagem. Logo após foi escolhido o nível de aplicação através do manípulo, foi colocada a ponteira de diamante que serve para materiais duros que corresponde ao nível de intensidade Rockwell C, como o material era mais dúctil do que a escala trocamos a ponteira de esfera e baixamos a intensidade para Rockwell B. A seguir foi analisado cada material e obtido os dados de ensaio através do display.

4.2 ENSAIO DE IMPACTO

4.2.1 Equipamentos utilizados no ensaio de impacto:

a) Máquina de Ensaio Charpy Convencional, capacidade de 300J, (ano de fabricação 1980, marca Veb Werkstoffprüfmaschien).

4.2.2Material utilizado no ensaio de impacto:

a) Aço geralmente utilizado na estrutura de cascos de navios.

b) Ferro fundido nodular.

4.2.3 Método:

Primeiramente foi escolhido o material a ser utilizado, o pêndulo com o martelo foi então deslocado até o nível superior e travado, o corpo de prova foi colocado na base com o entalhe virado contra o martelo. Para soltar o pêndulo foi destravado através de dois manípulos, então analisamos o quanto de energia foi absorvida pelo pendulo e o tipo de fratura acorrida no material.

4.3 ENSAIO DE TRAÇÃO

4.3.1 Equipamentos utilizados no ensaio de tração:

a) Maquina de ensaio universal EMIC, juntamente com um controle hidráulico do mesmo fabricante.

4.3.2 Material utilizado no ensaio de tração:

a)Aço CA 50;

b)Aço SAE 1020;

4.3.3 Método utilizado no ensaio de impacto:

Foi colocado o corpo de prova no manípulo de acordo com as marcas indicadas, sendo então o corpo fixado por uma garra superior e uma inferior localizadas na máquina de ensaio de tração (veja a Fig. 1), as quais o mantêm preso em ambas as extremidades. Logo após o ajuste do material, zerou-se a força inicial fechando o bombeamento de óleo para a máquina de tração, foi então acoplado um extensômetro ao corpo de prova. Decorrido todo esse processo, a partir de uma força hidráulica uma tensão de tração foi aplicada verticalmente. Observamos então o material até seu rompimento.

Fig. 1. Máquina de ensaio de tração, juntamente com o controlador hidráulico.

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

5.1 ENSAIO DE DUREZA

No ensaio de dureza obteve se três medidas de dureza para cada material analisado, depois tirando se a média de cada material (veja Tabela 1)

Material

Medição 1

Medição 2

Medição 3

Média

Aço SAE 1020

64.9

64.3

64.6

64.6

Aço SAE 1010

65.3

65.9

66.3

65.8

Ferro fundido vermicular

97.3

97.9

98.5

97.9

Ferro fundido cinzento.

102.4

103.0

102.2

102.5

Ferro fundido nodular.

85.5

85.6

85.7

85.6

Tabela 1. Resultados do ensaio de dureza.

5.2 ENSAIO DE IMPACTO

No ensaio de impacto (Charpy) foram analisadas virtualmente [2], 18 temperaturas (ºC) do material do casco de navios e obteve - se diferentes energias (J) de acordo com Gráfico 1 abaixo:

Gráfico 1. Resultados do teste de impacto a diferentes temperaturas.

5.3 ENSAIO DE TRAÇÃO

A partir do ensaio de tração realizado, foi obtido um gráfico tensão-deformação, o qual apresenta varias características importantes para se definir o comportamento do material quando submetido a elevadas tensões, de acordo com o Gráfico 2 a seguir:

Gráfico 2. Comportamento tensão-deformação em tração para um Aço CA50 e Aço 1020.

Informações obtidas a partir do gráfico:

Tensão limite de escoamento: é a tensão onde se inicia o escoamento, ou seja, é o ponto onde se inicia a deformação plástica e pode ser encontrada traçando-se uma linha paralela a porção elástica, a partir de uma deformação pré-estabelecida de 0,002.

Limite de resistência a tração: é a tensão no ponto máximo da curva tensão-deformação de engenharia.

Tensão de ruptura: como o próprio nome já diz, é tensão máxima que o material pode suportar até sua fratura total.

Limite de proporcionalidade: é o ponto onde ocorre o afastamento inicial da linearidade da curva resultante do gráfico.

Deformação total: é a quantidade de deformação que foi suportada até a fratura do material.

Módulo de elasticidade: é a constante de proporcionalidade que mede a rigidez do material e pode ser calculado a partir do coeficiente angular da reta que especifica a região elástica do material.

Informações adicionais:

Antes do ensaio do Aço CA50, foi realizada a sua medição com o objetivo de determinar a sua deformação sem a utilização do extensômetro. A medida inicial registrada do material foi de 300 mm, e após a experiência registrou-se um comprimento final de 341 mm, tendo então a partir de método, obtido uma deformação de 41 mm.

Fig. 2. Resultado do ensaio de tração para o Fig. 3 Resultado do ensaio de tração para

Aço CA50. o aço AISI/SAE 1020. observa-se a fratura

dúctil de característica taça-cone.

6. ANEXOS

6.1 PROCEDIMENTOS

6.1.1 PROCEDIMENTO OPERACIONAL DO ENSAIO DE DUREZA, (MARCA DURÔMETRO WILSON SERIES 600).

Os ensaios Rockwell constituem o método mais usado para a medida de dureza, pois eles são muito simples de se usar. A máquina (veja a Fig. 4), corresponde a um perfurador. Primeiramente ligar a chave geral (atrás), inserir penetrador de diamante ou esférico, escolher uma escala Rockwell A, B, C. O equipamento deve estar em uma pré-carga inicial de 10 Kg.

Fig. 4. Máquina para ensaios de dureza.

Para a escala Rockwell C é usada à ponteira de diamante, programando a maquina, aperta se o botão proglist e com as setas escolhe a escala desejada (escala c), depois o Enter.

Fixar o parafuso em relação à parte do plano do ponteiro, com o manipulo regulador de carga, a carga e regulada para 150 Kg. Colocar o corpo de prova em cima da base e regular com o manipulo regulador para cima ou para baixo.

Quando ocorre o click ele esta dando a pré-carga de 10 kg em alguns instantes ele exerce a carga de 150 kg, o corpo de prova tem que estar horizontal e sempre bem sólido para achar uma ductilidade confiável.

Com uma carga acima de 20 é usado Rockwell C, e abaixo é o Rockwell B. Se a dureza for abaixo Rockwell C, mudamos para um penetrador esférico. A primeira medida e sempre descartada é usada três medições para se fazer uma media e o experimento está pronto.

Quando o experimento estiver finalizado, deve se retirar o penetrador, desligar a chave geral e retirar da tomada.

6.1.2 PROCEDIMENTO OPERACIONAL DO ENSAIO CHARPY CONVENCIONAL DE CAPACIDADE DE 300J.

O método mais comum para ensaiar metais é o do golpe, desferido por um peso em oscilação. A máquina correspondente é o martelo pendular. Primeiramente o pendulo foi levado a uma certa posição, onde adquire uma energia inicial. Ao cair, ele encontra no seu percurso o corpo de prova, que se rompe. A sua trajetória continua até certa altura, que corresponde à posição final, onde o pendulo apresenta uma energia final (Veja a Fig. 5).

Fig. 5. Máquina para ensaios de impacto.

A diferença entre as energias inicial e final corresponde à energia absorvida pelo material. Logo após o mostrador da máquina registrou a diferença entre a altura inicial e a altura final, após o rompimento do corpo de prova, numa escala relacionada com a unidade de medida de energia adotada (J).

Nesse ensaio de Charpy, o corpo de prova foi utilizado com um entalhe central sendo apoiado em ambas as extremidades. O impacto se deu no centro (veja a Fig. 6). O entalhe comum é tipo "V", mas há também padrão em forma de "U" ou fenda terminada em furo (dimensões para V: comprimento 55 mm, seção 10 x 10 mm, entalhe a 45º profundidade 2 mm). Há padrões especiais (sem entalhe) para materiais como ferro fundido.

No padrão Izod, o corpo é engastado em um lado e recebe o impacto na outra extremidade conforme Fig. 6.

Fig. 6. Diferentes padrões de ensaio de impacto. (a) ensaio Charpy. (b) ensaio Izod

6.2 FIGURAS

Fig. 7. Ensaio de tração com detalhe no extensômetro acoplado ao corpo de prova.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Callister Jr., William D: “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma”. Introdução, Rio de Janeiro: LTC Editora, 5ª ed., 2002.

[2] Steel University [on line]. Avaliado em <http://www.steeluniversity.org/>.

[3] IRM [on line]. Avaliado em <http://www.lrm.ufjf.br/pdf/16impacto.pdf>.

[4] MSPC [on line]. Avaliado em <http://www.mspc.eng.br/ciemat/ensaio130.shtml>.

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