MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES
ENSAIOS MECÂNICOS –
PARTE A – ENSAIOS DE TRAÇÃO E FLEXÃO
Laboratório L702 (Bloco B)
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1. INTRODUÇÃO
Algumas das principais propriedades mecânicas comumente medidas nos materiais incluem: constantes elásticas (módulo de elasticidade ou de Young, coeficiente de Poisson), resistência mecânica (limite de escoamento, limite de resistência, resistência à fratura) e ductilidade (alongamento, redução em área).
O tipo de equipamento mais usado para determinação destas propriedades é a máquina universal de ensaios mecânicos (o termo “universal” refere-se à variedade de estados de tensão que pode ser estudada). Estas máquinas são projetadas para aplicar força (tração ou compressão) com taxas (velocidades) controladas e ensaiar materiais usualmente em tração, compressão ou flexão. O tensionamento do corpo-de-prova (CP) pode ser por carregamento contínuo e monotônico ou em modo cíclico (fadiga). Os principais tipos de máquinas universais de ensaios mecânicos são eletromecânicos e servo-hidráulicos. O mecanismo de aplicação de carga (força) nos servo-hidráulicos pode ser com pistão e cilindro hidráulicos, tendo um sistema de fonte de potência hidráulica, e nos eletromecânicos, pode ser transmitido por roscas precisas com movimento controlado por engrenagens, redutores e um motor elétrico.
A Fig. 1 apresenta uma imagem da máquina universal do tipo eletromecânica e a Fig. 2 apresenta esquematicamente os principais componentes desta máquina (ambas em configuração vertical). Nos barramentos verticais estão contidas as roscas que movimentam a travessa (travessão) horizontal, que pode se movimentar para cima ou para baixo (em condições usuais de ensaios, resultam em carregamento em tração e compressão, respectivamente). O CP para ensaio de tração é posicionado de tal forma que seu eixo longitudinal fique alinhado na vertical e fixado em uma extremidade na garra presa à travessa horizontal móvel e na outra extremidade na garra presa à base horizontal inferior fixa da máquina.
Dois acessórios importantes usados nas máquinas de ensaios mecânicos são a célula de carga, que mede com precisão a força aplicada no material, e o extensômetro, que mede com precisão a variação dimensional ou a deformação do material em decorrência da tensão aplicada. A Fig. 3 mostra um extensômetro de vídeo, do tipo sem contato com a amostra, que mede o comprimento de dois pontos pintados sobre o CP durante o ensaio. Com a máquina de ensaios mecânicos e estes acessórios, são obtidas as curvas tensão versus deformação do CP.
As propriedades mecânicas (módulo de elasticidade, limite de escoamento, limite de resistência, alongamento e redução em área) de materiais com comportamento dúctil usualmente são determinadas em ensaio de tração. No caso de materiais com comportamento mecânico frágil, como as cerâmicas, usualmente determina-se a resistência à fratura em ensaio de flexão. Estas propriedades são determinadas em testes com velocidades de carregamento relativamente baixas (taxas de deformação usualmente na faixa de 10-5 a 10-1 s-1) e, por isso, são chamadas de testes em condições (quase-) estáticas.
Fig. 1 – Imagem de uma máquina universal de ensaios mecânicos do tipo eletromecânica (Instron Inc.).
Fig. 2 – Componentes de uma máquina universal de ensaios mecânicos com sistema de carregamento eletromecânico.
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Fig. 3 – Imagem mostrando o extensômetro de vídeo, do tipo sem contato (AVE – Advanced Video Extensometer, Instron Inc.).
A Fig. 4 apresenta esquematicamente as principais dimensões de um CP típico de tração, que pode ter seção transversal circular (cilíndrica) ou retangular (chapa). O CP apresenta extremidades com maior seção (dimensão C), uma região interna com seção reduzida (dimensões D e A) e uma região de transição (indicada com raio R) para evitar concentração de tensão entre estas duas seções; a dimensão G indica o comprimento útil da seção reduzida.
Fig. 4 – Principais dimensões de um CP de tração. A seção transversal pode ser circular (cilíndrica) ou retangular (chapa, com espessura t).
A Fig. 5 apresenta esquematicamente a curva tensão-deformação de engenharia de um metal submetido ao ensaio de tração e algumas propriedades mecânicas determinadas nesta curva.
Fig. 5 – Curva tensão-deformação de engenharia esquemática de um metal ensaiado em tração.
A resistência mecânica dos materiais cerâmicos usualmente é avaliada por meio do ensaio de flexão (em três ou quatro pontos), devido ao seu comportamento frágil.
Informações adicionais sobre ensaios de tração e de flexão devem ser obtidas nas apresentações de aula teórica e das referências indicadas no final deste roteiro.
2. OBJETIVOS
Os objetivos desta aula prática são:
i) Compreender o funcionamento de uma máquina universal de ensaios mecânicos;
ii) Compreender o ensaio de tração e analisar as curvas tensão-deformação; iii) Compreender o método de ensaio de flexão de amostras de cerâmicas e
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3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1 Ensaio de tração
3.1.1 Materiais
Serão ensaiados corpos-de-prova fornecidos durante a aula.
3.1.2 Metodologia de ensaio
a) Meça as dimensões do CP com um paquímetro; em particular meça em pelo menos 5 posições diferentes da seção reduzida o diâmetro (para o CP cilíndrico) ou a largura e a espessura (para o CP na forma de chapa) e calcule os valores médios das dimensões e da área;
b) Fixe o CP nas garras da máquina de ensaios mecânicos, mantendo alinhado o eixo longitudinal do CP com a vertical;
c) Escolha o programa adequado para o ensaio, entre com os dados necessários e realize o ensaio até a fratura do CP; obtenha os dados de força e deslocamento ou deformação;
d) Junte cuidadosamente as duas partes fraturadas e meça as distâncias entre os pontos de referência;
e) Meça as dimensões da seção reduzida ao redor da região da fratura;
f) Observe o aspecto do CP após ensaio, em particular as superfícies de topo e lateral da fratura; se for possível, registre uma foto do CP rompido.
3.1.3 Cálculos e determinações
i) Trace as curvas tensão versus deformação de engenharia:
a) Com detalhe da região elástica (apresentar a ampliação desta região); e b) Curva total;
ii) Determine nestas curvas: a) Módulo de elasticidade;
b) Limite de proporcionalidade (limite elástico), P;
c) Limite de escoamento em deformação de 0,1% e 0,2%; d) Limite de resistência;
e) Tensão de ruptura;
f) Deformação (alongamento) uniforme; e g) Deformação (alongamento) total;
iii) Determine com base nas medidas experimentais: a) Redução em área;
iv) Determine a curva tensão versus deformação real, considerando que: a) Deformação real é dada por: R=ln(+1), onde é a deformação de
engenharia;
b) Tensão real é dada por: R=(+1), onde é a tensão de engenharia; e c) Trace as curvas real e de engenharia sobrepostas;
3.2 Ensaio de flexão
3.2.1 Material
Serão ensaiados corpos-de-prova de um revestimento cerâmico.
3.2.2 Metodologia de ensaio
a) Apoie o CP sobre o dispositivo de flexão em 3-pontos e aproxime com cuidado o cutelo superior;
b) Escolha o programa adequado e realize o ensaio até a fratura do CP; registre a força de ruptura;
c) Meça as dimensões médias da seção do CP próximo à fratura;
d) Observe o aspecto do CP após ensaio, em particular as superfícies de topo e lateral da fratura; se for possível, registre uma foto do CP rompido.
3.2.3 Cálculos e determinações
i) Calcule a resistência à flexão em 3-pontos (média e desvio-padrão); ii) Trace as curvas tensão-extensão de todos os CPs em um gráfico; iii) Descreva o aspecto da fratura.
O relatório deverá conter Introdução (máximo 1 página), metodologia, resultados e discussão, conclusão e bibliografia.
Analise criticamente os resultados obtidos comparando-os com dados reportados em literatura, bem como comparando os materiais entre si (discuta se os materiais são dúcteis ou frágeis, quais são mais resistentes à tração e quais mais rígidos...).
Cite todas as referências consultadas. REFERÊNCIAS
[1] Callister, W. D. Jr, Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução; Editora LTC, 7ª. Edição 2008.
[2] ASM Handbook, v. 8 – Mechanical Testing and Evaluation. Ed. H. Khun e D. Medlin. Materials Park: ASM International, 2000.
[3] ASTM E8/E8M – 09, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, ASTM International, 2009.
[4] ASTM D638 – 10, Standard Test Methods for Tensile Properties of Plastics, ASTM International, 2010.
