CAPÍTULO 3 - Metodologia de Análise Experimental
3.2 Apresentação dos equipamentos e sequência de montagem
A máquina utilizada nos ensaios de tração foi a Servopulser, da marca Shimadzu, com capacidade máxima de 300kN, conforme ilustrado nas Figuras 3.3(a) e 3.3(b).
Antes de iniciar a sequência de ensaios experimentais, a prensa mecânica foi devidamente calibrada e testada para garantir a precisão dos resultados.
O forno utilizado nos experimentos em que os CP's foram submetidos a altas temperaturas é da marca Shimadzu com capacidade de temperatura máxima de 1000oC.
As Figuras 3.3(a) e 3.3(b) ilustram o forno conectado à máquina de ensaio Servopulser e as Figuras 3.3(c) e 3.3(d) apresentam imagens mais ampliadas do forno aberto e fechado. A Figura 3.3(e) ilustra o aparelho controlador do forno, que fornecia os valores de temperatura do ambiente interno ao forno durante os ensaios.
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(a) (b)
(c) (d)
(e)
Figura 3.3: Ilustração dos equipamentos: máquina Servopulser e Forno (Shimadzu).
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O sistema de fixação das amostras (setup) à prensa mecânica foi projetado respeitando as dimensões internas do forno, já que a peça devia estar completamente envolvida pelo aparelho durante todo o ensaio e foi baseado no arranjo sugerido pela AS 2291:2007, sendo composto por dois conjuntos simétricos (fixação da parte superior e fixação da parte inferior da amostra). Cada conjunto contava com duas chapas com espessura de 5mm, um parafuso com diâmetro de 10mm com porca sextavada, um pino com diâmetro de 12,5mm e duas buchas com diâmetro externo de 20mm. A Figura 3.4 apresenta o projeto do sistema de ligação entre o CP e a garra da prensa. Todos os itens integrantes do sistema de ligação foram fabricados em aço inoxidável e usinados sob
Foi utilizado um aparelho de nível da marca Skil Laser, que projetava na amostra um feixe vertical de laser, com a função de checar o alinhamento frontal e lateral das peças em relação ao sistema de fixação, e portanto, garantir a aplicação centrada da força de tração.
Para garantir a leitura e a aquisição das temperaturas durante o andamento dos ensaios, foram utilizados quatro termopares no total, sendo dois deles fixados na superfície da amostra e os outros dois localizados no ambiente interno do forno. Dessa forma, foi possível obter a temperatura do forno para controlar a taxa de aquecimento e, é claro, obter a temperatura do CP, valor no qual são baseados os ensaios correspondentes a cada temperatura pré-determinada. O posicionamento dos termopares na amostra foi executado segundo a AS 2291:2007, que recomenda que sejam usados dois termopares no caso de peças com gauge length menor que 50mm. Cada termopar deve estar localizado em cada terminação da parte central mais estreita do CP, ou seja, nas extremidades superior e inferior dos lados paralelos. Os termopares foram numerados para possibilitar a identificação de cada um e para permitir o controle do aumento de temperatura do forno e da amostra. Também foi possível checar a diferença de temperatura entre a região interna do forno e o CP.
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Figura 3.4: Sistema de ligação - Fixação do CP na garra da máquina de ensaio.
Para medir a deformação da amostra durante o ensaio de tração, foi utilizado um clip-gage, extensômetro especial que pode ser submetido a altas temperaturas. O clip-gage usado nos experimentos é da marca Shimadzu e foi fabricado para funcionar em conjunto com o forno (já apresentado anteriormente, também da marca Shimadzu), que possui um furo sob medida, o qual possibilita o posicionamento do dispositivo de leitura do clip-gage externamente ao forno, conforme apresentado na Figura 3.5. O clip-gage
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foi devidamente calibrado antes dos ensaios, conforme método apresentado mais adiante, no item 3.3.
Figura 3.5: Ilustração do clip-gage (detalhe da parte externa ao forno).
Tendo como referência a apresentação dos equipamentos descrita anteriormente, encontra-se numerada a seguir a sequência de montagem, segundo a qual os ensaios experimentais foram preparados:
1- Marcações: Nesta etapa, os CP's foram assinalados separadamente segundo o valor de temperatura pré-estabelecido para cada ensaio. (vide Figura 3.6(a) )
2- Medição: As dimensões de largura (b) e espessura da parte central do CP foram medidas com o auxílio do micrômetro ilustrado na Figura 3.6(b).
3- Fixação: Nesta fase, fixava-se o CP na prensa (máquina do ensaio de tração - Servopulser), conectando-o ao sistema de ligação projetado, conforme descrito anteriormente. Este sistema de fixação pode ser observado nas Figuras 3.6(c), 3.6(d) - esquematicamente, 3.6(e) e 3.6(f).
4- Nivelamento: O alinhamento vertical dos CP's foi verificado com o auxílio de um aparelho de nível. O feixe de laser projetado no CP e no sistema de fixação (nivelamento frontal) é ilustrado na Figura 3.6(c).
5- Posicionamento do forno: A posição do forno foi ajustada verticalmente em relação ao eixo central do CP. A Figura 3.6(d) ilustra o arranjo do conjunto forno + sistema de fixação + CP.
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6- Termopares: Antes de fechar o forno, posicionavam-se os quatro termopares, dois fixados ao CP (vide Figuras 3.6(e) e 3.6(f) ) e outros dois posicionados no ambiente interno do forno.
7- Clip-gage: Nesta etapa, fixava-se o clip-gage à parte central do CP. A Figura 3.6(e) apresenta uma foto com o forno aberto posicionado ao fundo, o CP preso aos dispositivos de fixação, dois termopares posicionados nas extremidades da parte central da amostra e o clip-gage. A Figura 3.6(f) mostra uma ampliação da região central do CP com o clip-gage e os dois termopares fixados.
8- Vedação: Finalmente, fechava-se o forno, deixando o dispositivo de leitura do clip-gage posicionado na parte externa. Para garantir uma boa vedação do ambiente interno do forno, foi introduzida manta de lã de vidro nas extremidades superior e inferior do mesmo, (vide Figura 3.6(g). Apenas ao final de toda a sequência de montagem devidamente executada, os ensaios mecânicos sob altas temperaturas podiam ser iniciados.
(a) Marcações no CP (b) Micrômetro utilizado (c) Nivelamento
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(d) Projeto do conjunto
(e) Ilustração do forno aberto ao fundo com o CP, os dispositivos de fixação, dois termopares e o clip-gage.
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(f) Ilustração com ampliação da região central do CP com o clip-gage e dois termopares.
(g) Ilustração da máquina Servopulser e do forno fechado (ambos da marca Shimadzu).
Figura 3.6: Representação ilustrativa da sequência de montagem.
39 3.3 Procedimento de teste
3.3.1 Calibração do clip-gage (temperatura ambiente)
Conforme citado anteriormente, antes de dar início à sequência de ensaios experimentais, foi realizada uma calibração do clip-gage. Neste procedimento, o clip-gage foi devidamente fixado a um aparelho calibrador tipo CDE-25 da marca Shimadzu.
O calibrador contém dois pinos que se deslocam no mesmo eixo longitudinal, porém em sentidos contrários. Ao fixar cada haste do clip-gage em um pino do aparelho calibrador, é possível controlar o deslocamento exato entre os pinos e obter simultaneamente a leitura do clip-gage. Dessa forma, foram impostos valores de deslocamentos no calibrador, que variaram de 0,25mm a 4,75mm, e, ao mesmo tempo, o clip-gage registrava os deslocamentos medidos. A Figura 3.7 apresenta uma ilustração do clip-gage fixado ao calibrador.
Figura 3.7: Aparelho utilizado na calibração do clip-gage.
A Tabela 3.2 apresenta a relação dos deslocamentos impostos ao calibrador, os valores lidos pelo clip-gage para cada um dos deslocamentos e os fatores de escala, que foram calculados dividindo-se o valor do calibrador pelo valor do clip-gage. Ao final da
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tabela, é apresentada a média de todos os fatores de escala, chegando-se a um valor final que foi adotado como fator de escala para correção da leitura do clip-gage.
Tabela 3.2: Deslocamentos medidos pelo calibrador e pelo clip-gage e fatores de escala associados. Desvio Padrão do Fator de Escala = 0,009936
A Figura 3.8 apresenta um gráfico com a variação linear dos fatores de escala, ou seja, os deslocamentos medidos pelo clip-gage em função dos deslocamentos impostos ao calibrador. Vale ressaltar a linearidade obtida na variação dos fatores de escala.
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Figura 3.8: Variação linear dos fatores de escala.
Antes de dar início aos ensaios experimentais, além do procedimento de calibração do clip-gage, foi realizado também um ensaio de tração simples direta em temperatura ambiente com um CP idêntico àquele apresentado no item 3.1. Com o objetivo de validar os resultados obtidos pelo clip-gage, foram fixados à amostra dois tipos de extensômetro para leitura simultânea dos deslocamentos durante o teste de tração. Um extensômetro é o tipo strain-gage, tipicamente utilizado em ensaios mecânicos e fornecedor de valores de deformações bastante precisos. O outro extensômetro é o próprio clip-gage a ser utilizado nos experimentos com altas temperaturas. A Figura 3.9 apresenta as curvas tensão-deformação obtidas no ensaio de tração direta segundo as leituras de ambos os dispositivos (strain-gage e clip-gage).
Nota-se que as duas curvas praticamente se superpõem, comprovando então a validade das leituras de deslocamentos medidas pelo clip-gage.
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Figura 3.9: Curva tensão-deformação do aço de PFF em temperatura ambiente, considerando a leitura de deslocamentos do strain-gage e do clip-gage.
Foi observado, durante os ensaios experimentais, uma pequena variação na leitura do clip-gage, acarretando ruídos nas curvas tensão-deformação na direção horizontal do gráfico, referente às medidas de deformação do CP. Isso aconteceu devido ao tipo de contato entre as hastes do clip-gage e a parte central do CP, que é bem fina e lisa. Para promover o ajuste do clip-gage à amostra de aço, foi utilizado um pino fabricado sob medida, que garantia o aperto entre o CP e as hastes do clip-gage. Mesmo assim, houve algum tipo de perturbação mínima nesse ponto de contato que causou pequenas variações nas leituras de deslocamentos, porém não afetou o comportamento geral das curvas tensão-deformação. O mesmo efeito foi constatado experimentalmente por LEE et al. (2003).
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3.3.2 Ensaios experimentais para altas temperaturas
A seguir, o procedimento adotado durante os ensaios experimentais com temperaturas elevadas é detalhado sequencialmente:
1- Aquecimento do forno: Os ensaios começavam pelo aquecimento do forno e do CP.
Durante esse processo, o forno funcionava a uma taxa de aquecimento de 10oC/min e os dois termopares localizados no ambiente interno do equipamento mediam a temperatura do meio.
2- Aquecimento do CP: Quando o forno atingia a temperatura pré-determinada, esperava-se então que os dois termopares posicionados em contato com a superfície da amostra marcassem também a mesma temperatura. Ou seja, o CP entrava em equilíbrio térmico com o meio, atingindo assim a temperatura pré-estabelecida. A partir desse momento, de acordo com a AS 2291:2007, aguardavam-se 15 minutos mantendo a temperatura constante no forno e na amostra. Apenas depois de garantida uma temperatura estabilizada, o ensaio mecânico podia ser iniciado.
3- Controle da temperatura: Os desvios permitidos entre a temperatura pré-estabelecida e a temperatura indicada na amostra foram de mais ou menos 3oC, sendo este o desvio máximo para ensaios com temperaturas menores ou iguais a 600oC, segundo a AS 2291:2007. Durante o aquecimento, a temperatura do CP não podia exceder, em nenhum momento, a temperatura especificada, considerando as tolerâncias. A variação da temperatura dos CP's medida pelos termopares 1 e 2 em função do tempo decorrido, apresentada na Figura 3.10, mostra que houve um controle adequado da variação térmica sofrida pelas amostras. Apenas no teste realizado com a temperatura de 500oC, pode-se observar uma diferença um pouco maior entre as leituras dos dois termopares, visto que provavelmente houve perda de contato do termopar 1 com o CP e, dessa forma, o sensor mediu um valor de temperatura referente ao ambiente interno do forno.
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Figura 3.10: Variação da temperatura dos CP's em função do tempo decorrido ao longo dos ensaios experimentais realizados no regime estacionário.
4- Programação da leitura inicial do clip-gage: Depois de estabilizada a temperatura da amostra e antes de aplicar a carga de tração, zerava-se a leitura do clip-gage para desconsiderar qualquer deformação sofrida pelo CP por expansão térmica.
5- Ensaio de tração: O ensaio mecânico consistia na aplicação de uma carga de tração que foi controlada pela taxa de deslocamento de 0,004mm/s. Essa taxa foi definida com base na AS 2291:2007, que recomenda o uso de uma taxa de deformação dentro do intervalo de 0,0002/s e 0,0008/s. Como o gauge length (l0) do clip-gage ( distância inicial entre as duas hastes do aparelho em contato com trecho central do CP, denominada l0 ) é de 20mm, a taxa de deformação utilizada foi equivalente ao limite mínimo de 0,0002/s (0,0002 x 20mm = 0,004mm). Vale ressaltar que o gauge length de 20mm foi assinalado no centro dos CP's com duas linhas finas para garantir o devido posicionamento das hastes do clip-gage. A aplicação da força de tração no CP foi promovida de modo a deformar a peça de forma constante, sem decréscimo de carga e sem nenhum tipo de choque ou vibração do sistema. A força foi aplicada ao longo do eixo da peça de modo a minimizar os efeitos de flexão e torção na amostra. Dessa forma, o ensaio prosseguia até ocorrer a ruptura do CP.
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6- Obtenção de dados: Ao longo do ensaio mecânico, a máquina Servopulser fornece os dados em função do tempo decorrido de ensaio: força de tração aplicada ao CP, deslocamento das garras da própria prensa e o deslocamento medido pelo clip-gage fixado à amostra. Estes dados de saída foram registrados automaticamente com uma frequência de 2Hz.
Os testes experimentais tinham como objetivo obter as relações tensão-deformação-temperatura de cada CP. Para isso, foi necessário transformar os dados obtidos de força e deslocamento em tensão e deformação, respectivamente. Os valores de tensão foram calculados dividindo-se a força de tração aplicada pela área da seção transversal correspondente à parte central do CP (trecho mais estreito de lados paralelos), já que esta é a parte que ficou efetivamente submetida a sofrer deformações até a ruptura. As áreas das seções transversais foram definidas como sendo o produto entre a espessura e a largura medidas com o auxílio do micrômetro e já apresentadas na Tabela 3.1, de acordo com cada CP e a temperatura de ensaio correspondente. Os valores de deformação foram calculados dividindo-se o deslocamento obtido através da leitura do clip-gage pelo valor do gauge length (l0) do clip-gage, que é de 20mm (dimensão fornecida segundo especificação do aparelho e medida experimentalmente).
O resultado desta divisão foi multiplicado ainda pela média do fator de escala (2,13) apresentada na Tabela 3.2, para correção da leitura do aparelho clip-gage e assim, finalmente, obter as deformações correspondentes a cada valor de tensão para cada CP de acordo com a temperatura considerada.
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CAPÍTULO 4 - Resultados e Comparações
Neste capítulo, são apresentados e comentados os estados finais dos CP's ensaiados. Posteriormente, são destacadas as curvas tensão-deformação-temperatura correspondentes a cada experimento e calculados os fatores de redução das propriedades mecânicas de acordo com os resultados obtidos. Também são explicitadas as comparações com os trabalhos de diferentes autores e o EC3-1.2:2005.
4.1 Avaliação dos CP's após término dos ensaios experimentais
As Figuras 4.1 e 4.2 apresentam os CP's após o término dos ensaios de tração, correspondentes a cada temperatura.
Foi observado, durante os ensaios experimentais, que os CP's perdem uma parcela de ductilidade quando submetidos a temperaturas até 200oC. Isso foi constatado tanto pelo tempo decorrido no ensaio de tração até a ruptura da amostra como pelo estado final da parte central do CP. O tempo do ensaio de tração em temperatura ambiente (considerando o período entre o início de aplicação da carga até a ruptura da peça) foi de aproximadamente uma hora para os dois CP's, enquanto que nos casos de 100oC e 200oC, esse tempo reduziu para aproximadamente 30-40 minutos. O mesmo efeito também foi ressaltado por KANKANAMGE e MAHENDRAN (2011), que observaram uma perda de ductilidade de 50% no ensaio de 100oC em relação ao de 20oC. WEI e JIHONG (2012) e RANAWAKA e MAHENDRAN (2009) também obtiveram o mesmo comportamento em seus ensaios e alegam que este efeito ocorre por conta das reações químicas que atuam no aço de PFF devido ao pequeno teor de nitrogênio, quando submetido a esta faixa de temperatura. A tensão do aço pode aumentar devido à ocorrência dessas transformações químicas. Por outro lado, com o aumento da temperatura para valores acima de 200oC, essas mesmas reações são retardadas e, como consequência, a ductilidade aumenta. Esse efeito pode ser observado nos CP's rompidos sob temperaturas maiores. Nos ensaios com os CP's submetidos às temperaturas de 300oC e 400oC, o tempo decorrido durante o teste de tração foi de aproximadamente 50-55 minutos, ou seja, as amostras levaram mais tempo para romper
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do que os casos de 100oC e 200oC, demonstrando uma recuperação de ductilidade. E os ensaios de tração referentes às temperaturas de 500oC e 600oC duraram entre uma hora e uma hora e meia até a ruptura, acusando uma ductilidade ainda maior. Outro fator que comprova este efeito é a visível diferença dos estados finais dos CP's correspondentes às temperaturas de 500oC e 600oC. Nota-se, pelas Figuras 4.1 e 4.2, que as partes centrais dessas peças sofreram um estreitamento maior do que nos casos de temperaturas inferiores. Ou seja, os CP's deformaram-se mais antes de romper, nos ensaios submetidos a temperaturas mais elevadas.
Figura 4.1: Ilustração dos CP's 1, correspondente a cada temperatura, após término dos ensaios.
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Figura 4.2: Ilustração dos CP's 2, correspondente a cada temperatura, após término dos ensaios.
4.2 Obtenção das curvas tensão-deformação para cada temperatura
Com os valores de tensão e deformação obtidos em cada ensaio experimental, foram traçadas as curvas representativas das relações constitutivas referentes aos CP's ensaiados para cada temperatura uniforme (20 - 100 - 200 - 300 - 400 - 500 - 600oC, respectivamente), conforme apresentação das Figuras 4.3 a 4.9.
Observa-se que ambos os ensaios (CP1 e CP2), realizados em temperatura ambiente, resultaram em curvas tensão-deformação com comportamentos bem semelhantes. As duas curvas estão praticamente superpostas e apresentam uma transição do regime linear-elástico para o escoamento ocorrendo visivelmente próxima da faixa de tensão de 345MPa, conforme estimado considerando o tipo de aço utilizado. A inclinação da reta correspondente ao regime elástico (trecho inicial da curva) também se mostra coerente com o valor do módulo de elasticidade do aço ensaiado (200GPa). De acordo com as curvas obtidas, nota-se que o aço passa pela fase de escoamento e, em seguida, sofre um hardening (encruamento - aumento de resistência), visto que há necessidade de tensões maiores para provocar mais deformação plástica.
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Figura 4.3: Curvas tensão-deformação do aço de PFF para a temperatura de 20oC, segundo resultados obtidos dos corpos de prova CP1 e CP2.
Figura 4.4: Curvas tensão-deformação do aço de PFF para a temperatura de 100oC, segundo resultados obtidos dos corpos de prova CP1 e CP2.
É possível observar que os ensaios realizados considerando a temperatura de 100oC resultaram em duas curvas similares de tensão-deformação. Porém, os resultados obtidos para o caso do CP2 apresentam as tensões com valores um pouco abaixo
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daqueles encontrados para o caso do CP1, resultando numa variação máxima de tensão entre ambos os experimentos de aproximadamente 3%, o que é aceitável. É possível observar também que o traçado das curvas apresenta algumas oscilações representativas de pequenas variações obtidas durante a leitura de dados do equipamento de tração (variações de força aplicada à amostra). Entretanto, esses desvios são pequenos e não afetam a qualidade dos resultados obtidos. Outros autores, como KANKANAMGE e MAHENDRAN (2011) e LEE et al. (2003), também obtiveram curvas de tensão-deformação com algumas oscilações, principalmente para os casos de temperaturas menores como 100oC e 200oC. O traçado das curvas apresentadas é semelhante ao comportamento obtido para a temperatura de 20oC, considerando a tensão de escoamento e o aumento de resistência ocorrido em ambos os casos (efeito de hardening). Por outro lado, foi constatado um início de redução da rigidez elástica caracterizada pela diferença entre as inclinações dos trechos iniciais das curvas dos ensaios a 20oC e a 100oC, resultando em um módulo de elasticidade inferior para o caso de 100oC.
Figura 4.5: Curva tensão-deformação do aço de PFF para a temperatura de 200oC, segundo resultados obtidos do corpo de prova CP1.
No caso do ensaio de tração realizado com o CP a 200oC, também se obteve uma curva tensão-deformação com algumas oscilações no sinal da força aplicada, conforme
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explicitado anteriormente. De forma semelhante aos casos anteriores, este ensaio também apresentou um efeito de hardening, ou seja, a tensão última (correspondente à ruptura) é maior que a tensão de escoamento. Além disso, houve uma redução de rigidez elástica do aço devido à diminuição do módulo de elasticidade (inclinação mais acentuada no trecho inicial da curva), observando-se ainda a perda gradual da linearidade na resposta tensão-deformação para tensões inferiores ao valor original de escoamento (fy,20).
Nos ensaios realizados com temperatura de 300oC, observa-se que os resultados obtidos dos dois CP's apresentam curvas de tensão-deformação com comportamentos semelhantes, porém, no caso do CP2, as tensões mostram-se um pouco abaixo daquelas obtidas no caso do ensaio com o CP1, correspondendo em uma variação máxima de 4%
entre os valores de tensão de ambos os experimentos, o que é aceitável. Nota-se também o mesmo efeito de hardening e redução da rigidez do aço, citados anteriormente.
Figura 4.6: Curvas tensão-deformação do aço de PFF para a temperatura de 300oC,
Figura 4.6: Curvas tensão-deformação do aço de PFF para a temperatura de 300oC,