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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA – CEFET UNIDADE DE ENSINO DESCENTRALIZADA DE IMPERATRIZ - UNEDI MARCEL BARBOSA PEREIRA THIERRY SILVA PEREIRA JEFFERSON ROSA BEZERRA MECÂNICA APLICADA: Ensaios mecânicos

ENSAIOS mecanica aplicada

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TRAZ EXEMPLOS DE ENSAIOS MECANICOS E SUA APLICAÇÃO NOS MATERIAIS

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA – CEFETUNIDADE DE ENSINO DESCENTRALIZADA DE IMPERATRIZ - UNEDI

MARCEL BARBOSA PEREIRATHIERRY SILVA PEREIRA

JEFFERSON ROSA BEZERRA

MECÂNICA APLICADA:Ensaios mecânicos

Imperatriz2007

JHAMYSON GALVAO CABRALMARCEL BARBOSA PEREIRA

THIERRY SILVA PEREIRAJEFFERSON ROSA BEZERRA

MECÂNICA APLICADA:

Ensaios mecânicos

Imperatriz

Trabalho apresentado ao professor Laércio, da disciplina de Mecânica Aplicada, para obtenção de nota final referente ao segundo semestre do ano corrente.

2007

RESUMO

Neste documento procuramos mostrar alguns ensaios produzidos com materiais. Em virtude de máquinas especializadas podemos demonstrar de forma eficaz a dureza, os pontos máximos e mínimos de sustentação de um material, sendo ele de ferro, aço, liga metálica, concreto, madeira e etc.Através da Máquina Universal podemos fazer os mais derivados tipos ensaios mecânicos. Portanto aqui estaremos abordando as propriedades e os ensaios mecânicos de alguns materiais. Serão abordados os ensaios de tração, compressão, cisalhamento, torção, dureza e o de fadiga.Na qual estaremos enfatizando o ensaio de tração e compressão, com dados adquiridos em aula prática feito pelos alunos da turma 232-I do CEFET.

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO......................................................................................................................... 6

ENSAIO DE TRAÇÃO............................................................................................................. 7

ENSAIO DE DUREZA........................................................................................................... 10

ENSAIO DE FADIGA............................................................................................................ 12

ENSAIO DE COMPRESSÃO................................................................................................ 14

1. INTRODUÇÃO

No estudo da ciência dos materiais, bem como no seu dimensionamento, são de grande importância vários parâmetros obtidos através dos ensaios. Pode-se definir ensaio como a observação do comportamento de um material quando submetido à ação de agentes externos como esforços e outros. Os ensaios são executados sob condições padronizadas, em geral definidas por normas, de forma que seus resultados sejam significativos para cada material e possam ser facilmente comparados. Aqui estão informados os ensaios de tração, dureza, fadiga, compressão, torção e cisalhamento. Que são bastante usados para aços e outros materiais, inclusive para alguns não metálicos.

62. ENSAIOS MECÂNICOS

2.1 Ensaio de Tração:

No ensaio de tração, uma amostra do material (corpo de prova) é submetida a um esforço longitudinal. O corpo de prova tem dimensões padronizadas definidas por normas. As extremidades recebem garras do equipamento de medição. A Figura 01 (a) mostra um arranjo básico, apenas ilustrativo e sem escalas.

Na condição inicial, a parte central tem um comprimento L0 e área transversal S0. O equipamento de ensaio aplica gradativamente, a partir do zero, uma força de tração no corpo de prova. Assim, de forma genérica, pode-se dizer que, a cada valor de força aplicada F, corresponde uma deformação ΔL do corpo. Continuando o aumento da força F, chega-se, como em (c) da figura, ao ponto de ruptura do material, finalizando o ensaio. Em princípio, seria possível estudar a relação F versus ΔL, mas o resultado ficaria dependente do material e das dimensões do corpo de prova. Para obter resultados dependentes apenas do material, são usadas grandezas relativas.

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No lugar da força, é usada a tensão de tração σ, que é a relação entre força e área da seção transversal. No ensaio, considera-se apenas a área inicial do corpo:σ = F / S0 . E, no lugar da deformação absoluta, é usada a deformação relativa ao comprimento inicial L0:ε = ΔL / L0 . O valor de ε pode também ser dado em percentual, bastando multiplicar a igualdade anterior por 100. E gráficos aproximados da relação tensão x deformação podem ser vistos na Figura 02.

(a) é uma curva típica para aços de alta resistência. (b) curva para aços de baixo / médio carbono. (c) para ferro fundido cinzento. (d) para materiais bastante maleáveis como cobre.

Fig 03

Considera-se agora a curva que tem mais fases distintas, que é (b) da Figura 02 (aços de baixa dureza). A Figura 04 mostra a curva típica e a Figura 03 dá uma ampliação da parte inicial 0E. Um material é dito ter comportamento elástico se, uma vez removida o esforço, as dimensões retornam àquelas antes da aplicação do mesmo, isto é, não há deformações permanentes. O trecho 0L da Figura 03 é a região elástica do material, ou seja, o comprimento retorna ao valor L0 se o ensaio for interrompido nessa região. A tensão máxima na mesma é o limite de elasticidade σL do material. Dentro da região elástica, no trecho 0P, a tensão é proporcional à deformação, isto é, o material obedece à lei de Hooke.σ = E ε.

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Onde E é o módulo de elasticidade do material (não tem relação com o ponto E da curva). Para aços, um valor típico de E é 2,06 105 MPa. Portanto, a tensão σP é o limite de proporcionalidade do material.

Fig 04

O ponto L marca o início da região plástica ou escoamento do material, significando a existência de deformações residuais permanentes. É usual considerar início ou limite de escoamento σE a tensão que produz uma deformação residual.ε = 0,002 ou 0,2% (ponto E conforme Figura 03). Em referências de língua inglesa, é comum o uso da letra Y ("yield") para esse limite (σY

ou SY). Depois do limite de escoamento há uma significativa redução da área da seção transversal e a tensão real segue algo como a curva tracejada da Figura 04. Mas a convenção é usar tensão aparente, em relação à área inicial. Em B da Figura 04 ocorre a tensão máxima e, em R, a ruptura do corpo de prova. A tensão σB é a tensão máxima, também denominada resistência à tração do material. Em referências de língua inglesa, esse valor pode ser representado por σU ou SU ("ultimate strength"). É também comum o uso da expressão "tensile strength" para esse parâmetro.A tensão em R é a tensão de ruptura σR ou "breaking strength" em inglês.

Corpo-de-prova de tamanho médio (padrão):

O comprimento total do corpo-de-prova é de 90 mm, com largura útil de 10 mm. A distância livre entre as pinças do dinamômetro deve ser de 50 mm.

92.2 Ensaio de Dureza:

Pode-se definir dureza como a resistência que um material oferece à penetração de outro em sua superfície. Ao contrário do anterior (tração), o ensaio de dureza pode ser feito em peças acabadas, deixando apenas uma pequena marca, às vezes quase imperceptível. Essa característica faz dele um importante meio de controle da qualidade do produto.

Fig 01

Dureza Brinell: Seja um material, representado na parte inferior na figura ao lado, que é submetido à ação de uma esfera de material duro de diâmetro D comprimida por uma força F. Isso produz uma cavidade no material de diâmetro d.

A dureza Brinell (HB) do material é dada pela fórmula:

HB = 2 F / { π D [ D − √ (D2 − d2) ] } . A unidade é a mesma da tensão (pascal ou outras).

Para alguns materiais, a resistência à tração pode ser estimada a partir da dureza Brinell com relação

σB = k HB A tabela abaixo dá alguns valores de k.

Material Aço-carbono Aço-liga Cobre, latãoBronze laminado

Bronze fundido

k 0,36 0,34 0,40 0,22 0,23

MaterialLiga Al Cu Mg

Liga Al MgOutras ligas Mg

Alumínio fundido

-

k 0,35 0,44 0,43 0,26 -

10Dureza Rockwell: Para materiais duros, o objeto penetrante é um cone de diamante com ângulo de vértice de 120º. Essa escala é denominada Rockwell C ou HRC. Com materiais semi-duros ou macios é usada uma esfera de aço temperado de diâmetro 1/16". É a escala Rockwell B ou HRB. Em ambos os casos, é aplicada uma carga padrão definida em normas e a dureza é dada pela profundidade de penetração.

Dureza Vickers: É usada uma pirâmide de diamante com ângulo de diedro de 136º que é comprimida, com uma força arbitrária F, contra a superfície do material. Calcula-se a área S da superfície impressa pela medição das suas diagonais. E a dureza Vickers HV é dada por F/S. Existe uma proporcionalidade entre a força aplicada e a área e, portanto, o resultado não depende da força, o que é muito conveniente para medições em chapas finas, camadas finas (cementadas, por exemplo).

Dureza Janka: É uma variação do método Brinell, usada em geral para madeiras. É definida pela força necessária para penetrar, até a metade do diâmetro, uma esfera de aço de diâmetro 11,28 mm (0,444 in).O resultado é, portanto, uma força e não há um padrão de unidade. Nos Estados Unidos é usada libra-força, em alguns países europeus, quilograma-força ou newton ou quilonewton.

112.3 Ensaio de Fadiga:

Fadiga é uma falha que pode ocorrer sob solicitações bastante inferiores ao limite de resistência do metal, isto é, na região elástica. É conseqüência de esforços alternados, que produzem trincas, em geral na superfície, devido à concentração de tensões.

Fig 01

No exemplo da Figura 01, uma barra submetida a um esforço de flexão alternado pode apresentar pequenas trincas em lados opostos A e B. Com a continuidade do esforço alternado, as trincas aumentam, reduzindo a área resistente da seção. A ruptura de dá quando essa área se torna suficientemente pequena para não mais resistir à solicitação aplicada (C). A fratura por fadiga é facilmente identificável. A área de ruptura C tem um aspecto distinto da restante, que se forma gradualmente. A fadiga é um processo progressivo, mas a ruptura é brusca e, assim, não é difícil imaginar o perigo que pode representar, uma vez que cargas variáveis ocorrem em inúmeros casos.

Fig 02

Um ensaio de fadiga por flexão pode ser feito com um arranjo conforme Figura 02.Um motor gira um corpo de prova C. Os rolamentos externos são fixos em apoios e os internos recebem uma carga P, produzindo um esforço de flexão alternado devido à rotação do corpo de prova. Portanto, um ciclo completo de flexão alternada é aplicado a cada volta do eixo e o número de voltas é registrado pelo contador A. Quando o corpo se parte por fadiga, o contador deixa de ser acionado e sua indicação é o número de ciclos que o corpo suportou com a carga P.

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Fig 03

Dadas as dimensões do corpo de prova, é possível calcular a tensão de flexão em função de P. Assim, repetindo o ensaio para diversos valores de P, é possível elaborar um gráfico relacionando o número de ciclos até a ruptura com a tensão de flexão (Figura 03). A curva superior é típica de um aço-carbono 0,5% C endurecido; a curva intermediária, de uma liga de alumínio e a inferior, de um ferro fundido. Pode-se notar que o aço tem um limite de resistência à fadiga, isto é, uma tensão abaixo da qual a vida da peça sob flexão alternada é teoricamente infinita.

132.4 Ensaio de Compressão:

Podemos observar o esforço de compressão na construção mecânica, principalmente em estruturas e em equipamentos como suportes, bases de máquinas, barramentos etc. Às vezes, a grande exigência requerida para um projeto é a resistência à compressão. Nesses casos, o projetista deve especificar um material que possua boa resistência à compressão, que não se deforme facilmente e que assegure boa precisão dimensional quando solicitado por esforços de compressão. O ensaio de compressão é o mais indicado para avaliar essas características, principalmente quando se trata de materiais frágeis, como ferro fundido, madeira, pedra e concreto. É também recomendado para produtos acabados, como molas e tubos.Porém, não se costuma utilizar ensaios de compressão para os metais. De modo geral, podemos dizer que a compressão é um esforço axial,que tende a provocar um encurtamento do corpo submetido a este esforço.Nos ensaios de compressão, os corpos de prova são submetidos a uma força axial para dentro, distribuída de modo uniforme em toda a seção transversal do corpo de prova. Do mesmo modo que o ensaio de tração, o ensaio de compressão pode ser executado na máquina universal de ensaios, com a adaptação de duas placas lisas - uma fixa e outra móvel. É entre elas que o corpo de prova é apoiado e mantido firme durante a compressão. As relações que valem para a tração valem também para a compressão. Isso significa que um corpo submetido a compressão também sofre uma deformação elástica e a seguir uma deformação plástica. Na fase de deformação elástica, o corpo volta ao tamanho original quando se retira a carga de compressão. Nos ensaios de compressão, a lei de Hooke também vale para a fase elástica da deformação, e é possível determinar o módulo de elasticidade para diferentes materiais.Na compressão, as fórmulas para cálculo da tensão, da deformação e do módulo de elasticidade são semelhantes às que já foram demonstradas em amostras anteriores para a tensão de tração. O ensaio de compressão não é muito utilizado para os metais em razão das dificuldades para medir as propriedades avaliadas neste tipo de ensaio. Os valores numéricos são de difícil verificação, podendo levar a erros.Um problema que sempre ocorre no ensaio de compressão é o atrito entre o corpo de prova e as placas da máquina de ensaio. A deformação lateral do corpo de prova é barrada pelo atrito entre as superfícies do corpo de prova e da máquina. Para diminuir esse problema, é necessário revestir a face superior e inferior do corpo de prova com materiais de baixo atrito (parafina, teflon etc).

Outro problema é a possível ocorrência de flambagem, isto é, encurvamento do corpo de prova. Isso decorre da instabilidade na compressão do metal dúctil. Dependendo das formas de fixação do corpo de prova, há diversas possibilidades de encurvamento. A flambagem ocorre principalmente em corpos de prova com comprimento maior em relação ao diâmetro. Por esse motivo, dependendo do grau de ductilidade do material, é necessário limitar o comprimento dos corpos de prova, que devem ter de 3 a 8 vezes o valor de seu diâmetro. Em alguns materiais muito dúcteis esta relação pode chegar a 1:1 (um por um). Outro cuidado a ser tomado para evitar a flambagem é o de garantir o perfeito paralelismo entre as placas do equipamento utilizado no ensaio de compressão. Deve-se centrar o corpo de prova no equipamento de teste, para garantir que o esforço de compressão se distribua uniformemente. 14Ensaio de compressão em materiais dúcteis:

Nos materiais dúcteis a compressão vai provocando uma deformação lateral apreciável. Essa deformação lateral prossegue com o ensaio até o corpo de prova se transformar num disco, sem que ocorra a ruptura. É por isso que o ensaio de compressão de materiais dúcteis fornece apenas as propriedades mecânicas referentes à zona elástica. As propriedades mecânicas mais avaliadas por meio do ensaio são: limite de proporcionalidade, limite de escoamento e módulo de elasticidade.

Ensaio de compressão em materiais frágeis:

O ensaio de compressão é mais utilizado para materiais frágeis. Uma vez que nesses materiais a fase elástica é muito pequena, não é possível determinar com precisão as propriedades relativas a esta fase. A única propriedade mecânica que é avaliada nos ensaios de compressão de materiais frágeis é o seu limite de resistência à compressão. Do mesmo modo que nos ensaios de tração, o limite de resistência à compressão é calculado pela carga máxima dividida pela seção original do corpo de prova.

Ensaio de compressão em produtos acabados:

Ensaios de achatamento em tubos - Consiste em colocar uma amostra de um segmento de tubo deitada entre as placas da máquina de compressão e aplicar carga até achatar a amostra. A distância final entre as placas, que varia conforme a dimensão do tubo deve ser registrada. O resultado é avaliado pelo aparecimento ou não de fissuras, ou seja, rachaduras, sem levar em conta a carga aplicada. Este ensaio permite avaliar qualitativamente a ductilidade do material, do tubo e do cordão de solda do mesmo, pois quanto mais o tubo se deformar sem trincas, mais dúctil será o material. Ensaios em molas - Para determinar a constante elástica de uma mola, ou para verificar sua resistência, faz-se o ensaio de compressão. Para determinar a constante da mola, constrói-se um gráfico tensão-deformação, obtendo-se um coeficiente angular que é a constante da mola, ou seja, o módulo de elasticidade. Por outro lado, para verificar a resistência da mola, aplicam-se cargas predeterminadas e mede-se a altura da mola após cada carga.

152.5 Ensaio de Torção

Equipamento para o ensaio de torção:

O ensaio de torção é realizado em equipamento específico: a máquina de torção. Esta máquina possui duas cabeças às quais o corpo de prova é fixado. Uma das cabeças é giratória e aplica ao corpo de prova o momento de torção. A outra está ligada a um pêndulo que indica, numa escala, o valor do momento aplicado ao corpo de prova. O aspecto das fraturas varia conforme o corpo de prova seja feito de material dúctil ou frágil. Os corpos de provas de materiais dúcteis apresentam uma fratura segundo um plano perpendicular ao seu eixo longitudinal. Para materiais frágeis, a fratura se dá segundo uma superfície não plana, mas que corta o eixo longitudinal segundo uma linha que, projetada num plano paralelo ao eixo, forma 45º aproximadamente com o mesmo (fratura helicoidal).

Fig 01

Vários métodos de laboratório têm sido utilizados na simulação física dos processos de conformação mecânica a quente, podendo destacar os ensaios de compressão, torção e laminação. O ensaio de torção é um dos testes de laboratório que mais tem sido utilizado para

a simulação física do processamento a quente. O estado de tensão atuante na superfície de uma amostra cilíndrica submetida a um esforço de torção está ilustrado na Figura 01. A tensão cisalhante máxima atua em dois planos mutuamente perpendiculares, ou seja, perpendicular e paralelamente ao eixo da amostra. As tensões principais s1 e s3 formam ângulos de 45° com o eixo do corpo de prova e são iguais em magnitude às tensões cisalhantes máximas. s1  é a tensão trativa, s3  é a tensão compressiva de igual valor e s2 , que é igual a zero, é a tensão intermediária.  

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Com esse ensaio é possível impor grandes deformações com altas taxas de deformação. O momento torçor é aplicado ao corpo de prova por meio de um motor, que pode ter a sua velocidade controlada e variada, permitindo realizar ensaios com taxas similares às impostas nas seqüências de passes dos processos industriais. Além do controle do ensaio, a instrumentação de um equipamento desse tipo permite medidas do torque (tensão de escoamento plástico), do deslocamento angular (deformação e taxa de deformação) e da temperatura.

172.6 Ensaio de Cisalhamento

Como é feito o ensaio de cisalhamento:

A forma do produto final afeta sua resistência ao cisalhamento. São por essa razão que o ensaio de cisalhamento é mais freqüentemente feito em produtos acabados, tais como pinos, rebites, parafusos, cordões de solda, barras e chapas. É também por isso que não existem normas para especificação dos corpos de prova. Quando é o caso, cada empresa desenvolve seus próprios modelos, em função das necessidades. Do mesmo modo que nos ensaios de tração e de compressão, a velocidade de aplicação da carga deve ser lenta, para não afetar os resultados do ensaio. Normalmente o ensaio é realizado na máquina universal de ensaios, à qual se adaptam alguns dispositivos, dependendo do tipo de produto a ser ensaiado. O dispositivo é fixado na máquina de ensaio e os rebites, parafusos ou pinos são inseridos entre as duas partes móveis. Ao se aplicar uma tensão de tração ou compressão no dispositivo, transmite se uma força cortante à seção transversal do produto ensaiado. No decorrer do ensaio, esta força será elevada até que ocorra a ruptura do corpo. No caso de ensaio de solda, utilizam-se corpos de prova semelhantes aos empregados em ensaios de pinos. Só que, em vez dos pinos, utilizam-se junções soldadas.

Cisalhamento direto:

Consiste em determinar sob uma tensão normal (A) qual a tensão de cisalhamento T=Tr capaz de provocar ruptura de uma amostra de corpo de prova colocado dentro de uma caixa composta de duas partes deslocáveis entre si. Duas pedras porosas, uma superior e outra inferior, permitirão a drenagem da amostra, quando esta for a técnica de ensaio usada. O ensaio pode ser executado sob tensão controlada ou sob deformação controlada. Repetindo-se o ensaio para outras amostras obtêm-se um conjunto de pares de valores (A,T) para determinação do gráfico onde definimos U e C.

Cisalhamento triaxial:

Os testes triaxiais são realizados para estudar a resistência do solo. São mais perfeitos que os ensaios de cisalhamento direto e os mais usados. São realizados em aparelhos especiais, constituídos por uma câmara cilíndrica de parede transparente, no interior da qual se coloca a

amostra, envolvida por uma membrana de borracha muito delgada . A câmara cilíndrica é cheia de um líquido, geralmente água. A amostra é submetida à pressão deste fluido e cargas axiais adicionais são aplicadas à seus extremos através de um pistão. Esta carga é aumentada até que a amostra se rompa. Em cada teste 3 ou mais corpos são ensaiados cada um sob diferentes pressões do fluido.

A tensão total é medida através de ensaios rápidos ou sem drenagem, em que a pressão da água não é medida ou um pouco mais lentos para que a pressão possa ser medida. A medição da Tensão efetiva (= Tensão total menos a pressão da água ) exige um ensaio mais complexo em que diversos parâmetros podem ser avaliados (pressão posterior, pressão da água, mudança de volume). São os ensaios lentos, com drenagem (CD) - aplicáveis à areias e argilas. Em alguns testes o corpo de prova é previamente consolidado (ensaios com pré -adensamento (CU) aplicáveis a argilas).

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Determinando-se pares de tensões (j1,j3), correspondentes a rupturas de diversas amostras ensaiadas, traçam-se os respectivos círculos de Mohr. Em seguida, assimilando-se a envoltória desses círculos à reta de Coulomb, tem-se U e C.

Equipamentos utilizados:

Existem dentro destes grupos principais de teste diversas variações. O dispõe de células triaxiais e acessórios que, usados em conjunto com outros equipamentos como prensas, fontes de pressão e instrumentos de medição são projetados para atender uma extensa variedade de exigências dos laboratórios de mecânica de solos.

19Conteúdo prático:

Nos ensaios de tração foram usados três vergalhões de ferro da marca Gerdau, onde todos tinham 50 cm de comprimento e com secções transversais de 12,5 mm, 10 mm e 16 mm. No teste de tração os tópicos principais que devem ser observados são o: alongamento e a tensão de ruptura dos corpos de prova. A área da parte útil do corpo de prova interno, usado para o ensaio de tração foi dividida em pequenas proporções de 10\5 mm de comprimento. Nos vergalhões temos corpos de provas com áreas diferentes, diferenciando assim as forças a serem aplicadas. Primeiramente, foi feito o ensaio de tração na máquina universal, chamada assim por ser capaz de realizar vários ensaios de materiais como o de tração. Tração, compressão e outros. Feito em uma prensa universal com capacidade para 100 toneladas, sendo da marca PAVITEST. Na máquina existem dois blocos um na parte superior e outro na parte inferior, onde serão fixados os materiais que por sua vez receberão uma força axial sobre o corpo que deverá ser alongado em conseqüência dessa força. No ensaio de tração com o vergalhão de d = 12,5 mm e comprimento de 50 cm, foi aplicada uma força de 11 toneladas, onde sofre deformação ficando com d = 9,4mm no local de ruptura e com 52 cm de comprimento. No vergalhão de d =16 mm e 50 cm de comprimento, foi aplicada uma força de 17 toneladas, no ferro que possuía características plásticas e dúcteis, logo depois do teste de tração o corpo de prova passou a ter d =12 mm na área de ruptura e 54,5 cm de comprimento. No ensaio de compressão feito também na máquina universal, é aplicada forças com o mesmo sentido, ou seja, para o centro do corpo de prova. Para esse teste foram utilizados dois cilindros de concreto com d = 151 mm e d = 151,5 mm tendo também 498 mm e 499 mm de comprimento respectivamente. Estas medidas são feitas com um instrumento chamado paquímetro (régua de aço graduada). Sendo que o corpo de prova que tinha d = 151 mm rompeu-se com 20 toneladas, e o outro corpo de prova de d = 151,1 mm rompeu-se com 52 toneladas.