Ensaios Flexão Quási-Estáticos

Nesta secção apresentam-se os resultados obtidos com um ensaio de flexão em três pontos quási-estático realizado no domínio elástico do material, com vista à avaliação do módulo de elasticidade do material. Para este ensaio foi utilizado um provete no estado tratado e retificado, antes de maquinado pelo processo de eletroerosão e antes de ser sujeito a ensaios de fadiga, tal como representado na Figura 79.

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Figura 79: Ensaio de flexão em três pontos.

Este ensaio, além de permitir obter uma relação entre a força aplicada e o deslocamento, permite também comparar os valores obtidos através do mesmo com os valores encontrados através das simulações, tanto analítica como pelo método dos elementos finitos, abordadas na Secção 3.4 para o ensaio de flexão em três pontos. Além disso, o ensaio de flexão também vai permitir encontrar o valor do módulo de elasticidade do aço utilizado no presente estudo. O provete utilizado (Nº 26) possuía as seguintes dimensões 25x6,1x210 mm sendo o comprimento entre apoios de 150 mm tal como se pretende usar nos ensaios de fadiga a apresentar futuramente. É importante referir que este provete ainda não tinha sido retificado nas faces Z pelo que é importante ter em conta que os provetes testados à fadiga terão uma dimensão b menor (24,65 mm), tal como já foi referido.

Através deste ensaio, foi possível obter a curva da força, P, em função do deslocamento (δ), tal como representado no gráfico da Figura 80 assim como a respetiva função linear ajustada que fornece o valor da rigidez experimental. Também é possível relacionar o valor da rigidez com o valor da força e do deslocamento através da seguinte equação:

𝐾 =48. 𝐸. 𝐼

𝐿3 =

𝑃 𝛿

Em que I é calculado pela seguinte equação:

𝐼 =𝑏. ℎ 3 12

(62)

Figura 80: Gráfico da força em função do deslocamento, obtido através do ensaio de flexão em três pontos.

De acordo com a expressão (61) e observando o gráfico da Figura 80, confirma-se que existe uma relação linear entre a força e o deslocamento. Esta correlação encontrada através do gráfico da Figura 80 será importante para estimar qual o deslocamento a impor na máquina de ensaios de fadiga, de acordo com carga que se pretende aplicar. Também é possível constatar que o valor da rigidez, valor do declive do gráfico, é de 1405,8 N/mm. Com esta informação, e através da equação (61), sabendo o valor do momento de inércia (calculado pela equação (62)), I de 472,88 mm4_{, é possível calcular o módulo de elasticidade deste aço, obtendo-se assim um valor} de aproximadamente 209000 N/mm2_{, próximo do valor referido na Tabela 21 da Secção 3.1.2.}

Posteriormente, foi realizado o estudo do momento fletor em função do valor da carga aplicada, utilizando para isso a equação seguinte:

𝑀𝑚á𝑥 = 𝑃. 𝐿 4 (63) y = 1405,8x R² = 1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 P [ N] δ [mm]

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Através do cálculo anterior, é possível obter os valores da tensão dados pela seguinte equação: 𝜎_𝑚á𝑥 = 𝑀𝑚á𝑥. ℎ

𝐼. 2

(64)

Com estes valores, é possível traçar o gráfico que relaciona a tensão máxima de flexão (σmáx) em função do deslocamento máximo a meio vão (δ), representando pela Figura 81, e encontrar a respetiva equação.

Figura 81: Gráfico da tensão em função do deslocamento, obtido através do ensaio de flexão em três pontos.

Posteriormente, e com o intuito de avaliar algumas propriedades de resistência estática do aço do presente estudo, como a tensão de cedência e tensão de rotura, decidiu-se realizar um ensaio destrutivo de flexão em três pontos, tal como apresentado na Figura 82, utilizando, para o efeito, o provete 24. Apesar de o ensaio de tração ser o ideal para avaliar este tipo de propriedades, não foi possível executá-lo uma vez que seria necessária uma carga bastante mais elevada do que o limite da máquina, tendo em conta as dimensões da secção transversal dos provetes preparados e as características do material.

y = 337,46x R² = 0,9998 0 200 400 600 800 1000 1200 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 σmáx [MP a] δ [mm]

Figura 82: Ensaio de flexão em três pontos quási-estático destrutivo.

No gráfico da Figura 83 é apresentada a relação entre a carga aplicada (P) durante o ensaio de flexão e o deslocamento (δ) sofrido pelo provete.

Figura 83: Gráfico referente ao ensaio de flexão em três pontos quási-estático destrutivo.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 0 1 2 3 4 5 6 7 P [ N] δ [mm]

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Através do gráfico da Figura 83, novamente se confirma que existe uma relação linear entre e força e o deslocamento praticamente até à rotura do provete, sendo esta relação dada pela equação seguinte, muito semelhante à equação obtida pelo gráfico da Figura 80, como seria de esperar:

𝐹 = 1530,1. 𝛿 (65)

Com este ensaio apenas é possível estimar o valor da tensão de rotura do material. Pela análise do ensaio constata-se um comportamento linear até à rotura não sendo possível estimar qualquer cedência plástica do material antes da rotura final. Note-se que este ensaio de flexão também não será o mais adequado para estimar a tensão de cedência do material sendo recomendado o uso de ensaios de tração. O material tem um comportamento bastante frágil e a sua extensão após rotura é bastante baixa. Na Tabela 25 apresentam-se os resultados deste ensaio assim como as dimensões do provete utilizado, sendo Pmáx e δmáx a carga e o deslocamento máximos aplicados aquando da rotura do provete, respetivamente, b e h a largura e espessura do provete, respetivamente, a distância entre apoios (L) é de 150 mm e σmáx é a tensão máxima calculada através da equação seguinte:

𝜎_𝑚á𝑥= 3. 𝑃. 𝐿

2. 𝑏. ℎ2 (66)

Tabela 25: Resultados obtidos através do ensaio de flexão em três pontos.

Pmáx [N] δmáx [mm] b [mm] h [mm] σmáx [MPa]

9357,97 6,197 24,63 6,125 2278,70

Através dos resultados da Tabela 25 pode-se concluir que a tensão de rotura do aço AISI D2 utilizado neste estudo é de 2278,7 MPa.

Na Figura 84 é possível observar as superfícies de fratura do provete 24 após a rotura, verificando-se uma superfície característica de uma fratura frágil, ou seja, sem indícios de deformação plástica. Também é possível observar a presença de carbonetos não dissolvidos de grandes dimensões na superfície de fratura.

Figura 84: Superfícies de fratura do provete 24 após o ensaio de flexão em três pontos monotónico.