Telecurso 2000 - Ensaio de Materiais, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

Baixe Telecurso 2000 - Ensaio de Materiais e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Mecânica, somente na Docsity! Departamento Regional de São Paulo Ensaios de materiais MÓDULOS ESPECIAIS MECÂNICA Escola SENAI”Luiz Scavone” Quando se adquire um produto qualquer, há sempre uma preocupação com a sua qualidade. Como consumidores conscientes, é nosso dever exigir do fabricante a garantia do produto, pois quem fabrica deve assumir a responsabilidade pelo perfeito funcionamento do objeto que produziu, uma vez que este seja usado de acordo com as condições recomendadas. Para poder dar esta garantia, o fabricante precisa ter certeza de que seu produto foi produzido com materiais adequados, em conformidade com as normas técnicas estabelecidas, e que apresenta, portanto, características apropriadas ao uso que lhe será dado. É por isso que o fabricante deve realizar testes, tanto dos produtos como de seus componentes, antes de lançá-los no mercado. É o que acontece, por exemplo, com os automóveis, que têm todos os seus componentes testados, seguindo normas estabelecidas para isto. Desde a pintura até o ruído do motor, tudo deve satisfazer aos padrões internacionais de qualidade. Esses testes, que são realizados em condições rigidamente controladas, são chamados de ensaios de materiais, assunto que será tratado neste módulo. Este módulo compreende 25 aulas. A primeira aula apresenta uma visão geral sobre ensaios tecnológicos e destaca as principais propriedades dos materiais que podem ser avaliadas por meio de ensaios. As demais aulas aparecem organizadas em dois blocos - ensaios destrutivos e ensaios não destrutivos - e tratam das características dos principais ensaios de materiais. Apresentação 1 A U L AMesmo assim, é bom refrescar a memória, para entender com mais facilidade os assuntos que virão. Ao terminar o estudo desta aula, você conhecerá algumas propriedades físicas e químicas que os materiais preci- sam ter para resistirem às solicitações a que serão submetidos durante seu tempo de vida útil. Saberá quais são os tipos de ensaios simples que podem ser realizados na própria oficina, sem aparatos especiais. E ficará conhecendo também como se classificam os ensaios em função dos efeitos que causam nos materiais testados. Para que servem os ensaios Se você parar para observar crianças brincando de cabo-de-guerra, ou uma dona de casa torcendo um pano de chão, ou ainda um ginasta fazendo acrobacias numa cama elástica, verá alguns exemplos de esforços a que os materiais estão sujeitos durante o uso. Veja a seguir a representação esquemática de alguns tipos de esforços que afetam os materiais. É evidente que os produtos têm de ser fabricados com as características necessárias para suportar esses esforços. Mas como saber se os materiais apre- sentam tais características? Realizando ensaios mecânicos! Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos padronizados que compreendem testes, cálculos, gráficos e consultas a tabelas, tudo isso em conformidade com normas técnicas. Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente a situações que simulam os esforços que eles vão sofrer nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação. Nossa aula 1 A U L A Onde são feitos os ensaios Os ensaios podem ser realizados na própria oficina ou em ambientes especialmente equipados para essa finalidade: os laboratórios de ensaios. Os ensaios fornecem resultados gerais, que são aplicados a diversos casos, e devem poder ser repetidos em qualquer local que apresente as condições adequadas. São exemplos de ensaios que podem ser realizados na oficina: Ensaio por lima - É utilizado para veri- ficar a dureza por meio do corte do cavaco. Quanto mais fácil é retirar o cavaco, mais mole o material. Se a ferramenta desliza e não corta, podemos dizer que o material é duro. Ensaio pela análise da centelha - É utilizado para fazer a classificação do teor de carbono de um aço, em função da forma das centelhas que o material emite ao ser atritado num esmeril. Por meio desses tipos de ensaios não se obtêm valores precisos, apenas conhecimentos de características específicas dos materiais. Os ensaios podem ser realizados em protótipos, no próprio produto final ou em corpos de prova e, para serem confiáveis, devem seguir as normas técnicas estabelecidas. 1 A U L AImagine que uma empresa resolva produzir um novo tipo de tesoura, com lâmina de aço especial. Antes de lançar comercialmente o novo produto, o fabricante quer saber, com segurança, como será seu comportamento na prática. Para isso, ele ensaia as matérias-primas, controla o processo de fabricação e produz uma pequena quantidade dessas tesouras, que passam a ser os protóti- pos. Cada uma dessas tesouras será submetida a uma série de testes que procurarão reproduzir todas as situações de uso cotidiano. Por exemplo, o corte da tesoura pode ser testado em materiais diversos, ou sobre o mesmo material por horas seguidas. Os resultados são analisados e servem como base para o aperfeiçoamento do produto. Os ensaios de protótipos são muito importantes, pois permitem avaliar se o produto testado apresenta características adequadas à sua função. Os resultados obtidos nesses testes não podem ser generalizados, mas podem servir de base para outros objetos que sejam semelhantes ou diferentes. Já os ensaios em corpos de provas, realizados de acordo com as normas técnicas estabelecidas, em condições padronizadas, permitem obter resultados de aplicação mais geral, que podem ser utilizados e reproduzidos em qualquer lugar. Propriedades dos materiais Todos os campos da tecnologia, especialmente aqueles referentes à constru- ção de máquinas e estruturas, estão intimamente ligados aos materiais e às suas propriedades. Tomando como base as mudanças que ocorrem nos materiais, essas propri- edades podem ser classificadas em dois grupos: · físicas; · químicas. Se colocamos água fervente num copo descartável de plástico, o plástico amolece e muda sua forma. Mesmo mole, o plástico continua com sua composi- ção química inalterada. A propriedade de sofrer deformação sem sofrer mudan- ça na composição química é uma propriedade física. Por outro lado, se deixarmos uma barra de aço-carbono (ferro + carbono) exposta ao tempo, observaremos a formação de ferrugem (óxido de ferro: ferro + oxigênio). O aço-carbono, em contato com o ar, sofre corrosão, com mudança na sua composição química. A resistência à corrosão é uma propriedade química. Entre as propriedades físicas, destacam-se as propriedades mecânicas, que se referem à forma como os materiais reagem aos esforços externos, apresentan- do deformação ou ruptura. Quando você solta o pedal da embreagem do carro, ele volta à posição de origem graças à elasticidade da mola ligada ao sistema acionador do pedal. Protótipo é a versão preliminar de um produto, produzida em pequena quantidade, e utilizada durante a fase de testes. Corpo de prova é uma amostra do material que se deseja testar, com dimensões e forma especificadas em normas técnicas. 1 A U L A Exercício 1 Complete as frases com a alternativa que as torna corretas: a) A propriedade física ............................. mudança na composição química do material. · acarreta · não acarreta b) Resistência mecânica é uma propriedade ............................. · física · química c) Resistência à corrosão é uma propriedade ............................. · química · mecânica d) À forma como os materiais reagem aos esforços externos chamamos de propriedade ............................. · química · mecânica Exercício 2 Marque com um X a resposta correta. Cessando o esforço, o material volta à sua forma original. Dizemos que esta propriedade mecânica se chama: ( ) resistência mecânica; ( ) elasticidade; ( ) plasticidade. Exercício 3 Você estudou que os ensaios podem ser: destrutivos e não destrutivos. Relacione corretamente os exemplos com os ensaios: Exercícios Ensaio por ultra-som Ensaio visual Ensaio de tração Ensaio por lima Ensaio de dureza Ensaio destrutivo Ensaio não destrutivo 1 2 2 A U L A Você com certeza já andou de elevador, já observou uma carga sendo elevada por um guindaste ou viu, na sua empresa, uma ponte rolante transportando grandes cargas pra lá e pra cá. Além das grandes cargas movimentadas nessas situações, um outro fato certamente chama a sua atenção: são os cabos de aço usados nesses equipamentos! Você faz idéia do esforço que esses cabos têm de agüentar ao deslocar estas cargas? Sabe como se chama esse esforço e como ele é calculado? Sabe que a determinação deste tipo de esforço e a especificação das dimensões de cabos estão entre os problemas mais freqüentemente encontrados no campo da Mecânica? Tanto o superdimensionamento como o subdimensionamento de produtos podem trazer conseqüências graves: o primeiro porque gera desperdício de material, maior consumo de energia e baixo desempenho; o segundo porque o produto vai falhar e, além do prejuízo, pode causar sérios acidentes, com danos irreparáveis. Essas considerações servem para ilustrar o quanto é importante conhecer a resistência dos materiais, que pode ser avaliada pela realização de ensaios mecânicos. O ensaio mecânico mais importante para a determinação da resistên- cia dos materiais é o ensaio de tração. Se você está interessado em aprofundar seus conhecimentos sobre esses assuntos, está no caminho certo. Nesta aula você terá oportunidade de conhecer as unidades de medida usadas nos ensaios mecânicos de tração. Ficará sabendo o que se entende por tensão e deformação. E aprenderá a fórmula para calcular a tensão a que estão submetidos os materiais durante o uso. Fique com a gente! Para que servem os ensaios de tração Como você já sabe, as propriedades mecânicas constituem uma das caracte- rísticas mais importantes dos metais em suas várias aplicações na engenharia, visto que o projeto e a fabricação de produtos se baseiam principalmente no comportamento destas propriedades. Ensaio de tração: cálculo da tensão Introdução 2 U L A Nossa aula 2 A U L A A determinação das propriedades mecânicas dos materiais é obtida por meio de ensaios mecânicos, realizados no próprio produto ou em corpos de prova de dimensões e formas especificadas, segundo procedimentos padroniza- dos por normas brasileiras e estrangeiras. Fique por dentro O corpo de prova é preferencialmente utilizado quando o resultado do ensaio precisa ser comparado com especificações de normas internacionais. 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 alongamen- to, 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 rompem. Antes da ruptura, a deformação Imagine um corpo preso numa das extremidades, submetido a uma força, como na ilustração ao lado. Quando esta força é aplicada na direção do eixo longitudinal, dizemos que se trata de uma força axial. Ao mesmo tempo, a força axial é perpendi- cular à seção transversal do corpo. Observe novamente a ilustração anterior. Repare que a força axial está dirigida para fora do corpo sobre o qual foi aplicada. Quando a força axial está dirigida para fora do corpo, trata-se de uma força axial de tração. A aplicação de uma força axial de tração num corpo preso produz uma deformação no corpo, isto é, um aumento no seu compri- mento com diminuição da área da seção transversal. Este aumento de comprimento recebe o nome de alongamento. Veja o efeito do alongamento num corpo submetido a um ensaio de tração. 2 A U L AA unidade de medida de força adotada pelo Sistema Internacional de Unidades (SI) é o newton (N). Fique por dentro A unidade quilograma-força (kgf) ainda é usada no Brasil porque a maioria das máquinas disponíveis possui escalas nesta unidade. Porém, após a realiza- ção dos ensaios, os valores de força devem ser convertidos para newton (N). A unidade de medida de área é o metro quadrado (m2). No caso da medida de tensão, é mais freqüentemente usado seu submúltiplo, o milímetro quadrado (mm2). Assim, a tensão é expressa matematicamente como: Fique por dentro Durante muito tempo, a tensão foi medida em kgf/mm2 ou em psi (pound square inch, que quer dizer: libra por polegada quadrada). Com adoção do Sistema Internacional de Unidades (SI) pelo Brasil, em 1978, essas unidades foram substituídas pelo pascal (Pa). Um múltiplo dessa unidade, o megapascal (MPa), vem sendo utilizado por um número crescente de países, inclusive o Brasil. Veja no quadro de conversões a seguir a correspondência entre essas unidades de medida. Que tal parar e aplicar o que foi visto? Então, resolva o exercício a seguir. Verificando o entendimento Sabendo que a tensão sofrida por um corpo é de 20 N/mm2, como você expressa esta mesma medida em MPa? Para dar sua resposta, consulte o quadro de conversões, se achar necessário. Resposta: .............................................. T = N mm2 1 N = 0,102 kgf 1 kgf = 0,454 lb = 9,807 N 1 MPa = 1 N/mm2 = 0,102 kgf/mm2 1 kgf/mm2 = 1422,27 psi = 9,807 MPa = 9,807 N/mm2 2 A U L A Se você interpretou corretamente o quadro de conversões, sua resposta deve ter sido 20 MPa. Para matar a curiosidade, veja a conversão desta mesma medida para: kgf/mm2 ® se 1 MPa = 0,102 kgf/mm2, então: 20 MPa = 2,04 kgf/mm2 e para: psi ® se 1 kgf/mm2 = 1422,27 psi, então 2,04 kgf/mm2 = 2901,4308 psi Calculando a tensão Um amigo, que está montando uma oficina de manutenção mecânica, pediu sua ajuda para calcular a tensão que deve ser suportada por um tirante de aço de 4 mm2 de seção, sabendo que o material estará exposto a uma força de 40 N. Simples, não é mesmo? Sabendo qual a força aplicada (F = 40 N) e qual a área da seção do tirante (S = 4 mm2), basta aplicar a fórmula: Portanto, a tensão que o cabo deverá suportar é de 10 N/mm2. Mas, se seu amigo quiser saber a resposta em megapascal, o resultado será 10 MPa. Muito bem! Por ora, se todos os assuntos apresentados ficaram claros, já está mais que bom. Antes de passar para o estudo da próxima aula, resolva os exercícios a seguir para ter certeza de que tudo que foi visto nesta aula não apresenta mais mistérios para você. Exercício 1 Assinale com um X a(s) resposta(s) que completa(m) a frase corretamente: O ensaio de tração tem por finalidade(s) determinar: a) ( ) o limite de resistência à tração; b) ( ) a impressão causada por um penetrador; c) ( ) o diâmetro do material ensaiado; d) ( ) o alongamento do corpo ensaiado. Exercício 2 Quando se realiza ensaio de tração, podem ocorrer duas deformações. Assinale com um X quais são elas, na seqüência em que os fenômenos ocorrem no material. a) ( ) plástica e elástica; b) ( ) plástica e normal; c) ( ) plástica e regular; d) ( ) elástica e plástica. 10 N mm2 T = Þ T = Þ T =F S 40 N 4 mm2 Exercícios 2 A U L AExercício 3 Calcule a deformação sofrida por um corpo de 15 cm, que após um ensaio de tração passou a apresentar 16 cm de comprimento. Expresse a resposta de forma percentual. Exercício 4 Sabendo que a tensão de um corpo é igual a 12 N/mm2, a quanto correspon- de essa tensão em kgf/mm2? (Consulte o quadro de conversões, se neces- sário). Exercício 5 Qual a tensão, em MPa, sofrida por um corpo com 35 mm2 que está sob efeito de uma força de 200 kgf? (Consulte o quadro de conversões, se necessário). 3 A U L A Limite elástico Observe o diagrama a seguir. Note 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. Exemplificando: se aplicarmos uma tensão de 10 N/mm2 e o corpo de prova se alongar 0,1%, ao aplicarmos uma força de 100 N/mm2 o corpo de prova se alongará 1%. Dica Em 1678, sir Robert Hooke descobriu que uma mola tem sempre a deformação (e) proporcional à tensão aplicada (T), desenvolvendo assim a constante da mola (K), ou lei de Hooke, onde K = T/e. 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. E = T e 3 A U L ALimite 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 fenô- meno chamado escoamento. O escoamento caracteriza-se por uma deformação perma- nente 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: LR = Fmax So 3 A U L A Limite de ruptura Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, que ocorre num ponto chamado limite de ruptura (C). Note 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. Agora você já tem condições de analisar todos esses elementos representa- dos num mesmo diagrama de tensão-deformação, como na figura a seguir. Estricção É a redução percentual da área da seção transversal do corpo de prova na região onde vai se localizar a ruptura. A estricção determina a ductilidade do material. Quanto maior for a porcen- tagem de estricção, mais dúctil será o material. Por ora é suficiente. Que tal descansar um pouco para assentar as idéias e depois retomar o estudo resolvendo os exercícios propostos a seguir? Se tiver alguma dificuldade, faça uma revisão dos assuntos tratados nesta aula antes de prosseguir. Exercício 1 Analise o diagrama de tensão-deformação de um corpo de prova de aço e indique: a) o ponto A, que representa o limite de elasticidade b) o ponto B, que representa o limite de resistência Exercícios 4 A U L AOs resultados obtidos dependem do formato do corpo de prova e do método de ensaio adotado. Por exemplo, no ensaio de tração de um corpo de prova de aço, o alongamento é uma medida da sua ductilidade. Este valor é afetado pelo comprimento do corpo de prova, pelo seu formato, pela velocidade de aplicação da carga e pelas imprecisões do método de análise dos resultados do ensaio. Portanto, os resultados dos ensaios, quando não são suficientemente repre- sentativos dos comportamentos em serviço, exigem na fase de projeto das estruturas a introdução de um fator multiplicativo chamado coeficiente de segurança, o qual leva em consideração as incertezas, não só provenientes da determinação das propriedades dos materiais, mas também da precisão das hipóteses teóricas referentes à existência e ao cálculo das tensões em toda a estrutura. 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 determina- do 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. As normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios provêm das seguintes instituições: ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas ASTM - American Society for Testing and Materials DIN - Deutsches Institut für Normung AFNOR - Association Française de Normalisation BSI - British Standards Institution ASME - American Society of Mechanical Engineer ISO - International Organization for Standardization JIS - Japanese Industrial Standards SAE - Society of Automotive Engineers COPANT - Comissão Panamericana de Normas Técnicas Além dessas, são também utilizadas normas particulares de indústrias ou companhias governamentais. Equipamento para o ensaio de tração O ensaio de tração geralmente é realizado na máquina universal, que tem este nome porque se presta à realização de diversos tipos de ensaios. Analise cuidadosamente a ilustração a seguir, que mostra os componentes básicos de uma máquina universal de ensaios. 4 A U L A Fixa-se o corpo de prova na máquina por suas extremidades, numa posição que permite ao equi- pamento aplicar-lhe uma força axial para fora, de modo a aumentar seu comprimento. A máquina de tração é hidráulica, movida pela pressão de óleo, e está ligada a um dinamômetro que mede a força aplicada ao corpo de prova. A máquina de ensaio possui um registrador gráfico que vai traçando o diagrama de força e deformação, em papel milimetrado, à medida em que o ensaio é realizado. 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. Dinâmometro é um equipamento utilizado para medir forças. 4 A U L AAs 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 util 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 superficie e ausência de trincas. Dica Para obter informações mais detalhadas sobre corpos de provas, consulte a norma técnica específica. Em materiais soldados, podem ser retirados corpos de prova com a solda no meio ou no sentido longitudinal da solda, como você pode observar nas figuras a seguir. cunha flangerosca 5 A U L A 5 A U L Introdução A máquina de ensaio está pronta para come- çar seu trabalho: o corpo de prova fixado, a velocidade de aplicação da força ajustada, a escala selecionada! Só falta ligar o equipamento e acompanhar seu funcionamento. Terminado o ensaio, vem uma etapa muito importante: a análise dos resultados. Nesta etapa determinam-se as principais propriedades que podem ser obtidas no ensaio de tração. Nesta aula você ficará sabendo como são determinadas essas propriedades e qual a sua importância no dia-a-dia e nas aplicações na área de mecânica. Como calcular o alongamento Imagine que você vá produzir uma peça por estamparia ou dobramento, por exemplo. Você precisará obter uma deformação maior que a desejada, porque após aliviar a força aplicada o material sofrerá uma recuperação nas suas dimensões, igual ao alongamento elástico. Se o alongamento elástico for conhecido, isto será fácil. Se não, só na tentativa e aí imagine o prejuízo em retrabalhar as ferramentas. O alongamento elástico pode ser medido de forma direta por meio de um aparelho chamado extensômetro, que é acoplado ao corpo de prova. Ensaio de tração: análise dos resultados Nossa aula 5 A U L AVocê já viu que o alongamento plástico define a ductilidade do material: quanto maior o alongamento plástico, maior a facilidade de deformar o material. Pelo alongamento, podemos saber para que tipo de processo de produção um material é indicado (forja a frio, laminação, estamparia profunda, etc.). A fórmula para calcular o alongamento você já aprendeu na Aula 2 deste módulo: O comprimento inicial (Lo) foi medido antes de se submeter o corpo de prova ao ensaio. Portanto, para calcular o alongamento, resta saber qual o comprimento final (Lf). Você está lembrado daqueles riscos transversais que foram feitos na preparação do corpo de prova? Pois é! A parte útil do corpo de prova ficou dividida em certo número (n) de partes iguais. Agora você vai saber para que serve essa marcação. 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. Mas, se a ruptura ocorrer fora do centro, de modo a não permitir a contagem de n/2 divisões de cada lado, deve-se adotar o seguinte procedimento normalizado: · Toma-se o risco mais próximo da ruptura. · Conta-se n/2 divisões de um dos lados. · Acrescentam-se ao comprimento do lado oposto quantas divisões forem necessárias para completar as n/2 divisões. A medida de Lf será a somatória de L’+ L”, conforme mostra a figura a seguir. A = Lf - Lo Lo 5 A U L A Determinação do limite elástico ou de proporcionalidade Para sentir a importância desta propriedade, imagine-se dentro de um elevador, que funciona preso por um cabo de aço. O que aconteceria se o cabo se alongasse um pouquinho toda vez que o elevador subisse ou descesse? O cabo de aço iria ficar cada vez mais fino, até que a sua espessura se tornasse tal que não suportaria mais o peso da cabine (e com você lá dentro!). Não seria nada agradável uma queda do vigésimo andar. É, mas isto aconteceria se a solicitação ultrapassasse o limite elástico, porque qualquer solicitação acima do limite elástico causa deformação permanente. Portanto, o limite elástico é a máxima tensão a que uma peça pode ser submetida. Por isso, o conhecimento de seu valor é fundamental para qualquer aplicação. A rigor, a determinação do limite elástico deveria ser feita por carregamen- tos e descarregamentos sucessivos, até que se alcançasse uma tensão que mostrasse, com precisão, uma deformação permanente. Este processo é muito trabalhoso e não faz parte dos ensaios de rotina. Porém, devido à importância de se conhecer o limite elástico, em 1939 um cientista chamado Johnson propôs um método para determinar um limite elástico aparente, que ficou conhecido como limite Johnson. O limite Johnson corresponde à tensão na qual a velocidade de deformação é 50% maior que na origem. Veja como determinar o limite Johnson na prática, acompanhando os passos explicados a seguir. 1. Trace uma reta perpendicular ao eixo das tensões, fora da região da curva tensão-deformação (F-D). 5 A U L AConhecer o limite de resistência também é útil para comparar materiais. Por exemplo, um aço 1020 apresenta aproximadamente 400 MPa de resistência à tração. Este valor nos demonstra que o aço 1080 tem uma resistência 300 MPa maior que o 1020. Apesar de não se utilizar este valor para dimensionar estruturas, ele servirá de base para o controle de qualidade dessas ligas. Dificuldades com a tensão de ruptura É difícil determinar com precisão o limite de ruptura, pois não há forma de parar o ponteiro da força no instante exato da ruptura. Além disso, o limite de ruptura não serve para caracterizar o material, pois quanto mais dúctil ele é, mais se deforma antes de romper-se. Calculando a estricção Como você já estudou na Aula 3 deste módulo, a estricção também 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. Exemplo de relatório de ensaio de tração Interessado(a): JJA Data: 22/12/95 Material ensaiado (descrição): Aço 1020 Equipamento: Máquina universal Norma(s) seguida(s): ABNT - NBR 6152 E então? Com todos os conceitos já aprendidos, a interpretação do relatório é relativamente simples, não é mesmo? Para cada corpo de prova ensaiado são registrados os dados iniciais e depois o comportamento da força de tração durante o ensaio. É assim que se obtêm os dados necessários para oferecer maior segurança ao consumidor, desde o projeto ao produto final. Z = So - Sf So C.P. nº 1 Æ Médio mm 10 Comprimento útil mm 50 Área da seção inicial mm2 78,54 Limite de escoamento Limite de resistência N 21991 MPa 280 N 32987 MPa 420 mm Lf 62 % 24 mm Df 6 % 64 Executante: Visto: Alongamento Estricção 5 A U L A Exercício 1 Sabendo que o número de divisões (n) do corpo de prova a seguir é 10, represente o comprimento final (Lf). Exercício 2 Que propriedade é mais importante determinar na prática: o limite elástico ou o limite de ruptura? Justifique sua resposta. Exercício 3 O limite Johnson serve para determinar: a) ( ) o limite de resistência efetiva; b) ( ) o limite elástico aparente; c) ( ) o limite de ruptura; d) ( ) o limite de escoamento. Exercício 4 Escreva V se a frase a seguir for verdadeira ou F se for falsa: ( ) Em alguns casos, em vez de determinar o limite elástico, podemos recorrer ao limite de escoamento para saber qual a carga máxima suportada por um corpo. Exercício 5 Complete a frase com a alternativa que a torna verdadeira: O conhecimento do limite de resistência é importante porque .......... a) é o valor utilizado para dimensionar estruturas. b) é o único resultado preciso que se pode obter no ensaio de tração. Exercícios 6 A U L A Podemos observar o esforço de compressão na construção mecânica, principalmente em estruturas e em equipamentos como suportes, bases de máquinas, barramentos etc. Às vezes, a grande exigência requerida para um projeto é a resistência à compressão. Nesses casos, o projetista deve especificar um material que possua boa resistência à compressão, que não se deforme facilmente e que assegure boa precisão dimensional quando solicitado por esforços de compressão. O ensaio de compressão é o mais indicado para avaliar essas características, principalmente quando se trata de materiais frágeis, como ferro fundido, madei- ra, pedra e concreto. É também recomendado para produtos acabados, como molas e tubos. Porém, não se costuma utilizar ensaios de compressão para os metais. Estudando os assuntos desta aula, você ficará sabendo quais as razões que explicam o pouco uso dos ensaios de compressão na área da mecânica, analisará as semelhanças entre o esforço de compressão e o esforço de tração, já estudado nas aulas anteriores, e ficará a par dos procedimentos para a realização do ensaio de compressão. O que a compressão e a tração têm em comum De modo geral, podemos dizer que a compressão é um esforço axial, que tende a provocar um encurtamento do corpo submetido a este esforço. Nos ensaios de compressão, os corpos de prova são submetidos a uma força axial para dentro, distribuída de modo uniforme em toda a seção transversal do corpo de prova. Introdução 6 U L A Ensaio de compressão Nossa aula 6 A U L A Limitações do ensaio de compressão O ensaio de compressão não é muito utilizado para os metais em razão das dificuldades para medir as propriedades avaliadas neste tipo de ensaio. Os valores numéricos são de difícil verificação, podendo levar a erros. Um problema que sempre ocorre no ensaio de compressão é o atrito entre o corpo de prova e as placas da máquina de ensaio. A deformação lateral do corpo de prova é barrada pelo atrito entre as superfícies do corpo de prova e da máquina. Para diminuir esse problema, é necessário revestir as faces superior e inferior do corpo de prova com materiais de baixo atrito (parafina, teflon etc). Outro problema é a possível ocorrência de flambagem, isto é, encurvamento do cor- po de prova. Isso decorre da instabilidade na compressão do metal dúctil. Dependendo das formas de fixação do corpo de prova, há diversas possibilidades de encurvamento, conforme mostra a figura ao lado. A flambagem ocorre principalmente em corpos de prova com comprimento maior em relação ao diâmetro. Por esse motivo, dependendo do grau de ductilidade do material, é necessário limitar o comprimento dos corpos de prova, que devem ter de 3 a 8 vezes o valor de seu diâmetro. Em alguns materiais muito dúcteis esta relação pode chegar a 1:1 (um por um). Outro cuidado a ser tomado para evitar a flambagem é o de garantir o perfeito paralelismo entre as placas do equipamento utilizado no ensaio de compressão. Deve-se centrar o corpo de prova no equipamento de teste, para garantir que o esforço de compressão se distribua uniformemente. Ensaio de compressão em materiais dúcteis Nos materiais dúcteis a compressão vai provocando uma deformação lateral apreciável. Essa deformação lateral prossegue com o ensaio até o corpo de prova se transformar num disco, sem que ocorra a ruptura. É por isso que o ensaio de compressão de materiais dúcteis fornece apenas as propriedades mecânicas referentes à zona elástica. As propriedades mecânicas mais avaliadas por meio do ensaio são: limite de proporcionalidade, limite de escoamento e módulo de elasticidade. 6 A U L AEnsaio de compressão em materiais frágeis O ensaio de compressão é mais utilizado para materiais frágeis. Uma vez que nesses materiais a fase elástica é muito pequena, não é possível determinar com precisão as propriedades relativas a esta fase. A única propriedade mecânica que é avaliada nos ensaios de compressão de materiais frágeis é o seu limite de resistência à compressão. Do mesmo modo que nos ensaios de tração, o limite de resistência à compressão é calculado pela carga máxima dividida pela seção original do corpo de prova. Relembrando Fórmula matemática para cálculo do limite de resistência: onde Fmax corresponde à carga máxima atingida após o escoamento e So corresponde à área inicial da seção. Com essa informação, fica fácil resolver o próximo exercício. Vamos tentar? Verificando o entendimento Qual o limite de resistência à compressão (LR) de um material que tem 400 mm2 de área da seção transversal e que se rompeu com uma carga de 760 kN? Resposta: LR = .................................... Confira. Sabendo que a fórmula para cálculo do limite de resistência à tensão de compressão é: basta substituir os termos da fórmula pelos valores conhecidos: Na prática, considera-se que o limite de resistência à compressão é cerca de 8 vezes maior que o limite de resistência à tração. Não sendo viável a realização do ensaio de compressão, esta relação é tomada como base para o cálculo da resistência à compressão. LR = Fmax So LR = Fmax So LR = = 1.900 N/mm2 = 1.900 MPa760.000 N 400 mm2 6 A U L A Ensaio de compressão em produtos acabados Ensaios de achatamento em tubos - Consiste em colocar uma amostra de um segmento de tubo deitada entre as placas da máquina de compressão e aplicar carga até achatar a amostra. A distância final entre as placas, que varia conforme a dimensão do tubo, deve ser registrada. O resultado é avaliado pelo aparecimento ou não de fissuras, ou seja, rachaduras, sem levar em conta a carga aplicada. Este ensaio permite avaliar qualitativamente a ductilidade do material, do tubo e do cordão de solda do mesmo, pois quanto mais o tubo se deformar sem trincas, mais dúctil será o material. Ensaios em molas - Para determinar a constante elástica de uma mola, ou para verificar sua resistência, faz-se o ensaio de compressão. Para determinar a constante da mola, constrói-se um gráfico tensão-defor- mação, obtendo-se um coeficiente angular que é a constante da mola, ou seja, o módulo de elasticidade. Por outro lado, para verificar a resistência da mola, aplicam-se cargas predeterminadas e mede-se a altura da mola após cada carga. Fim da aula! Hora de rever a matéria e se preparar para resolver os exercícios apresentados a seguir. Pelos resultados, você terá uma medida do seu progresso. 7 A U L A No caso do cisalhamento, a força é aplicada ao corpo na direção perpendicular ao seu eixo longitudinal. Esta força cortante, aplicada no plano da seção transversal (plano de tensão), provoca o cisalhamento. Como resposta ao esforço cortante, o material desenvolve em cada um dos pontos de sua seção transversal uma reação chamada resistência ao cisalhamento. A resistência de um material ao cisalhamento, dentro de uma determinada situação de uso, pode ser determinada por meio do ensaio de cisalhamento. Como é feito o ensaio de cisalhamento A forma do produto final afeta sua resistência ao cisalhamento. É por essa razão que o ensaio de cisalhamento é mais freqüentemente feito em produtos acabados, tais como pinos, rebites, parafusos, cordões de solda, barras e chapas. É também por isso que não existem normas para especificação dos corpos de prova. Quando é o caso, cada empresa desenvolve seus próprios modelos, em função das necessidades. Do mesmo modo que nos ensaios de tração e de compressão, a velocidade de aplicação da carga deve ser lenta, para não afetar os resultados do ensaio. Normalmente o ensaio é realizado na máquina universal de ensaios, à qual se adaptam alguns dispositivos, dependendo do tipo de produto a ser ensaiado. Para ensaios de pinos, rebites e parafusos utiliza-se um dispositivo como o que está representado simplificadamente na figura a seguir. 7 A U L A O dispositivo é fixado na máquina de ensaio e os rebites, parafusos ou pinos são inseridos entre as duas partes móveis. Ao se aplicar uma tensão de tração ou compressão no dispositivo, transmite- se uma força cortante à seção transversal do produto ensaiado. No decorrer do ensaio, esta força será elevada até que ocorra a ruptura do corpo. No caso de ensaio de solda, utilizam-se corpos de prova semelhantes aos empregados em ensaios de pinos. Só que, em vez dos pinos, utilizam-se junções soldadas. Para ensaiar barras, presas ao longo de seu comprimento, com uma extremi- dade livre, utiliza-se o dispositivo abaixo: No caso de ensaio de chapas, emprega-se um estampo para corte, como o que é mostrado a seguir. Neste ensaio normalmente determina-se somente a tensão de cisalhamento, isto é, o valor da força que provoca a ruptura da seção transversal do corpo ensaiado. Quer saber mais sobre a tensão de cisalhamento? Então, estude o próximo tópico. Tensão de cisalhamento A tensão de cisalhamento será aqui identificada por TC. Para calcular a tensão de cisalhamento, usamos a fórmula: onde F representa a força cortante e S representa a área do corpo. Esta fórmula permite resolver o problema a seguir. Vamos tentar? F S TC = 7 A U L AVerificando o entendimento Observe o desenho a seguir. Ele mostra um rebite de 20 mm de diâmetro que será usado para unir duas chapas de aço, devendo suportar um esforço cortante de 29400 N. Qual a tensão de cisalhamento sobre a seção transversal do rebite? Resposta: .............................................. Vamos conferir? O primeiro passo consiste em calcular a área da seção transversal do rebite, que é dada pela fórmula: Então, a área da seção do rebite é: Agora, basta aplicar a fórmula para o cálculo da tensão de cisalhamento: Deste modo: A realização de sucessivos ensaios mostrou que existe uma relação constante entre a tensão de cisalhamento e a tensão de tração. Na prática, considera-se a tensão de cisalhamento (TC) equivalente a 75% da tensão de tração (T). Em linguagem matemática isto é o mesmo que: TC = 0,75 T. É por isso que, em muitos casos, em vez de realizar o ensaio de cisalhamento, que exige os dispositivos já vistos, utilizam-se os dados do ensaio de tração, mais facilmente disponíveis. S = p ´ D 2 4 3,14 ´ 202 4 1.256 mm2 4 S = = = 314 mm2 F S TC = TC = = 93,63 MPa29400 N 314 mm2 8 A U L A 8 A U L Introdução Imagine-se sentado à beira de uma piscina, numa bela tarde ensolarada, completamente relaxado, apenas observando o movimento. De repente, você vê alguém dando um salto do trampolim. Se você prestar atenção, vai observar que a prancha se deforma sob o peso do atleta e depois volta à sua forma original. Sem dúvida, um dos fatores que contribuem para a beleza do salto é a capacidade da prancha do trampolim de suportar o esforço aplicado. Agora, pense no que aconteceria se a prancha do trampolim se dobrasse em vez de voltar à sua forma original. Seria catastrófico! Neste caso e em muitos outros, é importante conhecer o comportamento dos materiais frente a esse tipo de esforço. Por exemplo, já lhe aconteceu de estar parado sobre uma ponte, num congestionamento, sentindo o chão tremer sob as rodas do seu carro enquanto os veículos ao seu lado se movem? Sorte sua o fato de a ponte balançar. Isso significa que a estrutura estava suportando o esforço produzido pelo peso dos veículos. São situações como essas que mostram a importância de saber como os corpos reagem aos esforços de flexão e dobramento, assuntos que serão tratados nesta aula. Além disso, você ficará conhecendo os procedimentos para a realiza- ção dos ensaios de dobramento e flexão e saberá identificar as propriedades avaliadas em cada caso. Da flexão ao dobramento Observe as duas figuras a seguir: a da esquerda mostra um corpo apoiado em suas duas extremidades e a da direita mostra um corpo preso de um lado, com a extremidade oposta livre. Os dois corpos estão sofrendo a ação de uma força F, que age na direção perpendicular aos eixos dos corpos. Dobramento e flexão Nossa aula 8 A U L AA força F leva uma região dos corpos a se contrair, devido à compressão, enquanto que outra região se alonga, devido à tração. Entre a região que se contrai e a que se alonga fica uma linha que mantém sua dimensão inalterada - a chamada linha neutra. Em materiais homogêneos, costuma-se considerar que a linha neutra fica a igual distância das superfícies externas inferior e superior do corpo ensaiado. Quando esta força provoca somente uma deformação elástica no material, dizemos que se trata de um esforço de flexão. Quando produz uma deformação plástica, temos um esforço de dobramento. Isso quer dizer que, no fundo, flexão e dobramento são etapas diferentes da aplicação de um mesmo esforço, sendo a flexão associada à fase elástica e o dobramento à fase plástica. Em algumas aplicações industriais, envolvendo materiais de alta resistên- cia, é muito importante conhecer o comportamento do material quando subme- tido a esforços de flexão. Nesses casos, o ensaio é interrompido no final da fase elástica e são avaliadas as propriedades mecânicas dessa fase. Quando se trata de materiais dúcteis, é mais importante conhecer como o material suporta o dobramento. Nesses casos, é feito diretamente o ensaio de dobramento, que fornece apenas dados qualitativos. O ensaio de flexão e o ensaio de dobramento utilizam praticamente a mesma montagem, adaptada à máquina universal de ensaios: · dois roletes, com diâmetros determinados em função do corpo de prova, que funcionam como apoios, afastados entre si a uma distância preestabelecida; · um cutelo semicilíndrico, ajustado à parte superior da máquina de ensaios. 8 A U L A Esses ensaios podem ser feitos em corpos de prova ou em produtos, prepa- rados de acordo com normas técnicas específicas. Embora possam ser feitos no mesmo equipamento, na prática esses dois ensaios não costumam ser feitos juntos. É por isso que, nesta aula, abordaremos cada um deles separadamente. Que tal começar pelo ensaio de dobramento, que é menos complicado? O ensaio de dobramento Experimente dobrar duas barras de um metal: por exemplo, uma de alu- mínio recozido e outra de alumínio encruado. Você vai observar que a de alumínio recozido dobra-se totalmente, até uma ponta encostar na outra. A de alumínio encruado, ao ser dobrada, apresentará trincas e provavelmente quebrará antes de se atingir o dobramento total. O ensaio de dobramento é isso: ele nos fornece somente uma indicação qualitativa da ductilidade do material. Normalmente os valores numéricos obtidos não têm qualquer importância. Como é feito o ensaio de dobramento O ensaio consiste em dobrar um corpo de prova de eixo retilíneo e seção circular (maciça ou tubular), retangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados a uma distância especificada, de acordo com o tamanho do corpo de prova, por meio de um cutelo, que aplica um esforço perpendicular ao eixo do corpo de prova, até que seja atingido um ângulo desejado. O valor da carga, na maioria das vezes, não importa. O ângulo determina a severidade do ensaio e é geralmente de 90, 120 ou 180º. Ao se atingir o ângulo especificado, examina-se a olho nu a zona tracionada, que não deve apresentar trincas, fissuras ou fendas. Caso contrário, o material não terá passado no ensaio. Processos de dobramento Há dois processos de dobramento: o dobramento livre e o dobramento semiguiado. Veja, a seguir, as características de cada um. 8 A U L ALogo, verificamos que a flexão da barra não depende só da força, mas também da distância entre o ponto onde a força é aplicada e o ponto de apoio. O produto da força pela distância do ponto de aplicação da força ao ponto de apoio origina o que chamamos de momento, que no caso da flexão é o momento fletor (Mf). Nos ensaios de flexão, a força é sempre aplicada na região média do corpo de prova e se distribui uniformemente pelo corpo. Na fórmula para calcular o momento fletor, considera-se a metade do valor da força e a metade do comprimento útil do corpo de prova A fórmula matemática para calcular o momento fletor é: Outro elemento que você precisa conhecer é o momento de inércia da seção transversal. Um exemplo o ajudará a entender do que estamos falando. A forma do material influencia muito sua resistência à flexão. Você pode comprovar isso fazendo a seguinte experiência: · arranje uma régua de plástico ou de madeira, coloque-a deitada sobre dois pontos de apoio e aplique uma força sobre a régua, como mostra a figura a seguir. F 2 L 2 L 2 Mf = ´ Þ Mf = F 2 FL 4 8 A U L A · coloque a mesma régua sobre os dois apoios, só que em pé, como mostra a figura seguinte, e aplique uma força equivalente à aplicada antes. E então? O que aconteceu? No primeiro caso, ocorreu uma grande flexão. No segundo, a flexão foi quase nula. Isso tudo só porque você mudou a forma da superfície sobre a qual estava aplicando a força. Para cada formato existirá um momento de inércia diferente. O momento de inércia (J) é calculado por fórmulas matemáticas: · momento de inércia para corpos de seção circular: · momento de inércia para corpos de seção retangular: Falta ainda um elemento para entender a fórmula de cálculo da tensão de flexão: é o módulo de resistência da seção transversal, representado conven- cionalmente pela letra W. Trata-se de uma medida de resistência em relação a um momento. Este módulo significa para a flexão o mesmo que a área da seção transversal significa para a tração. O valor deste módulo é conhecido dividindo-se o valor do momento de inércia (J) pela distância da linha neutra à superfície do corpo de prova (c). Em linguagem matemática: Nos corpos de prova de seção circular, de materiais homogêneos, a distância c equivale à metade do diâmetro. Em corpos de seção retangular ou quadrada, considera-se a metade do valor da altura. Agora sim, já podemos apresentar a fórmula para o cálculo da tensão de flexão (TF): TF = Mf W J = p D 4 64 J = b ´ h 3 12 W = J c 8 A U L AUma vez realizado o ensaio, para calcular a tensão de flexão basta substituir as variáveis da fórmula pelos valores conhecidos. A combinação das fórmulas anteriores, demonstrada a seguir, permite trabalhar diretamente com esses valores. O valor da carga obtido no ensaio varia conforme o material seja dúctil ou frágil. No caso de materiais dúcteis, considera-se a força obtida no limite de elasticidade. Quando se trata de materiais frágeis, considera-se a força registrada no limite de ruptura. Outras propriedades que podem ser avaliadas no ensaio de flexão são a flexa máxima e o módulo de elasticidade. Pode-se medir a flexa máxima diretamente pelo extensômetro, ou calculá-la por meio de fórmula. A fórmula para o cálculo da flexa máxima (f) é: A fórmula para o cálculo do módulo de elasticidade (E) é: Acompanhe um exemplo prático de aplicação das fórmulas anteriores, participando da resolução do próximo problema: · Efetuado um ensaio de flexão num corpo de prova de seção circular, com 50 mm de diâmetro e 685 mm de comprimento, registrou-se uma flexa de 1,66 mm e a carga aplicada ao ser atingido o limite elástico era de 1.600 N. Conhecendo estes dados, vamos calcular: 1 - tensão de flexão 2 - módulo de elasticidade Vamos determinar primeiro a tensão de flexão. Para isso devemos recorrer à fórmula: TF = , Mf = e W = Þ TF = Þ TF = ´ Þ TF = Mf W FL 4 J c FL 4 J c FL 4 c J FLc 4J f = ´1 48 FL3 E ´ J E = ´1 48 FL3 f ´ J TF = FLc 4J 9 A U L A 9 A U L Introdução É na estamparia que o ensaio de embutimento encontra sua principal aplicação. E você sabe por quê? É fácil encontrar resposta a esta pergunta: basta observar alguns objetos de uso diário, como uma panela, a lataria dos automóveis e outras tantas peças produzidas a partir de chapas metálicas, por processos de estampagem. A estampagem é o processo de converter finas chapas metálicas em peças ou produtos, sem fratura ou concentração de microtrincas. As chapas utilizadas neste processo devem ser bastante dúcteis. Nesta aula, você ficará sabendo como é feito o ensaio de embutimento em chapas, para avaliar sua adequação à operação de estampagem. E conhecerá os dois principais métodos de ensaio de embutimento. Ductilidade de chapas A operação de estampagem envolve dois tipos de deformações: o estiramento, que é o afinamento da chapa, e a estampagem propriamente dita, que consiste no arrastamento da chapa para dentro da cavidade da matriz por meio de um punção. Nessa operação, a chapa fica presa por um sujeitador que serve como guia para o arrastamento. Ensaio de embutimento Nossa aula 9 A U L AA ductilidade é a característica básica para que o produto possa ser estam- pado. E já estudamos diversos ensaios que podem avaliar esta característica - tração, compressão, dobramento etc. Então, por que fazer um ensaio específico para avaliar a ductilidade? Existe uma razão para isso: uma chapa pode apresentar diversas pequenas heterogeneidades, que não afetariam o resultado de ductilidade obtido no ensaio de tração. Mas, ao ser deformada a frio, a chapa pode apresentar pequenas trincas em conseqüência dessas heterogeneidades. Além de trincas, uma peça estampada pode apresentar diversos outros problemas, como enrugamento, distorção, textura superficial rugosa, fazendo lembrar uma casca de laranja etc. A ocorrência destes problemas está relacionada com a matéria-prima utilizada. Nenhum dos ensaios que estudamos anteriormente fornece todas as infor- mações sobre a chapa, necessárias para que se possa prever estes problemas. Para evitar surpresas indesejáveis, como só descobrir que a chapa é inade- quada ao processo de estampagem após a produção da peça, foi desenvolvido o ensaio de embutimento. Este ensaio reproduz, em condições controladas, a estampagem de uma cavidade previamente estabelecida. Os ensaios de embutimento permitem deformar o material quase nas mesmas condições obtidas na operação de produção propriamente dita, só que de maneira controlada, para minimizar a variação nos resultados. Existem ensaios padronizados para avaliar a capacidade de estampagem de chapas. Os mais usados são os ensaios de embutimento Erichsen e Olsen, que você vai estudar detalhadamente depois de adquirir uma visão geral sobre a realização dos ensaios de embutimento. Esses ensaios são qualitativos e, por essa razão, os resultados obtidos constituem apenas uma indicação do comportamento que o material apresenta- rá durante o processo de fabricação. Descrição do ensaio Os ensaios de embutimento são realiza- dos por meio de dispositivos acoplados a um equipamento que transmite força. Podem ser feitos na já conhecida máquina universal de ensaios, adaptada com os dispositivos próprios, ou numa máquina específica para este ensaio, como a que mostramos ao lado. A chapa a ser ensaiada é presa entre uma matriz e um anel de fixação, que tem por finalidade impedir que o material deslize para dentro da matriz. 9 A U L A Depois que a chapa é fixada, um punção aplica uma carga que força a chapa a se abaular até que a ruptura aconteça. Um relógio medidor de curso, graduado em décimos de milímetro, fornece a medida da penetração do punção na chapa. O resultado do ensaio é a medida da profundidade do copo formado pelo punção no momento da ruptura. Além disso, o exame da superfície externa da chapa permite verificar se ela é perfeita ou se ficou rugosa devido à granulação, por ter sido usado um material inadequado. Ensaio Erichsen No caso do ensaio de embutimento Erichsen o punção tem cabeça esférica de 20 mm de diâmetro e a carga aplicada no anel de fixação que prende a chapa é de cerca de 1.000 kgf. O atrito entre o punção e a chapa poderia afetar o resultado do ensaio. Por isso, o punção deve ser lubrificado com graxa grafitada, de composição determi- nada em norma técnica, para que o nível de lubrificação seja sempre o mesmo. O momento em que ocorre a ruptura pode ser acompanhado a olho nu ou pelo estalo característico de ruptura. Se a máquina for dotada de um dinamômetro que meça a força aplicada, pode-se determinar o final do ensaio pela queda brusca da carga que ocorre no momento da ruptura. A altura h do copo é o índice Erichsen de embutimento. 10 A U L A Diz o ditado popular: “É de pequenino que se torce o pepino!” E quanto aos metais e outros materiais tão usados no nosso dia-a-dia: o que dizer sobre seu comportamento quando submetidos ao esforço de torção? Este é um assunto que interessa muito mais do que pode parecer à primeira vista, porque vivemos rodeados por situações em que os esforços de torção estão presentes. Já lhe aconteceu de estar apertando um parafuso e, de repente, ficar com dois pedaços de parafuso nas mãos? O esforço de torção é o responsável por estragos como esse. E o que dizer de um virabrequim de automóvel, dos eixos de máquinas, polias, molas helicoidais e brocas? Em todos estes produtos, o maior esforço mecânico é o de torção, ou seja, quando esses produtos quebram é porque não resistiram ao esforço de torção. A torção é diferente da compressão, da tração e do cisalhamento porque nestes casos o esforço é aplicado no sentido longitudinal ou transversal, e na torção o esforço é aplicado no sentido de rotação. O ensaio de torção é de execução relativamente simples, porém para obter as propriedades do material ensaiado são necessários cálculos matemáticos complexos. Como na torção uma parte do material está sendo tracionada e outra parte comprimida, em casos de rotina podemos usar os dados do ensaio de tração para prever como o material ensaiado se comportará quando sujeito a torção. Estudando os assuntos desta aula, você ficará sabendo que tipo de força provoca a torção, o que é momento torsor e qual a sua importância, e que tipo de deformação ocorre nos corpos sujeitos a esforços de torção. Conhecerá as especificações dos corpos de prova para este ensaio e as fraturas típicas resultantes do ensaio. Introdução Ensaio de torção 10 U L A 10 A U L A Rotação e torção Pense num corpo cilíndrico, preso por uma de suas extremidades, como na ilustração ao lado. Imagine que este corpo passe a sofrer a ação de uma força no sentido de rotação, aplicada na extremidade solta do corpo. O corpo tenderá a girar no sentido da força e, como a outra extremidade está engastada, ele sofrerá uma torção sobre seu próprio eixo. Se um certo limite de torção for ultrapassado, o corpo se romperá. Você está curioso para saber por que este esforço é importante? Quem sabe uma situação concreta o ajude a visualizar melhor. O eixo de transmissão dos caminhões é um ótimo exemplo para ilustrar como atua este esforço. Uma ponta do eixo está ligada à roda, por meio do diferencial traseiro. A outra ponta está ligada ao motor, por intermédio da caixa de câmbio. O motor transmite uma força de rotação a uma extremidade do eixo. Na outra extremidade, as rodas oferecem resistência ao movimento. Como a força que o motor transmite é maior que a força resistente da roda, o eixo tende a girar e, por conseqüência, a movi- mentar a roda. Esse esforço provoca uma deformação elástica no eixo, como mostra a ilustração ao lado. Nossa aula 10 A U L AAnalise com atenção o desenho anterior e observe que: · D é o diâmetro do eixo e L, seu comprimento; · a letra grega minúscula j (fi) é o ângulo de deformação longitudinal; · a letra grega minúscula q (teta) é o ângulo de torção, medido na seção transversal do eixo; · no lugar da força de rotação, aparece um elemento novo: Mt, que representa o momento torsor. Veja a seguir o que é momento torsor e como ele age nos esforços de torção. Momento torsor Não existe coisa mais chata que um pneu furar na hora errada. E os pneus sempre furam em hora errada! Se já lhe aconteceu de ter de trocar um pneu com uma chave de boca de braço curto, você é capaz de avaliar a dificuldade que representa soltar os parafusos da roda com aquele tipo de chave. Um artifício simples ajuda a reduzir bastante a dificuldade de realizar esta tarefa: basta encaixar um cano na haste da chave, de modo a alongar o comprimento do braço. Fica claro que o alon- gamento do braço da cha- ve é o fator que facilita o afrouxamento dos parafu- sos, sob efeito do momento da força aplicada. Momento de uma força é o produto da intensidade da força (F) pela dis- tância do ponto de aplicação ao eixo do corpo sobre o qual a força está sendo aplicada (C). Em linguagem matemática, o momento de uma força (Mf) pode ser expresso pela fórmula: Mf = F ´ C. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de momento é o newton metro (Nm). Quando se trata de um esforço de torção, o momento de torção, ou momento torsor, é também chamado de torque. 10 A U L A Certamente os assuntos que você acabou de estudar estão longe de esgotar a literatura disponível sobre este tipo de ensaio. Dependendo de sua área de trabalho e especialidade, será necessário um aprofundamento. Por ora, resolva os exercícios a seguir, para verificar se os conceitos gerais foram bem entendidos. Exercício 1 Um corpo cilíndrico está sob ação de uma força de torção de 20 N, aplicada num ponto situado a 10 mm do centro da sua seção transversal. Calcule o torque que está atuando sobre este corpo. Exercício 2 No diagrama abaixo, escreva: A no ponto que representa o limite de escoamento; B no ponto que representa o limite de proporcionalidade; C no ponto que representa o momento de ruptura; D no ponto que representa o momento máximo. Exercício 3 O material frágil, ao ser fraturado na torção, apresenta: a) ( ) fratura idêntica ao material dúctil; b) ( ) fratura perpendicular ao eixo do corpo de prova; c) ( ) fratura formando ângulo aproximado de 45ºcom o eixo do corpo de prova; d) ( ) fratura em ângulo diferente de 45º com o eixo do corpo de prova. Exercício 4 O ensaio de torção é realizado .................................... . a) ( ) na máquina universal de ensaios; b) ( ) na prensa hidráulica; c) ( ) em equipamento especial para o ensaio; d) ( ) em dispositivo idêntico ao do ensaio de tração. Exercício 5 Observe seu ambiente de trabalho e cite três exemplos de equipamentos ou produtos onde o esforço de torção é o principal. Exercícios 11 A U L A Ao escrever a lápis ou lapiseira, você sente com facilidade a diferença entre uma grafite macia, que desliza suavemente sobre o papel, e uma grafite dura, que deixa o papel marcado. Entretanto, a dureza de um material é um conceito relativamente complexo de definir, originando diversas interpretações. Num bom dicionário, você encontra que dureza é “qualidade ou estado de duro, rijeza”. Duro, por sua vez, é definido como “difícil de penetrar ou de riscar, consistente, sólido”. Essas definições não caracterizam o que é dureza para todas as situações, pois ela assume um significado diferente conforme o contexto em que é empregada: · Na área da metalurgia, considera-se dureza como a resistência à deforma- ção plástica permanente. Isso porque uma grande parte da metalurgia consiste em deformar plasticamente os metais. · Na área da mecânica, é a resistência à penetração de um material duro no outro, pois esta é uma característica que pode ser facilmente medida. · Para um projetista, é uma base de medida, que serve para conhecer a resistência mecânica e o efeito do tratamento térmico ou mecânico em um metal. Além disso, permite avaliar a resistência do material ao desgaste. · Para um técnico em usinagem, é a resistência ao corte do metal, pois este profissional atua com corte de metais, e a maior ou menor dificuldade de usinar um metal é caracterizada como maior ou menor dureza. · Para um mineralogista é a resistência ao risco que um material pode produzir em outro. E esse é um dos critérios usados para classificar minerais. Ou seja, a dureza não é uma propriedade absoluta. Só tem sentido falar em dureza quando se comparam materiais, isto é, só existe um material duro se houver outro mole. Introdução 11 U L A Dureza Brinell 11 A U L A É importante destacar que, apesar das diversas definições, um material com grande resistência à deformação plástica permanente também terá alta resistên- cia ao desgaste, alta resistência ao corte e será difícil de ser riscado, ou seja, será duro em qualquer uma dessas situações. Nesta aula você vai conhecer um dos métodos de ensaio de dureza mais amplamente utilizados: o ensaio de dureza Brinell. Saberá quais são suas vantagens e limitações e como é calculada a dureza de um material a partir deste tipo de ensaio. Vai ser duro? Nem tanto! Estude com atenção e faça os exercícios sugeridos. Avaliação da dureza: como tudo começou Há registros de que no século XVII já se avaliava a dureza de pedras preciosas, esfregando-as com uma lima. No século XVIII desenvolveu-se um método para determinar a dureza do aço, riscando-o com minerais diferentes. Mas o primeiro método padronizado de ensaio de dureza do qual se tem notícia, baseado no processo de riscagem, foi desenvolvido por Mohs, em 1822. Este método deu origem à escala de dureza Mohs, que apresenta dez minérios-padrões, ordenados numa escala crescente do grau 1 ao 10, de acordo com sua capacidade de riscar ou ser riscado. Esta escala não é conveniente para os metais, porque a maioria deles apresenta durezas Mohs 4 e 8, e pequenas diferenças de dureza não são acusadas por este método. Por exemplo, um aço dúctil corresponde a uma dureza de 6 Mohs, a mesma dureza Mohs de um aço temperado. As limitações da escala Mohs levaram ao desenvolvimento de outros métodos de determinação de dureza, mais condizentes com o controle do aço e de outros metais. Um deles é o ensaio de dureza Brinell, que você vai estudar a seguir. Curiosidade Escala Mohs (1822) 1 - Talco 2 - Gipsita 3 - Calcita 4 - Fluorita 5 - Apatita 6 - Feldspato (ortóssio) 7 - Quartzo 8 - Topázio 9 - Safira e corindo 10 - Diamante Nossa aula 11 A U L AVerificando o entendimento Tente localizar na tabela da página anterior o valor de dureza para um material que deixou um diâmetro de impressão de 3,55 mm. Resposta: ............................... Para encontrar o valor de HB solicitado você deve ter procurado na primeira coluna da tabela a linha correspondente ao valor de diâmetro de impressão 3,55 mm. Este valor está associado à dureza HB 293, que aparece na mesma linha, na segunda coluna. É possível que os valores de dureza encontrados por cálculos, com aplicação da fórmula matemática, apresentem pequenas diferenças em relação aos valores correspondentes encontrados em tabelas. Não se preocupe. Essas diferenças se devem aos arredondamentos utilizados nos cálculos. Escolha das condições de ensaio O ensaio padronizado, proposto por Brinell, é realizado com carga de 3.000 kgf e esfera de 10 mm de diâmetro, de aço temperado. Porém, usando cargas e esferas diferentes, é possível chegar ao mesmo valor de dureza, desde que se observem algumas condições: · A carga será determinada de tal modo que o diâmetro de impressão d se situe no intervalo de 0,25 a 0,5 do diâmetro da esfera D. A impressão será considerada ideal se o valor de d ficar na média entre os dois valores anteriores, ou seja, 0,375 mm. · Para obter um diâmetro de impressão dentro do intervalo citado no item anterior, deve-se manter constante a relação entre a carga (F) e o diâmetro ao quadrado da esfera do penetrador (D2), ou seja, a relação é igual a uma constante chamada fator de carga. Para padronizar o ensaio, foram fixados valores de fatores de carga de acordo com a faixa de dureza e o tipo de material. O quadro a seguir mostra os principais fatores de carga utilizados e respectivas faixas de dureza e indicações. F D2 30 10 5 2,5 90 a 415 HB 30 a 140 HB 15 a 70 HB até 30 HB DUREZA MATERIAIS Aços e ferros fundidos Cobre, alumínio e suas ligas mais duras Ligas antifricção, cobre, alumínio e suas ligas mais moles Chumbo, estanho, antimônio e metais-patente F D2 11 A U L A O diâmetro da esfera é determinado em função da espessura do corpo de prova ensaiado. A espessura mínima é indicada em normas técnicas de método de ensaio. No caso da norma brasileira, a espessura mínima do material ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade da calota. O quadro a seguir mostra os diâmetros de esfera mais usados e os valores de carga para cada caso, em função do fator de carga escolhido. Observe que, no quadro anterior, os valores de carga foram determinados a partir das relações entre F e D2 indicadas no primeiro quadro. Exemplificando: Veja como todas essas informações são úteis para resolver um problema prático. Verificando o entendimento Uma empresa comprou um lote de chapas de aço carbono com a seguinte especificação: - espessura: 4 mm - dureza Brinell (HB): 180 Essas chapas devem ser submetidas ao ensaio de dureza Brinell para confirmar se estão de acordo com as especificações. Nosso problema consiste em saber se essas chapas podem ser ensaiadas com a esfera de 10 mm. Para resolver esse problema, precisamos das informações contidas nos dois quadros anteriores. Observando o primeiro quadro, você fica sabendo que a relação para este material (aço carbono) é igual a 30. O segundo quadro mostra que, para uma esfera de 10 mm e um fator de carga igual a 30, a carga de ensaio é de 3.000 kgf. Com esses dados, é possível calcular a profundidade de impressão da calota, aplicando a fórmula: Isolando p, temos: DIÂMETRO DA ESFERA (mm) 10 5 2,5 3.000 750 187.5 1.000 250 62,5 250 62,5 15.625 500 125 31.25 F (kgf) = 30 D2 F (kgf) = 10 D2 F (kgf) = 5 D2 F (kgf) = 2,5 D2 F D2 = 30 Þ F = 30 D2 F D2 HB = F pDp p = Þ p = Þ p = Þ p = 0,53F pDp 3.000 3,14 ´ 10 ´ 180 3.000 5.652 11 A U L APortanto, a profundidade da impressão é de 0,53 mm. Sabemos que a espessura do material ensaiado deve ser, no mínimo, 17 vezes a profundidade da calota. Multiplicando a profundidade da impressão por 17, obtemos: 9,01 mm. Conclusão: as chapas de 4 mm não podem ser ensaiadas com a esfera de 10 mm. Devem ser usadas esferas menores. A esfera de 10 mm produz grandes calotas na peça. Por isso é a mais ade- quada para medir materiais que têm a estrutura formada por duas ou mais fases de dureza muito discrepantes. Em casos assim, a dureza é determinada pela média entre as fases, como acontece com os ferros fundidos, bronzes etc. A utilização de esferas diferentes de 10 mm só é válida para materiais homogêneos. Esferas de diâmetros menores produziriam calotas menores e, no caso de materiais heterogêneos, poderia ocorrer de se estar medindo a dureza de apenas uma das fases. Com isso, o valor de dureza seria diferente do esperado para o material. Representação dos resultados obtidos O número de dureza Brinell deve ser seguido pelo símbolo HB, sem qualquer sufixo, sempre que se tratar do ensaio padronizado, com aplicação da carga durante 15 segundos. Em outras condições, o símbolo HB recebe um sufixo formado por números que indicam as condições específicas do teste, na seguinte ordem: diâmetro da esfera, carga e tempo de aplicação da carga. Exemplificando: Um valor de dureza Brinell 85, medido com uma esfera de 10 mm de diâmetro e uma carga de 1.000 kgf, aplicada por 30 segundos, é representado da seguinte forma: 85HB 10/1000/30 Agora, tente você! Verificando o entendimento Interprete a seguinte representação de dureza Brinell: 120HB 5/250/30. Resposta: dureza Brinell: ................................................ diâmetro da esfera: ........................................ carga: ............................................................... duração do ensaio: ........................................ Confira: a dureza Brinell é de 120 HB; o diâmetro da esfera é de 5 mm; a carga aplicada foi de 250 kgf e a duração do ensaio foi de 30 segundos. 11 A U L A Exercício 3 A relação de um ensaio é igual a 30, para materiais que apresentam dureza HB entre 90 e 415. Cite dois exemplos de materiais que devem ser ensaiados nessas condições. Respostas: ........................................................ . Exercício 4 Num ensaio de dureza Brinell com esfera de 2,5 mm e aplicação de uma carga de 62,5 kgf por 30 segundos, o diâmetro da calota esférica impressa no material foi de 1,05 mm e a dureza HB de 69. Represente este resultado, a seguir. Resposta: .................................................... Exercício 5 Uma liga dura de alumínio passou pelo ensaio de dureza Brinell pelo tempo padrão e o diâmetro de impressão produzido pela esfera de 2,5 mm foi de 0,85 mm. Qual o valor da dureza Brinell? Resposta: ................................................... . F D2 12 A U L A No início do século XX houve muitos pro- gressos no campo da determinação da dureza. Em 1922, Rockwell desenvolveu um método de ensaio de dureza que utilizava um sistema de pré-carga. Este método apresenta algumas vantagens em relação ao ensaio Brinell, pois permite avaliar a dureza de metais diversos, desde os mais moles até os mais duros. Entretanto, também tem limitações, o que indica que está longe de ser a solução técnica ideal. O ensaio Rockwell, que leva o nome do seu criador, é hoje o processo mais utilizado no mundo inteiro, devido à rapidez e à facilidade de execução, isenção de erros humanos, facilidade em detectar pequenas diferenças de durezas e pequeno tamanho da impressão. Todas essas razões justificam dedicar uma aula ao estudo deste método de ensaio. No final, você ficará sabendo como é feito o ensaio Rockwell, qual o equipamento empregado e como utilizar as diferentes escalas de dureza Rockwell. Em que consiste o ensaio Rockwell Neste método, a carga do ensaio é apli- cada em etapas, ou seja, primeiro se aplica uma pré-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o material en- saiado, e depois aplica-se a carga do ensaio propriamente dita. A leitura do grau de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material. Introdução 12 U L A Dureza Rockwell Nossa aula 12 A U L A Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120º de conicidade). Descrição do processo Quando se utiliza o penetrador cônico de diamante, deve-se fazer a leitura do resultado na escala externa do mostrador, de cor preta. Ao se usar o penetrador esférico, faz-se a leitura do resultado na escala vermelha. Nos equipamentos com mostrador digital, uma vez fixada a escala a ser usada, o valor é dado diretamente na escala determinada. 1º passo: aproximar a superfície do corpo de prova do penetrador. 2º passo: submeter o corpo de prova a uma pré- carga (carga menor). 3º passo: aplicar a carga maior até o ponteiro parar. 4º passo: retirar a carga maior e fazer a leitura do valor indicado no mostrador, na escala apropriada. 12 A U L A Para entender a informação contida na coluna Faixa de utilização, você precisa saber como são representados os valores de dureza Rockwell. É o que explicaremos a seguir. Representação da dureza Rockwell O número de dureza Rockwell deve ser seguido pelo símbolo HR, com um sufixo que indique a escala utilizada. Veja, por exemplo, a interpretação do resultado 64HRC: · 64 é o valor de dureza obtido no ensaio; · HR indica que se trata de ensaio de dureza Rockwell; · a última letra, no exemplo C, indica qual a escala empregada. Pare e resolva! Verificando o entendimento Como você interpreta o seguinte resultado: 50HR15N? Resposta: ............................................... . Se você escreveu que 50 é o valor de dureza Rockwell superficial na escala 15N, acertou. O número obtido no ensaio Rockwell corresponde a um valor adimensional, que somente possui significado quando comparado com outros valores da mesma escala. Uso em aplicações similares às escalas HRC, HRA, HRD Uso em aplicações similares às escalas HRC, HRA, HRD Uso em aplicações similares às escalas HRC, HRA, HRD Uso em aplicações similares às escalas HRB, HRF, HRG Uso em aplicações similares às escalas HRB, HRF, HRG Uso em aplicações similares às escalas HRB, HRF, HRG ESCALA DE DUREZA ROCKWELL SUPERFICIAL E APLICAÇÕES 15 N 30 N 45 N 15 T 30 T 45 T FAIXA DE UTILIZAÇÃO CAMPO DE APLICAÇÃO ESCALA COR DA ESCALA preta preta preta vermelha vermelha vermelha diamante cone 120° diamante diamante esfera aço 1,5875 mm esfera aço 1,5875 mm esfera aço 1,5875 mm 65 a 90 HR 15N 40 a 80 HR 30N 35 a 70 HR 45N 50 a 94 HR 15T 10 a 84 HR 30T 10 a 75 HR 45T CARGA MAIOR 15 30 45 15 30 45 PENETRADOR 12 A U L A Utilizando as escalas de dureza Rockwell Suponha que lhe peçam para fazer um ensaio de dureza Rockwell na escala C. Recorrendo aos quadros apresentados anteriormente, que trazem as escalas de dureza Rockwell, é possível identificar as condições de realização do ensaio. Como fazer isso? Acompanhe a demonstração. - Uma vez que o ensaio deve ser feito na escala C, você já sabe que se trata de um ensaio de dureza Rockwell normal. - O ensaio é de dureza Rockwell normal, logo a máquina a ser utilizada é a padrão. - O penetrador para esta escala é o cônico de diamante. - O penetrador deve ter 120º de conicidade. - A carga maior do ensaio é de 150 kgf. - A leitura do resultado é feita na escala preta do relógio. Ficou claro? Então resolva o próximo exercício para comprovar o entendimento. Verificando o entendimento Uma empresa adquiriu um material com a seguinte especificação: 70HR15T. Quais as condições do ensaio para confirmar se o material está de acordo com a especificação? Resposta: Tipo de máquina: ...................................... Tipo de penetrador: ..................................... Dimensão do penetrador: ................................... Pré-carga: .............................................. Carga maior: ........................................ Cor da escala onde é feita a leitura do resultado: .................................. A representação HR15T indica que as informações deverão ser procuradas na escala Rockwell superficial. Logo, a máquina deve ser a mais precisa. O penetrador será uma esfera de aço com 1,5875 mm de diâmetro. Será aplicada uma pré-carga de 3 kgf e a carga maior será de 15 kgf. O resultado deverá ser lido na escala vermelha. Profundidade de penetração A profundidade que o penetrador vai atingir durante o ensaio é importante para definir a espessura mínima do corpo de prova. De modo geral, a espessura mínima do corpo de prova deve ser 17 vezes a profundidade atingida pelo penetrador. Entretanto, não há meios de medir a profundidade exata atingida pelo penetrador no ensaio de dureza Rockwell. 12 A U L AÉ possível obter a medida aproximada desta profundidade (P), a partir do valor de dureza indicado na escala da máquina de ensaio, utilizando as fórmulas a seguir: · Penetrador de diamante: HR normal: P = 0,002 ´ (100 - HR) HR superficial: P = 0,001 ´ (100 - HR) · Penetrador esférico: HR normal: P = 0,002 ´ (130 - HR) HR superficial: P = 0,001 ´ (100 - HR) Por exemplo, a profundidade aproximada de penetração que será atingida ao ensaiar um material com dureza estimada de 40HRC é de 0,12 mm. Como se chegou a este resultado? Consultando as tabelas com as escalas de dureza Rockwell, ficamos sabendo que a escala C se refere à dureza Rockwell normal e que esta escala utiliza penetrador de diamante. O passo seguinte foi escolher a fórmula: P = 0,002 ´ (100 - HR) e fazer as contas. Tente você também! Verificando o entendimento Qual deve ser a espessura mínima de uma chapa que será submetida ao ensaio de dureza Rockwell para um material com dureza esperada de 80HRB? Resposta: ...................................... A primeira coisa que você deve ter feito é descobrir a profundidade aproxi- mada atingida pelo penetrador. Para isso, deve ter ido ao quadro com a escala B (dureza Rockwell normal), e constatado que esta escala usa penetrador esférico. Com essas informações, deve ter escolhido a fórmula: P = 0,002 ́ (130 - 80) para encontrar o valor da profundidade aproximada. Feitos os cálculos, deve ter concluído que esta profundidade é de aproximadamente 0,1 mm. Uma vez que a espessura do corpo de prova equivale, em geral, a pelo menos 17 vezes a medida da profundidade, a espessura mínima da chapa deve ser de 1,7 mm. Como você viu, o ensaio de dureza Rockwell tornou possível avaliar a dureza de materiais que não poderiam ser submetidos ao ensaio Brinell. Mesmo assim, há situações em que nem o ensaio Brinell nem o Rockwell são recomen- dáveis. Por isso, a próxima aula será dedicada a outro tipo de ensaio de dureza, o ensaio Vickers. Mas antes de estudar um assunto novo, é bom que você esteja seguro de que os assuntos desta aula ficaram bem entendidos. Uma maneira de verificar isso é fazendo os exercícios propostos a seguir. 13 A U L A Cálculo da dureza Vickers O ensaio desenvolvido por Smith e Sandland ficou conhecido como ensaio de dureza Vickers porque a empresa que fabricava as máquinas mais difundidas para operar com este método chamava-se Vickers-Armstrong. A dureza Vickers se baseia na resistência que o material oferece à penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma determinada carga. O valor de dureza Vickers (HV) é o quo- ciente da carga aplicada (F) pela área de impressão (A) deixada no corpo ensaiado. Essa relação, expressa em linguagem mate- mática é a seguinte: A máquina que faz o ensaio Vickers não fornece o valor da área de impressão da pirâmide, mas permite obter, por meio de um microscópio acoplado, as medidas das diagonais (d1 e d2) formadas pelos vértices opostos da base da pirâmide. Conhecendo as medidas das diagonais, é possível calcular a área da pirâmi- de de base quadrada (A), utilizando a fórmula: Voltando à fórmula para cálculo da HV, e substituindo A pela fórmula acima, temos: HV = F A HV = Þ HV = Þ HV =F d2 2 sen 68º F ´ 2 sen 68º d2 1,8544 F d2 A d =     2 2 136 2 sen o Nossa aula 13 A U L ANa fórmula anterior, a força deve ser expressa em quilograma-força (kgf) e o “d” corresponde à diagonal média, ou seja: e deve ser expresso em milímetro (mm). Se a máquina der o resultado em mícron (m), esse valor deve ser convertido em milímetro. Por exemplo, para encontrar o valor de dureza Vickers de um material que apresentou 0,24 mm e 0,26 mm de medida de diagonal da impressão, após aplicação de uma força de 10 kgf, basta utilizar as fórmulas apresentadas. Primeiro, é preciso calcular o valor da diagonal média, que corresponde a: Agora, só falta substituir os termos da fórmula de cálculo de dureza pelos valores conhecidos e fazer os cálculos: Assim, ficamos sabendo que o valor de dureza Vickers (HV) para o material ensaiado é 296,7. Outra forma de obter os valores de dureza Vickers é consultar tabelas montadas para determinadas cargas, em função da diagonal média. Representação do resultado do ensaio A dureza Vickers é representada pelo valor de dureza, seguido do símbolo HV e de um número que indica o valor da carga aplicada. No exercício anterior, a representação do valor da dureza é: 296,7 HV 10. A representação 440 HV 30 indica que o valor da dureza Vickers é 440 e que a carga aplicada foi de 30 kgf. O tempo normal de aplicação da carga varia de 10 a 15 segundos. Quando a duração da aplicação da carga é diferente, indica-se o tempo de aplicação após a carga. Por exemplo, na representação: 440 HV 30/20, o último número indica que a carga foi aplicada por 20 segundos. Verificando o entendimento Como você representa uma dureza Vickers 108, obtida num ensaio em que foi aplicada uma força de 5 kgf por 10 segundos? Resposta: ............................... Como 10 segundos está dentro do tempo normal de carga, você deve ter representado: 108 HV 5. d = d1 + d2 2 d = Þ d = Þ d = 0,25 mmd1 + d2 2 0,24 + 0,26 2 HV = Þ HV = Þ HV = Þ HV = 296,71,8544 F d2 1,8544 ´ 10 0,252 18,544 0,0625 13 A U L A Cargas usadas no ensaio Vickers Neste método, ao contrário do que ocorre no Brinell, as cargas podem ser de qualquer valor, pois as impressões são sempre proporcionais à carga, para um mesmo material. Deste modo, o valor de dureza será o mesmo, independente- mente da carga utilizada. Por uma questão de padronização, as cargas recomendadas são: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf. Para cargas muito altas (acima de 120 kgf), em vez do penetrador de pirâmide de diamante pode-se também usar esferas de aço temperado de 1 ou 2 mm de diâmetro na mesma máquina. Neste caso, o ensaio feito na máquina Vickers é o ensaio de dureza Brinell. Para aplicações específicas, voltadas prin- cipalmente para superfícies tratadas (carbo- netação, têmpera) ou para a determinação de dureza de microconstituintes individuais de uma microestrutura, utiliza-se o ensaio de microdureza Vickers. A microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento prático que o ensaio Vickers, só que utiliza cargas menores que 1 kgf. A carga pode ter valores tão pequenos como 10 gf. Na microdureza, como a carga aplicada é pequena, a impressão produzida é microscópica, como mostra a figura ampliada, ao lado. Comparando Brinell e Vickers O ensaio Vickers produz valores de impressão seme- lhantes aos da dureza Brinell. Isso ocorre porque o ângulo de 136º da ponta de diamante produz uma impressão que mantém a relação ideal de 0,375 entre o diâmetro da calota esférica (d) e o diâmetro da esfera do penetrador Brinell (D), seja qual for a carga aplicada. É isso o que mostra o desenho ao lado. O uso de cargas diferentes é necessário para se obter uma impressão regular, sem deformação e de tamanho compatível com o visor da máquina. 13 A U L AExercício 4 O ensaio de microdureza Vickers utiliza cargas: a) abaixo de 10 gf; b) entre 10 gf e 1.000 gf; c) entre 1 kgf e 5 kgf; d) entre 5 kgf e 120 kgf. Exercício 5 As diagonais medidas num ensaio de dureza Vickers, com carga de 5 kgf aplicada por 10 segundos, foram: 0,162 mm e 0,164 mm. Represente a dureza desse material. Resposta: ............................. 14 A U L A 14 A U L Introdução Nas aulas anteriores de ensaios de materiais, estudamos que todo corpo submetido a um esforço mecânico sofre uma defor- mação elástica, em maior ou menor grau, antes de apresentar deformação plástica ou de se romper. Ou seja, verificamos que há sempre uma quantidade de esforço que não produz deformação permanente. Se o esforço é aliviado neste estágio, as dimen- sões da peça voltam ao original. Será que isso significa que um produto construído para suportar um esforço estático abaixo de seu limite elástico vai durar para sempre? A resposta é não! E você vai ficar sabendo por que ao estudar o ensaio apresentado nesta aula, o ensaio de fluência. Neste ensaio, dois novos fatores entram em jogo: o tempo e a temperatura. Estudando os assuntos desta aula, você vai ficar sabendo como o tempo e a temperatura afetam a durabilidade de um produto, quais os tipos de ensaios de fluência e como são feitos. No final, poderá tirar suas próprias conclusões a respeito da importância deste tipo de ensaio. O que é a fluência A fluência é a deformação plástica que ocorre num material, sob tensão constante ou quase constante, em função do tempo. A temperatura tem um papel importantíssimo nesse fenômeno. A fluência ocorre devido à movimentação de falhas, que sempre existem na estrutura cristalina dos metais. Não haveria fluência se estas falhas não existissem. Existem metais que exibem o fenômeno de fluência mesmo à temperatura ambiente, enquanto outros resistem a essa deformação mesmo a temperatura elevadas. As exigências de uso têm levado ao desenvolvimento de novas ligas que resistam melhor a esse tipo de deformação. A necessidade de testar esses novos materiais, expostos a altas temperaturas ao longo do tempo, define a importância deste ensaio. Ensaio de fluência Nossa aula 14 A U L AO tempo e a temperatura Os ensaios que analisamos anteriormente neste livro são feitos num curto espaço de tempo, isto é, os corpos de prova ou peças são submetidos a um determinado esforço por alguns segundos ou, no máximo, minutos. Porém, nas condições reais de uso, os produtos sofrem solicitações diversas por longos períodos de tempo. O uso mostra que, em algumas situações, os produtos apresentam deformação permanente mesmo sofrendo solicita- ções abaixo do seu limite elástico. Essas deformações ocorrem mais freqüentemente em situações de uso do produto que envolvam altas temperaturas. E quanto maior a temperatura, maior a velocidade da deformação. Nos ensaios de fluência, o controle da temperatura é muito importante. Verificou-se que pequenas variações de temperatura podem causar significati- vas alterações na velocidade de fluência. Exemplo disso é o aço carbono submetido ao ensaio de fluência, a uma tensão de 3,5 kgf/mm2, durante 1.000 horas: à temperatura de 500ºC, apresen- tou uma deformação de 0,04% e à temperatura de 540ºC apresentou uma deformação de 4%. Imagine a importância desta característica para os foguetes, aviões a jato, instalações de refinarias de petróleo, equipamentos de indústria química, insta- lações nucleares, cabos de alta tensão etc., nos quais os esforços são grandes e as temperaturas de trabalho oscilam em torno de 1.000ºC. Equipamento para ensaio de fluência Na maioria dos casos, ava- lia-se a fluência de um material submetendo-o ao esforço de tração. Os corpos de prova uti- lizados nos ensaios de fluência são semelhantes aos do ensaio de tração. O equipamento para a rea- lização deste ensaio permite aplicar uma carga de tração constante ao corpo de prova. O corpo de prova fica dentro de um forno elétrico, de tem- peratura constante e contro- lável. Um extensômetro é acoplado ao equipamento, para medir a deformação em função do tempo.