Ensaios DestrutivosBibliografia recomendada SOUZA, SRGIO. A.; Ensaios Mecnicos de Materiais Metlicos.; Rio de Janeiro: Blcher, 5ed, 286p. Telecurso 2000 profissionalizante, mecnica, Ensaios Mecnicos. Introduo Em civilizaes antigas, avaliava-se a qualidade de uma lmina de ao, a dureza de um prego ou a pintura de um objeto, atravs do seu tempo de uso. A qualidade de um componente era baseada no seu comportamento depois de pronto. O acesso a novas matrias-primas e o desenvolvimento dos processos de fabricao obrigaram a criao de mtodos padronizados de produo. Ao mesmo tempo, desenvolveram-se processos e mtodos de controle de qualidade dos produtos. Atualmente, entende-se que o controle de qualidade precisa existir tanto para avaliar a matriaprima quanto o processo de produo. A este controle de qualidade so includos a inspeo e os ensaios finais nos produtos acabados. Diante da necessidade de controlar a qualidade dos produtos encontra-se a importncia dos ensaios dos materiais, aos quais pode se verificar se os materiais apresentam as propriedades que os tornaro adequados ao seu uso. Definio Quando se adquire um material existe a necessidade de saber suas propriedades, pois os mesmos devem responder com segurana a solicitao imposta. Os ensaios so fundamentais para se determinar e consequentemente avaliar as propriedades mecnicas dos materiais, seja eles metais, compsitos ou polmeros. Os ensaios mecnicos so ferramentas importantes de auxlio aos engenheiros, projetistas, indstrias e usurios de forma geral. Os ensaios mecnicos podem ser definidos como os procedimentos padronizados que compreendem testes, clculos, grficos e consultas a tabelas, que visam a adquirir caractersticas quanto a resistncia mecnica do material. Todos estes procedimentos devem estar em conformidade com normas tcnicas. Os ensaios so realizados para que se avalie a capacidade do componente ou material suportar determinada solicitao de carregamento. Todo componente dever ser projetado de forma a resistir solicitao nele imposta. As solicitaes podem ser:

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Tipos de ensaios Os ensaios mecnicos podem ser classificados como ensaios destrutivos ou no destrutivos. Os ensaios destrutivos so aqueles ensaios que promovem a ruptura ou inutilizao do material ensaiado. Em alguns casos, os ensaios destrutivos apenas deixam marcas no componente, sem a sua inutilizao. Como estes ensaios tendem a inutilizar o componente testado, normalmente eles so executados em corpos-de-prova, o que no impossibilita a sua aplicao em componentes acabados. Os ensaios classificados como ensaios destrutivos so: ensaios de trao, ensaio de dobramento, ensaio de flexo, ensaio de toro, ensaio de fadiga, ensaio de impacto e ensaio de compresso. Os ensaios no destrutivos so usados para determinar algumas propriedades fsicas do metal, ou detectar falhas internas dos componentes acabados. Estes ensaios no deixam marcas ou sinais nos componentes, conseqentemente, no o inutilizam. Eles podem ser aplicados a produtos acabados. Os ensaios classificados como ensaios no destrutivos so: Ensaios com raios-X, Ensaio de ultra som, Ensaios eltricos, Ensaio de lquido penetrante, Ensaio de partculas magnticas, Ensaio visual. Elementos dos ensaios Os ensaios podem ser realizados no componente fabricado, em prottipos ou em corpos-de-prova. Prottipos so componentes fabricados em fase preliminar de produo, destinados a ensaios mecnicos ou no. Corpos-de-prova so amostras do material em dimenses pr-estabelecidas dentro dos padres de normas tcnicas. Os ensaios em prottipos permitem avaliar se o produto indicado prea a funo desejada, mas seu resultado no pode ser generalizado. Eles servem de base para produtos semelhantes. Os ensaios em corpos-de-prova so ensaios dos materiais, que pode ser generalizados para outras aplicaes. Propriedades dos ensaios Todos os campos da tecnologia so ligados aos materiais, bem como s suas propriedades. Os materiais possuem dois tipos de propriedades: Propriedades Fsicas: o material sofre deformao sem sofrer mudana na composio qumica. Exemplo mudana de forma de material plstico devido a aquecimento. Propriedades Qumicas: o material sofre alterao na sua composio qumica. Exemplo a corroso. As propriedades mecnicas so determinadas a partir de ensaios especficos. Os ensaios mecnicos se baseiam na aplicao de um esforo em um material, a fim de determinar a resistncia do material em relao a este esforo. Os esforos podem ser de trao, compresso, flexo, toro, cisalhamento, presso interna, fluncia... Resistncia mecnica a capacidade que um material possui em suportar esforos externos sem se romper. Podem ser considerados esforos externos todos aqueles que agem sobre o componente. A escolha do ensaio mecnico adequado realizada de acordo com o tipo de solicitao ao qual o componente ser submetido. A fabricao dos corpos-de-prova para os ensaios e a execuo dos ensaios deve seguir determinadas normas pr-estabelecidas de forma a tornar seus resultados representativos. As normas tcnicas descrevem o procedimento para se efetuar um determinado ensaio mecnico, alm de determinar a geometria e dimenses dos corpos-de-prova. As normas tcnicas mais utilizadas pelos laboratrios de ensaios pertencem s seguintes associaes: ABNT - Associao Brasileira de Normas Tcnicas 2

ASTM - American Society for Testing and Materials ASME - American Society of Mechanical Engineers DIN - Deutsches Institut fr Normung JIS - Japanese Industrial Standards AFNOR - Association Franaise de Normalisation BSI - British Standards Institution ISO - International Organization for Standardization SAE - Society of Automotive Engineers COPANT - Comisso Panamericana de Normas Tcnicas Normas particulares de indstrias ou companhias governamentais. Exerccios 1 Porque realizar ensaios mecnicos? 2 Posso realizar ensaios destrutivos em pea acabada? Justifique 3 Para que serve as normas tcnicas? 4 Defina Resistncia Mecnica. 5 Cite 3 ensaios destrutivos e 3 no destrutivos.

Ensaios de TraoO ensaio de trao tornou-se importante devido a sua facilidade de execuo e reprodutividade. Os ensaios de trao relacionam tenso com taxa de deformao. Estes ensaios consistem na aplicao de uma carga uniaxial de trao em corpos-de-prova (CP), aos quais sofrero alongamento at a ruptura. Os corpos-de-prova possuem formas e dimenses padronizadas, o que permite a comparao e se necessrio a reproduo dos resultados. O ensaio consiste no seguinte procedimento: O corpo-de-prova fixado na mquina de trao e sobre ele so aplicadas cargas axiais crescentes e simultaneamente so medidas as deformaes decorrentes a estas cargas aplicadas. O ensaio mantm a uniformidade na variao da deformao at a estrico (para materiais dcteis), o que permite sua medio com menos erros. A ruptura sempre acontece na regio central do CP, a menos que exista alguma anormalidade no CP a fim de se fragilizar outras regies. No ensaio de trao possvel se determinar os limites de trao e ruptura do material. A carga aplicada no ensaio de trao deve estar alinhada com o eixo longitudinal do CP. Um desalinhamento da carga ir gerar esforos assimtricos que conduzir a erros nos resultados. A velocidade do ensaio determinada por normas tcnicas e deve ser constante. Normalmente esta velocidade de 1 kgf/mm. Se um corpo est sob a ao de uma fora aplicada na direo do eixo longitudinal, dizemos que esta uma fora axial. A fora axial perpendicular a seo transversal do corpo. Quando a fora axial tende a aumentar o comprimento do corpo e reduzir a rea de seo transversal, trata-se de uma fora de trao. Quando a fora tende a reduzir o comprimento do corpo e aumentar a rea de seo transversal, trata-se de uma fora de compresso.

Tenso Normal O carregamento concentrado P no garante a estabilidade da estrutura. Para saber sobre a estabilidade da estrutura necessrio conhecer o esforo solicitado, a rea da seo transversal e o material do componente. 3

Ento:

Onde: = Tenso normal mdia (Pa) P = Fora axial (N) A = rea da seo transversal (m)

Deformao = alongamento (m) = resultado do estiramento de todos os elementos do material atravs do volume da barra.

Onde: LF o comprimento final (m) Li o comprimento inicial (m) A deformao especfica normal ( ) representa o alongamento por unidade de comprimento. A deformao adimensional.

Li

ou

L L LF i

i

Tipos de deformao A deformao elstica no uma deformao permanente. Quando o carregamento retirado o componente volta condio inicial. A deformao plstica uma deformao permanente, quando o carregamento retirado o componente permanece deformado.

Tipos de materiais Material Dctil aquele que pode ser alongado, flexionado ou torcido, sem se romper. Ele admite deformao plstica permanente, aps a deformao elstica. Ex: Ao estrutural, alumnio, cobre, bronze...

Um material frgil possui o domnio plstico praticamente inexistente, indicando sua pouca capacidade de absorver deformaes permanentes. Ex : concreto, ferro fundido, vidro, cermica...

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Equipamentos utilizados O ensaio de trao realizado na mquina universal onde fixa-se o CP na mquina por suas extremidades, numa posio que permite ao equipamento aplicar-lhe uma fora axial para fora, de modo a aumentar seu comprimento. A mquina de trao hidrulica, movida pela presso de leo, e est ligada a um dinammetro que mede a fora aplicada ao corpo-de-prova. A mquina de ensaio possui um registrador grfico que vai traando o diagrama de tenso deformao, medida que o ensaio realizado .

Diagrama tenso deformao - Regio Elstica Tenso e deformao so proporcionais e apresentam uma relao linear . Equao da reta definida pela Lei de Hooke. E = mdulo de elasticidade (Pa) Representa medida de rigidez. E representa a inclinao da reta OA. Maior mdulo menor deformao elstica material mais rgido. Reta termina no limite de proporcionalidade, onde a tenso deixa de ser proporcional a deformao. Aps limite de proporcionalidade, deformao maior para mesmo incremento de tenso. lp = Tenso limite de proporcionalidade Escoamento. Determinada pelo limite de escoamento do material. Escoamento uma transio entre a deformao elstica e a deformao plstica. Alta taxa de deformao com pouco aumento de carga. Inicio de deformao plstica, isto , incio de deformao permanente. Material fica perfeitamente plstico deforma sem aumento de carga. Pode haver dois limites de escoamento: um superior e um inferior. uma regio de altas deformaes. E = Tenso de escoamento Encruamento Encruamento Endurecimento por deformao a frio. Regio de Recuperao mudana cristalina aumento da resistncia para deformao. 5

Necessrio um incremento de carga para incremento de deformao. Ponto D = Limite de resistncia do material. Tenso ltima = Tenso onde inicia a estrico. Tenso ltima a maior tenso utilizada no ensaio. Deformao ao longo do corpo-de-prova. O limite de resistncia do material importante para materiais frgeis. U = Tenso normal ltima. Estrico Estrico a reduo da seo transversal do corpo-de-prova na regio de ruptura. Perda de resistncia local. rea seo transversal reduz em uma regio localizada. Deformaes provocadas por tenso de cisalhamento. Menor rea menor carregamento para manter deformao. Tenso de ruptura a tenso onde o corpo-de-prova ir romper. rup = Tenso normal de Ruptura Diagramas tenso x deformao convencional e real

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Exerccios 1 Qual a importncia do ensaio de trao na indstria mecnica? 2 Defina, com suas palavras, material dctil e material frgil? Exemplifique 3 Determine se as alternativas so verdadeiras (V) ou falsas (F). Caso a alternativa seja falsa justifique. ( ) Encruamento o amolecimento do material por deformao a frio. ( ) Estrico a reduo da seo transversal do corpo-de-prova na regio de ruptura. ( ) Tenso limite de escoamento a tenso mnima do regime elstico. ( ) Limite de proporcionalidade define onde a tenso comea a ser proporcional a deformao. ( ) Um diagrama tenso-deformao convencional importante na engenharia porque permite obter dados sobre a resistncia trao ou a compresso do material, sem considerar o tamanho ou a forma fsica desse material. 4 - Descreva com suas palavras o ensaio de trao. Construa o diagrama tenso x deformao e identifique as principais propriedades adquiridas com o mesmo.

Ensaio de compressoA compresso um esforo axial que tende a reduzir o comprimento do corpo submetido ao esforo. O esforo de compresso em um corpo uniformemente distribudo pela sua seo transversal. O ensaio de compresso tambm realizado na mquina universal de ensaios, onde o corpo-deprova submetido ao carregamento que aumenta gradativamente. Como resultado, obtm-se as mesmas relaes obtidas para trao. Sob compresso o corpo-de-prova apresenta duas fases de deformao: uma fase elstica, onde o corpo-de-prova volta a condio inicial aps carregamento, e outra fase plstica, onde o corpo-de-prova se mantm deformado aps carregamento.

Deformao elstica

Deformao plstica

Para a regio plstica o diagrama de compresso tambm respeita a lei de Hooke e so vlidas as equaes de deformao, tenso e alongamento de trao. O ensaio de compresso no comumente empregado nos metais por apresentar dificuldade na determinao das propriedades mecnicas. Os mtodos para determinao das propriedades mecnicas so os mesmos que aqueles para ensaio de trao. As placas devem estar paralelas para garantir a axialidade da fora aplicada. A dificuldade de determinao das propriedades se deve a: Atrito entre o corpo-de-prova e as placas da mquina. Possibilidade de flambagem. Dificuldade de medida de algumas variveis. As condies de ensaios variam de acordo com o material Material dctil: possvel determinar apenas as propriedades da zona elstica. Impossvel medir a carga de ruptura. 7

O corpo-de-prova cilndrico aumenta sua seo transversal com o aumento da carga, consequentemente, aumenta-se a rea de seo transversal e reduz a tenso na seo, logo a resistncia aumenta. O material dctil tende a no se romper, com isto ele pode ser transformado em um disco. A abaixo esboa a forma de um corpo-de-prova dctil. A relao entre comprimento/dimetro deve variar entre 3 e 8. No sendo to pequeno para evitar o atrito com as placas nem to grande para se evitar a flambassem.

As propriedades mais detectadas nos ensaios de materiais dcteis so: limite de proporcionalidade, limite de escoamento e mdulo de elasticidade.

Material frgil O ensaio de compresso mais utilizado para este tipo de material. Por ser muito pequena, difcil determinar caractersticas da fase elstica. No possui deformao lateral aprecivel. A ruptura ocorre por cisalhamento e escorregamento. Como possui fratura, podem-se determinar propriedades da zona plstica. Dentre as propriedades est o limite de resistncia ou o limite de ruptura (so coincidentes). Em alguns aos, os limites de proporcionalidade e os limites de escoamento para compresso e trao so tabelados.

O limite de resistncia a compresso cerca de oito vezes maior que o limite de resistncia trao. Consideraes sobre a flambagem e atrito durante a compresso Prximo s placas, a deformao lateral do corpo-de-prova limitada pelo atrito entre a placa e o corpo-de-prova. Este atrito provoca tenses que retardam o escoamento prximo da regio, produzindo um gradiente de tenso no seu comprimento.

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Por esta razo , a base de medida para a deformao no ensaio de compresso deve ser tomada na regio central do corpo-de-prova. Para se minimizar o atrito entre as partes pode-se lubrificar as extremidades do corpo-de-prova com parafina, graxa, teflon ou outros lubrificantes. A instabilidade na compresso do metal dctil gera a flambagem no componente, que consiste na deformao lateral do corpo-de-prova durante a compresso.

A flambagem ocorre principalmente em corpo-de-prova com comprimentos muito grande em relao ao dimetro, logo este efeito pode ser evitado pela reduo da relao comprimento/dimetro e assegurando a uniaxialidade a carga aplicada. Ensaios de compresso em produtos acabados Os ensaios em tubos podem verificar a ductilidade dos produtos tubulares, mesmo sem medir as cargas aplicadas. O ensaio consiste em aplicar uma carga de compresso longitudinalmente nos corposde-prova at que o tubo seja achatado. A severidade do ensaio medida pela distncia final entre as placas formadas pela parede do tubo e a anlise visual da zona tracionada externa, ou seja, avaliase o surgimento de trincas, fendas ou fissuras na parte do tubo que fica fora do contato com as placas da mquina. Este ensaio pode ser realizado em tubos com costura para se avaliar a ductilidade da solda, neste caso a solda posicionada na regio fora de contato com as placas. Maiores deformaes sem trinca indicam maiores ductilidade. Ensaios em molas Tem o objetivo de determinar a constante Elstica da mola e verificar sua resistncia. Para se determinar a constante da mola, a mesma comprimida totalmente trs vezes e na quarta compresso fazse medida das deformaes da altura, com estas medidas relacionadas a tenso aplicada, calcula-se o mdulo de elasticidade (a inclinao da reta).

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Para se verificar a resistncia da mola, aplica-se cargas predeterminadas e mede-se a altura da mola aps a descarga.

Ensaio de cisalhamentoTodo material apresenta certa resistncia ao cisalhamento. Saber at onde vai esta resistncia muito importante, principalmente na estamparia, que envolve corte de chapas, ou nas unies de chapas por solda, por rebites ou por parafusos, onde a fora cortante o principal esforo que as unies vo ter que suportar. A fora que causa o cisalhamento uma fora aplicada paralela a rea de seo que se est avaliando. Esta fora paralela a seo transversal.

Tenso de Cisalhamento ou Tenso de Corte um tipo de tenso gerado por foras aplicadas em sentidos opostos, porm em direes semelhantes no material analisado. A tenso de cisalhamento definida por: Onde a tenso de cisalhamento (Pa) V a fora cisalhante (N) A a rea de cisalhamento. Tipos de cisalhamento No cisalhamento de pinos ou parafusos h, basicamente, dois tipos de cisalhamento (ou corte): o simples e o duplo. A diferena entre eles est no nmero de partes que o pino/parafuso pode ser romper. A seguir sero apresentadas ilustraes de cada um dos dois tipos de cisalhamento:

Cisalhamento simples

cisalhamento duplo 10

O ensaio de cisalhamento Como a resistncia ao cisalhamento influenciada pela forma do produto a se avaliar, seu ensaio tende a ser realizado em componentes acabados, como rebites, parafusos, cordes de solda, barras, ... No existem normas para especificao dos corpos-de-prova. Quando o necessrio, cada empresa desenvolve seus prprios modelos em funo da sua necessidade. Do mesmo modo que nos ensaios de trao e de compresso, a velocidade de aplicao da carga deve ser lenta, para no afetar os resultados do ensaio. Normalmente o ensaio realizado na mquina universal de ensaios, qual se adaptam alguns dispositivos, dependendo do tipo de produto a ser ensaiado. Para ensaios de pinos, rebites, parafusos ou soldas utiliza-se o seguinte dispositivo. O dispositivo fixado na mquina de ensaio e suas partes mveis so fixadas pelos componentes que se deseja avaliar. Ao se aplicar a tenso de trao no dispositivo, esta ser transmitida na forma de cisalhamento para as junes onde ser determinada a resistncia ao cisalhamento do material. Para o caso de soldas, utiliza-se a mesma montagem, porm soldada. Para ensaiar barras, presas ao longo de seu comprimento, com uma extremidade livre, utiliza-se o dispositivo abaixo:

No caso de ensaio de chapas, emprega-se um estampo para corte, como o que mostrado a seguir.

Neste ensaio normalmente determina-se somente a tenso de cisalhamento, isto , o valor da fora que provoca a ruptura da seo transversal do corpo ensaiado. A realizao de sucessivos ensaios mostrou que existe uma relao constante entre a tenso de cisalhamento e a tenso de trao. Na prtica, considera-se a tenso de cisalhamento (TC) equivalente a 75% da tenso de trao (T). Em linguagem matemtica isto o mesmo que: TC = 0,75 T.

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Exerccio 1 - Precisa-se unir 2 chapas que esto sob carregamento de uma fora F=20000N. As chapas so unidas por rebites de 4mm de dimetro. Sabendo que a tenso de trao suportada pelo rebite de 650MPa. Determine a quantidade necessria de rebites para manter a unio segura.

DurezaO significado da propriedade dureza pode ser definido por diferentes formas, de acordo com a rea de atuao de quem o define (Souza, ). A dureza Brinell representada por HB (hardness Brinell). Metalurgista: Dureza significa a resistncia deformao plstica permanente. Mecnico: Dureza a resistncia a penetrao de um material duro no outro. Projetista: a dureza considerada uma base de medida para o conhecimento da resistncia e do tratamento trmico ou mecnico de um metal e da sua resistncia ao desgaste. Usinagem: a dureza fornece uma medida da resistncia ao corte do metal. Mineralogia: a dureza medida pela resistncia ao risco que um material pode fazer em outro. O ensaio de dureza pode ser dividido em trs tipos: 1. Por penetrao. 2. Por choque. 3. Por risco. Dureza por risco A dureza por risco relaciona minerais quanto possibilidade de um riscar o outro Consideraes sobre os metais: O cobre recozido tem dureza Mohs 3. A Martensita tem dureza Mohs 7. A maior parte dos metais fica ente dureza 4 e 8. O mtodo no sensvel a pequenas variaes de dureza. Mineral Padro Talco Gipsita Calcita Fluorita Apatita Ortoclsio Quartzo Topzio Safira Diamante Escala de Mohs 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 O elemento: Risca o:

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Dureza por penetrao Dureza Brinell (HB) Mtodo mais utilizado na medio de dureza. O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de ao temperado, de dimetro D, sobre uma superfcie plana, polida e limpa de um metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esfrica de dimetro d. A dureza Brinell (HB) a relao entre a carga aplicada (F) e a rea da calota esfrica impressa no material ensaiado (Ac).

Onde: p = profundidade da impresso (mm). D = dimetro da esfera (mm). d = dimetro da calota impressa (mm). Exemplo: Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza Brinell no qual se utilizou uma esfera de 2,5 mm de dimetro e uma carga de 187,5 kgf. A medida do dimetro de impresso foi de 1 mm. Qual a dureza do material ensaiado?

A unidade (kgf/mm) no utilizada devido ao fato de a dureza no ser um conceito fsico bem definido, pois a equao no considera o valor mdio da presso sobre toda a superfcie da impresso. Para facilitar a determinao da dureza do material, podem-se utilizar tabelas que convertem, automaticamente, os dimetros da calota em dureza Brinell. O ensaio proposto por Brinell, padronizado com carga de 3.000 kgf e esfera de ao temperado com 10 mm de dimetro com aplicao de carga por 15 segundos. Para medies no padronizadas devem-se ter os seguintes cuidados: A carga determinada de tal modo que o dimetro de impresso d esteja no intervalo de 0,25D a 0,5D. Deve se manter constante o fator de carga, ou seja, a relao:F/D. A manuteno desta relao garante o dimetro dentro do intervalo de dimetro citado. De acordo com a faixa de dureza e do tipo de material so fixados os valores de carga, como mostrado na tabela.

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O dimetro da esfera determinado em funo da espessura do corpo de prova ensaiado. A norma brasileira, estabelece que a espessura mnima do material ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade da calota. Exemplo Uma empresa comprou um lote de chapas de ao carbono com as seguintes especificaes: espessura: 4 mm dureza Brinell (HB): 180 Essas chapas devem ser submetidas ao ensaio de dureza Brinell para confirmar se esto de acordo com as especificaes. Essas chapas podem ser ensaiadas com uma esfera de 10 mm. Para ao carbono e esfera D = 10 mm F/D = 30 F= 30. 10 = 3000 kgf. Calculo da profundidade Espessura do material e>17.p = 17.0,53 = 9,01 mm Mas a espessura da chapa de 4mm, ento ela no pode ser ensaiada por uma esfera de 10 mm, deve-se utilizar uma menor. 14

Representao dos resultados obtidos O nmero de dureza Brinell deve ser seguido pelo smbolo HB, sem qualquer sufixo, sempre que se tratar do ensaio padronizado, com aplicao da carga durante 15 segundos. Em outras condies, o smbolo HB recebe um sufixo formado por nmeros que indicam as condies especficas do teste, na seguinte ordem: dimetro da esfera, carga e tempo de aplicao da carga. Exemplo: Escrever um valor de dureza Brinell 85, medido com uma esfera de 10 mm de dimetro e uma carga de 1.000 kgf, aplicada por 30 segundos. 85HB 10/1000/30 Limitaes do ensaio O ensaio limitado a materiais de dureza at 500 HB, pois durezas maiores que esta danificar a esfera. Sempre que a carga retirada h uma recuperao elstica, logo o dimetro de impresso no ser o mesmo que aquele em contato com a esfera, aumentando o seu raio de curvatura. Os metais muito duros possuem zona plstica reduzida, logo possui pouca deformao plstica, com isto a recuperao elstica uma fonte de erros na determinao da dureza. O ensaio no deve ser realizado em superfcies cilndricas com raio de curvatura menor que 5 vezes o dimetro da esfera utilizada, porque haveria escoamento lateral do material e a dureza medida seria menor que a real. Erro devido distoro do material

Relao entre Dureza Brinell e limite de resistncia convencional A relao emprica entre o limite de resistncia para aos e a dureza determinada pela equao . Para durezas maiores que 380 HB, h a tendncia de a dureza aumentar mais rapidamente que o limite de resistncia, provavelmente pela deformao da esfera ou por efeitos de tenses de compresso residual na impresso, originrias de aos muito duros. Vantagens e desvantagens Comparada a outros mtodos, a esfera do teste Brinell provoca a endentao mais profunda e mais larga. Com isto a dureza medida no teste abrange uma poro maior de material, resultando numa mdia de medio mais precisa, tendo em conta possveis estruturas policristalinas e heterogeneidades do material.

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Este mtodo o melhor para a medio da dureza macro-dureza de um material, especialmente para materiais com estruturas heterogneas.

Dureza Rockwell Vantagens e tcnica do ensaio o segundo tipo de dureza por penetrao, e foi introduzido por Rockwell em 1922. Este mtodo tornou-se difundido por apresentar vantagens em relao ao processo de dureza Brinell. A dureza Rockwell simbolizada por HR ( Hardness Rockwell). Trata-se de um ensaio mais rpido pelo fato de a dureza ser medida diretamente e automaticamente na mquina, eliminando os erros pessoais. Alm disto, por ter penetradores menores, pode ser aplicado em componentes acabados, pois danifica menos a sua superfcie. aplicado em linhas de produo, na verificao de tratamentos trmicos ou superficiais, devido a sua velocidade de aplicao. Os penetradores utilizados no ensaio Rockwell podem ser do tipo esfrico ou cnico. Os penetradores do tipo esfrico so fabricados em ao temperado e os cnicos so em diamante com 120 de conicidade. Neste processo de medio de dureza a carga aplicada em duas etapas. Uma pr-carga que garante o contato firme com a superfcie do corpo de prova e para fixar bem o mesmo. Logo aps aplicada a carga maior, aquela prpria para o ensaio. Aps a retirada desta ltima carga, a profundidade de impresso dada diretamente no mostrador da mquina, em forma de um nmero de dureza, aps voltar ao valor menor de carga.

A leitura do grau de dureza feita diretamente num mostrador acoplado mquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada faixa de dureza do material. 16

O mostrador apresenta duas escalas de medida de medidas que so relacionadas ao tipo de penetrador utilizado. Para penetradores cnicos de diamante, deve-se fazer a leitura do resultado na escala externa do mostrador. Para o penetrador esfrico, faz-se a leitura do resultado na escala interna. O valor de dureza medido um valor adimensional, e corresponde profundidade alcanada pelo penetrador, subtradas a recuperao elstica do material, aps a retirada da carga de maior intensidade, e a profundidade decorrente da aplicao da pr-carga. Equipamentos para ensaio de dureza Rockwell As mquinas para ensaio Rockwell podem ser de dois tipos, uma para avaliao de dureza geral e outra para dureza superficial, onde avaliada a dureza de camadas superficial do material, sendo indicada para avaliao de durezas em chapas finas. Nos ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma prcarga de 10 kgf e a carga maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf. Nos ensaios de dureza Rockwell superficial a pr-carga de 3 kgf e a carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf. Para se comparar valores de durezas de diferentes materiais, preciso ter o cuidado de que todas as durezas estejam na mesma escala. As escalas de medio de dureza Rockwell podem ser visualizadas na tabela .

OBS: cargas em kgf 17

OBS: cargas em kgf. Representao da dureza Rockwell O valor da dureza deve ser seguido pelo smbolo HR , com um sufixo que indique a escala utilizada. Exemplo: O resultado de dureza 64 HRC Dureza = 64 HR Ensaio na escala C O resultado da dureza 50HR15N Dureza = 50 HR Ensaio superficial na escala 15N Exemplo: Uma empresa adquiriu um material com a seguinte especificao: 70H15T. Quais as condies do ensaio para confirmar se o material est de acordo com a especificao? Tipo de mquina: ensaio superficial Tipo/ dimenso do penetrador: esfera de ao com d=1,5875mm Pr-carga: 3 kgf Carga maior: 15 kgf Cor da escala que realizado o ensaio: vermelha. Determinao da profundidade de penetrao

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Para se ensaiar chapas ou qualquer componente preciso determinar a mxima profundidade que o penetrador ir alcanar, de modo a estabelecer se o ensaio poder ou no ser realizado naquele componente. Para se estimar a profundidade mnima do penetrador pode-se utilizar as seguintes equaes: 1 Para penetrador de diamante HR comum HR superficial profundidade = 0,002.(100 - HR) profundidade = 0,001.(100 - HR)

2 Para penetrador esfrico HR comum HR superficial profundidade = 0,002.(130 - HR) profundidade = 0,001.(100 - HR)

A espessura do componente ensaiado deve ser pelo menos 17 vezes a medida estimada da profundidade. Espessura 17. profundidade Exemplo: Qual a profundidade aproximada de penetrao ser atingida ao ensaiar um material com dureza estimada de 40HRC. Ensaio com escala Rockwell C normal Penetrador de diamante Dureza estimada = 40 HR profundidade = 0,002.(100 - HR) = 0,002.(100-40) = 0,12 mm Exemplo: Qual deve ser a espessura mnima de uma chapa que ser submetida ao ensaio de dureza Rockwell para um material com dureza esperada de 80HRB? Ensaio com escala Rockwell B normal Penetrador esfrico em ao Dureza estimada = 80 HR profundidade = 0,002.(130 - HR) = 0,002.(130 80) = 0,1 mm Espessura 17. Profundidade = 17 . 0,1 = 1,7 mm Logo a chapa deve ter espessura mnima de 1,7 mm Consideraes finais A superfcie a ser ensaiada deve estar livre de irregularidades para que se evite erros de medio. A carga inicial serve, tambm, para minimizar o efeito das irregularidades superficiais ou aderncia das bordas do metal no penetrador.

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Se a superfcie no for plana, deve-se fazer uma correo pois este ensaio est baseado na profundidade da impresso e no na sua rea. A correo realizada atravs de normas ou pesquisas anteriores. Geralmente, a primeira medida descartada, servindo apenas para ajuste do penetrador na mquina. O ensaio Rockwell tem limitaes na descontinuidade das escalas de dureza. Para materiais que apresentam dureza no limite de uma escala e no incio de outra no podem ser comparados entre si quanto dureza. Outra limitao importante que o resultado de dureza no ensaio Rockwell no tem relao com o valor de resistncia trao, como acontece no ensaio Brinell. Dureza Vickers Tcnica e vantagens do ensaio Este estudo foi introduzido por Smith e Sandland em 1925 e recebeu o nome de dureza Vickers devido fabricante da mquina para este tipo de ensaio, a Vickers-Armstrong. O penetrador uma pirmide de base quadrada, com ngulo de 136 entre as faces opostas. Este ensaio apresenta valores de impresso semelhantes dureza Brinell, pois a relao ideal de dimetros para esta dureza (d/D = 0,375) acontece quando as tangentes esfera, partindo dos cantos de impresso fazem entre si um ngulo de 136. Os ensaios de dureza Vickers podem ser aplicados a todos os tipos de materiais. Como o penetrador um diamante, ele praticamente indeformvel e como O valor de dureza Vickers (HV) o quociente da carga aplicada (F) pela rea de impresso (A) deixada no corpo ensaiado.

A mquina que faz o ensaio Vickers no fornece o valor da rea de impresso da pirmide, mas permite obter, por meio de um microscpio acoplado, as medidas das diagonais (d1 e d2) formadas pelos vrtices opostos da base da pirmide. Conhecendo as medidas das diagonais, possvel calcular a rea da pirmide de base quadrada (A), utilizando a frmula:

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Ento

Onde A fora calculada em kgf e

Representao do resultado do ensaio A dureza Vickers representada pelo valor de dureza, seguido do smbolo HV e de um nmero que indica o valor da carga aplicada. Exemplo: A representao 440 HV 30 indica que o valor da dureza Vickers 440 e que a carga aplicada foi de 30 kgf. O tempo normal de aplicao da carga varia de 10 a 15 segundos. Quando a durao da aplicao da carga diferente, indica-se o tempo de aplicao aps a carga. Exemplo: Na representao: 440 HV 30/20, o ltimo nmero indica que a carga foi aplicada por 20 segundos. Cargas usadas no ensaio Vickers Neste mtodo, ao contrrio do que ocorre no Brinell, as cargas podem ser de qualquer valor, pois as impresses so sempre proporcionais carga, para um mesmo material. Deste modo, o valor de dureza ser o mesmo, independentemente da carga utilizada. Por uma questo de padronizao, as cargas recomendadas so: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf. Microdureza Vickers Para aplicaes especficas, voltadas principalmente para superfcies tratadas (carbonetao, tmpera) ou para a determinao de dureza de microconstituintes individuais de uma microestrutura, utiliza-se o ensaio de microdureza Vickers.

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A microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento prtico que o ensaio Vickers, s que utiliza cargas menores que 1 kgf. A carga pode ter valores to pequenos como 10 gf. Na microdureza, como a carga aplicada pequena, a impresso produzida microscpica. Defeitos de impresso Uma impresso perfeita, no ensaio Vickers, deve apresentar os lados retos. Entretanto, podem ocorrer defeitos de impresso, devidos ao afundamento ou aderncia do metal em volta das faces do penetrador.

Vantagens O ensaio Vickers fornece uma escala contnua de dureza, medindo todos os valores de dureza numa nica escala. As impresses so extremamente pequenas e, na maioria dos casos, no inutilizam as peas, mesmo as acabadas. O penetrador, por ser de diamante, praticamente indeformvel. Este ensaio aplica-se a materiais de qualquer espessura, e pode tambm ser usado para medir durezas superficiais. Limitaes Devem-se tomar cuidados especiais para evitar erros de medida ou de aplicao de carga, que alteram muito os valores reais de dureza. A preparao do corpo de prova para microdureza deve ser feita, obrigatoriamente, por metalografia, utilizando-se, de preferncia, o polimento eletroltico, para evitar o encruamento superficial. Quando se usam cargas menores do que 300 gf, pode haver recuperao elstica, dificultando a medida das diagonais. A mquina de dureza Vickers requer aferio constante, pois qualquer erro na velocidade de aplicao da carga traz grandes diferenas nos valores de dureza.

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Ensaios de Dobramento e Flexo Conceitos iniciais Considere os elementos submetidos fora mostrada.

Com a aplicao das foras eles adquirem esta forma:

O esforo de Flexo gera a ocorrncia de deformao elstica. O esforo de dobramento gera a ocorrncia de deformao plstica. Ambos os ensaios, flexo e dobramento, utilizam a mesma montagem, um cutelo e dois roletes com dimetros determinados de acordo com o corpo-de-prova.

Os ensaios de flexo e dobramento so realizados na mquina universal. Para materiais dcteis mais importante conhecer a ductilidade dos materiais. Materiais mais resistentes exigem o conhecimento das propriedades de flexo. Ensaio de Dobramento O ensaio de dobramento fornece a indicao qualitativa da ductilidade do material. Este tipo de ensaio no fornece valor numrico, mas permite estabelecer propriedades mecnicas do material. O corpo-de-prova tem eixo retilneo e seo transversal circular, tubular, retangular ou quadrada. A distncia de afastamento entre os apoios determinada de acordo com o tamanho do corpo-de-prova. No existe a necessidade de se medir a carga aplicada. O dimetro do cutelo (D) varia de acordo com severidade do ensaio. Geralmente o dimetro do cutelo determinado em funo do dimetro ou espessura do corpo-de-prova. A velocidade no um fator determinante no dobramento.

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O ngulo de dobramento () tambm indica a severidade do ensaio, podendo assumir os valores de 90, 120 ou 180. Critrio para a aprovao do ensaio: A regio tracionada no ensaio no deve conter trincas ou fissuras. O ensaio revela a ductilidade em qualquer regio do material. O ensaio pode ser realizado em uma nica etapa ou duas etapas. Realizam-se duas etapas quando o dimetro do cutelo muito pequeno ou nulo. D D , onde D o menor possvel.

Processos de dobramento Dobramento livre: O dobramento obtido pela aplicao de fora nas extremidades do corpo-de-prova, sem aplicao de fora no ponto mximo de dobramento.

Dobramento semi-guiado: Uma extremidade engastada de algum modo e o dobramento efetuado na outra extremidade ou em outro local do corpo-de-prova.

Ensaio de flexo O ensaio de flexo mais realizado em materiais frgeis e em materiais resistentes como ferro fundido, estruturas de concreto, ao ferramenta, .... A barra utilizada no ensaio de flexo deve ter o comprimento especificado por norma. A seo transversal pode ser qualquer. O corpo apoiado em dois pontos eqidistantes. A carga durante o ensaio aumentada lentamente at o rompimento do corpo-de-prova. 24

Neste ensaio possvel se medir a flexa da viga.

Flexa (f) o comprimento entre a linha neutra deformada e a inicial. Propriedades avaliadas Tenso de flexo A flexo da barra depende da fora aplicada e sua localizao.

Momento fletor (Mf ) o produto entre a fora e a distncia ao qual ela aplicada. Isto no caso de flexo. A equao para calculo do momento fletor :

M f

F L FL x M 2 2 4f

Momento de inrcia (I)

Para seo circular o momento de inrcia definido pela equao: d I 644

Onde d o dimetro da barra. Para seo retangular o momento de inrcia definido pela equao:

bh I 12

3

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Onde

b base da seo transversal. h a altura da seo transversal.

Mdulo de resistncia da seo transversal (W) resistncia a um momento.

W

I c

Onde c = raio, para corpos de seo circular. c = 0,5 h , para corpos de seo retangular. Logo a equao para tenso de flexo ( Tf ) :

T f

M W

f

Aps medio das variveis de ensaios pode-se obter a tenso de flexo. Para materiais dcteis considera-se a fora obtida no limite de elasticidade. Para materiais frgeis considera-se a fora registrada no limite de ruptura. Flexa mxima (f)

FL f 48EIMdulo de elasticidade (E)

3

FL E 48 fIExemplo: Aps um ensaio de flexo num corpo-de-prova de seo circular, com 50 mm de dimetro e 685 de comprimento, registrou-se uma flexa de 1,66 mm e a carga aplicada ao ser atingido o limite elstico era de 1600N. Pede-se: a) A tenso de flexo no corpo-de-prova. b) O mdulo de elasticidade mo material. Exerccios 1 Descreva os ensaios de dobramento e flexo. 2 Porque o ensaio de dobramento considerado qualitativo. 3 Um corpo de prova de 30 mm de dimetro e 600 mm de comprimento foi submetido a um ensaio de flexo, apresentando uma flexa de 2 mm sob uma carga de 360 N. Determine: a) a tenso de flexo; b) o mdulo de elasticidade.

3

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Ensaio de Fluncia Definies A fluncia a deformao plstica que ocorre num material, sob tenso constante ou quase constante, em funo do tempo. Para materiais metlicos a temperatura tem forte influncia sobre este fator. A fluncia ocorre devido movimentao de falhas, que sempre existem na estrutura cristalina dos metais. Podem ser divididos em trs tipos: Ensaio de fluncia: mantm-se constante a carga e a temperatura, medindo-se a deformao com o decorrer do tempo. Ensaio de ruptura por fluncia: o ensaio conduzido at a ruptura do material, medindo-se o tempo de ruptura, podendo-se medir a deformao ao longo do tempo. Ensaio de relaxao: Mantm-se a temperatura e a deformao constante e mede-se a queda de tenso inicialmente aplicada para a obteno da deformao com o decorrer do tempo. Consideraes Nas condies reais de uso, os produtos sofrem solicitaes diversas por longos perodos de tempo. Em algumas situaes, os produtos apresentam deformao permanente mesmo sofrendo solicitaes abaixo do seu limite elstico, isto ocorre mais freqentemente quando h envolvimento de temperatura. A velocidade de fluncia enormemente influenciada pela temperatura: Seja a uma um ao carbono sob uma tenso por 1000h consecutivas: Se tenso=3,5 kgf/mm e T = 500C = 0,04% Se tenso=3,5 kgf/mm e T = 540C = 4% Teoria da Fluncia O mecanismo de fluncia envolve 4 processos. Estgio I Escorregamento das discordncias. Existe um encruamento que diminui a velocidade de fluncia no material. Mecanismo de fluncia se torna mais difcil de operar com o prosseguimento do ensaio. Os escorregamentos das discordncias so impedidos por barreiras que surgem no decorrer do tempo. Inicialmente, quando se aplica a tenso no metal a uma dada temperatura, as discordncias so primeiramente impedidas de escorregar por pequenas barreiras, porm encontram barreiras maiores que s sero vencidas aps tempos mais longos. Estgio I Ascenso de discordncias ocasionando a formao de subgros. O processo de recuperao rpida o suficiente para equilibrar o encruamento. Quanto maior for a temperatura, maior ser a recuperao e menos estacionrio ser o estgio 2. Estgio II Deslizamento de contornos de gros caracterizado por grande movimentao das discordncias. Surge a ntida formao de microtrincas no material. Surge acentuadamente a estrico em corpos de prova ensaiados por trao. Descrio do ensaio 27

Geralmente submete-e o corpo-de-prova ao esforo de trao. Corpos de prova utilizados so semelhantes aos utilizados na trao. aplicada uma carga de trao constante ao corpo de prova, que fica em um forno eltrico com temperatura constante e controlvel. Antes do ensaio o cp deve passar por um aquecimento, sem que o mesmo seja superaquecido. A mquina para o ensaio de fluncia mostrado abaixo.

Descrio do Ensaio de fluncia Este ensaio consiste em aplicar uma determinada carga em um corpo de prova, a uma dada temperatura, e avaliar a deformao que ocorre durante a realizao do ensaio. Carga e temperatura so mantidas constantes durante todo o processo. Este ensaio possui longo tempo de durao, em mdia 1000h. O resultado do ensaio dado por uma curva de deformao (fluncia) pelo tempo de durao do ensaio. Ensaio de ruptura por fluncia Mesmo princpio anterior, mas com corpos de prova sendo levados at a ruptura. Como utilizam-se cargas maiores e, ento so obtidas maiores velocidades de fluncia. O corpo de prova atinge deformaes maiores: no ensaio de fluncia 1%, nos ensaios de ruptura por fluncia pode atingir 50%. A tenso e a temperatura so mantidas constantes neste ensaio. Os resultados obtidos no ensaio so: tempo para a ruptura do corpo de prova, medida da deformao e medida da estrico, em certos casos. Tem durao mdia 1.000 horas. So necessrios muitos corpos de provas, ensaiados com cargas diferentes, para se obter resultados significativos. Ensaio de Relaxao Produzem dados sobre velocidade de fluncia/tenso numa gama variada de velocidades, com apenas um corpo de prova. realizado mantendo a deformao constante, por meio da reduo da tenso aplicada ao corpo de prova ao longo do tempo. A maioria dos ensaios de relaxao apresenta um tempo de durao 1.000 a 2.000 horas. Os resultados no tm relao direta com aplicao prtica e so extrapolados empiricamente para situaes reais. Necessidade de um estreito controle da temperatura do ambiente onde se encontra o equipamento. A principal desvantagem deste ensaio prende-se s exigncias do equipamento, cujo sistema de medio de fora deve permitir medies precisas de pequenas variaes de carga ao longo do tempo.

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Ensaio de Fadiga Conceitos iniciais Fadiga a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior carga mxima suportada pelo material, devido a solicitaes cclicas repetidas. A ruptura por fadiga comea a partir de uma trinca (nucleao) ou pequena falha superficial, que se propaga ampliando seu tamanho, devido s solicitaes cclicas. Quando a trinca aumenta de forma que a rea restante do material no suporte mais o esforo que est sendo aplicado, a pea se rompe repentinamente. A falha por fadiga acontece devido a esforos cclicos repetidos (Trata-se das tenses cclicas).

Nas figuras abaixo so apresentadas fotos de elementos fraturados por fadiga.

Tipos de ensaios de Fadiga Os aparelhos de ensaio de fadiga so constitudos por um sistema de aplicao de cargas, que permite alterar a intensidade e o sentido do esforo, e por um contador de nmero de ciclos. O teste interrompido assim que o corpo de prova se rompe. De acordo com o tipo de solicitao o ensaio pode ser definido como: Toro; Trao-compresso; Flexo; Flexo rotativa. Ensaio Flexo-rotativo Na figura abaixo mostrado um esquema de fixao dos corpos-de-prova, onde os mesmos so flexionados antes de serem rotacionados. Durante a rotao, a regio central do corpo-de-prova solicitada por esforos de trao e compresso, alternadamente.

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Corpos-de-prova O corpo de prova deve ser usinado. Deve ter bom acabamento superficial. A forma e as dimenses do corpo de prova variam, e constituem especificaes do fabricante do equipamento utilizado. O ambiente onde feito o ensaio tambm padronizado.

Curva S N Os resultados do ensaio de fadiga geralmente so apresentados numa curva tenso-nmero de ciclos, ou simplesmente curva S-N.

Limite de resistncia fadiga o valor de mximo de tenso onde o material tem vida considerada infinita. Fatores que influenciam a resistncia fadiga Rugosidade. Defeitos superficiais causados por polimento. Tratamentos superficiais. Composio qumica. Estrutura granular. Conformao mecnica. Tratamento trmico. Ambiente quimicamente agressivo. Forma ou geometria do componente. Fatores que melhoram a resistncia a fadiga O encruamento. Falta de concentraes de tenses. Eliminao de poros ou efeitos cristalinos. Microestrutura estvel.

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