ENSAIOS DE DOBRAMENTO E FLEXÃO

1. ENSAIO DE DOBRAMENTO EM MATERIAIS DÚCTEIS

O ensaio de dobramento fornece uma indicação qualitativa da ductilidade do

material. Por ser um ensaio de realização muito simples ele é largamente utilizado nas

indústrias e laboratórios, constando mesmo de especificações de todos os países, onde

são exigidos requisitos de ductilidade para um certo material. O ensaio de dobramento

comum não determina nenhum valor numérico, havendo porém variação do ensaio que

permite obter valores de certas propriedades mecânicas do material.

O ensaio, de um modo geral, consiste em dobrar um cdp de eixo retilíneo e seção

circular, tubular, retangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados a uma

distância especificada, de acordo com o tamanho do cdp, por intermédio de um cutelo,

que aplica um esforço de flexão no centro do cdp até que seja atingido um ângulo de

dobramento especificado (fig.1). a carga, na maioria das vezes, não importa no ensaio

e não precisa ser medida no ensaio; o cutelo tem um diâmetro, D, que varia conforme a

severidade do ensaio, sendo também indicado nas especificações, geralmente em função

do diâmetro ou espessura do cdp. Quanto menor é o diâmetro, D, do cutelo, mais severo

é o ensaio e existem mesmo especificações de certos materiais que pedem dobramento

sem cutelo, denominado dobramento sobre si mesmo. O ângulo é medido conforme a

fig.1, também determina a severidade do ensaio e é geralmente de 90º, 120º ou 180º.

Atingido esse ângulo, examina-se a olho nu a zona tracionada do cdp, Que não deve

conter trincas, fissuras ou fendas. Caso contrário, o material não passou no ensaio. Se o

cdp apresentar esses defeitos ou romper antes ou quando atingir o ângulo especificado,

o material também não atende às especificação do ensaio. Esse tipo de dobramento é

geralmente o mais utilizado na prática e é, às vezes, denominado de dobramento guiado.

Como o dobramento pode ser realizado em qualquer ponto e em qualquer direção

do cdp, ele é um ensaio localizado e orientado, fornecendo assim, uma indicação da

ductilidade em qualquer região desejada do material.

Figura 1 – (a) e (b) Esquema do ensaio de dobramento; (c) cdp dobrado até um ângulo

O ensaio de dobramento a 180º pode ser realizado em uma só etapa, caso se tenha

um cutelo com o diâmetro exigido pela norma adotada ou em duas etapas, quando o

diâmetro do cutelo exigido for muito pequeno ou mesmo nulo. Nesse caso, usa-se o

menor cutelo que se dispões (diâmetro D’) para iniciar o ensaio, da maneira mostrada na

fig.2, até um ângulo qualquer adequado e numa Segunda etapa, comprime-se o cdp

dobrado no sentido de fechá-lo completamente, de modo a atingir o ângulo de 180º,

usando-se um calço de diâmetro aproximadamente igual a D (ou sem calço para

dobramento sobre si mesmo).

Figura 2 – Duas etapas de dobramento, com diâmetro do cutelo igual a D muito pequeno ou sem cutelo.

Há duas variantes do processo de dobramento, que são chamadas dobramento

livre e dobramento semiguiado. Na primeira, o dobramento é obtido pela aplicação de

força nas extremidades do cdp, sem aplicação de força no ponto de máximo dobramento

(zona tracionada). Na segunda, uma extremidade é engastada de algum modo e o

dobramento é efetuado na outra extremidade ou em outro local do cdp. Na fig.3 são

mostradas essas duas variantes esquematicamente.

Figura 3 – (a) e (b) Dobramento livre esquemático; (c), (d), (e) e (f) dobramento semiguiado esquemático

No caso do dobramento semiguiado, a Segunda etapa do processo é igual ao

dobramento livre. Ainda para o caso do dobramento semiguiado, existe uma espécie de

dobramento, denominado dobramento alternado, em que se submete o cdp (geralmente

um arame ou uma barra fina) a dobramentos sucessivos um de cada lado do engaste.

Esse tipo de dobramento é exigido por exemplo para barras destinadas a armadura de

proteção; geralmente é especificado o número de dobramento para cada lado sem que

haja ruptura do cdp.

A velocidade do ensaio não é um fator importante no dobramento, desde que o

ensaio não seja realizado com uma velocidade extremamente alta de maneira a

enquadra-lo nos ensaios dinâmicos.

Na fig.3.a tem-se um cutelo que aplica esforço fora do ponto do máximo

dobramento para início do ensaio. Na fig.3.b termina-se o ensaio até o ângulo

especificado ou até o alongamento desejado. Nas figs.3.c, 3.d, 3.e e 3.f, tem-se os

possíveis métodos de ensaio de dobramento semiguiado, sendo que nas duas primeiras,

a força é aplicada na extremidade livre do cdp e nas outras duas figuras, o esforço é

aplicado no centro do cdp. A diferença entre as figs.3.f e 1 é que os apoios no caso do

dobramento guiado sustentam longitudinalmente os braços do cdp à medida que ele é

dobrado e no caso do dobramento semiguiado, os apoios servem apenas para fixar a

amostra.

O cdp poderá ser retirado do produto acabado ou poderá ser o próprio produto

acabado, se ele for adequado para ser colocado na máquina de dobramento (como por

exemplo parafusos, pinos, barras, tubos, etc.). No caso de chapas, por exemplo, é

necessária a retirada de cdp de tamanho conveniente. No caso de tubos, geralmente o

cutelo tem um diâmetro bastante grande, da ordem de 8 a 12 vezes o diâmetro do tubo, e

o ângulo de dobramento é de 90º ou 180º.

Finalmente, no dobramento guiado, os apoios devem ser bem lubrificados para

eliminar ao máximo o atrito, que provocaria tracionamento indevido no cdp,

aumentando a severidade do ensaio.

2. ENSAIO DE DOBRAMENTO EM BARRAS PARA CONSTRUÇÃO CIVIL

O caso particular de dobramento em barras para construção civil é importante,

devido à freqüência com que esse ensaio é realizado nos diversos laboratórios de

ensaios mecânicos, porque essas barras normalmente necessitam de dobramento na sua

aplicação prática.

A especificação brasileira (EB-3) de 1980 divide as barras para construção civil

em várias categorias, a saber: CA-25, CA-32, CA-40, CA-50 e CA-60. O ensaio de

dobramento dessas barras (sem solda) é realizado até atingir o ângulo de 180º, tendo o

cutelo um diâmetro que depende da categoria da barra. Na categoria de número mais

baixo (CA-25) enquadram-se os aços mais dúcteis e, portanto, são dobrados sobre um

cutelo de diâmetro menor que as barras de categorias de números maiores, onde estão as

barras mais resistentes (maiores limites de escoamento e de resistência e menor

alongamento). O número da categoria se refere ao valor mínimo do limite de

escoamento que a barra deve ter, em kgf/mm2.

O dobramento é do tipo guiado ou semiguiado e o resultado do ensaio é a

existência ou não de fissuras, fendas na zona tracionada do cdp. Caso o cdp não

apresente esses defeitos ou não se rompa após o ensaio, a barra é considerada como

enquadrada na categoria que foi fabricada. Entretanto, é sempre conveniente também

realizar o ensaio de tração nas barras, de acordo ainda com a EB-3, para garantir que as

amostras estejam realmente dentro da especificação.

3. ENSAIO DE DOBRAMENTO EM CDPs SOLDADOS

O ensaio de dobramento em cdps soldados retirados de chapas ou tubos soldados

é realizado geralmente para a qualificação de soldadores e de processos de solda e o

método usado é o dobramento guiado. Para a avaliação da qualidade da solda, emprega-

se mais o dobramento livre. Nesse último caso, as normas especificam que a largura do

cdp deva ser no mínimo igual a uma vez e meia a espessura do mesmo e o ângulo é

sempre de 180º. Como foi visto na fig.3.a, o cutelo tem uma abertura proposital para

não tocar a zona soldada durante o primeiro estágio do dobramento. O alongamento das

fibras externas é realizado, tomando-se um comprimento inicial, L0, igual à largura da

solda, conforme a fig.4.

A observação de fissuras ou fendas

na zona tracionada continua válida,

apenas que para o caso de cdps

soldados, fendas ou fissuras que

apareçam nas arestas do não são

consideradas, desde que elas não

demonstrem que esses defeitos são

provenientes de inclusões de escória

ou outros defeitos internos ocorridos

durante a soldagem. Também fissuras com largura inferior a 1,5 mm não são

consideradas como defeitos que condenem a qualidade da solda.

O dobramento guiado para a qualificação de soldadores e processos de solda

possui cinco tipos distintos (fig.5):

dobramento lateral transversal, onde a solda é perpendicular ao eixo

longitudinal do cdp, o qual é dobrado de modo a que uma das superfícies

laterais torne-se a superfície convexa do cdp;

Figura 4 – Alongamento medido durante o ensaio de dobramento livre de cdps soldados

dobramento transversal de face, onde a solda também é perpendicular ao eixo

longitudinal do cdp, o qual é dobrado de modo a que a face da solda (parte que

contém a maior largura do material da solda) fique tracionada;

dobramento transversal de raiz, semelhante ao anterior, porém é a raiz da solda

(parte oposta à face) que fica tracionada;

dobramento longitudinal de face, onde a solda é paralela ao eixo longitudinal

do cdp, ficando a face tracionada; e

dobramento longitudinal de raiz, semelhante ao anterior, porém ficando a raiz

tracionada.

Os resultados são avaliados pela aparição ou não de fendas, fissuras ou ruptura na

zona tracionada do cdp dobrado até 180º, da mesma maneira explicada no caso do

dobramento livre de cdps. Para esse método de ensaio, usa-se indiferentemente o tipo de

solda em filete ou de topo, para a soldagem das chapas ou dos tubos. A posição de

retirada dos cdps, tamanho dos mesmos e processo de usinagem, são sempre indicados

nas normas técnicas, bem como dos cdps de tração que sempre acompanham os cdps

para dobramento.

Figura 5 – (a) cdp para dobramento lateral transversal; (b) cdp para dobramento transversal de face; (c) cdp para dobramento transversal de raiz; (d) cdp para dobramento longitudinal de face e de raiz.

No caso de solda em filete há ainda outro tipo de dobramento, denominado

comumente de ensaio de fratura de solda, que consiste num cdp com dimensões

especificadas (fig.6), que é submetido a uma força lateral, de modo que a raiz da solda

fique tracionada, até que haja fratura na solda, ou até que os dois lados do cdp se

encostem ou se toquem, sem que aconteça a fratura ou o rompimento da solda. No

primeiro caso, as superfícies de fratura não devem ter evidência de trincas ou fusão

incompleta na raiz da solda ou ainda inclusões de comprimento maior que o

especificado pelas normas.

4. ENSAIO DE FLEXÃO

Materiais frágeis como ferro fundido, aços-ferramenta ou carbetos sinterizados são

freqüentemente submetidos a um tipo de ensaio de dobramento, denominado

dobramento transversal, que mede sua resistência e ductilidade (além da possibilidade

de se avaliar também a tenacidade e resiliência desses materiais). Entretanto, sempre

que possível, o ensaio de tração também deve ser realizado, ficando o dobramento

transversal como uma espécie de ensaio substituto. Quanto mais duro for o material,

maior aplicação terá ensaio, porque a facilidade de execução torna-o mais rápido que a

usinagem de um cdp para ensaio de tração. No entanto, para materiais muito frágeis, os

resultados obtidos são muito divergentes, variando até 25%, de modo que, para esses

casos, deve-se fazer sempre vários ensaios para se estabelecer um valor médio.

O ensaio é realmente um ensaio de flexão, sendo o cdp constituído por uma barra

de seção qualquer, preferivelmente circular ou retangular para facilitar os cálculos, com

um comprimento especificado. O ensaio consiste em apoiar o cdp sob dois apoios

distanciados entre si de uma distância L (fig.7), sendo a carga de dobramento ou de

flexão aplicada no centro do cdp (a uma distância L/2 de cada apoio). A carga deve ser

elevada lentamente até romper o cdp. A carga de ruptura (resultado do ensaio) deve ser

Figura 6- Cdp para ensaio de fratura de solda

corrigida para o caso de barras de seção não-uniforme, para garantir uma perfeita

uniformidade da seção necessária para os cálculos posteriores.

Figura 7 – (a) Ensaio de flexão; (b) distribuição das tensões resultantes da força externa.

Desse ensaio, pode-se também retirar outras propriedades do material, como o

módulo de ruptura ou resistência ao dobramento, que é o valor máximo da tensão de

tração ou compressão nas fibras externas do cdp durante o ensaio de flexão (ou torção),

calculado pela expressão (3), onde M é o momento máximo de dobramento, calculado

pela carga máxima atingida no ensaio (Qmax) e o valor L/2, c é a distância inicial do eixo

da barra à fibra extrema onde se deu a ruptura ou onde foi mais tensionado e J é o

momento de inércia inicial da seção transversal do cdp com relação ao seu eixo.

(3)

A expressão (3) foi deduzida abaixo fornecendo então os valores numéricos

aplicados aos casos de barra circulares () e retangulares (); onde D é o diâmetro da

barra, b a sua largura e h sua altura ou espessura. Nesse caso, c = D/2 ou c = h/2, que é

o ponto de máxima tensão localizado na interseção do plano de aplicação da carga com

a superfície interior da barra.

(4)

(5)

Se a ruptura ocorrer dentro da zona elástica do material, Mr representará, pois, a

tensão máxima da fibra externa; caso ocorre na zona plástica, o valor obtido para Mr é

maior que a tensão máxima realmente atingida, porque a expressão (3) é determinada

para uma distribuição linear (elástica) de tensão entre o eixo da barra e as fibras

externas (fig.7).

Outra propriedade possível de ser medida é o módulo de elasticidade do material

pela expressão (6), onde y é a deflexão (flecha) medida para cada carga Q aplicada, que

também deve ser corrigida no caso de seção circular por causa de excentricidade

possível do diâmetro do cdp, conforme mostra a norma A-438 da ASTM. Neste caso,

então, é preciso medir, com um micrômetro ou outro medidor preciso de deformação, a

deflexão da barra com o acréscimo de carga.

(6)

Essa expressão, aplicada a barras de seção circular (7) e retangular (8) tornou-se:

(7)

(8)

A medida das flechas permite obter curvas tensãodeformação, sendo a

deformação dada pelas flechas e a tensão de dobramento, d, dadas pelas expressões (9)

ou (10), usando-se as diversas cargas, Q, no lugar de Qmax, isto é:

(9)

(10)

5. OUTRAS INFORMAÇÕES SOBRE O ENSAIO DE FLEXÃO

O ensaio de flexão é geralmente feito de modo a reproduzir, no laboratório, as

condições da prática. Desse modo, é possível criar várias maneiras de se efetuar esse

ensaio, desde que a peça possa ser adaptada diretamente em uma máquina comum.

Muitas vezes, são feitos ensaios de flexão em produtos contendo partes soldadas ou

unidas por qualquer tipo de junção, e a carga é aplicada próximo à extremidade de uma

das partes até que haja início de ruptura na junção, ficando a outra extremidade presa

por meio de dispositivos; assim, pode-se verificar até que esforço de flexão a peça pode

sofrer sem se romper.

O ensaio de dobramento é um caso

particular do ensaio de flexão, que

abrange também outros modos de

colocação ou fixação do cdp e outros

tipos ou locais de aplicação da carga.

Para a maioria dos metais dúcteis, o cdp se deforma continuamente sem que haja

ruptura e por isso, para esses metais não é conveniente o emprego do ensaio de flexão.

Mesmo para os metais frágeis, esses gráficos são aproximados e relativamente

insensíveis às particularidades existentes numa curva tensãodeformação, porque a

deformação varia com a relação y/R, onde R é o raio de curvatura do eixo longitudinal

do cdp e y é a deflexão, fazendo com que a tensão não possa ser determinada

diretamente.

Devido à variação da resistência das fibras internas, o tipo de seção transversal do

cdp influencia o gráfico, conforme se pode observar na fig.8, mesmo mantendo-se

invariável, o momento de inércia das diversas seções.

Figura 8 – Influência da forma da seção transversal do cdp sobre a curva tensãodeformação