LAB - CiênCiA, TeCnoLogiA e ResisTênCiA dos MATeRiAis

2019

LAB - CiênCiA, TeCnoLogiA e ResisTênCiA dos MATeRiAis

Profª. Drª. Lidiane F. JochemProf. Dr. Cézar A. Casagrande

Copyright © UNIASSELVI 2019

Elaboração:

Profª. Drª. Lidiane F. Jochem

Prof. Dr. Cézar A. Casagrande

Revisão, Diagramação e Produção:

Centro Universitário Leonardo da Vinci – UNIASSELVI

Ficha catalográfica elaborada na fonte pela Biblioteca Dante Alighieri

UNIASSELVI – Indaial.

Impresso por:

C334l

Casagrande, Cézar Augusto

LAB - Ciência, tecnologia e resistência dos materiais. / Cézar Augusto Casagrande; Lidiane Fernanda Jochem. – Indaial: UNIASSELVI, 2019.

198 p.; il.

ISBN 978-85-515-0246-4

1.Ciência – Brasil. 2.Tecnologia – Brasil. 3.Resistência dos materiais – Brasil. I. Jochem, Lidiane Fernanda. II. Centro Universitário Leonardo Da Vinci.

CDD 620.11

III

ApResenTAção

Olá, caro acadêmico! Seja bem-vindo a esta nova disciplina em seu curso. Estaremos juntos no desenvolvimento de conceitos relativos a esta disciplina de LAB Ciência, Tecnologia e Resistência dos Materiais.

Na Unidade 1 do livro didático serão apresentadas as noções preliminares dos ensaios de laboratório em materiais, como unidades de medidas, principais equipamentos, conhecimentos sobre normas técnicas e procedimentos de ensaio. Além disso, serão apresentados os acessórios de equipamentos amplamente empregados na aferição de materiais no momento do seu ensaio, como extensômetros e células de carga, além dos tipos de ensaio e as diferenças entre ensaios. Você também será apresentado a conceitos preliminares de amostragem e cálculos de variabilidade.

Na Unidade 2 do livro didático, você será apresentado aos ensaios mecânicos de tração, compressão e flexão. Esses ensaios são amplamente empregados nas mais diversas áreas da indústria, tecnologia e pesquisa. Nesta unidade serão também abordados métodos de determinação das propriedades dos materiais a partir dos resultados obtidos em ensaios mecânicos, além da proposição de exercícios exemplos para melhor fixação do conteúdo.

Na Unidade 3 do livro didático, você será apresentado aos ensaios de dureza Rockwell, Brinell, Vickers e Knoop, além dos ensaios de fadiga e torção. Outra forma de caracterização mecânica dos materiais é por meio da sua dureza. Esse ensaio é largamente abordado, nesta unidade. Igualmente, os ensaios de torção e fadiga são amplamente explorados possibilitando a você, acadêmico, a capacidade crítica de interpretar os resultados obtidos por meio dessas metodologias de caracterização.

Procure, ao longo do desenvolvimento da disciplina, traçar paralelos entre as propriedades dos materiais e suas características básicas. O mais importante no processo de aprendizagem é que você possa desenvolver um raciocínio lógico, que lhe permita determinar as possibilidades em termos de materiais para a solução de problemas reais, e qual caminho e fonte de informações devem ser buscados para auxiliar você nesse processo.

Bons estudos!

Profª. Drª. Lidiane F. JochemProf. Dr. Cézar A. Casagrande

IV

Você já me conhece das outras disciplinas? Não? É calouro? Enfim, tanto para você que está chegando agora à UNIASSELVI quanto para você que já é veterano, há novidades em nosso material.

Na Educação a Distância, o livro impresso, entregue a todos os acadêmicos desde 2005, é o material base da disciplina. A partir de 2017, nossos livros estão de visual novo, com um formato mais prático, que cabe na bolsa e facilita a leitura.

O conteúdo continua na íntegra, mas a estrutura interna foi aperfeiçoada com nova diagramação no texto, aproveitando ao máximo o espaço da página, o que também contribui para diminuir a extração de árvores para produção de folhas de papel, por exemplo.

Assim, a UNIASSELVI, preocupando-se com o impacto de nossas ações sobre o ambiente, apresenta também este livro no formato digital. Assim, você, acadêmico, tem a possibilidade de estudá-lo com versatilidade nas telas do celular, tablet ou computador. Eu mesmo, UNI, ganhei um novo layout, você me verá frequentemente e surgirei para apresentar dicas de vídeos e outras fontes de conhecimento que complementam o assunto em questão.

Todos esses ajustes foram pensados a partir de relatos que recebemos nas pesquisas institucionais sobre os materiais impressos, para que você, nossa maior prioridade, possa continuar seus estudos com um material de qualidade.

Aproveito o momento para convidá-lo para um bate-papo sobre o Exame Nacional de Desempenho de Estudantes – ENADE. Bons estudos!

NOTA

V

VI

VII

UNIDADE 1 – INTRODUÇÃO AOS ENSAIOS DE MATERIAIS ..............................................1

TÓPICO 1 – NOÇÕES PRELIMINARES ..........................................................................................31 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................32 ENSAIOS DOS MATERIAIS ...........................................................................................................33 NOÇÕES SOBRE NORMAS TÉCNICAS ......................................................................................84 UNIDADES: SISTEMA INTERNACIONAL ................................................................................12RESUMO DO TÓPICO 1......................................................................................................................16AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................17

TÓPICO 2 – PRÁTICAS DE LABORATÓRIO, EQUIPAMENTOS E ANÁLISE DE DADOS .... 191 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................192 EQUIPAMENTOS ...............................................................................................................................19

2.1 PRENSA HIDRÁULICA UNIVERSAL.......................................................................................202.2 CÉLULA DE CARGA ....................................................................................................................222.3 ACESSÓRIOS DE FIXAÇÃO DO CORPO DE PROVA ............................................................232.4 ACESSÓRIOS MEDIDORES DE DESLOCAMENTO ..............................................................25

3 NOÇÕES DE METROLOGIA, ERROS E INCERTEZAS APLICÁVEIS AO EXPERIMENTOS ...............................................................................................................................31

3.1 ERROS E INCERTEZAS NAS MEDIÇÕES ................................................................................323.2 ANÁLISE DE DADOS ...................................................................................................................34

4 MEDIDAS E VARIAÇÃO DIMENSIONAL DE AMOSTRAS E CORPOS DE PROVA ......43RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................45AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................46

TÓPICO 3 – ANÁLISE DE FALHAS ..................................................................................................491 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................492 CONCEITOS PRELIMINARES SOBRE FRATURA ....................................................................493 MECÂNICA DA FRATURA .............................................................................................................514 TIPOS DE FRATURAS ......................................................................................................................56

4.1 FRATURA DÚCTIL .......................................................................................................................584.2 FRATURA FRÁGIL........................................................................................................................604.3 FRATURA POR FADIGA .............................................................................................................62

LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................66RESUMO DO TÓPICO 3......................................................................................................................72AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................73

UNIDADE 2 – PRINCIPAIS ENSAIOS MECÂNICOS EM MATERIAIS ..................................75

TÓPICO 1 – ENSAIO DE TRAÇÃO ..................................................................................................771 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................772 CURVA TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO EM TRAÇÃO ....................................................773 MÓDULO DE ELASTICIDADE À TRAÇÃO ...............................................................................834 TENSÃO DE ESCOAMENTO..........................................................................................................87

suMáRio

VIII

5 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO ..............................................................................................................906 EXECUÇÃO DO ENSAIO DE TRAÇÃO PASSO A PASSO ......................................................92RESUMO DO TÓPICO 1......................................................................................................................93AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................94

TÓPICO 2 – ENSAIO DE COMPRESSÃO ...................................................................................... 951 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................952 CURVA TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO EM COMPRESSÃO .........................................953 ENSAIO DE COMPRESSÃO VERSUS ENSAIO DE TRAÇÃO ...............................................984 ENSAIO DE COMPRESSÃO PASSO A PASSO ..........................................................................100RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................105AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................106

TÓPICO 3 – ENSAIO DE FLEXÃO ....................................................................................................1071 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................1072 CONCEITOS DO ENSAIO DE FLEXÃO .......................................................................................107

2.1 ESFORÇOS ATUANTES NO CORPO DE PROVA .................................................................. 1082.1.1 Tensão normal na seção transversal ...................................................................................112

2.2 MOMENTO DE INÉRCIA E CURVA TENSÃO VERSUS DEFLEXÃO (δ) ...........................1152.3 DETERMINAÇÃO DA DEFLEXÃO DO CORPO DE PROVA NO ENSAIO DE FLEXÃO ..... 1182.4 DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FLEXÃO .......................................................................... 121

3 EXECUÇÃO DOS ENSAIOS À FLEXÃO .......................................................................................122LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................124RESUMO DO TÓPICO 3......................................................................................................................127AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................128

UNIDADE 3 – ENSAIOS COMPLEMENTARES DE MATERIAIS .............................................129

TÓPICO 1 – ENSAIO DE DUREZA DOS MATERIAIS ................................................................1311 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................1312 CONCEITOS DO ENSAIO ...............................................................................................................1313 TIPOS DE ENSAIO ............................................................................................................................132

3.1 DUREZA POR RISCO ...................................................................................................................1323.2 DUREZA POR REBOTE................................................................................................................1353.3 DUREZA POR PENETRAÇÃO ...................................................................................................137

3.3.1 Dureza Brinell .......................................................................................................................1383.3.1.1 Dureza Brinell e o limite de resistência à tração convencional ...................................1453.3.2 Dureza Rockwell ...................................................................................................................1473.3.3 Dureza Vickers ......................................................................................................................1503.3.4 Microdureza Vickers e Knoop ............................................................................................154

4 INFORMAÇÕES PARA A REALIZAÇÃO DO ENSAIO DE DUREZA ..................................1564.1 INFORMAÇÕES ADICIONAIS PARA O ENSAIO DUREZA BRINELL ..............................1564.2 INFORMAÇÕES ADICIONAIS PARA O ENSAIO DUREZA ROCKWELL .......................157

RESUMO DO TÓPICO 1......................................................................................................................159AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................160

TÓPICO 2 – ENSAIO DE TORÇÃO ..................................................................................................1611 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................1612 CONCEITOS DO ENSAIO DE TORÇÃO .....................................................................................161

2.1 INFORMAÇÕES COMPLEMENTARES AO ENSAIO .............................................................1642.2 DETERMINAÇÃO DOS COEFICIENTES RELACIONADOS AO ENSAIO DE TORÇÃO...................................................................................................................................166

IX

2.2.1 Determinação da tensão de cisalhamento (t) ...................................................................1662.2.2 Determinação do módulo de elasticidade transversal (G) .............................................1672.2.3 Determinação do ângulo de torção por unidade de comprimento (θ) .........................168

3 ESPECIFICIDADES DO ENSAIO DE TORÇÃO .........................................................................168RESUMO DO TÓPICO 2......................................................................................................................170AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................171

TÓPICO 3 – ENSAIO DE FADIGA ....................................................................................................1731 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................................1732 CONCEITOS DO ENSAIO DE FADIGA .......................................................................................173

2.1 CARGAS CÍCLICAS ......................................................................................................................1752.2 CURVA TENSÃO VERSUS NÚMERO DE CICLOS .................................................................1772.3 FRATURA DE FADIGA ................................................................................................................181

2.3.1 Nucleação por fissura ..........................................................................................................1812.3.2 Propagação cíclica da fissura ..............................................................................................1822.3.3 Efeito da tensão média (σM) no comportamento à fadiga ...............................................184

2.4 INFORMAÇÕES ADICIONAIS SOBRE O ENSAIO DE FADIGA EM MATERIAIS ...........185LEITURA COMPLEMENTAR .............................................................................................................187RESUMO DO TÓPICO 3......................................................................................................................192AUTOATIVIDADE ...............................................................................................................................193

REFERÊNCIAS .......................................................................................................................................195

X

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UNIDADE 1

INTRODUÇÃO AOS ENSAIOSDE MATERIAIS

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

PLANO DE ESTUDOS

Após o estudo desta unidade, você estará apto a:

• compreender a importância da caracterização mecânica dos materiais antes da sua utilização;

• conceituar as principais propriedades mecânicas;

• reconhecer a importância das normas regulamentadoras para a realização dos ensaios de caracterização dos materiais e na vida do profissional engenheiro;

• conhecer os principais equipamentos de ensaios mecânicos de materiais;

• analisar os dados de uma amostragem experimental e calcular os coeficientes da equação da reta de regressão linear;

• conceituar as propriedades gerais e mecanismos de fratura de corpos;

• conceituar os principais fundamentos da mecânica da fratura;

• determinar os coeficientes que influenciam nos fenômenos das fraturas de materiais;

• identificar materiais com características frágeis e materiais dúcteis;

• reconhecer os tipos característicos das fraturas e distinguir entre a fratura dúctil, a fratura frágil e a fratura por fadiga.

Caro acadêmico! Esta unidade de estudo apresenta três tópicos de conteúdos. Ao longo de cada um deles, você encontrará sugestões e dicas que visam potencializar os temas abordados, e ao final de cada um estão disponíveis resumos e autoatividades que visam fixar conteúdos estudados.

TÓPICO 1 – NOÇÕES PRELIMINARES

TÓPICO 2 – PRÁTICAS DE LABORATÓRIO, EQUIPAMENTOS E ANÁLISE DE DADOS

TÓPICO 3 – ANÁLISE DE FALHAS

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3

TÓPICO 1UNIDADE 1

NOÇÕES PRELIMINARES

1 INTRODUÇÃO

2 ENSAIOS DOS MATERIAIS

Olá, caro acadêmico! Bem-vindo ao Tópico 1 deste livro de estudos. Neste tópico vamos aprender noções básicas sobre os ensaios mecânicos em materiais. Definiremos o que são, para o que servem e qual é o intuito de realizar os ensaios mecânicos. Com as explicações dos principais conceitos necessários para a melhor compreensão da disciplina e para sua vida profissional, como futuro engenheiro.

No seu futuro profissional como engenheiro, será necessário o conhecimento das características, das propriedades e do comportamento dos materiais disponíveis e saber interpretar os resultados obtidos através da realização dos ensaios de caracterização. Somente com esse conhecimento, você, engenheiro responsável pela realização do projeto, poderá definir qual é o material mais adequado para a execução desse projeto.

Para obter esse conhecimento sobre os materiais disponíveis no mercado é necessário realizar uma série de ensaios. Em geral, é comum a realização de ensaios de caracterização dos materiais recebidos, a partir de uma amostragem estatística representativa do volume recebido, sendo essa amostragem determinada por norma técnica, bem como realizar ensaios no produto final para garantir a qualidade do produto e a adequação ao exigido em projeto.

Vamos, também, relembrar algumas unidades do sistema internacional de medidas essenciais para a transformação de unidades e compreensão dos resultados obtidos nos ensaios realizados.

Os ensaios mecânicos são realizados com a finalidade de verificar o comportamento do material quando sob a ação de esforços e que são expressos em função de tensões e/ou deformações. Ou seja, os ensaios mecânicos são realizados para determinar a resistência do material a determinado esforço, esses esforços podem ser de tração, compressão, flexão, torção, cisalhamento, entre outros.

As tensões podem ser expressas como as forças que atuam sobre uma determinada área em um corpo. Por exemplo, quando realizamos o ensaio de resistência à tração em um corpo de prova de aço, o esforço externo será de

UNIDADE 1 | INTRODUÇÃO AOS ENSAIOS DE MATERIAIS

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esticar o corpo de prova, por meio de duas garras, uma em cada extremidade da amostra, enquanto o esforço interno se refere ao comportamento da sua microestrutura (interações atômicas) quando submetido ao esforço externo. Enquanto a deformação é uma consequência da tensão que está sendo aplicada nessa amostra, ou seja, a alteração no seu formato original.

As propriedades dos materiais estão diretamente relacionadas com a sua microestrutura. Essas propriedades podem ser divididas em propriedades químicas e físicas.

As propriedades químicas se referem à capacidade de uma substância em sofrer transformações, ou seja, por meio de reações químicas, altera sua composição química. Avaliar as propriedades químicas dos materiais é essencial para verificar sua capacidade de resistência à corrosão, aos ácidos e às soluções salinas. Um exemplo clássico é a reação de oxidação do ferro quando exposto ao ar úmido, formando o óxido de ferro mono-hidratado, que apresenta uma coloração castanho-avermelhada, conforme observado na Figura 1. Assim, concluímos que o ferro não é um material resistente à corrosão. Como exemplo de material resistente à corrosão, pode-se citar o alumínio.

FIGURA 1 – PRODUTOS EM MATERIAL FERROSO (AÇO) OXIDADO

FONTE: Fogaça (2017)

Enquanto as propriedades físicas são aquelas que podem ser medidas e observadas sem alteração na composição química da substância, por exemplo, o ensaio de dureza, resistência mecânica, módulo de elasticidade, condutividade térmica, fragilidade, ductilidade, variação dimensional, fadiga, entre outros.

Nas propriedades físicas estão incluídas as propriedades mecânicas, as quais determinam a maior ou menor capacidade do material em receber, transmitir ou resistir os esforços mecânicos que lhe são aplicados. As propriedades mecânicas são as propriedades mais importantes a serem consideradas na escolha de um material que será submetido a um esforço mecânico em sua aplicação.

TÓPICO 1 | NOÇÕES PRELIMINARES

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Neste livro serão abordados apenas os ensaios que são realizados para verificar as propriedades físicas dos materiais, visando à caracterização mecânica. Entre as principais propriedades dos materiais obtidas por meio de ensaios mecânicos, podemos citar:

• Resistência: propriedade de um corpo que reage contra a ação de outro corpo, ou seja, a capacidade do material em resistir à aplicação de determinados tipos de esforços, esses esforços podem ser de torção, tração, flexão, compressão, entre outros;

• Elasticidade: propriedade do material segundo a qual a deformação que ocorre em função da aplicação de tensão desaparece quando a tensão é retirada, ou seja, a capacidade do material em se deformar quando submetido a um esforço e de voltar ao seu formato original quando o esforço é retirado. Exemplos de materiais que apresentam essa propriedade são a borracha, alguns materiais plásticos e o aço (quando fabricado para esse fim, como é o caso das molas de aço);

• Plasticidade: capacidade de o material sofrer deformação permanente sem se romper, ou seja, é a capacidade do material em se deformar quando submetido a um esforço e de manter a sua deformação após a retirada do esforço aplicado, como o caso dos aços doces (aços produzidos com menos de 0,2% de carbono em sua composição);

• Tenacidade: é a capacidade de o material absorver a energia (como resistir a um impacto), ou seja, é a capacidade do material de apresentar grande deformação sem se romper. Sendo que quanto mais tenaz for o material, maior será a sua capacidade em resistir aos impactos físicos. Os materiais cerâmicos, como o concreto, apresentam baixa tenacidade, enquanto que os materiais metálicos, como o aço doce, apresentam alta tenacidade;

• A dureza é a capacidade do material em resistir à penetração, à deformação plástica permanente e ao desgaste. A dureza pode ser avaliada pela capacidade de um material “riscar” o outro, sendo que o material mais duro que existe é o diamante. Por isso que existem serras diamantadas, que cortam ou riscam qualquer tipo de material como o metal, a cerâmica, o vidro. Porém, para riscar o diamante, apenas outro diamante (GARCIA et al., 2012).

O comportamento mecânico de qualquer material utilizado em engenharia é função de sua estrutura interna e de sua aplicação em projeto. Ou seja, no final do processo de fabricação, o componente terá um conjunto de propriedades decorrentes das características originais da matéria-prima devidamente modificada durante os processos utilizados para a sua fabricação e que devem coincidir com as especificações finais de projeto (GARCIA et al., 2012).

Por exemplo, de acordo com Garcia et al. (2012), para a fabricação de um eixo de transmissão, a sequência operacional, a partir do tarugo de aço (barra de aço redonda) obtido pelo vazamento do metal líquido em um molde, pode ser a seguinte: a matéria-prima (tarugo de aço) passa pelo primeiro processo que é o forjamento, em seguida pela usinagem e, por fim, pelo processo de tratamento térmico e termoquímico. Assim, as características que o tarugo de aço deve atender, em relação às características de processamento, são:


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• Forjabilidade: facilidade de preenchimento da matriz.• Usinabilidade: condições adequadas de corte.• Suscetibilidade a tratamentos: o material deve apresentar condições de

modificação estrutural por meio de tratamentos térmicos e superficiais.

Já em relação às características de aplicação, o eixo de transmissão deve atender aos quesitos de:

• Resistência mecânica: o eixo acabado deve apresentar a resistência especificada em projeto.

• Resistência ao desgaste: as partes responsáveis pela transmissão de movimento, no caso os dentes de engrenagens, devem apresentar determinado nível de dureza para evitar desgaste prematuro.

• Ductilidade: a possibilidade de o eixo sofrer impactos durante o funcionamento exige que o material não seja frágil. Lembrando que um material frágil é um material que não absorve os impactos/deformações, ou seja, não se deforma antes da sua ruptura, é um material que, na maioria das vezes, não apresenta regime plástico. Concluímos, então, que a propriedade de fragilidade não tem relação direta com resistência do material. Como exemplo de material dúctil podemos citar o aço e de material frágil as cerâmicas.

No Tópico 1 da Unidade 2, as propriedades de ductilidade e fragilidade serão abordadas com maior profundidade.

ESTUDOS FUTUROS

Assim, para a fabricação do eixo de transmissão é necessário realizar ensaios de caracterização, primeiramente, no recebimento do material do fornecedor, com ensaios para verificar a análise química da composição do material encomendado, a resistência mecânica e a dureza, a fim de comprovar a qualidade da matéria-prima, bem como, após a peça acabada deve-se realizar ensaios de resistência mecânica, microestrutura e dureza, que devem estar compatíveis com a faixa de aceitação exigida pelo projeto. Peças fora de especificação devem ser rejeitadas e, quando muitas peças são rejeitadas, deve-se verificar o procedimento de fabricação e a calibragem do equipamento. Esses ajustes nas etapas de fabricação visam diminuir o índice de rejeição e o custo de produção, uma vez que o tempo gasto para produzir as peças rejeitadas, o custo do operário e da matéria-prima utilizada são acrescidos no preço final das peças que serão comercializadas.


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Quais são as finalidades mais relevantes da realização dos ensaios? Obter as informações sobre as características físicas dos produtos ou da matéria-prima, por meio de ensaios de controle no recebimento dos materiais dos fornecedores e no controle final do produto pronto antes da sua comercialização. Assim como, ampliar as informações sobre os materiais, devido ao desenvolvimento de novos materiais, de novos processos de fabricação e de novos tratamentos. E como método comparativo das características de materiais distintos.

Os ensaios de caracterização dos materiais podem ser classificados de acordo com a integridade geométrica e dimensional da peça, ou de acordo com a velocidade de aplicação da carga. Sendo que, quando são classificados baseados na integridade geométrica e dimensional da peça ou componente, podem ainda ser divididos em:

• Ensaios destrutivos: provocam inutilização parcial ou total da peça (ou corpo de prova), ou seja, promovem a ruptura do material, como o ensaio de resistência à tração, dureza, fadiga, fluência, torção, flexão e tenacidade à fratura.

• Ensaios não destrutivos: são utilizados para determinar algumas propriedades físicas do material, bem como detectar falhas internas do mesmo, sendo que não comprometem a integridade da peça (ou corpo de prova), ou seja, a sua realização pode ocorrer com a peça em serviço, por exemplo, uma viga de concreto armado em um edifício ou um eixo de transmissão já instalado. Exemplos de ensaios não destrutivos são os ensaios de raios-X, raios-γ, ultrassom, partículas magnéticas, líquidos penetrantes, elétricos (ZOLIN, 2011).

Já quando os ensaios são caracterizados quanto à velocidade de aplicação da carga, podem ser divididos em (ZOLIN, 2011):

• Ensaios estáticos: a carga é aplicada de maneira suficientemente lenta, induzindo a uma sucessão de estados de equilíbrio, caracterizando um processo quase estático, por exemplo, o ensaio de resistência à tração, à compressão, à flexão, à dureza e à torção.

• Ensaios dinâmicos: a carga é aplicada rapidamente ou ciclicamente, por exemplo, o ensaio de fadiga e o ensaio de impacto.

• Carga constante: a carga é aplicada durante um longo período de tempo, por exemplo, o ensaio de fluência.

A escolha do ensaio mecânico mais interessante ou mais adequado para cada tipo de material depende da finalidade, dos tipos de esforços que esse material vai sofrer e das propriedades mecânicas que se deseja medir. Em geral, existem especificações para, praticamente, todo o tipo de material fabricado. Para a realização dos ensaios mecânicos deve-se saber a quantidade, o tamanho das amostras a serem ensaiadas e a maneira como deve ser retirada a amostra, a fim de que os mesmos sejam representativos do material, devido à possibilidade de variações nas propriedades, conforme a região do material de onde foi retirada a amostra (SOUZA, 1982).


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Os ensaios mecânicos podem também servir para a comparação de materiais distintos e, juntamente com a análise química do material, avaliar, a grosso modo, a história prévia de um material desconhecido, isto é, avaliar o tipo de material, o processo de fabricação e sua possível aplicação (SOUZA, 1982).

Alguns ensaios permitem obter dados ou elementos numéricos que podem ser utilizados no cálculo das tensões de trabalho e no projeto de uma peça. Outros, porém, fornecem apenas resultados comparativos ou qualitativos do material e servem somente para auxiliar ou completar o estudo ou o projeto.

Nas unidades 2 e 3 deste livro de estudos serão mostrados e abordados os resultados que são obtidos em diferentes ensaios mecânicos e suas limitações.

ESTUDOS FUTUROS

3 NOÇÕES SOBRE NORMAS TÉCNICAS

Há algumas décadas, a produção era artesanal e não existiam padrões ou normas técnicas. Produtos e serviços eram desenvolvidos sem os atuais controles e não havia garantia de que a cada produção seriam obtidos itens com características iguais àquelas obtidas anteriormente. Essa situação começou a ser modificada no início da Revolução Industrial, quando as empresas passaram a organizar seus processos produtivos de forma a manter as características de sua produção. Essa padronização, no entanto, visava mais uma redução no custo da produção do que a diminuição da variabilidade dos produtos (ROMAN et al., 2010).

Com a padronização dos processos, houve uma consequente minoração da variabilidade dos produtos dentro de uma mesma empresa, porém continuaram a existir grandes disparidades entre os produtos de diferentes indústrias, apesar de servirem à mesma finalidade. Esse fato acarretava dificuldades para os usuários, tanto pelas diferenças de aplicação de produtos fabricados por diferentes empresas, quanto pela dificuldade de encontrar peças adequadas de reposição (ROMAN et al., 2010).

O estabelecimento das principais características e propriedades de um determinado produto em um documento, acessível a todas as partes envolvidas, foi o primeiro passo para se chegar aos processos de normalização técnica de que se dispõe hoje (ROMAN et al., 2010).


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As normas técnicas surgiram, portanto, de uma necessidade da sociedade, para servir a essa mesma sociedade, como ferramenta de avaliação de produtos e serviços. A normalização pode ser vista como uma maneira de organizar as atividades por meio da criação e utilização de regras ou normas, visando sempre ao desenvolvimento econômico e social. Dentro desse enfoque, a normalização é o processo de padronização destinado a estabelecer e aplicar regras, de forma a ordenar uma atividade específica para o benefício de todos os interessados levando em consideração condições funcionais e exigências de segurança. Na prática, a normalização está presente na fabricação dos produtos, na transferência de tecnologia e na melhoria da qualidade de vida por meio de normas relativas à saúde, à segurança e à preservação do meio ambiente.

O ABNT ISO/IEC Guia 2 (2006) define o que são Normas e Regulamentos Técnicos:

• Norma Técnica: documento, estabelecido por consenso e aprovado por um organismo reconhecido, que fornece, para um uso comum e repetitivo, regras, diretrizes ou características para atividades ou seus resultados, visando à obtenção de um grau ótimo de ordenação em um dado contexto. Convém que as normas sejam baseadas em resultados consolidados pela ciência, pela tecnologia e pela experiência acumulada, visando promover benefícios para a comunidade.

• Regulamento: documento que contém regras de caráter obrigatório e que é adotado por uma autoridade.

• Regulamento Técnico: regulamento que estabelece requisitos técnicos, seja diretamente, seja pela referência ou incorporação do conteúdo de uma norma, de uma especificação técnica ou de um código de prática.

A expressão “norma técnica” é utilizada de modo genérico e inclui especificações de materiais, métodos de ensaio e de análise, normas de cálculo e de segurança, terminologia técnica de materiais, de componentes, de processos de fabricação, simbologias para representação em fórmulas e desenhos, padronizações dimensionais, entre outros. Em relação à execução de ensaios mecânicos, o que mais se utiliza são as normas referentes à especificação de materiais e ao método de ensaio (SOUZA, 1982).

Um método descreve o correto procedimento para se efetuar um determinado ensaio mecânico. Desse modo, seguindo-se sempre o mesmo método, os resultados obtidos para um mesmo material devem ser semelhantes e reprodutíveis onde quer que o ensaio seja executado. O método de ensaio fornece ainda os requisitos exigidos para o equipamento que vai ser usado, além do tamanho e forma dos corpos de prova a serem ensaiados. Assim como o método de ensaio define os conceitos importantes relacionados ao ensaio em questão e menciona como os resultados devem ser fornecidos em um relatório final. Para um mesmo ensaio, não há diferenças significativas entre os métodos das várias associações mundiais de normas técnicas. Em geral, todos eles procuram fornecer a mesma técnica de realização do ensaio (SOUZA, 1982).


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A especificação do material fornece os valores mínimos ou os intervalos de valores das propriedades mecânicas ou físicas que o material deve atender para a finalidade a que se destina. Outros dados importantes fornecidos pelas especificações são: tipo de acabamento da peça, maneira de acondicionamento, marcação e identificação da peça, número de corpos de prova a serem ensaiados, informações sobre a inspeção do material e, finalmente, os critérios de aceitação e de rejeição do material. Pela especificação, pode-se verificar quais são os ensaios exigidos para o material (SOUZA, 1982).

A normalização técnica tem como objetivo contribuir nos seguintes aspectos:

• Qualidade: definir padrões que levam em conta as necessidades e os requisitos dos usuários, ao mesmo tempo que sistematiza e ordena as atividades produtivas, aumentando a reprodutibilidade e diminuindo a variabilidade.

• Produtividade: padronizar produtos, processos e procedimentos, evidenciando a necessidade de redução de custos e reduzir a variedade de procedimentos e tipos de produtos.

• Tecnologia: consolidar, difundir e estabelecer parâmetros consensuais entre produtores, consumidores e especialistas, colocando os resultados à disposição da sociedade; assegurar a proteção ao consumidor, introduzindo requisitos que permitam a possibilidade de aferir a qualidade dos produtos e serviços; proteger a vida humana, a saúde e o meio ambiente por meio do estabelecimento de limites para parâmetros específicos.

• Eliminação de barreiras técnicas e comerciais: evitar a existência de regulamentos conflitantes sobre produtos e serviços em diferentes países, facilitando o intercâmbio comercial;

• Certificação e avaliação da conformidade: servir de base a processos de avaliação da conformidade e certificação de produtos e serviços (ROMAN et al., 2010).

Embora as Normas Técnicas sejam documentos cuja observância não é obrigatória, muitas vezes são citadas em instrumentos do poder público (lei, decreto, portaria, regulamento técnico, entre outras) ou em contratos e são sistematicamente adotadas em questões judiciais por conta do Inciso VIII do Art. 39 do Código de Defesa do Consumidor (Lei nº 8.078, de 11 de setembro de 1990 e regulamentada pelo Decreto nº 861, de 9 de setembro de 1993), que estabelece o seguinte:

Seção IV – Das Práticas AbusivasArtigo 39 – É vedado ao fornecedor de produtos e serviçosInciso VIII – Colocar, no mercado de consumo, qualquer produto ou serviço em desacordo com as normas expedidas pelos órgãos oficiais competentes ou, se normas específicas não existirem, pela Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT – ou outra entidade credenciada pelo Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial – CONMETRO.

Na mesma linha, para licitações públicas, visando à compra de produtos ou a contratação de serviços, aplica-se a Lei nº 8.666 (de 21 de junho de 1993), que estabelece a observância das Normas ABNT.


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Em relação aos regulamentos técnicos aplicáveis à construção civil, pode-se citar a Norma Regulamentadora nº 18 do Ministério do Trabalho (NR18 – Condições e meio ambiente de trabalho na indústria da construção), que estabelece diretrizes para o planejamento e a organização dos canteiros de obras na indústria da construção, objetivando a implementação de medidas de controle e sistemas preventivos de segurança nos processos, nas condições e no meio ambiente de trabalho.

Têm-se, também, normas regulamentadoras que abrangem, praticamente, todas as empresas, como a NR5, que estabelece a obrigatoriedade da implantação da Comissão Interna de Prevenção de Acidentes (CIPA), a NR6, que relaciona os Equipamentos de Proteção Individual (EPI), que devem ser utilizados para manter a saúde e a integridade física dos colaboradores da empresa, e a NR12, que pondera sobre as normas de segurança para projeto, fabricação, utilização, armazenamento, manutenção e transporte de máquinas e equipamentos.

As normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios pertencem às seguintes associações: Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), American Society for Testing and Materials (ASTM), Deutsches Institut für Normung (DIN), Association Française de Normalisation (AFNOR), British Standands Institution (BSI), American Society of Mechanical Engineers (ASME), International Organization for Standardization (ISSO), entre outras.

Pode-se concluir que a normalização produz benefícios que podem ser quantificados e outros não menos importantes que, embora não possam ser medidos, devem ser considerados. Entre esses aspectos podem-se citar:

• Benefícios qualitativos: utilização adequada dos recursos (equipamentos, materiais e mão de obra); uniformização da produção; facilitação do treinamento da mão de obra, melhorando seu nível técnico; possibilidade de registro do conhecimento tecnológico e; melhora do processo de contratação e venda de tecnologia.

• Benefícios quantitativos: redução do consumo de materiais e do desperdício; padronização de equipamentos e componentes; redução da variedade de produtos; fornecimento de procedimentos para cálculos e projetos; aumento de produtividade; melhoria da qualidade e; controle de processos (ROMAN et al., 2010).

As normas constituem o registro de um conjunto de conhecimentos, colocados à disposição da sociedade e são imprescindíveis para controlar a qualidade e certificar produtos ou serviços, servindo a uma função orientadora e purificadora do mercado (ROMAN et al., 2010).

Desde a regulamentação da profissão de engenharia, o atendimento às normas é obrigatório (é obrigação dos profissionais “atuar dentro da melhor técnica” ou “conforme a boa técnica”, de acordo com o Código de Ética dos Engenheiros) (ROMAN et al., 2010).


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É importante salientar que as normas estabelecem parâmetros mínimos para se atingir um determinado resultado, podendo, em algumas situações, serem consideradas insuficientes por refletir o atual estágio de desenvolvimento de uma população e os riscos que essa mesma população escolhe correr por problemas econômicos, culturais ou outros. Assim, por exemplo, o desempenho térmico das construções brasileiras é muito aquém daquela observada em países como a França ou o Canadá, pois, por razões culturais, as construções brasileiras não foram desenvolvidas com esse foco até o momento; questão que deve passar a merecer maior atenção com o uso da ABNT NBR 15575 (Edifícios habitacionais de até cinco pavimentos – Desempenho) (ROMAN et al., 2010).

A partir do Código de Defesa do Consumidor (Lei nº 8.078, de 11 de setembro de 1990), as normas passaram a possuir um status para-legal, cuja não inobservância caracteriza uma “prática abusiva” do fornecedor de produto ou serviço. As principais condições estabelecidas pelo Código de Defesa do Consumidor e pelo Código Civil Brasileiro para a Construção Civil (Lei nº 4.864, de 29 de novembro de 1965) são as seguintes:

• O conhecimento e a observância das prescrições técnicas constituem um dever ético-profissional para todos aqueles que lidam com produtos ou executam trabalhos dessa natureza. Por sua vez, as normas prescrevem procedimentos, cuidados, técnicas, que são validadas e certificadas por um órgão competente e constituem requisitos para um produto ou serviço de boa qualidade. Como em qualquer contrato de fornecimento, é obrigação do fabricante ou construtor fornecer um produto ou serviço de qualidade; se esses requisitos mínimos são estabelecidos por uma norma, entende-se que essa norma passa a ser obrigatória;

• Em se tratando de relação de consumo, o art. 39 do Código de Proteção e Defesa do Consumidor (CDC) estabelece que é vedado ao fornecedor de produtos ou serviços, dentre outras práticas abusivas, colocar no mercado de consumo qualquer produto ou serviço em desacordo com as normas expedidas pelos órgãos oficiais competentes ou, na ausência destas, pelas normas da ABNT;

• Em se tratando de relação de consumo, a Política Nacional das Relações de Consumo deve atender ao princípio de “incentivo à criação pelos fornecedores de meios eficientes de controle da qualidade e segurança dos produtos e serviços” (CDC, 4º).

4 UNIDADES: SISTEMA INTERNACIONAL

O Sistema Internacional de Unidades (SI) foi estabelecido em 1960 na Conferência de Pesos e Medidas, realizada em Paris. No Brasil, o seu uso foi estabelecido com o Decreto nº 81.621, de 3 de maio de 1978.

O Sistema Internacional de Unidades é utilizado para padronizar as unidades de medida, adotando-se uma unidade para cada grandeza física. Antes da instituição do SI, as medidas eram definidas de maneira arbitrária por cada país, o que dificultava as transações comerciais e, sobretudo, o intercâmbio


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científico entre eles. Por exemplo, as unidades de comprimento eram derivadas do corpo do rei de cada país: a jarda, o pé, a polegada.

O SI é composto por sete unidades fundamentais, que estão listadas no quadro a seguir. Essas unidades são independentes, não podem ser reduzidas e servem de referência para a determinação de novas medidas.

QUADRO 1 - UNIDADES FUNDAMENTAIS DO SISTEMA INTERNACIONAL

GRANDEZA NOME SÍMBOLO

Comprimento Metro m

Massa Quilograma kg

Tempo Segundo s

Corrente elétrica Ampère A

Temperatura termodinâmica Kelvin K

Quantidade de uma substância Mol mol

Intensidade luminosa Candela cd

FONTE: Callister (2008)

A partir das unidades fundamentais pode-se derivar as outras unidades existentes, as quais chamamos de unidades derivadas (Quadro 2). A utilização das unidades derivadas é útil para compactar a escrita de cálculos e medições. Por exemplo, quando se realiza a medida da área de determinada peça, ao invés de se indicar o valor da área em 5 m.m (metro multiplicado por metro), diz-se 5 m2 (metros quadrados), ou seja, metro quadrado é uma unidade derivada da unidade básica metro.

Algumas grandezas derivadas ganham nomes especiais, como é o caso do newton, que é uma unidade de força e equivale a kg.m/s2, ou seja, 1 N = 1 kg.m/s2.


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GRANDEZA NOME SÍMBOLO

Área Metro quadrado m2

Volume Metro cúbico m3

Velocidade Metro por segundo m/s

Massa específica Quilograma por metro cúbico kg/m3

Volume específico Metro cúbico por quilograma m3/kg

Concentração Moles por metro cúbico mol/m3

Força Newton (N) kg.m/s2

Energia Joule (J) kg.m2/s2 ou N-m

Tensão Pascal (Pa) kg/m-s2 ou N/m2

Deformação - m/m

Potência Watt (W) kg.m2/s3, J/s

Viscosidade Pascal-segundo kg/m.s

Frequência Hertz (Hz) s-1

Carga elétrica Coulomb (C) A.s

Potencial elétrico Volt (V) kg.m2/s2.C

Capacitância Farad s2.C/kg.m2

Resistência elétrica Ohm kg.m2/s.C2

Fluxo magnético Weber kg.m2/s.C

QUADRO 2 - UNIDADES DERIVADAS DO SISTEMA INTERNACIONAL


No Quadro 3 estão os múltiplos e submúltiplos decimais das unidades do SI. Esses prefixos permitem escrever quantidades de maneira mais clara para quem trabalha em uma determinada faixa de valores. Ou seja, quando trabalhamos com números muito pequenos ou muito grandes, convém alterar a forma de expressá-los para conseguir destacar algum aspecto ou ainda para auxiliar-nos na realização dos cálculos.

QUADRO 3 - PREFIXOS MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS DO SISTEMA INTERNACIONAL

FATOR PELO QUAL É MULTIPLICADO PREFIXO SÍMBOLO

1024 Yotta Y

1021 Zetta Z

1018 Exa E

1015 Peta P

1012 Tera T

109 Giga G


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106 Mega M

103 Quilo k

10-3 Mili m

10-6 Micro µ

10-9 Nano n

10-12 Pico p

10-15 Femto f

10-18 Atto a

10-21 Zepto z

10-24 Yocto y


Os prefixos variam de 1024 a 10-24 e para utilizá-los basta juntar o prefixo com a unidade desejada, por exemplo, nanossegundo (ns), micrometro (µm), miliampère (mA).

Os prefixos múltiplos e submúltiplos, conforme observado no Quadro 3, são expressos em potência de 10, assim como a notação científica. Por exemplo, imagine que você ensaiou um corpo de prova de concreto para verificar a sua resistência à compressão e verificou que a resistência foi de 60.000.000 Pa, utilizando os prefixos você falaria que a resistência do seu concreto foi de 60 Mpa (60.000.000Pa = 60 x 106Pa = 60MPa) , que é a unidade mais comum quando se fala em resistência do concreto.

Outro exemplo, imagine que você precisou medir a tensão de um determinado circuito e encontrou uma tensão de 0,00005 V, para facilitar você utilizaria os prefixos e falaria que a tensão encontrada foi de 50 µV, ou seja, você deve dividir o valor de 0, 00005 V por 10-6, e assim encontrará o valor de 50 µV. Agora, para retornar o valor para volts deve-se, apenas, multiplicar o valor em microvolts por 10-6 (50 x 10-6V = 0,00005V).

O mesmo pode ser realizado para todas as outras unidades e prefixos, sempre utilizando o prefixo que melhor se adéque à interpretação dos resultados.

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Neste tópico nós vimos que:

• O conhecimento das propriedades mecânicas é necessário para a realização de um projeto de estruturas, componentes, equipamentos, entre outros, com o intuito de determinar materiais que suportem a solicitação imposta com o menor custo. Ou seja, sem superdimensionamento de peças.

• Para a realização dos ensaios existem grupos de pesquisas que estudam e verificam qual é a melhor maneira de realizar determinado ensaio, definindo o tempo para aplicação da carga, o tamanho e o formato do corpo de prova, a temperatura e a umidade relativa que o laboratório deve estar no horário de preparo e de ensaio do corpo de prova.

• Em cada país tem-se uma entidade responsável pelas normas padrões, entretanto, em geral, essas normas são similares, variando apenas nos detalhes. No Brasil, a entidade responsável pelas normas é a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT).

• As normas técnicas refletem o consenso de uma sociedade com relação a um determinado tema e incluem prescrições científicas e boas práticas consolidadas e aceitas por essa mesma sociedade.

• As normas técnicas visam estabelecer procedimentos gerais para a correta e adequada execução de diferentes ensaios, como preparação e tamanho da amostra, configuração do equipamento utilizado, velocidade de aplicação da carga, entre outros.

RESUMO DO TÓPICO 1

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1 Qual é a finalidade de realizar ensaios mecânicos nas matérias-primas ou no produto final?

2 Como podemos conceituar o termo tensão? 3 Em relação às propriedades físicas dos materiais, cite e explique quais são as

principais propriedades analisadas por meio dos ensaios mecânicos.

4 Diferencie ensaios destrutivos de não destrutivos. 5 Quais são as principais vantagens da normalização?

AUTOATIVIDADE

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TÓPICO 2

PRÁTICAS DE LABORATÓRIO, EQUIPAMENTOS E

ANÁLISE DE DADOS

UNIDADE 1

1 INTRODUÇÃO

Olá, caro acadêmico! Bem-vindo ao Tópico 2 do livro de estudos! Quando nos deparamos com o tema sobre experimentação laboratorial de materiais, um dos principais fatores são os equipamentos de ensaio. Neste tópico serão apresentados, de maneira geral, os principais equipamentos para ensaios mecânicos existentes nos laboratórios de materiais. Além disso, serão apresentados conceitos básicos e descrições sobre acessórios de experimentação e análise de materiais, como aparelhos de medição de deformação e registro de carga.

Para a utilização dos equipamentos, há a necessidade de que estes estejam calibrados e aferidos, sendo essa atividade classificada como “metrologia”. Neste tópico serão apresentadas as principais classificações de metrologia, bem como uma descrição a respeito de cada metodologia desenvolvida. Além disso, serão apresentadas as noções de erros e incertezas de medição.

Por fim, uma vez que se realiza uma experimentação com coleta de dados, esses apresentam uma distribuição que pode ser descrita matematicamente, desde que obedeça a uma tendência. Assim, serão apresentados métodos usuais de coleta, cálculo de correlação linear entre duas variáveis e determinação de limites de variabilidade para dados experimentais.

Bons estudos!

2 EQUIPAMENTOS

Uma das prerrogativas para o desenvolvimento de ensaios experimentais é a padronização dos experimentos. Isto é, os ensaios devem ser realizados de maneira que os dados obtidos sejam válidos e comparáveis com outros ensaios. Para isso, há a necessidade de padronização, não apenas do tipo de ensaio, mas das condições de ensaio e funcionamento dos equipamentos, tais como velocidade, carga, deformação, entre outras.

Por exemplo, em um ensaio de um material qualquer, quanto mais rápida a deformação provocada no corpo de prova, mais elástica deverá ser a sua resposta mecânica. Isso devido ao fato do material não possuir tempo suficiente para reorganizar as suas partículas, resultando em um comportamento elástico. Esse exemplo é ilustrado na Figura 2. Nesse caso é um ensaio de tração axial em


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metal, onde é possível verificar o aumento da tensão de escoamento e da tensão máxima em função do aumento da velocidade de deformação aplicada no ensaio. Sendo que o valor especificado no quadrado (0,45; 12,5; 100 e 500) é a velocidade de aplicação da carga.

FIGURA 2 – EFEITO DA VELOCIDADE NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE AÇOS

FONTE: LEMOS et al. (2013)

Assim, o funcionamento e a configuração dos equipamentos possuem efeitos determinantes nos resultados dos ensaios experimentais. A seguir serão apresentados alguns dos principais equipamentos encontrados em laboratórios de materiais, bem como a explicação do seu funcionamento.

2.1 PRENSA HIDRÁULICA UNIVERSAL

A prensa hidráulica universal é um equipamento eletromecânico que está ligado a uma célula de carga que realiza a aplicação e medição da força em um corpo de prova, possui um cabeçote móvel para o deslocamento do pistão que aplica a carga, além dos acessórios para a fixação dos corpos de prova (para realização de ensaios de resistência à tração, compressão, flexão, entre outros), que consiste em uma base fixa que serve como o ponto de reação da prensa e um botão de segurança para paradas emergenciais (Figura 3). Existem prensas com controladores acoplados ou controlados por computador. Chama-se de prensa “universal” porque é possível realizar vários tipos de ensaios nesse tipo de prensa, como compressão, tração, módulo de elasticidade, entre outros.

TÓPICO 2 | PRÁTICAS DE LABORATÓRIO, EQUIPAMENTOS E ANÁLISE DE DADOS

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FIGURA 3 – PRENSA UNIVERSAL

Cabeçotemóvel

Controladores

Acessóriosparafixaçãodocorpodeprova

Basefixa

Céluladecarga

BotãodesegurançaBotão de segurança

Base fixa

Controladores

Acessórios para fixação docorpo de prova

Célula de carga

Cabeçote móvel

FONTE: Adaptado de: INSTRON (s.d.)

Normalmente, a prensa é manipulada por um software controlado por computador. Nesse software, é possível fazer a seleção das configurações do ensaio, como velocidade de aplicação da carga, limite de aplicação da carga, carga em ciclos, entre outros. Na Figura 4 é apresentada uma interface genérica de um software controlador de uma prensa universal. Nesta figura é apresentada a configuração de um ensaio de flexão, onde se tem o acessório do tipo 4 pontos, com a distância entre os suportes, além de parâmetros de aplicação de carga.

FIGURA 4 – EXEMPLO DE UMA INTERFACE GRÁFICA DE UM SOFTWARE CONTROLADOR DE PRENSA UNIVERSAL

FONTE: Adaptado de (INSTRON (s.d.)


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2.2 CÉLULA DE CARGA

As células de carga são equipamentos que transformam a carga mecânica em sinal eletrônico, para a leitura em meios digitais. Normalmente, fazem a leitura por meio de conectores acoplados a computadores e realizam as leituras na unidade de força Newtons (N). Apesar disso, há células de carga que fazem as leituras em unidade de quilos, por exemplo, toneladas. Existe uma infinidade de tipos de células de carga, mas as mais genéricas são as do tipo “S” (Figura 5 (a)). Em paralelo, os equipamentos atuais normalmente já possuem uma célula de carga própria acoplada ao equipamento (Figura 5 (b)). Além disso, há a possibilidade de conectar vários tipos de célula de carga, dependendo da necessidade do ensaio a ser executado.

FIGURA 5 – EXEMPLO DE CÉLULAS DE CARGA. (A) CÉLULA GENÉRICA DO TIPO “S”; (B) CÉLULA PERSONALIZADA PARA O EQUIPAMENTO

(a) (b)FONTE: Adaptado de INSTRON (s.d.)

Dependendo da necessidade, deve-se determinar o tipo de célula de carga para fazer as leituras do ensaio, pelo fato do controle de sensibilidade da célula de carga. Por exemplo, se houver a previsão de que o material a ser ensaiado resistirá 10 quilos newtons (kN), há necessidade de uma célula de carga com pelo menos 10 kN para ensaiar esse corpo de prova.

De maneira fundamental, as células de carga consistem de um circuito eletrônico. Onde há necessariamente uma alimentação de energia elétrica e um circuito que mede a resistência do conjunto, essa resistência é diretamente proporcional à tensão aplicada nos limites elásticos de deformação do conjunto (por isso há um limite de carga nas células) (Figura 6). Isto significa que à medida que se aplica carga pelo pistão, essa carga é transferida para a célula de carga que contém o circuito eletrônico. Esse circuito, quando deformado pela aplicação da carga mecânica, tem a sua resistência elétrica alterada pela deformação dos


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materiais, que então é correlacionada com a carga aplicada. Essa correlação só é possível a partir das constantes de deformação linear de cada material utilizado no circuito eletrônico. Por isso, as células de carga possuem um limite recomendável de medição, onde fora desse limite as medições são destorcidas e imprecisas, não sendo possível uma correlação confiável dos resultados.

FIGURA 6 – CORRELAÇÃO DA RESISTÊNCIA ELÉTRICA MEDIDA COMA CARGA APLICADA

FONTE: Os autores

Resistênciaelétricadocircuito

Forç

aap

licad

a(N

ewto

ns)

Trecholineardemedição(recomendado)

Trechonão-lineardemedição(nãorecomendado)

Trechonão-lineardemedição(nãorecomendado)

Resistência elétrica do circuito

Forç

a ap

licad

a (N

ewto

ns)

Trecho não-linearde mediação (nãorecomendado)

Trecho linear de mediação(recomendado)

Trecho não-linearde medição (nãorecomendado)

2.3 ACESSÓRIOS DE FIXAÇÃO DO CORPO DE PROVA

Nas prensas universais podem ser realizados diversos tipos de ensaios, e para isso, há necessidade de diferentes acessórios para a fixação dos corpos de prova. Por exemplo, para o ensaio de compressão, normalmente se utiliza uma superfície plana superior e inferior, como na Figura 7 (a).

Para os ensaios de flexão existem duas variações, os de três e quatro pontos. No ensaio de três pontos, a aplicação da carga é realizada por meio de um único ponto e é apoiada em dois pontos (Figura 7 (b)). Enquanto que no ensaio de flexão de quatro pontos, a aplicação da carga é realizada por meio de dois pontos (Figura 7 (c)). Essa configuração resulta em uma distribuição de tensões diferentes, pois no caso do ensaio de três pontos, o momento máximo encontra-se no meio do vão central do corpo de prova, enquanto que no ensaio de quatro pontos, esse momento máximo é constante entre os pontos de aplicação de carga, conforme apresentado no quadro a seguir. No caso do esforço cortante, esse também sofre alterações, apresentando trechos de nulidade ao longo do corpo de prova.


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FIGURA 7 – EXEMPLOS DE ALGUNS ENSAIOS MECÂNICOS. (A) ENSAIO DE COMPRESSÃO; (B) ENSAIO DE FLEXÃO TRÊS PONTOS; (C) ENSAIO DE QUATRO PONTOS; ENSAIO DE TRAÇÃO

AXIAL (D); ENSAIO DE TRAÇÃO NA COMPRESSÃO DIAMETRAL

FONTE: INSTRON (s.d.) e UEFS (s.d.)

(a)

(d) (e)

(c)(b)

QUADRO 4 – MÉTODOS PARA A DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FLEXÃO

FONTE: Casagrande (2017)

TIPO DE ENSAIO DISTRIBUIÇÃO DE ESFORÇOS CONFIGURAÇÃO

3 pontos

4 pontos

Momento fletor

Esforço cortante

Momento fletor

Esforço cortante


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(a) (b)

No caso dos ensaios de tração axial (Figura 7 (d)), esses são mais amplamente empregados em materiais metálicos e poliméricos, uma vez que o formato do corpo de prova é mais esbelto e as tensões exercidas no ensaio representam mais fielmente as tensões exercidas na aplicação do elemento.

No caso dos materiais cerâmicos, quando se objetiva realizar as medidas de tração, comumente aplica-se medidas indiretas, pois o ensaio de tração direta é complicado de realizar pela geometria do corpo de prova, além da tração direta não representar com precisão as tensões geradas no elemento na realidade. Assim, o ensaio mais amplamente empregado é o ensaio de tração na compressão diametral (Figura 7 (e)).

2.4 ACESSÓRIOS MEDIDORES DE DESLOCAMENTO

Nos ensaios experimentais de materiais, em geral, utilizam-se acessórios para a medida do deslocamento. Por exemplo, quando se objetiva analisar a deformação de um material com a aplicação de determinada carga. Dessa forma, dependendo do que se pretende analisar, são utilizados diferentes medidores e acessórios de medição de deformação/deslocamento.

Nos ensaios de compressão, como os corpos de prova costumam ser mais robustos, o equipamento mais utilizado é o transdutor para medição de deslocamento linear, do inglês Linear Variable Differential Transformer (LVDT) (Figura 8). De maneira geral, nesse tipo de equipamento, a posição de uma haste móvel dentro de um campo magnético pode transmitir diferentes tensões elétricas dependendo da posição em que se encontra nesse circuito. Normalmente, para esse tipo de equipamento existe uma variação de tamanhos e limites de medição, pois pode-se medir desde micrômetros (10-6 metros) para corpos de prova relativamente pequenos, até centímetros para corpos de prova relativamente grandes, como deflexão de vigas em escala real.

FIGURA 8 – EQUIPAMENTO DE MEDIDA DE DESLOCAMENTO. (A) LVDT; (B) ENSAIO DE MÓDULO DE DEFORMAÇÃO EM MATRIZ CIMENTÍCIA COM AUXÍLIO DE LVDT

FONTE: INSTRON (s.d.) e adaptado de Mohamad et al. (2009)


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O LVDT costuma ser utilizado para uma infinidade de medidas de deslocamento e não apenas para ensaio de módulo de elasticidade. Assim como, o LVDT é utilizado para a análise da variação linear em ensaios diversos. Por exemplo, no ensaio de medida de deflexão em ensaios de flexão dos materiais, normalmente, utiliza-se em conjunto o equipamento chamado Yoke, que é um suporte metálico para a medida da deflexão de materiais cimentícios, como apresentado na Figura 9.

FIGURA 9 – EQUIPAMENTO YOKE PARA AUXÍLIO DA MEDIDA DE DEFLEXÃO DE MATERIAIS CIMENTÍCIOS MEDIDO COM LVDT

FONTE: Figueiredo (2011)

Base da prensa

Fixação do"yoke" no CPalinhado aocutelo

Anteparo da agulha do LVDTfixado no topo do CP

"yoke"

LVDT

Cutelos

Cutelos

Existem também os extensômetros tipo “clip gage”, que são equipamentos de medida linear, mas de configuração diferente do LVDT, pois são fixados diretamente no corpo de prova na posição em que se deseja obter a medida de deformação. Nesse tipo de equipamento, há possibilidade de diversos métodos de medida, como ensaios de módulo de elasticidade, deformação circunferencial, deformação de tração axial, abertura de fissura, entre outros (Figura 10).

FIGURA 10 – MEDIDAS DE DEFORMAÇÃO COM EXTENSÔMETRO TIPO “CLIP GAGE”. (A) ENSAIO DE MÓDULO DE ELASTICIDADE; (B) ANÁLISE DE DEFORMAÇÃO

CIRCUNFERENCIAL; (C) DEFORMAÇÃO AXIAL; (D) ANÁLISE DE ABERTURA DE FISSURA

(a) (b) (c)


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(d)FONTE: INSTRON (s.d.); CONTROLS-GROUP (s.d.) e SERCAL (s.d.)

Entre os medidores de deformação mais utilizados, existem também os do tipo “strain gage”. Nesse tipo, assim como nas células de carga, a deformação no dispositivo interfere na resistência elétrica que o condutor elétrico possui dentro dos limites elásticos do seu material constituinte, isso pelo fato de a região elástica ser linear, e assim, possível de correlacionar com precisão com outras grandezas físicas. Devido à precisão das medidas, esse tipo de extensômetro costuma ser o mais utilizado para instrumentação de precisão. Além disso, apresenta características como: pequeno tamanho e excelente resposta em fenômenos dinâmicos, fácil utilização e excelente linearidade.

De maneira geral, o strain gage é constituído de um fio resistivo, uma base isolante e polos de alimentação do circuito eletrônico (Figura 11). O princípio de funcionamento é basicamente em relação ao alongamento da superfície onde está colocado, gerando sinais elétricos que são convertidos para deformação (pois conhece-se a constante de elasticidade do material constituinte), e assim também é possível verificar a tensão que promoveu a determinada deformação.


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FIGURA 11 – LAYOUT GENÉRICO DE UM EXTENSÔMETRO TIPO STRAIN GAGE

Alças

Fio resistivode Constantan

Direção sensibilidade KPrincipal

Direção sensibilidade KT

Base isolante flexível

Terminais de cobre estanho

WIRE CAGEFONTE: (ENSUS (s.d.)

Existe uma infinidade de extensômetros tipo strain gage disponíveis no mercado e esses são geralmente classificados como (ANDOLFATO; CAMACHO; BRITO, 2004):

De acordo com o material resistivo:

• Fios resistivos.• Lâmina.• Semicondutor.• Semicondutor por difusão.

Classificação de acordo com o material de base:

• Base de papel.• Base de baquelita.• Base de poliéster.• Base de poliamida.• Outros (finalidades especiais).

Classificação de acordo com a sua configuração:

• Uniaxiais.• Biaxiais.• Múltiplos eixos (roseta),• Padronização especial.


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Apesar da grande quantidade de tipos de extensômetros dentre os do tipo strain gage, os do tipo lâmina são os mais utilizados para os mais diversos fins. Os extensômetros de lâmina são produzidos pela colagem de lâminas com espessura de alguns micrômetros (10-6 metros), normalmente ligas de cobre e níquel, em bases poliméricas, após sua fabricação são gravadas as configurações desejadas. Já os strain gage de fios resistivos são compostos por um fio fino resistivo com diâmetro entre 13 e 25 micrômetros colados em bases poliméricas. Os materiais de base mais comuns são os de poliamida e a resina epóxi-fenólico (ANDOLFATO; CAMACHO; BRITO, 2004).

Como escolher um entre os diversos extensômetros do tipo strain gage? Primeiro deve-se determinar qual ensaio será realizado ou o que se deseja medir e depois verificar qual strain gage se adéqua aos critérios de ensaios, como a faixa de temperatura de ensaio, limite de alongamento, corrente máxima suportada pelo equipamento, resistência à umidade e durabilidade.

Os extensômetros do tipo uniaxial (Figura 12) são utilizados quando a deformação a ser medida é linear, como no caso de tração axial ou módulo de elasticidade. Enquanto que, quando as deformações podem ocorrer em diferentes orientações, é comum a utilização dos equipamentos tipo “roseta”.

FIGURA 12 – EXTENSÔMETRO TIPO STRAIN GAGE. (A) UNIAXIAL; (B) TIPO “ROSETA”

(a) (b)FONTE: Brusamarello (s.d.)

Nos ensaios tradicionais de materiais é comum a aplicação dos strain gages, sobretudo quando se objetiva medir a deformação de uma determinada parte do corpo de prova, não uma área de deformação. Na Figura 13 são apresentados alguns exemplos de aplicação de strain gage para ensaios em materiais diversos. Para o módulo de elasticidade (Figura 13 (a)), por exemplo, é possível realizar a medida das diferentes deformações, para análise do coeficiente de Poisson. Enquanto que para tração direta e para as vigas fletidas (Figura 13 (b) e (c)), é possível verificar o valor da abertura de uma ou várias fissuras no corpo de prova. Quando se utiliza o LVDT, normalmente analisa-se a deflexão do corpo de prova e a abertura de fissura de maneira indireta, enquanto que com o strain gage, a medida da fissura é registrada de maneira direta.


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FIGURA 13 – APLICAÇÃO DE STRAIN GAGES PARA A MEDIDA DE DEFORMAÇÃO EM DIFERENTES ENSAIOS. (A) MÓDULO DE DEFORMAÇÃO EM MATERIAL CIMENTÍCIO;

(B) TRAÇÃO AXIAL; (C) ANÁLISE DA ABERTURA DE FISSURAS EM VIGAS FLETIDAS

(a)

(c)

(b)

FONTE: Nascimento (2015); Instron (s.d.) e Olawale et al. (2014)

De maneira geral, os equipamentos apresentados nessa unidade são os mais empregados nos ensaios de materiais. Apesar de haver uma variação enorme do tipo de equipamentos de medição de carga e deformação, na maioria dos ensaios de materiais o que se objetiva é a determinação das propriedades mecânicas, que podem ser perfeitamente determinadas com esses equipamentos.

Nas unidades seguintes serão abordados cada tipo específico de ensaios e o método mais aplicado para cada ensaio. Será então explanado com mais clareza cada um dos equipamentos.

ESTUDOS FUTUROS


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3 NOÇÕES DE METROLOGIA, ERROS E INCERTEZAS APLICÁVEIS AOS EXPERIMENTOS

A metrologia pode ser definida como a “Ciência da medição e suas aplicações”, que no Brasil é coordenada pelo Instituto Brasileiro de Metrologia (INMETRO), e engloba todos os aspectos teóricos e práticos da medição, qualquer que seja a incerteza de medição e o campo de aplicação. De forma geral, é a obtenção de padrões de qualidade com base em medidas precisas e mundialmente estabelecidas.

Para entendermos mais sobre os conceitos de metrologia, há a necessidade de esclarecer alguns conceitos, como (CABRAL, 2004):

• Medição: processo de obtenção experimental de um ou mais valores que podem ser, razoavelmente, atribuídos a uma grandeza, não se aplica a propriedades qualitativas. A medição implica a comparação de grandezas e engloba a contagem de entidades e pressupõe uma descrição da grandeza que seja compatível com o uso pretendido de um resultado de medição, de um procedimento de medição e de um sistema de medição calibrado que opera de acordo com um procedimento especificado, incluindo as condições de medição.

• Grandeza: propriedade de um fenômeno, de um corpo ou de uma substância, que pode ser expressa quantitativamente sob a forma de um número e/ou de uma referência.

Atualmente, a metrologia é dividida em três áreas de atuação, a Metrologia científica, Metrologia industrial e Metrologia Legal:

A Metrologia Científica trata, fundamentalmente, dos padrões de medição nacionais e internacionais, dos instrumentos laboratoriais, das pesquisas e de metodologias científicas relacionadas ao mais alto nível de qualidade. A metrologia científica indica as unidades de medida a partir da definição, recorrendo à ciência (física e outras), bem como as constantes físicas fundamentais, desenvolvendo, mantendo e conservando os padrões de referência. Atua ao nível da mais alta exatidão e incerteza, sendo independente de outras entidades em termos de rastreabilidade. A garantia dos valores obtidos garante a comparação com outros laboratórios primários.

A Metrologia Industrial abrange os sistemas de medição responsáveis pelo controle dos processos produtivos e pela garantia de qualidade e segurança de produtos. Atua no âmbito de medições da produção e transformação de bens para a demonstração da qualidade metrológica em organizações com sistemas de qualidade certificados. As medições na indústria viabilizam a quantificação das grandezas determinantes à geração de um bem ou serviço, subsidiando com informações o planejamento, a produção e o gerenciamento dos processos que o produzem.


32

A Metrologia Legal é a parte da metrologia relacionada às atividades resultantes de exigências obrigatórias referentes às medições, unidades de medida, instrumentos e métodos de medição, que são desenvolvidas por organismos competentes. Tem como objetivo principal proteger o consumidor tratando das unidades de medida, métodos e instrumentos de medição, de acordo com as exigências técnicas e legais obrigatórias. Com a supervisão do governo, o controle metrológico estabelece adequada transparência e confiança com base em ensaios imparciais. A exatidão dos instrumentos de medição garante a credibilidade dos sistemas utilizados nas transações comerciais e pelos sistemas relacionados às áreas de saúde, segurança e meio ambiente.

Apesar das classificações da metrologia, no caso dos ensaios laboratoriais dessa disciplina, entraremos mais na abordagem da Metrologia científica. Com base nisso, temos um ponto inicial dos ensaios, a calibração.

Faz-se então a pergunta: POR QUE CALIBRAR? A calibração é a comparação entre os valores indicados por um instrumento de medição e os indicados por um padrão (norma). A calibração dos equipamentos de medição é importante para a qualidade no processo produtivo e deve ser uma atividade normal de produção que proporciona uma série de vantagens, tais como:

• Garante a rastreabilidade das medições;• Permite a confiança nos resultados medidos;• Reduz a variação das especificações técnicas;• Previne defeitos;• Compatibiliza as medições.

3.1 ERROS E INCERTEZAS NAS MEDIÇÕES

Por maior cuidado que se tenha ao efetuar uma medição, mesmo que se utilize equipamentos “topo de linha” em condições ambientais bem controladas, os resultados que se obtém podem ser afetados por diversos erros. Nada nem ninguém é perfeito. Como tal, os resultados das medições, dos ensaios e das análises também não podem ser perfeitos. Isto não é novidade para ninguém. Uma das principais tarefas de um experimentador é identificar as fontes de erro que podem afetar o processo de medição, e quantificar essas fontes. Essa “falta de perfeição” é designada, atualmente, por “incerteza”. A palavra “erro”, que durante largos anos foi utilizada com esse mesmo significado, está hoje em dia reservada para designar o afastamento entre o valor obtido numa medição e o correspondente valor verdadeiro, o qual é, em geral, desconhecido (CABRAL, 2004).

Tem sido prática corrente a utilização dos conceitos de “exatidão” e “precisão” para caracterizar o grau de rigor com que uma medição é efetuada. Entende-se por “exatidão” a maior ou menor aproximação entre o resultado obtido e o valor verdadeiro. A “precisão” está associada à dispersão dos valores resultantes da repetição das medições. Se fizermos uma analogia com o disparo de um projétil contra um alvo, poderemos dizer que a “exatidão” corresponde a acertar no (ou próximo do) centro do alvo; por outro lado, teremos “precisão” quando os vários disparos conduzirem a acertar em pontos muito próximos entre si (Figura 14).


33

FIGURA 14 – CONCEITOS ILUSTRADOS DE PRECISÃO E EXATIDÃO

FONTE: Cabral (2004)

AltaexatidãoAltaprecisão

BaixaexatidãoAltaprecisão

AltaexatidãoBaixaprecisão

BaixaexatidãoBaixaprecisão

Alta exatidãoAlta precisão

Baixa exatidãoBaixa precisão

Alta exatidãoBaixa precisão

Baixa exatidãoAlta precisão

Os erros experimentais são comumente classificados como:

• Erros grosseiros – são devidos à falta de atenção, pouco treino ou falta de perícia do operador. São geralmente fáceis de detectar e eliminar. Por exemplo, uma troca de algarismos ao registrar um valor qualquer.

• Erros sistemáticos – são os que afetam os resultados sempre no mesmo sentido. Exemplo: incorreto posicionamento do “zero” da escala, afetando todas as leituras feitas com esse instrumento. Devem ser compensados ou corrigidos convenientemente.

• Erros aleatórios – associados à natural variabilidade dos processos físicos, levando a flutuações nos valores medidos. São imprevisíveis e devem ser abordados com métodos estatísticos.

Pode-se, ainda, abordar sobre erros absolutos e erros relativos, de acordo com a forma como são calculados. Antes de definirmos esses erros, vamos conceituar o “valor verdadeiro” de uma grandeza. Dado que todas as medições estão afetadas por erros, por mais rigorosos que procuremos ser, nunca poderemos esperar que os resultados obtidos sejam exatos. Para podermos referir ao grau de afastamento entre tais resultados e os resultados ideais, definimos “valor verdadeiro” como sendo o valor que obteríamos numa medição ideal, feita em condições perfeitas com instrumentos perfeitos e por operadores perfeitos (como um valor de projeto). Esse valor permite-nos introduzir os conceitos de “erro absoluto” e “erro relativo” (CABRAL, 2004).

Os “erros absolutos” correspondem à diferença algébrica (positivo ou negativo) entre o valor obtido e o valor verdadeiro, como na Equação 1:

Erroabsoluto = Valormedido – Valorverdadeiro Equação 1

Por vezes é muito útil apresentar valores relativos, quando se exprimem erros de medições. A forma mais usual de apresentação é indicar os erros relativos em percentagem (%), como apresentado na Equação 2:


34

Com base nesses conceitos de erros, é possível agregar outro conceito inerente aos erros de medição, a repetibilidade e a reprodutibilidade dos dados ou da medição, que podem ser definidos como (CABRAL, 2004):

• Repetibilidade – aproximação entre os resultados de medições sucessivas da mesma medida efetuadas nas mesmas condições de medição. Estas condições são chamadas condições de repetibilidade e incluem: mesmo procedimento de medição; mesmo observador; mesmo instrumento de medição, utilizado nas mesmas condições; mesmo local; repetição num curto intervalo de tempo. A repetibilidade pode ser expressa quantitativamente em termos das características da dispersão dos resultados.

• Reprodutibilidade – aproximação entre os resultados das medições da mesma medida, efetuadas com alteração das condições de medição. Para que uma expressão da reprodutibilidade seja válida, é necessário que sejam especificadas as condições alteradas. As condições alteradas podem incluir: princípio de medição; método de medição; observador; instrumento de medição; padrão de referência; local; condições de utilização; tempo.

3.2 ANÁLISE DE DADOS

A partir desses conceitos iniciais sobre erros e medições, é possível iniciar uma análise de dados a partir dos dados obtidos. Independentemente de qual for a origem dos erros (operador, instabilidade do objeto a medir, deficiência do instrumento usado etc.), se tivermos duas leituras discordantes entre si já será possível perceber que há algum grau de variabilidade. Com uma terceira leitura que seja idêntica a uma das anteriores já poderemos começar a ter uma ideia sobre qual dos valores é mais “suspeito” (CABRAL, 2004). Num ensaio ou numa medição qualquer é usual realizar um grande número de repetições das leituras, sempre que seja possível técnica e economicamente. Com isso, consegue-se conhecer o valor com uma maior confiabilidade, o que conduz a uma menor incerteza.

Com relação à análise dos dados, abordaremos brevemente os conceitos básicos para realizar uma medida experimental aceitável, para isso, temos que nos inteirar dos conceitos básicos de análise de dados. Numa análise de dados, ao tratar estatisticamente uma (ou mais) características ou parâmetros, podemos nos encontrar perante duas situações distintas:

• Analisar toda a população, isto é, todos os elementos que apresentam a característica que nos interessa.

• Analisar uma amostra, que é o que acontece quando o número de elementos que constituem a população é muito grande (ou mesmo infinito), para que seja viável caracterizá-la de uma forma rápida e/ou econômica (Figura 15).

Equação 2Erro ErroValorrelativo

absoluto

verdadeiro

��

��

�

��100


35

FIGURA 15 – REPRESENTAÇÃO DE “POPULAÇÃO” E “AMOSTRA”

FONTE: Os autores

POPULAÇÃO

Amostra Amostra

Em conjunto com os conceitos de população e amostra, está relacionado o conceito de média aritmética, que é o número de leituras de determinada medição (quantitativa) dividido pela quantidade de leituras realizadas, como apresentado na Equação 3.

Onde:é a média aritmética;

x1, x2, x3 são as medidas realizadas;n é o número de leituras.

Com essa equação é possível realizar a medida de uma média aritmética do Exemplo 1.

Exemplo 1: Considere que foram realizadas 10 medidas da resistência à tração de barras de aço de um tipo qualquer. Os resultados obtidos foram (em MPa): 500, 507, 498, 505, 509, 495, 509, 510, 501, 502. Calcule a resistência média:

Equação 3x x x x xn

xn

n i

ni�

� � �� 1 2 3 1

x

x � � � � � � � � � ��

500 507 498 505 509 495 509 510 501 502

10

5036

10503 6,


36

Nesse exemplo, o resultado da média foi de 503,6 MPa. É possível verificar que há uma certa variação dos valores medidos entre si. Por exemplo, os valores de 510 MPa e de 498 MPa. Isso se chama desvio, e que pode ser comparável com a média aritmética.

O desvio é um dos tipos de análises utilizadas para verificação da qualidade da medida realizada. Quanto menor o desvio da amostra ou da população medida, mais próximos da média estão os dados. Isto é, mais precisa foi a sua coleta de dados.

Para o cálculo do desvio, normalmente, utiliza-se como parâmetro estatístico o desvio-padrão. Por definição, o desvio-padrão (s) de um número infinito de dados é a raiz quadrada da soma dos quadrados de todos os desvios individuais a dividir pelo número total de leituras, como indicado na Equação 4.

Utilizando os valores experimentais do Exemplo 1, é possível calcular o valor do desvio-padrão da amostragem, como apresentado no Quadro 5.

QUADRO 5 – DADOS PARA DETERMINAÇÃO DO DESVIO-PADRÃO DA AMOSTRA

i xi x xi-x (xi-x)2

1 500 -3,6 12,96

2 507 3,4 11,56

3 498 -5,6 31,36

4 505 1,4 1,96

5 509 503,6 5,4 29,16

6 495 -8,6 73,96

7 509 5,4 29,16

8 510 6,4 40,96

9 501 -2,6 6,76

10 502 -1,6 2,56

Média 503,6 0,0 240,4

FONTE: Os autores

Equação 4sx x

ni

��

�2

1


37

Aplicando os valores na Equação 4, obtém-se:

Isto é, o desvio-padrão da amostra obtida no Exemplo 1 é de 5,17 MPa. Note que o desvio-padrão possui a mesma unidade da medida obtida, nesse caso, MPa. Com isso, é possível concluir que a amostra possui a média de 503,6 ± 5,17 MPa.

Além do desvio-padrão, é comum em uma análise de dados realizar medidas de regressão linear. A regressão linear é uma poderosa ferramenta de análise estatística e uma das técnicas mais utilizadas na exploração dos dados resultantes das medições. Existem outros tipos de regressão (polinomial, logarítmica, exponencial, regressão múltipla etc.). Apenas iremos aqui abordar, pela sua importância prática, a técnica conhecida como “regressão linear”, isto é, com a qual se procura traçar uma “linha” (reta) que, globalmente, mais se aproxima dos diversos pontos medidos. Em muitos casos que surgem na prática, relações não lineares entre duas grandezas podem ser linearizadas mediante uma adequada mudança de variáveis. A regressão linear estabelece uma relação entre dois parâmetros, um considerado a variável independente e o outro a dependente. Por exemplo, poderemos relacionar a resistência de um aço qualquer (variável dependente) com a quantidade de carbono que constitui a liga (variável independente), para assim prever qual seria o seu valor em valores intermediários ou maiores que os experimentais.

A equação da reta de regressão linear é uma equação de primeiro grau, apresentada na Equação 5.

Onde:é a média aritmética;

a é o coeficiente linear;b é o coeficiente angular;x é a variável independente.

s ��

�240 4

10 15 17

,

( ),

Equação 5y a bx � �

y


38

Para a determinação dos coeficientes da equação, são utilizadas a Equação 6 e Equação 7.

Onde:

Onde:

b é o coeficiente angular;

a é o coeficiente linear;

xi é a variável independente (i);

xi é a variável independente (i);

yi é a variável dependente (i).

yi é a variável dependente (i).

Considerando os elementos de análise e regressão, podemos aplicar o modelo em um exemplo de previsão, por exemplo, a previsão das propriedades mecânicas de materiais.

Exemplo 2: Correlacione o valor do aumento da quantidade de carbono em uma liga metálica com a resistência à tração do material. Nesse caso, os valores de carbono contidos na liga são: 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8% de carbono.

Amostra Resistência à tração (MPa)

0 406

0,2 410

0,4 415

0,6 430

0,8 445

1 455

1,2 460

1,4 480

1,6 495

1,8 505

Equação 6bn x y x yn x x

i in

i in

i

in

i in

i

��

� � ��

��1 1 1 1

1

2

1

2( )

Equação 7ax y x x yn x x

in

i in

i in

i in

i i

in

i in

i

��

� � ��

��2

1 1 1

1

2

1

2( )


39

Primeiro passo é determinar o número de amostras (n), que nesse caso são 10 amostras, então n=10. Segundo passo é determinar o coeficiente angular da amostra. Para melhorar a visualização dos dados, sugere-se realizar uma tabela de dados. Como apresentado no Quadro 6.

QUADRO 6 – DADOS PARA DETERMINAÇÃO DOS COEFICIENTES DAEQUAÇÃO DA RETA

xi yi x.y x2

0 406 0 0

0,2 410 82 0,04

0,4 415 166 0,16

0,6 430 258 0,36

0,8 445 356 0,64

1 455 455 1

1,2 460 552 1,44

1,4 480 672 1,96

1,6 495 792 2,56

1,8 505 909 3,24

∑ 9 4501 4242 11,4

FONTE: Os autores

Assim, para o cálculo do coeficiente angular, tem-se:

Para o cálculo do coeficiente linear, tem-se:

Assim, a equação da reta para esse problema fica:

b � ��

�( * ) ( * )

( * , ),

10 4242 9 4501

10 11 4 957 90

2

( ) ( )( ) 2

11,4*4501 9*4242 397,98

10*11,4 9a

−= =

−

y x � �397 98 57 90, , *


40

Uma vez que se definiu a equação da reta, é possível plotar um gráfico e verificar como estão os valores preditos em comparação aos experimentais. Para isso, basta substituir o valor de “x” na equação pelos valores da variável independente. Para facilitar a visualização dos resultados, esses serão apresentados no Quadro 7.

QUADRO 7 – DADOS PREDITOS OBTIDOS A PARTIR DA EQUAÇÃO DA RETA

xi ŷi

0 397,98

0,2 409,56

0,4 421,15

0,6 432,73

0,8 444,31

1 455,89

1,2 467,47

1,4 479,05

1,6 490,64

1,8 502,22

FONTE: Os autores

Uma vez definida a equação da reta para correção dos parâmetros, é possível verificar se os valores preditos (ŷ), isto é, a equação da reta descreve com clareza os resultados experimentais. Nesse caso, é possível utilizar o coeficiente de determinação, chamado de “r2”. Este coeficiente (r) varia desde –1 (relação negativa perfeita), passando por 0 (nenhuma relação), até +1 (relação positiva perfeita) (Figura 16). O r² varia de 0 a 1, indicando, em percentagem, o quanto o modelo consegue explicar os valores observados. Quanto maior o r², mais explicativo é o modelo, ou seja, melhor ele se ajusta à amostra.

FIGURA 16 – EXEMPLO DE CORRELAÇÃO E COEFICIENTE DE CORRELAÇÃO “R”

FONTE: Cabral (2004)

r=-1

r=0

r=+1


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O cálculo do coeficiente de determinação é possível de ser realizado pelos índices de soma dos quadrados, em que se determina a soma dos quadrados totais (SQT), soma dos quadrados explicada (SQE) e soma dos quadrados dos resíduos (SQR), de acordo com a Equação 8 a Equação 11, respectivamente.

Onde:

Onde:

Onde:

SQtot é a soma dos quadrados totais;

SQres é a soma dos quadrados residuais;

SQexp é a soma dos quadrados explicada;

n é o número de amostras;



yi é o valor da variável dependente (experimental);

yi é o valor da variável dependente (experimental);

é o valor médio (experimental).

é o valor predito (modelo).

é o valor médio (experimental).é o valor predito (modelo).

Exemplo 3: Calcule o coeficiente de determinação utilizando os mesmos valores do “Exemplo 2”, através das somas dos quadrados.

Os valores são apresentados no Quadro 8, para melhor visualização:

Equação 8SQ y ytot ii

n

� �� ( )

2

1

Equação 9SQ y yres i ii

n

� �� ( )

2

1

Equação 10SQ y yi ii

n

exp( )� �

��

2

1

y

y

y

y

Equação 11SQ y yi ii

n

exp( )� �

��

2

1


42

QUADRO 8 – DADOS PARA O CÁLCULO DO COEFICIENTE DE DETERMINAÇÃO

y ŷ y-y (y-y)2 y-ŷ (y-ŷ)2

450,1 397,98 -44,10 1944,81 8,02 64,29409,56 -40,10 1608,01 0,44 0,19421,15 -35,10 1232,01 -6,15 37,77432,73 -20,10 404,01 -2,73 7,44444,31 -5,10 26,01 0,69 0,48455,89 4,90 24,01 -0,89 0,79467,47 9,90 98,01 -7,47 55,84479,05 29,90 894,01 0,95 0,89490,64 44,90 2016,01 4,36 19,04502,22 54,90 3014,01 2,78 7,74

∑ 11260,90 194,47

FONTE: Os autores

SQtot = 11260,90SQexp = 194,47SQres = 11260,90 - 194,47 = 11066,43r2 = SQres / SQtot = 11066,43 / 11260,90 = 0,98

Nesse caso, o valor do coeficiente de determinação foi de 0,98, isso significa que 98% da variável dependente consegue ser explicada pelos índices presentes no modelo. Para clarificar a interpretação dos dados, é possível plotar um gráfico dos resultados obtidos, como na Figura 17.

FIGURA 17 – EXEMPLO DE CORRELAÇÃO ENTRE DUAS VARIÁVEIS. APRESENTAÇÃO DOS VALORES EXPERIMENTAIS E PREDITOS

FONTE: Os autores


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Em geral, os modelos de regressão linear são os mais utilizados para determinação e previsão de comportamento. Dessa forma, torna-se um método adequado e preciso para o desenvolvimento e controle de materiais. Com essa técnica é possível verificar se os valores obtidos estão de acordo com o que se espera de comportamento, seja mecânico ou qualquer outra variável independente que se esteja medindo.

Com base nisso, é possível extrapolar ou interpolar valores, desde que o modelo de regressão (equação da reta) seja adequado, isto é, maior valor de coeficiente de determinação possível.

4 MEDIDAS E VARIAÇÃO DIMENSIONAL DE AMOSTRAS E CORPOS DE PROVA

O detalhamento e exatidão das medidas de corpos de prova está relacionado com a qualidade e repetibilidade na produção dessas amostras. No momento do ensaio, pelo fato de haver alguma diferença nas suas medições, as respostas também tendem a variar. Isso pode ser resumido no conceito de variabilidade. Com isso, deve-se estabelecer limites sobre as dimensões e variações das amostras.

Mesmo com o cuidado e atenção no processo de produção, é fato que não importa o processo de produção, não existem dois produtos exatamente iguais, e nenhum processo produtivo conseguirá produzir dois produtos iguais. Então, podemos afirmar que a variabilidade está sempre presente em todos os processos produtivos, não importando o quão bom seja o seu projeto e produção, mesmo se automatizado.

Para o gerenciamento do processo e redução da variabilidade, é importante investigar as causas da variabilidade no processo. O primeiro passo é distinguir entre causas comuns e causas especiais. Deming (1986) explica que a confusão entre causas comuns e especiais leva à maior variabilidade e a custos mais elevados. A atuação em causas comuns como se fossem causas especiais pode levar a um aumento indesejado da variação, além de representar um custo desnecessário. Por outro lado, se causas especiais passarem despercebidas, elas podem ser incorporadas ao resultado do processo, tornando aceitável o que deveria ser rejeitado, além de se perder uma oportunidade de melhoria do produto.

De maneira geral, as causas comuns podem ser geradas por diversas fontes, ou também por diversas causas, que podem gerar variação no objeto, mas que principalmente atuam de forma aleatória no processo, gerando assim uma variabilidade inerente ao processo analisado. Analisando-se a variabilidade gerada pelas causas comuns, verifica-se um padrão, pois é resultante de pequenas fontes de variabilidade (causas) que acontecem cotidianamente devido ao processo estar sob condições normais de operação, o que resulta em uma variabilidade que tende a ser similar ao longo do processo.


44

Já as causas especiais são causas que não seguem um padrão aleatório, mas sim ocasional, gerado por uma fonte externa ou dentro de um padrão estatístico. Podem ser ocasionadas por diversas fontes, como problemas devido à matéria-prima com propriedades diferentes das projetadas, erros de setup do ferramental ou equipamentos etc. Por isso são também conhecidas como causas assinaláveis, pois são bem específicas e geradas de forma não estatística, muitas vezes são falhas de operação, fazendo com que o processo saia fora de seu padrão natural de operação.

Apesar das causas e variações afetarem o processo, quem determina qual o grau de variabilidade aceitável é o controle de qualidade. No caso de experimentos científicos, são os operadores que estabelecem qual a variabilidade aceitável para o experimento.

Por exemplo, pode-se então estipular parâmetros de medida, como no caso das dimensões dos corpos de prova, uma medida de comprimento, onde tem-se uma medida de projeto e um limite de variação permitido (Figura 18). Nesses casos, é possível estabelecer qual é a medida de limite de variabilidade, como múltiplos do desvio-padrão da amostragem, variância, percentual em relação à medida de projeto, entre outros. Além disso, é mostrada a medida entre operadores, que também é um dos fatores de variabilidade de medida.

FIGURA 18 – EXEMPLO DE VARIABILIDADE E LIMITE DE VARIAÇÃO

FONTE: Os autores

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RESUMO DO TÓPICO 2

Neste tópico, você viu que:

• Os principais equipamentos dos laboratórios de materiais são, de maneira geral, a prensa universal, equipamentos de registro de deformação ou deslocamento, como: LVDT e extensômetros.

• A metrologia é uma ciência que está diretamente ligada com a experimentação, e você obteve informações sobre noções de metrologia e os principais efeitos da sua aplicação.

• Amostra é diferente de população, a população só é analisada quando economicamente viável.

• Dentro da amostragem, intrinsecamente haverá variabilidade de dados e, ainda, você aprendeu a realizar cálculos de médias e desvio-padrão de amostragem.

• Aprendeu a realizar o desenvolvimento de regressão linear através da equação da reta e obtenção de valores preditos.

• Erros e variabilidade estão sempre presentes na amostragem. Além disso, você aprendeu sobre conceituação e noções de variabilidade, erros e incerteza.

46

1 A prensa universal comumente utilizada nos laboratórios apresenta três partes fundamentais, a célula de carga, os acessórios de fixação dos corpos de prova e os equipamentos de medição de deslocamento/deformação. Descreva a função de cada um deles.

2 Quando estudamos a análise de dados, temos que nos preocupar com a qualidade da medida, sobretudo com relação aos erros e incertezas aplicáveis aos experimentos. De maneira geral, é possível classificar os tipos de erros cometidos nas análises. Cite os três principais tipos de erros experimentais.

3 Na análise de dados é possível classificar a amostragem em dois tipos fundamentais, a população e a amostra. Qual a diferença entre elas?

4 Determine o desvio-padrão da amostra da resistência à compressão de concretos de alto desempenho apresentada a seguir:

5 Determine o valor da equação da reta para o resultado da resistência à compressão em função do teor de carbono na liga de aço:

AUTOATIVIDADE

i xi (MPa)

1 105

2 134

3 129

4 122

5 111

6 132

7 128

8 132

9 144

10 103

Teor de carbono (%) Resistência à compressão (MPa)

0 250

0,5 270

1,0 280

1,5 300

2,0 330

47

2,5 380

3,0 410

3,5 450

4,0 480

4,5 510

48

49

TÓPICO 3

ANÁLISE DE FALHAS

UNIDADE 1

1 INTRODUÇÃO

Olá, caro acadêmico! Bem-vindo ao Tópico 3 do nosso livro de estudos!

Uma das principais preocupações no desenvolvimento de projetos é a possibilidade de falha do material que vai ser utilizado ou colocado em serviço, por isso, normalmente aplicam-se coeficientes de segurança. Pensando nisso, são imprescindíveis o estudo e a análise de falha dos materiais.

As falhas podem ser caracterizadas de diferentes maneiras, por fratura, fadiga e fluência, que estão de certa forma relacionadas. Assim, o profissional que desenvolve o projeto deve estar familiarizado com os conceitos e princípios que governam os fenômenos das fraturas, de modo a minimizar a possibilidade de ocorrência das falhas.

Neste capítulo, você será apresentado aos conceitos fundamentais que governam os fenômenos e causas das fraturas, além de uma descrição detalhada dos tipos de fratura.

Bons estudos!

2 CONCEITOS PRELIMINARES SOBRE FRATURA

De modo geral, pode-se classificar a fratura como a separação de um corpo em dois ou mais pedaços devido à imposição de tensões nesse corpo, ou devido à temperatura que atua num corpo qualquer.

Normalmente, a tensão (força sobre uma determinada área) é de compressão, tração, torção ou de cisalhamento que resulta em dois modos de fratura fundamentais, a fratura frágil e a fratura dúctil. Essa classificação está relacionada com a capacidade de o material apresentar, ou não, deformação plástica antes da sua falha (deformação é alteração da sua forma original devido à aplicação de uma tensão sobre um corpo). Nos materiais frágeis, não há deformação ou absorção de energia mecânica antes da sua fratura, isto é, há uma fratura repentina. Enquanto que nos materiais dúcteis, a fratura é acompanhada de uma deformação substancial e alta capacidade de absorção de energia mecânica antes da fratura do material (Figura 19).

50


FIGURA 19 – REPRESENTAÇÃO GENERALIZADA DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE MATERIAIS FRÁGEIS E DÚCTEIS

X

X

MaterialFrágil

Materialdúctil

Tens

ão

DeformaçãoDeformação

Tens

ãoMaterial Frágil

Material dúctil

FONTE: Os autores

Pode-se dizer que frágil e dúctil são denominações relativas, pois dependem da situação de aplicação do material. Sendo que a deformação pode ser quantificada em relação ao percentual do próprio corpo de prova ou uma relação a um ponto de referência, como deflexão, por exemplo, e normalmente é acompanhada de uma redução da sua seção transversal. Em paralelo, a temperatura influencia diretamente a ductilidade dos materiais, por consequência, o seu comportamento à fratura.

A fratura de um material tem como base dois fenômenos, a formação e a subsequente propagação das fissuras à medida que se impõe no material. Na fratura dúctil, existe uma extensa deformação plástica na região ao redor da fissura, esse tipo de fratura é considerada “estável”, pois propaga-se de maneira relativamente lenta, e para a sua propagação, há a necessidade do aumento da carga aplicada; enquanto que, na fratura frágil, não existe deformação plástica e toda a energia mecânica concentra-se nas bordas das fissuras, resultando em um aumento progressivamente rápido sem a necessidade do aumento de carga, denomina-se esse tipo de fratura de “instável”.

Nos materiais de engenharia busca-se, na maioria das vezes, que a falha ocorra de maneira dúctil, pois assim haverá possibilidade de “aviso prévio” sobre o acúmulo de tensões em determinada região do material, por meio da deformação plástica, o que possibilita a sua intervenção antes da catástrofe. Já no caso das falhas por meio de fratura frágeis, são mais críticas em relação à sua utilização em

TÓPICO 3 | ANÁLISE DE FALHAS

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engenharia devido à sua falha repentina e sem aviso, porém, existem casos em que se aplicam, por exemplo, no caso de vidros temperados, em que se busca uma falha instável de modo a promover inúmeros fragmentos no material em frações de segundos, resultando em um material mais seguro que o vidro recozido.

A mecânica da fratura e o comportamento à fratura dos materiais são dependentes da velocidade de aplicação de carga, de modo que pode levar um material dúctil apresentar ruptura frágil no caso de uma aplicação de tensão demasiadamente rápida. Por exemplo, pense que você está tracionando um canudinho de plástico (polímero) lentamente. Esse canudinho irá se deformar (esticar) visivelmente antes de se romper. Agora, com um canudinho idêntico, se você tracionar muito rapidamente, de maneira repentina, esse canudinho tende a se romper de maneira frágil. Esse exemplo se estende à maioria dos materiais de engenharia, além das variáveis de composição do material, temperatura no momento do esforço, a velocidade de aplicação de carga apresenta um impacto fundamental no comportamento dos materiais. Nesse sentido, nesta seção, será enfocado na mecânica da fratura quando das solicitações estáticas.

3 MECÂNICA DA FRATURA

Nos materiais sólidos, a resistência é função da interação intermolecular e da sua composição química. Considerando isso, é possível estimar que a resistência de um material é equivalente a 10% do valor do seu módulo de elasticidade, porém, o que acontece é que os valores reais chegam a 1000 vezes menos que o valor do módulo de elasticidade. Com base nessa característica, o pesquisador Griffith, no início do século XX, propôs que essa diferença entre o valor real e o valor teórico é devido a defeitos que estão contidos nos materiais, e acabam sendo um defeito intrínseco.

Esses defeitos são os responsáveis por reduzirem o valor de resistência

estimada para o valor real. Além do defeito em si, a geometria do defeito influencia diretamente na propagação da fissura e, consequentemente, na falha. Uma vez aplicada uma tensão no material, tem-se que a magnitude da tensão diminui em função da distância para a extremidade da fissura. Em posições mais afastadas da borda da fissura, a tensão é igual à tensão nominal (σ0), isto é, corresponde à carga aplicada dividida pela área da seção transversal da amostra. Agora, uma vez que se aproxima da borda da fissura, a tensão aumenta até o seu valor máximo, denominado de tensão máxima na extremidade da fissura (σm), sendo todo esse conceito conhecido como “Teoria de Griffith” (Figura 20).

Na maioria dos casos, a fissura apresenta um formato elíptico e está orientada em uma direção perpendicular à tensão aplicada, nesse caso, pode-se calcular a tensão máxima na extremidade da fissura de acordo com a Equação 12.

52


Onde:σm é a tensão máxima na extremidade da fissura;σ0 é a tensão nominal;a é o comprimento da fissura superficial ou a metade de uma fissura interna;ρe é o raio da curvatura da extremidade da fissura.

Quando uma fissura é considerada longa, e possui um raio de curvatura de extremidade muito pequeno, a relação (a/ρe)1/2 possui um valor extremamente alto. Nesses casos, deve-se utilizar a Equação 13.

FIGURA 20 – REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DAS FISSURAS EM UM CORPO. (A) GEOMETRIA DAS FISSURAS INTERNAS E DE SUPERFÍCIE; (B) REPRESENTAÇÃO DA

VARIAÇÃO DE TENSÃO AO LONGO DA POSIÇÃO

a

X1X

Tens

ão

σ0

σ0

σ0

σm

(b)

x1

x12a

x

x

Posição ao longo do eixo x(a)

e

FONTE: Adaptado de Callister (2008)

Equação 12� ��me

a� � �

�

��

�

��

�

��

�

��

01 2

Equação 13� ��me

a� � �

�

��

�

��2

0


53

Onde:Ke é o fator de concentração de tensões.c

Apesar de modelada para defeitos microscópicos, a Teoria de Griffith descreve também os fenômenos da fratura de defeitos macroscópicos, que obedecem aos mesmos princípios dos defeitos minúsculos, por exemplo, em fraturas, entalhes e descontinuidades ao longo da seção de um corpo qualquer.

Além do valor da tensão na borda da fissura, existe também uma razão σm/σ0 conhecida por “fator de concentrações de tensões (Ke), determinada pela Equação 14.

Com esse fator é possível analisar o grau do aumento de tensão em função do defeito ou fissura no corpo estudado. No caso apresentado na Figura 21, é possível notar que quanto maior o tamanho do defeito em relação à seção transversal do corpo de prova, menor é o valor do fator de concentração de tensão na borda da fissura.

FIGURA 21 – FATOR DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO NA BORDA DA FISSURA


3.0

d

σ σ2.8

2.6

2.4

2.2

2.0

Ke

0.1 0.2 0.3 0.4d/w

0.5 0.6 0.7 0.80

w

Equação 14K ae

m

e e

� � ��

��

�

��

��

2

54


Para ilustrar melhor o fator de concentração de tensões na borda da fissura, considere o “Exemplo 1” apresentado na Figura 22. Aplicando-se 2000 newtons de carga de tração em um corpo de prova de seção transversal 10 x 10 mm e com uma falha de formato arredondado de diâmetro de 1 mm.

FIGURA 22 – “EXEMPLO 1”: CÁLCULO DE FATOR DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO

FONTE: Os autores

F=2000 N

F=2000 N

10 mm

w=10 mmd=1 mm

Para o cálculo do fator de concentração de tensões, primeiro determina-se o valor de tensão aplicado no corpo de prova. Onde a área efetiva é equivalente à área total com a redução da área do diâmetro da falha.

Onde:F é a força aplicada;A é a área efetiva da seção transversal;σ0 é a tensão aplicada no corpo de prova (tensão nominal).

� 0 �FA ( )0 2

2000 22,22 22,2210 10 1

N MPamm

σ = = =× −


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Onde:σ0 é a tensão crítica de propagação de fissura;

a é a metade do comprimento de uma fissura.

E é o módulo de elasticidade;ys é a energia de superfície específica;

Determinou-se que a tensão aplicada é de 22,22 MPa. Para encontrar o valor do fator de concentração de tensão, basta encontrar o valor da relação “d/w” e encontrar o valor de Ke no gráfico da Figura 21.

d/w = 1/10 analisar a Figura 21 Ke ≈ 2,7

Uma vez determinado o valor de Ke, é possível determinar o valor da tensão na borda da falha/fissura, através da Equação 15.

Logo, aplicando-se os valores de tensão nominal e fator de concentração de tensão, tem-se:

Isto é, enquanto o valor de tensão na área efetiva do corpo de prova é de 22,22 MPa, o valor de tensão aplicada na borda da fissura é na ordem de 2,7 vezes maior, chegando ao valor de 60 MPa.

Em continuação com a análise de falhas, existe o modelo da teoria de Griffith para fratura frágil, isto é, quando se considera que não há deformação plástica envolvida no processo. Nesse caso, a geometria da fissura é elíptica e o raio de curvatura é tão pequeno quanto os espaçamentos interatômicos, resultando no aumento de tensão na borda da fissura acima da resistência à tração do material. Essa teoria é descrita pela Equação 16.

Equação 15� �m eK� �0

�m � �22 22 2 7, , �m MPa� �59 94 60,

Equação 16��

�csE

a�

� ��

2

56


Com a Equação 16, é possível determinar o valor de tensão aplicada no material que resultará na propagação das fissuras e consequentemente levará ao seu colapso.

Para ilustrar melhor a possibilidade da determinação dos valores que governam a estabilidade de um material, considere o “Exemplo 2”, onde se deve determinar o comprimento máximo de uma fissura que levaria ao colapso um elemento de concreto simples. Considere o valor de módulo de elasticidade de 35 GPa, tensão aplicada de 50 MPa e o valor da energia de superfície de 150 J/m2 que é equivalente a 150 N/m.

Para essa determinação, isola-se o “a” da Equação 16, que deve sair na unidade de metros (m), conforme a seguir:

Agora, é só aplicar os valores do exemplo na equação modificada. Então, tem-se:

Isto é, defeitos ou fissuras com até 1,33 mm de comprimento não levarão ao colapso do material para a tensão aplicada de 50 MPa.

Concluindo então, a mecânica da fratura nos materiais, de maneira geral, é governada principalmente pela geometria da fissura, que potencializa as tensões nas bordas da fissura e pelas propriedades do material. Nota-se também que é possível determinar os valores estimados para os materiais através dos modelos matemáticos da Teoria de Griffith, tanto para materiais dúcteis, como para materiais frágeis.

4 TIPOS DE FRATURAS

Os tipos de fraturas que podem ocorrer em uma peça ou em um corpo de prova são dúcteis, frágeis ou por fadiga. A determinação de qual fratura vai ocorrer depende, em grande parte, da natureza da peça.

A natureza da peça está relacionada com o processo de fabricação e as características intrínsecas de cada material, por exemplo CALLISTER (2008):

• O material dúctil é aquele que pode ser alongado, flexionado ou torcido sem se romper, ele admite deformação plástica permanente, após a deformação elástica, como o aço e o alumínio;

��

�csE

a�

� ��

22

2 s

c

Ea γσ π

=

( ) ( )( )

92

26

2

2 35 10 150

50 10

N Nmma

Nmπ

× ⋅ ×=

× ⋅

a mou m= 0 001331 33

,

,


57

• O material frágil, por sua vez, rompe-se facilmente, ainda na fase elástica, sendo que nos materiais frágeis a fase plástica é praticamente inexistente, o que indica a sua pouca capacidade de absorver deformações permanentes, como o concreto e ligas fundidas de elevada dureza.

Na Figura 23 tem-se a representação esquemática de como ocorre a fratura em nível macroscópico dos materiais. Na fratura frágil não é observada qualquer deformação no material, devido à rápida propagação da fissura, sendo observado, também, que a direção da propagação da fissura é perpendicular à direção da tensão de tração aplicada, com isso produz uma superfície de fratura relativamente plana.

FIGURA 23 - TIPOS DE FRATURA


Já em relação à fratura dúctil, pode ser dúctil ou “muito” dúctil. A fratura dúctil é o resultado mais encontrado como resposta à tensão de tração em materiais metálicos, pois devido às ligações químicas metálicas desses materiais, eles conseguem se conformar e absorver os impactos. Na fratura dúctil, o material passa pelo regime elástico e plástico e, antes da ruptura, ocorre o encruamento do material, que nada mais é do que a redução da seção ou área do corpo de prova. O mesmo comportamento é encontrado nos materiais muito dúcteis, porém em uma maior intensidade, sendo nesses casos, a redução de, praticamente, 100% da sua área. Como materiais muito dúcteis, podemos citar, também, os polímeros.

Enquanto que a fratura por fadiga ocorre quando a peça ou corpo de prova está sujeito a tensões dinâmicas e oscilantes, exemplos práticos de onde pode ocorrer esse tipo de fratura são pontes, aeronaves e componentes de máquinas.

58


4.1 FRATURA DÚCTIL

A fratura dúctil ocorre em materiais que apresentam deformação elástica seguida da deformação plástica, acompanhada do encruamento da sua seção transversal. Na Figura 24 tem-se o passo a passo até a fratura de uma peça de aço doce. Na Figura 24 (a) está o corpo de prova no início do ensaio de resistência à tração acoplado nas garras da prensa hidráulica. Com a aplicação da tensão, o corpo de prova começa a se deformar plasticamente com redução da sua seção transversal (Figura 24 (b)), como a carga não é cessada, a deformação plástica continua até a fratura do corpo de prova (Figura 24 (c)). Na Figura 24 pode-se, também, observar o aumento do comprimento do corpo de prova desde o seu início até a fratura.

FIGURA 24 - PROCESSO DA FRATURA DÚCTIL

(a) (b) (c)FONTE: Os autores

Na Figura 25 tem-se uma peça de alumínio, após o ensaio de resistência à tração, sendo que essa superfície de fratura é conhecida como fratura taça e cone, uma vez que uma das superfícies possui a forma de uma taça, enquanto a outra lembra um cone. Nesse tipo de amostra fraturada, a região central interior da superfície possui uma aparência irregular e fibrosa (indicativo da deformação plástica).


59

FIGURA 25 - FRATURA DÚCTIL EM UM ALUMÍNIO


O processo de fratura dúctil passa por cincos estágios antes da sua ruptura total:

Estágio 1: inicia-se o encruamento do corpo de prova, com redução da sua seção transversal (Figura 26 (a)).

Estágio 2: pequenas cavidades ou microvazios se formam no interior da seção transversal, localizada no centro do ponto onde está ocorrendo o encruamento (Figura 26 (b));

Estágio 3: com o aumento da tensão aplicada no corpo de prova, os microvazios aumentam e se aproximam, formando uma fissura elíptica, a qual possui o seu maior eixo em uma direção perpendicular à da aplicação da tensão (Figura 26 (c));

Estágio 4: a deformação do corpo de prova prossegue e a fissura aumenta, pelo processo de aglomeração dos microvazios (Figura 26 (d));

Estágio 5: a fratura ocorre pela propagação da fissura nas extremidades da seção do corpo de prova (Figura 26 (e)). Sendo então, o esforço de cisalhamento (tendência a “cortar” a peça), o principal responsável pela ruptura na estrutura cristalina em um ângulo de 45º entre os planos dos microconstituintes.

Todos esses estágios ocorrem em uma pequena fração de tempo, se a carga que está sendo aplicada é constante.

60


FIGURA 26 - ESTÁGIOS DA FRATURA DÚCTIL

FONTE: Zolin (2011)

4.2 FRATURA FRÁGIL

A fratura frágil ocorre quando a zona plástica do corpo de prova é muito pequena ou até mesmo nula, com pequena deformação plástica e, após atingir a carga máxima, o corpo de prova se rompe com uma redução de seção imperceptível. Em geral, na fratura, o corpo de prova de metal muito endurecido (como o ferro fundido, o aço temperado e ligas não ferrosas muito duras) apresenta uma aparência brilhante e lisa, principalmente, em materiais amorfos, como os vidros cerâmicos, conforme a Figura 27 (SOUZA, 1982).

FIGURA 27 - FRATURA FRÁGIL EM UM AÇO

FONTE: Souza (1982)


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A fratura frágil é caracterizada pela separação das duas partes do corpo de prova, normalmente perpendicular à tensão de tração. Os mecanismos de formação de fratura frágil, em materiais metálicos, são, de acordo com Callister (2008) e Zolin (2011):

• Por fratura transgranular (clivagem): a propagação da fissura ocorre devido à quebra sucessiva e repetida de ligações atômicas ao longo de planos cristalográficos específicos, ou seja, é a separação dos planos cristalinos em dois. A fratura transgranular é assim chamada pois as fissuras passam através dos grãos (Figura 28). As condições favoráveis ao aumento da fratura por clivagem são o aumento do teor de carbono, a queda na temperatura e os entalhes superficiais.

FIGURA 28 - SUPERFÍCIE DE FRATURA TRANSGRANULAR

Caminho dapropagação dafissuraGrãos


• Por fratura intergranular: a propagação da fissura ocorre ao longo dos contornos dos grãos, ou seja, é a separação dos grãos cristalinos. Esse tipo de fratura resulta, normalmente, após a ocorrência de processos que enfraquecem ou fragilizam as regiões dos contornos dos grãos, na Figura 29 tem-se uma micrografia eletrônica de varredura (MEV) da fratura intergranular. Os fatores que facilitam a fratura intergranular são a formação do grão cristalino e os tratamentos térmicos, responsáveis pela alteração das tensões internas dos microconstituintes.

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FIGURA 29 - SUPERFÍCIE DE FRATURA INTERGRANULAR

Limitesde grãos

Caminho dapropagação dafissura


As superfícies de fratura frágil dos materiais têm os seus próprios padrões de distinção e não será visível macroscopicamente qualquer sinal de deformação plástica generalizada. Em algumas peças de aço, marcas com formato em “V” podem se formar próximas ao centro da seção reta da fratura, apontando em direção ao ponto de iniciação da fissura. Enquanto outras superfícies de fratura frágil contêm linhas ou nervuras a partir do ponto de origem da fissura de acordo com um padrão em forma de leque. Em geral, ambos os padrões de marcação são suficientemente grosseiros para serem vistos a olho nu. Porém, para metais muito duros e com granulação fina, os padrões de fratura não são distinguidos (CALLISTER, 2008).

4.3 FRATURA POR FADIGA

As fraturas por fadiga podem ocorrer mesmo se a tensão aplicada no material não seja a sua tensão máxima de ruptura, devido a tensões oscilantes, ou seja, a fratura ocorre após um longo período de tensões repetidas.

O fenômeno da fratura à fadiga é fortemente influenciado pelas características intrínsecas do corpo de prova, como acabamento superficial, existência de defeitos internos, pontos de corrosão e variáveis metalúrgicas, que caracterizam certo grau de heterogeneidade das amostras (GARCIA et al., 2012).

O conhecimento da fratura por fadiga é importante, pois de acordo com Callister (2008), ela é a maior causa de falhas nos metais, representando em torno de 90% de todas as falhas de metais. Os polímeros e os materiais cerâmicos também são susceptíveis a esse tipo de falha. A fratura por fadiga é catastrófica e traiçoeira, pois ocorre repentinamente e sem que haja qualquer aviso prévio.


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Os principais fatores para que ocorra a falha por fadiga dos materiais são: existência de tensões cíclicas ou flutuantes e o número de ciclos de aplicação da tensão for suficientemente alto para que ocorra a nucleação de microfissuras, consequentemente, a sua propagação (GARCIA et al., 2012).

Os materiais sofrem fratura quando expostos a cargas cíclicas. A fratura por fadiga do componente em serviço ocorre em três etapas distintas, de acordo com Garcia et al. (2012):

• Nucleação da fissura: as fissuras se iniciam em regiões de alta concentração de tensão ou em regiões de baixa resistência local. Os principais fatores que representam os elementos potenciais para a nucleação de fissuras são defeitos de superfície (ranhuras, pequenas fissuras de usinagem, mau acabamento superficial ou pontos que sofreram deformação localizada), inclusões, porosidade acentuada, defeitos de solidificação (segregação, concentração acentuada de defeitos na estrutura cristalina devido a processos de conformação). A presença de defeitos internos (como inclusões e porosidade) deve reduzir o tempo necessário para a nucleação das fissuras, uma vez que esses defeitos já apresentam a conduta de concentrar localmente a tensão aplicada (Figura 30).

FIGURA 30 - ELEMENTOS DE NUCLEAÇÃO DE FISSURAS

FONTE: Garcia (2012)

Inclusão

PoroTrinca

SuperfícieEntalhe ou trincade superfície

• Propagação da fissura: é um fenômeno lento, que ocorre devido à concentração local de tensão causada pelas imperfeições internas do componente, resulta em uma deformação plástica cíclica causada pela ação de uma tensão cíclica, mesmo com tensão nominal abaixo do limite elástico. Como consequência direta desse fenômeno, deve ocorrer uma deformação localizada, favorecendo o crescimento de uma pequena fissura. A fissura em fadiga avança de forma cíclica, e a cada novo ciclo de tensão, ou etapa de abertura e fechamento, esse avanço deixa na superfície de fratura marcas características que podem ser observadas com o auxílio do microscópio eletrônico.

Defeitos internos Defeitos superficiais

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• Falha catastrófica: é um fenômeno rápido. Durante o período de serviço, o componente encontra-se sujeito a mudanças abruptas de carga de fadiga. Essas mudanças registram-se na macroestrutura da superfície de fratura através de marcas. Essas marcas apresentam-se curvadas em relação à origem da falha, permitindo, dessa forma, investigações que conduzem à compressão do início do processo de fratura. Em geral, marcas mais claras representam uma propagação essencialmente plana, enquanto as marcas mais escuras correspondem a uma propagação mais tortuosa, com marcas mais rugosas. Assim, podemos afirmar que as marcas mais claras representam níveis de tensões mais baixos, e as mais escuras, níveis de tensões mais elevados.

• Na Figura 31 são apresentadas as etapas do processo de fratura por fadiga, sendo a nucleação da trinca correspondente à etapa de nucleação da fissura (nenhum dano visível nessa etapa), a propagação estável da trinca corresponde à etapa de propagação da fissura (crescimento da fissura de fadiga em um plano perpendicular ao da principal tensão de tração), e a propagação instável da trinca corresponde à etapa de falha catastrófica (rompimento brusco e final da peça). Nessa figura evidencia-se a diferença entre as três etapas citadas.

FIGURA 31 - ETAPAS DO PROCESSO DE FRATURA POR FADIGA

FONTE: Garcia (2012)

Nucleaçãoda trinca

Propagaçãoestável da trinca

Propagaçãoinstável da trinca

Os principais micromecanismos associados à fratura por fadiga são (GARCIA et al., 2012):

• Ruptura com alvéolos (coalescência de microvazios): fratura dúctil e fratura com sobrecarga.

• Clivagem ou quase clivagem: fratura frágil, fratura com sobrecarga.• Fratura intergranular: fragilização do contorno de grão (por segregação ou

precipitação), crescimento subcrítico (tensão-corrosão ou fragilização por hidrogênio).


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Para aumentar a durabilidade das peças em relação à fratura por fadiga, deve-se ter especial cuidado no processo de fabricação (porosidade e rugosidade superficial) e no processo de usinagem das peças (marcas e ondulações podem aparecer devido à ferramenta de corte, sendo que essas irregularidades reduzem a resistência à fadiga do material final). Para aumentar a resistência à fratura por fadiga, é recomendada a realização de polimento da superfície da peça para aprimorar o seu acabamento e, sempre que possível, evitar ângulos retos, como 45º, que facilitem a propagação das fissuras.

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LEITURA COMPLEMENTAR

DOSSIÊ CIÊNCIA E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL

Os papéis da ciência dos materiais e da engenharia para umasociedade sustentável

Sookap HahnUniversidade de Stanford, Palo Alto, EUA

Nossa civilização entrou em uma nova era de materiais. Como está fartamente documentado em vários relatórios governamentais e acadêmicos, as sociedades avançadas em todo o mundo rapidamente adquirem habilidades sem precedentes no sentido de criar materiais projetados para satisfazer necessidades humanas. Em todo país, a qualidade de vida e segurança econômica e militar dependem cada vez mais da capacidade de sintetizar e processar materiais, de descobrir novos e de integrá-los em tecnologias de manufatura economicamente eficientes e ecologicamente seguras. Na verdade, sem os novos materiais e sua produção eficiente, não existiria o nosso mundo de equipamentos modernos, máquinas, computadores, automóveis, aeronaves, aparelhos de comunicação e produtos estruturais. Cientistas e engenheiros de materiais continuarão a estar na dianteira dessas e de outras áreas de ciência e engenharia a serviço da sociedade, à medida que conquistem novos níveis de entendimento e controle sobre os blocos básicos que compõem os materiais: átomos, moléculas, cristais e arranjos não cristalinos.

Nesta apresentação, descreverei alguns requisitos da pesquisa e desenvolvimento de materiais para cinco áreas de interesse nacionais, cujo objetivo é atingir uma sociedade sustentável com alta qualidade de vida: informação/comunicação, transportes, energia, saúde e desenvolvimento.

INFORMAÇÃO/COMUNICAÇÃO

Avanços na eletrônica e na fotônica estão mudando a forma como vivemos e trabalhamos e a maneira como interagimos, seja entre nós, seja com ferramentas e máquinas ou com nosso meio-ambiente.

Os avanços dependem de ciência e engenharia de materiais, particularmente de síntese e processamento e sua relação com o desempenho. Os materiais mais críticos relacionados a processamento de informação e hardware de armazenagem são os materiais semicondutores usados para desempenhar as funções lógicas e de memória de alta velocidade e também os materiais magnéticos e ópticos utilizados para transmissão e comunicação de informação a longo prazo e baixo custo de armazenamento. Mas, acima de tudo, o campo está sofrendo um desvio: de produzir e vender chips semicondutores e outros componentes como produto final, passa a vender módulos funcionais. Tais módulos são usados em sistemas que têm impacto sobre toda nossa sociedade,


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economia e capacidade de defesa, tais como automóveis e aeroespaço, eletrônica para consumo e para defesa, automação de manufatura, sensoriamento e controle ambiental e a biblioteca do futuro. O desenvolvimento e a manufatura de módulos cada vez mais úteis coloca ênfase na contínua pesquisa voltada à miniaturização e nos obriga a considerar interconexões e tecnologias modulares juntamente com desempenho e projetos integrados dos equipamentos. Assim, avanços nas tecnologias de informação estão relacionados a avanços em materiais semicondutores, fotônicos, magnéticos, fibras ópticas, isolantes, supercondutores, condutores, barreiras térmicas e empacotamento e em sua integração, interação, manufatura e miniaturização.

A principal força de impacto social e penetração de mercado de circuitos integrados tem sido a contínua melhoria de projeto e processamento, permitindo que o número de dispositivos em um chip dobre a cada dois anos. Dobrar o número de dispositivos sem dobrar a área do chip requer tanto redução no tamanho dos dispositivos como da área ocupada pelas interconexões. No passado, a diminuição da escala da geometria mínima dos dispositivos pavimentou o caminho da densidade funcional. Extrapolando, antecipa-se que a geometria mínima de circuitos integrados chegará a 0,25 micrômetros a partir de meados e até o final da década de 90. Reduções maiores, usando os materiais hoje conhecidos, resultariam em degradação inaceitável a temperatura ambiente. A conclusão é que precisam ser desenvolvidos enfoques mais revolucionários em tecnologia de IC.

Maior miniaturização requer grande esforço de pesquisa de materiais para uso em dispositivos eletrônicos de circuito integrado, visando a superar os limites de escala, isto é, criando dispositivos pequenos e com elementos ativos e interconexões mais densos. Para isso, novos princípios físicos serão necessários, tanto em nível de projeto quanto de processamento. Além disso, deverão ser implementadas configurações alternativas e fenômenos de transporte desses dispositivos.

Duas vias de pesquisa devem ser seguidas: as que retêm os materiais semicondutores, embora fazendo deles uso revolucionário; e enfoques não-semicondutores, tais como fotônica e supercondutividade, O primeiro enfoque usa a experiência acumulada em manufatura e vai provavelmente migrar para processamento a baixas temperaturas, nos quais transições químicas são controladas em nível atômico e onde heteroestruturas e novos fenômenos físicos podem ser invocados para superar as limitações de escala das estruturas atuais. No final, a superação das limitações de escala e o aumento de funcionalidade irão exigir uma extensão da tecnologia, do presente, em duas dimensões, para três dimensões. O desenvolvimento de arquiteturas de microchip em 3-D apresenta enormes desafios e exigirá novas tecnologias de materiais, processos de manufatura mais sofisticados, novas estratégias para crescimento de materiais, novas arquiteturas para as interconexões e novos enfoques quanto ao gerenciamento térmico. Além disso, conforme aumenta a funcionalidade do chip, aumentam também substancialmente as demandas sobre o empacotamento do sistema e suas interconexões. O empacotamento convencional e a tecnologia

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de interconexão estão no limite. Para satisfazer à demanda por densidades mais elevadas nos chips, serão necessárias novas tecnologias de empacotamento e interconexão e a integração destas com toda a tecnologia microeletrônica.

TRANSPORTESAeronáutica e aeroespacial

Nos últimos 50 anos, os materiais usados em aeronáutica e aeroespacial têm sido os da variedade hi-tech, a exemplo das ligas de alumínio altamente resistentes, tais como a 7075 e as ligas Al-Li, as ligas de Ti de alta temperatura, mais leves e fortes, as superligas de cristais únicos e novos compostos, tanto metálicos como poliméricos. A capacidade de antecipar, sintetizar, processar e manufaturar estruturas e motores para aeronáutica e aeroespacial, tanto militar como comercial, continua a exigir as mais imaginativas e requintadas aplicações de física, metalurgia de processo e princípios sobre materiais. Por exemplo, o sofisticado casamento entre desenvolvimento de liga e modelagem de solidificação levou a um novo tipo de tecnologia de fundição e à manufatura e processamento bem-sucedidos de lâminas de turbina constituídas por superligas baseadas em níquel e formadas por grandes complexos de cristal único direcionalmente solidificados. Hoje, são esses os materiais preferidos nos sistemas de propulsão em todo o mundo.

Enfoques semelhantes serão necessários para compreender, desenvolver e usar economicamente a nova geração de materiais, como os polímeros e os compósitos intermetálicos e cerâmicos. O sucesso desses projetos-piloto multidisciplinares exigirá a integração bem-sucedida de novos projetos de motores, novas configurações de componentes estruturais e novas tecnologias de processamento e manufatura de materiais metálicos, intermetálicos cerâmicos e poliméricos que sejam operacionais a alta temperatura, resistentes e benignos para o meio-ambiente. Sucesso nessas áreas tecnológicas de base, se conseguido, pode ser prontamente estendido para o desenvolvimento de sistemas de ligas estruturais desta e de próxima geração, que requerem operações a altas temperaturas e estruturas muito mais leves, fortes e mais facilmente processáveis quando de sua produção.

Indústria automotiva

Acredita-se que as aplicações nesse setor dependam largamente de materiais convencionais e, assim, não sujeitos a pesquisa e desenvolvimento sérios. Uma avaliação mais acurada mostra que o automóvel é um dos produtos mais complexos e sofisticados já desenvolvidos. Suas dez mil partes e componentes associados, sistemas e subsistemas fornecem o verdadeiro teste para automação e produtividade. Além disso, pode servir de paradigma ideal para integrar os materiais já existentes e os avançados com processamento e manufatura de ponta, tudo dentro de limites de confiabilidade e custo aceitáveis. Talvez, a forma mais efetiva de ilustrar o tipo e magnitude dos problemas que hoje cercam os materiais usados na indústria automotiva seja catalogar os principais sistemas de materiais e as tendências tecnológicas genéricas. As descrições seguintes servem como indicadores dramáticos da amplitude das necessidades estruturais primárias em termos de materiais.


69

Os automóveis de hoje e do futuro serão feitos de folhas de aço, aços especializados, compósitos plásticos estruturais e não-estruturais, elastômeros, tintas, metais não-ferrosos, peças moldadas, materiais de serviço e pintura e compósitos de matriz metálica. Além disso, serão partes do automóvel moderno materiais magnéticos, fibras ópticas, novos vidros e materiais sensitivos. Esses deverão ser sintetizados e processados segundo altos padrões e então integrados em projetos inovadores de processamento e manufatura. Essa tendência deverá dominar as agendas de pesquisa em projetos e desenvolvimento. Considerando os ganhos para o país e o desafio intelectual representado pela integração de ciência dos materiais, engenharia e manufatura, o ataque a esses problemas deve ser prioritário em qualquer agenda de pesquisa em materiais, ainda mais que o conhecimento adquirido poderá ser prontamente transferido para outros usuários de materiais estruturais.

Materiais estruturais e outros sistemas de transporte

A que novas oportunidades e benefícios econômicos podem levar os novos campos de processamento e manufatura de novos materiais? Exemplo muito citado é o dos supercondutores de alta temperatura, aplicáveis, talvez, a sistemas de transporte sobre trilhos, especialmente o Maglev. Sucesso exigirá o bom processamento não apenas de materiais de alta Tc, mas também dos materiais estruturais já existentes, seja para carros ou caminhões, materiais sensitivos avançados etc. Outros exemplos de necessidade por materiais para infraestrutura de transporte referem-se a cimento e materiais baseados em concreto, ligas metálicas resistentes a corrosão e a efetiva integração desses nas metodologias de construção. Todas essas aplicações requerem persistência em buscar formas de prever as propriedades de materiais estruturais avançados.

ENERGIAEnergia e sociedade

A energia desempenha papel singular nas sociedades do planeta. De um lado, é o sangue da vida econômica, que fornece os serviços e infraestrutura essenciais para a civilização, tais como transporte, comunicações, alimento, produtos industriais e recreação. De outro, sua abundância ou carência determinam a segurança nacional, a competitividade industrial, o meio-ambiente, a economia e a estrutura social. Em 1989, os EUA consumiram 81 quads (81 x 1015 unidades térmicas britânicas) de energia. Isso equivale à energia que pode ser fornecida por 40 milhões de barris de petróleo por dia em um ano. Significa um gasto de US$ 400 bilhões, sem considerar os custos de manutenção da segurança do fornecimento. Algum fornecimento de energia é crucial para manter a segurança nacional.

O objetivo de uma estratégia energética nacional sólida é fornecer fontes de energia, conversão de energia e tecnologias de utilização que satisfaçam às necessidades nacionais de maneira economicamente eficiente e segura para o meio-ambiente. Não existem fontes energéticas perfeitas. O petróleo tem disponibilidade limitada. Todos os combustíveis fósseis causam danos ambientais.

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As opções pela energia nuclear despertam preocupação com segurança e destino de rejeitos. A energia solar é relativamente cara e, em muitas áreas, pouco prática. E mesmo a conservação exige larga participação social. O desafio lançado à ciência é o de melhorar nossas técnicas de aproveitamento de energia e atingir conquistas que nos deem novas opções.

A importância para a energia da ciência e engenharia dos materiais

A ciência e engenharia de materiais têm um papel basilar em todo o ciclo de tecnologia energética, desde a melhoria das fontes primarias (petróleo, carvão, gás natural, energia nuclear, hidrelétrica etc.), até novos sistemas para transmissão e conservação e novos produtos e serviços para o consumidor. Melhorias evolutivas em materiais continuamente contribuem para aumentar a eficiência, confiabilidade e desempenho dos produtos finais; e o desenvolvimento de novos materiais e sistemas de materiais é necessário para novas opções de energia. A importância de ciência e engenharia de materiais pode ser melhor visualizada se considerarmos a demanda por novos materiais nas seguintes áreas relacionadas a energia: conversão e conservação; opções nucleares; utilização elétrica; e opções futuras, tais como energia solar.

SAÚDE

O papel de materiais no campo da saúde depende das aplicações. Essas incluem cuidado médico, produtos de suporte e destino de rejeitos médicos. Produtos volumosos e descartáveis dirigem a pesquisa para alternativas materiais economicamente competitivas e ecologicamente seguras. O desenvolvimento de novos materiais também é dirigido por produtos que possam aumentar e/ou manter a qualidade de vida ao mesmo tempo que reduzam o custo do atendimento médico, através da redução de complicações, redução da necessidade de revisões e redução do período de estadia hospitalar, mantendo ainda assim alto desempenho. Os gastos atuais com serviço de saúde, nos EUA, estão na casa dos US$ 600 bilhões por ano (11% do PIB), com projeção de US$ 1,6 trilhões (16% do PIB) para o ano 2000. Esses custos incluem tratamento de rejeitos, bem como cuidado médico. É evidente que se deve continuar com os programas de pesquisa em materiais objetivando o campo da saúde.

Meio-ambiente

O meio-ambiente está emergindo como assunto crítico não apenas devido a seu impacto direto sobre a qualidade de vida, mas também por seu impacto nos processos e produtos industriais e meios de transporte. De fato, os aspectos ambientais da qualidade de vida, competitividade e utilização de energia, incluindo transportes, beneficiar-se-iam de um esforço estratégico coordenado de P&D, no qual P&D em materiais seria uma peça-chave.


71

O meio-ambiente coloca vários desafios que a comunidade de engenheiros e cientistas de materiais pode ajudar a resolver. Os desafios incluem limpeza, redução de lixo, armazenamento de tóxicos e melhor uso de produtos naturais. A comunidade que estuda materiais pode ajudar a sociedade a alcançar um futuro no qual todos os produtos tenham ciclos de vida projetados de forma a haver um encadeamento de ciclos que não produza lixo (por lixo, entenda-se produto secundário inútil). As maneiras de se dar valor a energia e materiais serão muito diferentes: cada produto será visto como ingrediente do produto posterior. Todo processo que produza produtos secundários inúteis ou de pouco valor será severamente desvalorizado. Para conseguir controle sobre o ciclo de vida dos materiais, será necessário: uso/reaproveitamento de materiais comerciais; projeto de novos materiais que possam ser indefinidamente reciclados; e processos para fazer novos materiais que não impliquem rejeitos de produtos danosos para o meio-ambiente.

FONTE: <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103-0141994000100010>. Acesso em: 17 set. 2018.

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RESUMO DO TÓPICO 3

Nesse tópico você viu:

• Conceitos básicos sobre falha e fratura dos materiais e conceitos sobre tensão e deformação.

• Teoria de Griffith e mecânica da fratura.

• A geometria da fissura ou falha apresenta impacto direto nas propriedades e propagação da fissura em um corpo.

• Métodos de determinação da fratura e materiais dúcteis e frágeis.

• A natureza da matéria-prima utilizada influencia diretamente no comportamento que esse material vai apresentar quando solicitado mecanicamente, por meio de ensaios de caracterização ou até mesmo quando em serviço.

• A fratura dúctil é característica de materiais que conseguem se conformar, ou seja, após a aplicação da força, ocorre o escorregamento dos planos cristalinos, representado por uma deformação plástica, seguida da redução da seção da peça.

• A fratura frágil é característica de materiais duros, os quais não apresentam deformação plástica significativa antes da sua ruptura, ou seja, a peça colapsa sem que ocorram deformações na sua estrutura macroscópica.

• Uma superfície “bem-acabada” e sem defeitos reduz a possibilidade de fissuras por fadiga, uma vez que a maioria das fraturas por fadiga tem início na superfície do material.

73

1 No desenvolvimento de uma fratura, existem basicamente dois tipos de fissura, a fratura frágil e a fratura dúctil, com essas podem ser definidas?

2 A fratura frágil apresenta uma superfície de fratura característica, rompendo os grãos de maneira transgranular ou itergranular, como ocorrem essas fraturas?

3 Descreva de maneira sintetizada como ocorre a fratura por fadiga.

4 Determine o valor da fissura que seria suficiente para promover o colapso de uma peça metálica qualquer. Considere que a tensão crítica de propagação de fissura é 75 MPa, o módulo de elasticidade é 200 GPa e que a energia de superfície é de 100 J/m2.

5 Determine o valor na borda da fissura de uma barra metálica através do fator de concentração de tensão “Ke”. Considere uma carga aplicada no elemento estrutural é de 6 kN. A dimensão da seção transversal da barra é de 25x15 mm e que há uma fissura de 2 mm no sentido da maior dimensão.

AUTOATIVIDADE

74

75

UNIDADE 2

PRINCIPAIS ENSAIOS MECÂNICOSEM MATERIAIS


PLANO DE ESTUDOS

Após o estudo desta unidade, você estará apto a:

• compreender e extrair todas as informações necessárias de curvas de tensão versus deformação de materiais dúcteis e frágeis;

• definir qual ensaio é melhor ser realizado, dependendo das suas características intrínsecas e do resultado esperado;

• desenvolver ensaios mecânicos de tração;

• caracterizar e ensaiar os materiais pelo ensaio de compressão, assim como do ensaio de flexão.

Esta unidade está dividida em três tópicos. No decorrer da unidade você encontrará autoatividades com o objetivo de reforçar o conteúdo apresentado.

TÓPICO 1 – ENSAIO DE TRAÇÃO

TÓPICO 2 – ENSAIO DE COMPRESSÃO

TÓPICO 3 – ENSAIO DE FLEXÃO

76

77

TÓPICO 1

ENSAIO DE TRAÇÃO

UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

Olá, caro acadêmico!

Neste tópico, nós estudaremos a realização do ensaio de tração, como gerar as curvas de tensão versus a deformação e como extrair todas as informações que estas curvas apresentam.

Antes da realização do ensaio deve-se ater aos cuidados necessários para a extração, preparo e/ou corte do corpo de prova. Esses cuidados são especificados em normas (existem normas de ensaio para diferentes tipos de materiais) e devem ser cuidadosamente seguidos, pois só com a padronização no corpo de prova e na execução do ensaio, que ele será representativo.

Veremos, neste tópico, também, que o ensaio de tração é mais indicado para os materiais dúcteis, devido às suas características intrínsecas.

Bons estudos!

2 CURVA TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO EM TRAÇÃO

Antes de explicar o gráfico tensão versus deformação, vamos relembrar o que são os conceitos de tensão e o que é deformação. Conforme vimos na Unidade 1 deste Livro de estudos, tensão é a quantidade de força que atua em uma unidade de área do material.

Imaginemos que você tem uma massa de 60 kg, para transformarmos a massa para peso (que é uma unidade de força) precisamos multiplicá-lo pela gravidade que é 9,81 m/s2. Imaginemos, ainda, que você está aplicando essa força sobre um bloco de 0,50 m x 0,50 m. Agora, vamos calcular qual é a tensão que você está aplicando a esse bloco?

UNIDADE 2 | PRINCIPAIS ENSAIOS MECÂNICOS EM MATERIAIS

78

Onde:F é a força em Newtons (N);

A é a área em m2;σ é a tensão em Pascal (Pa=N/m2).

m é a massa em quilogramas (kg);

Assim, concluímos que a tensão que você está aplicando sobre esse bloco é de 2354,4 Pa. A deformação, por sua vez, é a resposta da tensão que está sendo aplicada ao corpo. A deformação pode ser calculada dividindo-se a variação do comprimento pelo comprimento inicial. Por exemplo, um corpo de prova de aço com comprimento inicial de 100 mm, após ser submetido ao ensaio de tração apresenta 110 mm, ou seja, o seu comprimento variou 10 mm, assim apresentou uma deformação de 0,1 mm/mm, conforme verificado na equação a seguir:

A deformação pode ser dividida em deformação elástica e deformação plástica. A deformação elástica é reversível, ou seja, quando retiramos a tensão que está sendo aplicada ao corpo de prova ela retorna ao seu estado original. Para melhor compreensão desse conceito, vamos imaginar um elástico de prender cabelo ou um elástico de prender dinheiro, nós conseguimos esticar esse elástico até certo limite, e quando soltamos o elástico retorna ao seu estado original, essa capacidade de retornar ao estado original de deformação após a retirada da tensão aplicada caracteriza um material elástico.

Já, a deformação plástica é irreversível, isto é, quando retiramos a tensão que está sendo aplicada ao corpo de prova, o corpo de prova não retorna ao seu estado original, mantendo-se permanentemente deformado. Por exemplo, imaginemos uma sacola plástica, dessas de guardar compras de mercados, e tencione-a puxando cada extremidade, cada uma para um lado. Agora, interrompa a tensão que está esticando a sacola, repare que a sacola se deformou e não volta mais ao seu estado original. Essa deformação foi devido ao fato de que o material

F m g� �

F kg ms F N� � � �60 9 81 588 62, ,

A m m A m� � � �0 5 0 5 0 252

, , ,

� � �� FA

Nm

Pa588 6

0 252354 4

2

,

,,

g é a aceleração da gravidade em ;ms2

� � �� LL

mmmm

mmmm

10

1000 1,

TÓPICO 1 | ENSAIO DE TRAÇÃO

79

foi solicitado além do seu limite de elasticidade (regime elástico reversível), e entrou no regime de deformação plástica, isso caracteriza um material plástico.

Na mesma situação, se continuássemos aplicando tensão a essa sacola plástica, sua deformação continuaria aumentando até provocar a sua ruptura. A força que provoca a ruptura da sacola plástica serve para medir a sua solidez, ou seja, sua resistência à ruptura, pois, se aplicar essa força, a sacola irá se romper.

A resistência à tração dos materiais varia, normalmente, conforme o tratamento, a composição, o processo de fabricação e condições do ensaio, sendo que após as medições realizadas ao longo do ensaio de tração diferem de material para material (Figura 1). Nos materiais dúcteis, na curva tensão versus deformação, são identificados o regime elástico, o regime plástico, a tensão de escoamento, a tensão máxima e a ruptura. Enquanto que nos materiais frágeis, apenas, o regime elástico, a tensão máxima e a ruptura são identificadas.

FIGURA 1- TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO DO ENSAIO DE TRAÇÃO EM DIFERENTES CONDIÇÕES DE TEMPERATURA. (A) MESMO MATERIAL EM DIFERENTES

TEMPERATURAS; (B) DIFERENTES MATERIAIS

Deformação (ε)

Tens

ão (σ

)

x

x

x

400 ºC

-200 ºC

30 ºC

(A)


80

(B)FONTE: GARCIA ET AL. (2012)

Após o ensaio de tração, o próprio equipamento utilizado para o ensaio fornece o gráfico tensão versus deformação. Você, acadêmico, precisa saber interpretar o gráfico e colher as informações úteis. Vamos, então, aprender a interpretar um gráfico de tensão x deformação genérico, apresentado na Figura 2.

FIGURA 2- TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO DO ENSAIO DE TRAÇÃO

FONTE: Os autores

Deformação (ε)

Tens

ão (σ

)

Limite deproporcionalidade

Tensão máximade tração

Tensão deescoamento

Ruptura

Patamar deescoamento

Regime plástico EncruamentoRegimeelástico

Al2O3

W

MgO

Aço

Alumínio

Temperatura(K)

0 400 800 1200 1800

Mód

ulo

deE

last

icid

ade

(MPa

)

100000

200000

300000

400000

Alumínio

Aço

W

Al2O3

MgO

400000

300000

200000

100000

0 400 1200 1800800Temperatura (K)

Mód

ulo

de E

last

icid

ade

(MPa

)


81

Apenas pelo formato da curva já podemos identificar que o material que foi ensaiado na Figura 2 é um material dúctil, como um aço de baixo carbono, pois nessa curva tem-se o patamar de escoamento bem definido. A tensão de escoamento é o valor a partir do qual inicia o regime plástico, ou a deformação permanente. A tensão de escoamento é, então, a transição entre o regime elástico e plástico, ou seja, se a carga que está sendo aplicada for retirada antes de alcançar a tensão de escoamento o material retornará ao seu estado normal, se a carga for retirada após o valor da tensão de escoamento, o material ficará permanentemente deformado.

É importante determinar a tensão de escoamento, pois quando o material atinge a tensão de escoamento, mesmo não se aumentando a carga aplicada, o material continua se deformando. Ou seja, materiais com patamar de escoamento não podem ser utilizados em concretos protendidos, por exemplo, onde são utilizadas armaduras ativas.

Na primeira parte da curva, no regime elástico, temos o limite de proporcionalidade, o qual pode ser definido como o limite em que as tensões são diretamente proporcionais às deformações, também conhecida como a Lei de Hooke. A Lei de Hooke é a relação linear entre a tensão e a deformação na região elástica. Fica claro que, a fase elástica obedece a Lei de Hooke e pode ser representada pela equação a seguir:

Sendo E o módulo de elasticidade ou módulo de Young, definido como a rigidez do material, o qual pode ser obtido pela inclinação da reta no regime elástico, conforme verificado na equação a seguir e na Figura 3.

A tensão máxima é a resistência à tração do material, valor utilizado para a caracterização do material, é o ponto mais alto da curva. Após a tensão máxima inicia-se o encruamento ou estricção, que como visto na Unidade 1, é a redução da seção do corpo de prova, até que o material não resista mais e ocorra a sua ruptura (ponto final da curva).

� �� E

MódulodeYoung E TensãoDeformação

Coeficienteangular� � � ��

�

( %) 100Área inicial Área finalEstricção emÁrea inicial

−= ×


82

FIGURA 3 - COEFICIENTE ANGULAR DA CURVA TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO

FONTE: Os autores

Na parte da curva especificada na Figura 3 como encruamento, ocorre a redução da tensão até a ruptura. Na realidade, não ocorre essa redução da tensão, a tensão é sempre crescente. O que acontece é que, após atingida a tensão máxima, a seção do corpo de prova começa a reduzir (encruamento), resultando na redução da capacidade do corpo de prova em suportar a carga. Isso ocorre porque a tensão calculada do início do ensaio até a tensão máxima é baseada na área inicial do corpo de prova e não é considerada a redução da área, conhecida como a tensão-deformação convencional da engenharia. Caso fosse corrigida a área do corpo de prova, a tensão continuaria aumentando até a ruptura, conforme apresentado na Figura 4.

FIGURA 4 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DAS CURVAS TENSÃO-DEFORMAÇÃO REAL E CONVENCIONAL

FONTE: Garcia et al. (2012)


83

Na Figura 5 tem-se a curva tensão-deformação de um material dúctil, sem patamar de escoamento definido. Como exemplo podemos citar o alumínio, para conhecermos a tensão de escoamento, é calculado a partir de uma pré-deformação específica, geralmente 0,2%, traçando uma reta paralela à região retilínea da curva tensão-deformação (CALLISTER, 2008; NBR ISO 6892-1/2013). Bem como, na Figura 5 podemos verificar o comportamento do corpo de prova durante todas as fases do ensaio de tração.

FIGURA 5 - CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO DE MATERIAL DÚCTIL SEMPATAMAR DE ESCOAMENTO

LRT

Fratura

Tensão deescoamento

Deformação

Tens

ão

0,2%

Deformaçãoelástica

Deformaçãoplástica

uniforme

Estricção

FONTE: Adaptado de Bertoldi (2014)

Assim, quando vamos dimensionar uma peça precisamos conhecer a sua resistência à ruptura e às suas deformações para evitar que a peça apresente uma deformação permanente, ou seja, ao cessar as forças externas aplicada à peça, as deformações devem também cessar.

3 MÓDULO DE ELASTICIDADE À TRAÇÃO

O módulo de elasticidade à tração dos materiais, de maneira geral, costuma apresentar a mesma grandeza de quando obtido pelo ensaio de compressão. Isto se deve ao fato das deformações no regime elástico estarem associadas a deslocamentos interatômicos e por consequência, reversíveis, como apresentado na Figura 6.


84

FIGURA 6 - MÓDULO DE ELASTICIDADE À TRAÇÃO E COMPRESSÃO

FONTE: OS AUTORES

Por exemplo, dependendo do tipo de material, o módulo de elasticidade pode variar em algumas escalas de grandezas. No caso do aço-carbono e do alumínio, essa diferença chega à ordem de três vezes. Isto é, o módulo do aço-carbono é cerca de três vezes maior que do alumínio, como apresentado na Figura 7.


85

FIGURA 7- DIFERENÇA ENTRE MÓDULOS DE ELASTICIDADE DE MATERIAIS

FONTE: ADAPTADO DE GARCIA ET AL. (2012)

Essa característica, nesse caso, significa dizer que para uma mesma tensão aplicada em corpos de prova de tamanho equivalentes, o alumínio sofrerá uma deformação cerca de três vezes maior que no aço-carbono.

Caro acadêmico, para fixar melhor esse conceito, analisemos juntos os exercícios resolvidos.

Exemplo 1 – Determine o valor do módulo de elasticidade de duas ligas metálicas, uma de aço-carbono e uma de alumínio. (a) A liga de aço-carbono no regime linear, apresentou 210 MPa de resistência à tração e sofreu 0,001 mm/mm de deformação; (b) A liga de alumínio, no regime linear, apresentou 40 MPa de resistência à tração e sofreu 0,0006 mm/mm de deformação.

a) Liga de aço-carbono

E ��

E =210000

0 001,210 E GPa=


86

b) Liga de alumínio

Exemplo 2 – Determine o valor do módulo de elasticidade do material apresentado na figura seguir no momento da aplicação da carga de 300 N/mm2.

Primeiro, localiza-se no gráfico onde estão os pontos de tensão e deformação no regime linear do diagrama, como apresentado na figura a seguir.

E ��

E =40000

0 0006,67 E GPa=


87

Uma vez verificados os valores de variação da tensão e da deformação, é possível determinar o módulo de elasticidade, de maneira analítica, como a seguir:

4 TENSÃO DE ESCOAMENTO

A tensão de escoamento é a tensão em que o material chega no seu limite de deformação elástica e começa a apresentar deformação plástica. Esse fenômeno pode ser característico ou não, dependendo do material analisado. Normalmente, os materiais não ferrosos não apresentam patamar característico de escoamento, enquanto que nos materiais ferrosos (aços-carbono), dependendo do tipo de fabricação, apresentam um patamar característico (Figura 8a).

Além do efeito da fabricação, nas ligas ferrosas, a quantidade de carbono é determinante nas propriedades elásticas do material. Quando maior a quantidade de carbono no aço, menos característico é o patamar de escoamento (Figura 8b).

FIGURA 8 - DIFERENÇA NO LIMITE DE ESCOAMENTO DEPENDENDO DOS MATERIAIS OU FABRICAÇÃO. (A) TIPO DA FABRICAÇÃO; (B) VARIAÇÃO DA QUANTIDADE DE

CARBONO NA LIGA

(A)

fy

fy

σ

encruado

Sem patamar deescoamento

laminado

Patamar deescoamento

ε

E ��

2300

0,02

NmmE mm

mm= 150 E GPa=


88

Maior % de Carbono Maior tensão de escoamento e rupturaMenor deformação até a ruptura{

Tensão

E=tg α igual em todos no trecho linear

Aço doce0,11% C

0,23% C

0,55% C

0,7% C

1% C

α

Deformação ε

σ

(B)FONTE: ADAPTADO DE FREITAS JR. (2016)

Nos casos dos materiais onde não há patamar específico do escoamento, a determinação do limite de escoamento é atribuída àquele referente ao deslocamento de 0,02% em relação à reta do regime linear do gráfico, como apresentado na Figura 5.

Caro acadêmico, para fixar melhor esse conceito de tensão de escoamento, analisemos juntos o exercício resolvido a seguir:

Exemplo 3 – Determine o valor da tensão de escoamento do material ensaiado cuja curva tensão x deformação é apresentada a seguir:


89

Para a determinação da tensão de escoamento, primeiro traça-se uma reta que extrapole o trecho linear elástico no gráfico. Em seguida, desloca-se essa curva extrapolada a 0,02% da reta original. No ponto em que a reta extrapolada cruzar a curva tensão x deformação do gráfico é atribuída a tensão de escoamento do material. Como apresentado a seguir:

700

600

500

400

200

300

100

0,2 0,4 0,6 1,0 2,0

σ(N/mm2)

σ0,2

ε(%)


90

Nesse caso, a tensão de escoamento no valor de 0,02% de deslocamento no eixo x, apresentou um valor de 475 N/mm2 ou MPa.

5 RESISTÊNCIA À TRAÇÃO

A resistência é a propriedade mais importante associadas aos materiais. Por exemplo, o alumínio temperado pode apresentar uma resistência à tração de até 50 kg/mm2.

Devido à sua simplicidade e ao grande número de informações que pode ser obtido do ensaio de tração uniaxial, este ensaio é amplamente utilizado em ligas metálicas e existem muitas normas técnicas que o regulamentam esse tipo de ensaio.

Os corpos de prova para o ensaio de tração devem seguir um padrão de forma e dimensões para que os resultados dos testes possam ser significativos. No Brasil é seguida a norma ABNT NBR ISO 6892-1 - 2013 (Versão Corrigida – 2015), que define formatos e dimensões para cada tipo de teste, por exemplo, corpos de prova de seção retangular ou seção circular apresentados na Figura 9.

FIGURA 9 - TIPOS DE SEÇÃO PARA CORPOS DE PROVA PARA ENSAIOS À TRAÇÃO. (A) CORPO DE PROVA DE SEÇÃO CIRCULAR; (B) CORPO DE PROVA

DE SEÇÃO RETANGULAR

(A)

(B)FONTE: <https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6543-corpos-de-prova-para-o-

ensaio-de-tracao#.w15x99hkicq>. Acesso em: 1 nov. 2018


91

Para a determinação da resistência à tração do material, são necessários dois parâmetros fundamentais, o valor de carga máxima (Pmáx) aplicada ao corpo de prova e o valor da área da seção transversal na parte útil do corpo de prova, a partir da equação da tensão:

Quando da realização do ensaio é possível já colocar o valor da seção transversal na máquina, sendo então o gráfico apresentado como “tensão x deformação” ao invés de “carga x deformação”, como na Figura 10.

FIGURA 10 - DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À TRAÇÃO EM UMA LIGA METÁLICA


Nota-se que na Figura 10, o valor da resistência à tração foi de 625 N/mm2, ponto mais alto da curva, já no regime plástico, na ordem dos 1,5% de deformação.

Caro acadêmico, para fixar melhor esse conceito de tensão de escoamento, analisemos juntos o exercício resolvido a seguir:

Exemplo 4 – Determine o valor da resistência à tração de corpos de prova de liga de aço-carbono que apresentaram carga máxima de 30 kN e possui uma área de seção transversal distintas, (a) com 4 x 15 mm (60 mm2); (b) com 5 x 20 mm (100 mm2):

� �FA

700

600

500

400

200

300

100

0,2 0,4 0,6 1,0 2,0

σ(N/mm2)

σr

ε(%)


92

a) 60 mm2

b) 100 mm2

Note que apresentando a mesma carga máxima de ruptura, a resistência à tração dos corpos de prova não é a mesma. Isso devido à seção transversal utilizada no ensaio. Nesse caso, o corpo de prova menos resistente necessitou de uma maior área (ou maior quantidade de material) para resistir a mesma carga do elemento mais resistente.

6 EXECUÇÃO DO ENSAIO DE TRAÇÃO PASSO A PASSO

A seguir é apresentada uma sugestão de passo a passo para a realização do ensaio de resistência à tração, que você poderá executar em uma máquina universal de ensaios mecânicos.

Para a execução do ensaio recomenda-se:

• Preparar o corpo de prova nas dimensões adequadas e determinadas pelas normativas que se pretende utilizar.

• Realizar a medição das dimensões dos corpos de prova, a fim de verificar se existe variação e se essa variação é aceitável dentro dos limites da normativa.

• Fixar o corpo de prova nas garras da prensa, ou no caso de corpos de prova fixados por meio de roscas, rosqueá-lo de maneira a garantir total fixação do corpo de prova.

• Para a realização dos ensaios, o corpo de prova deve estar perfeitamente alinhado durante sua fixação nas garras da máquina, caso isso não ocorra surgirá um estado triaxial de tensões inviabilizando o ensaio.

• Configurar a prensa universal para a velocidade de aplicação de carga de acordo com a normativa;

• Ajustar os equipamentos de medição de deformação ou deslocamento (como strain gage ou clip-gage, entre outros); ou pode-se medir a deformação da seguinte forma (FREDEL et al., 2018): 1° Marcam-se n divisões iguais sobre a parte útil do corpo de prova antes do início do ensaio; 2° Um comprimento de referência L0 deve ser escolhido neste estágio. É recomendável que o comprimento total das n divisões seja bem superior ao comprimento L0; 3° Traciona-se o corpo até a ruptura, juntando-se a seguir, as partes fraturadas; 4° Mede-se a distância correspondente ao comprimento final, tomando-se o mesmo número de divisões à esquerda e a direita da secção de ruptura, quando possível. Quando a ruptura for próxima ao final da parte útil do corpo de prova, toma-se o número máximo de divisões do citado lado, compensando-se a diferença do lado oposto para completar o comprimento de referência.

� �FA

� ��

30000

60 106

500 MPaσ =

� �FA

� ��

30000

100 106

300 MPaσ =

93

RESUMO DO TÓPICO 1

Nesse tópico, você aprendeu que:

• O módulo de elasticidade à tração é similar ao módulo de elasticidade à compressão.

• O módulo de elasticidade varia em função das propriedades dos materiais e depende das condições de ensaio do material.

• Os materiais em geral (com exceção dos frágeis), apresentam um regime elástico linear, seguido de um escoamento plástico.

94

AUTOATIVIDADE

1 Considerando os conceitos sobre tensão, determine o valor da resistência (em Mega Pascal ou 106 Pascal) de um aço que possui diâmetro de 2 cm e que resistiu a 7,86 kN (quilo-newtons) quando submetido ao ensaio de ensaio de tração axial.

2 Existem tipos de metais que não apresentam patamar de escoamento bem definido, dessa forma há a necessidade de realizar uma medida estimada do seu limite de escoamento, como é realizado esse procedimento?

3 Analise a figura a seguir e indique no gráfico (indicado pelas circunferências pretas) como são classificadas cada uma das regiões de um gráfico típico de resultado de um ensaio de tensão-deformação de um material metálico.

4 Nos aços, dependendo do processo de fabricação (laminação ou trefilação) possuem propriedades mecânicas bastante características de cada processo. Comente qual é a principal diferença apresentada pelos aços produzidos pelo processo de laminação e pelo processo de trefilação (encruamento).

5 Determine o módulo de Young de um metal que possui 10 mm de comprimento útil, a aferição foi realizada no momento que foi registrado 280 MPa de resistência e a deformação se encontrava em 0,15 mm.

95

TÓPICO 2

ENSAIO DE COMPRESSÃO

UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

Olá, caro acadêmico! Neste tópico nós aprenderemos os procedimentos corretos para realizar o ensaio de compressão nos corpos de prova, quando é indicado realizar esse ensaio e qual a sua finalidade.

O esforço de compressão é a aplicação de carga compressiva uniaxial em um corpo de prova. A resposta fornecida é dada pela deformação linear obtida pela medida da distância entre as placas que comprimem o corpo de prova, em função da carga de compressão aplicada em cada instante.

Então o ensaio de resistência à compressão dos materiais é realizado com o intuito de conhecer as características do material que se deseja utilizar. Esse ensaio é muito utilizado para caracterizar os materiais frágeis, como o concreto, a madeira, o ferro fundido, entre outros.

Bons estudos!

2 CURVA TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO EM COMPRESSÃO

A curva tensão versus deformação gerada a partir do ensaio de compressão varia de acordo com as características do material que foi ensaiado, ou seja, um material dúctil (aço, polímero, entre outros) se comportará diferente de um material frágil (concreto, madeira, ferro fundido, entre outros) quando solicitado à compressão.

Para a indústria da construção civil, é de extrema importância conhecer a resistência à compressão do concreto por exemplo, pois é a partir da resistência à compressão que será dimensionado as peças (pilar, laje, viga, entre outras).

Quando um material é submetido a cargas de compressão, as relações entre

tensão e deformação são similares àquelas obtidas no ensaio de tração, ou seja, até a tensão de escoamento o material comporta-se elasticamente, sendo aplicável a lei de Hooke. Ultrapassado esse valor, ocorre a deformação plástica e à medida que o corpo de prova é comprimido na direção longitudinal, ocorre um aumento no diâmetro da seção transversal do corpo de prova (GARCIA et al., 2012).


96

Na Figura 11 tem-se uma curva genérica de tensão versus deformação de um material frágil e um material dúctil. Conforme podemos observar a resistência à compressão final dos materiais pode ser exatamente a mesma, para materiais diferentes, o que altera é apenas a absorção da deformação pelo corpo de prova, ou seja, o material dúctil consegue absorver mais a deformação e, com isso demostra que está ocorrendo a ruptura do material. Enquanto que o material frágil, praticamente não se deforma antes da ruptura.

FIGURA 11- GRÁFICO TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO DOS MATERIAIS FRÁGEIS E DÚCTEIS À COMPRESSÃO

FONTE: Os autores

Ainda na Figura 11, podemos definir o trecho linear (Lei de Hooke) dos dois materiais ensaiados, porém não conseguimos identificar o limite de escoamento, ou seja, onde termina o limite elástico e começa o limite plástico. Para isso, deve-se realizar o mesmo procedimento do ensaio de tração e considerar 0,2% da deformação, nesse ponto traça-se uma reta paralela ao trecho linear, no ponto em que a reta cruzar a curva, é o limite de escoamento (Figura 12) de acordo com a norma NBR ISO 6892-1 de 2013. Os materiais frágeis, em geral, rompem no limite elástico ou imediatamente após esse.

TÓPICO 2 | ENSAIO DE COMPRESSÃO

97

FIGURA 12 - DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE ESCOAMENTO

FONTE: Os autores

Os corpos de prova de materiais frágeis ou dúcteis quando submetidos ao esforço de compressão, também, se comportaram de maneira diferente, conforme observado na Figura 13. A carga de compressão produz um amassamento crescente que causa o aumento da seção transversal, formando uma espécie de disco sem que ocorra a ruptura. Enquanto que a ruptura ocorrerá nos materiais frágeis pelo efeito de cisalhamento e escorregamento, ao longo de um plano inclinado de aproximadamente 45º, provocado pela tensão de compressão e não ocorrerão deformações laterais significativas como as verificadas nos materiais dúcteis (ZOLIN, 2011).


98

FIGURA 13 - FALHA DO MATÉRIA SOB COMPRESSÃO: (A) DÚCTIL E (B) FRÁGIL

FONTE: Zolin (2011)

Para o ensaio dos corpos de prova à compressão a seção circular é a mais indicada. Quando o material for dúctil, a relação entre o diâmetro e o seu comprimento deve estar entre 1:2 a 1:6, por exemplo, um corpo de prova cilíndrico com diâmetro de 5 cm precisará ter um comprimento de 10 cm (2 vezes o diâmetro), para seguir com a proporção 1:2. Nos materiais dúcteis, o comprimento não deve ser muito grande, para evitar a flambagem (ZOLIN, 2011).

Quando o ensaio de compressão for aplicado em materiais frágeis, por exemplo, no ferro fundido em que a carga é aplicada até a ruptura, o cálculo do limite de resistência à compressão é determinado pela relação entre a carga máxima de compressão e a seção original do corpo de prova (ZOLIN, 2011).

3 ENSAIO DE COMPRESSÃO VERSUS ENSAIO DE TRAÇÃO

O esforço de compressão é o oposto do esforço de tração, uma vez que, um tende a reduzir a dimensão do material e o outro a aumentar a sua dimensão, respectivamente.


99

O comportamento elástico de um material metálico, sujeito à ação de carga, é semelhante quando exposto ao esforço de compressão e de tração, por isso podemos optar por um dos ensaios. Em geral, pela praticidade é mais utilizado o ensaio de tração para os materiais dúcteis. Uma vez que, o ensaio de compressão não tem grande aplicação, pois dependendo da característica de ductilidade do material, no ensaio de compressão irá apenas amassar o corpo de prova e não chegará ao valor máximo de resistência à compressão.

O ensaio de compressão é mais utilizado para observar o comportamento dos materiais frágeis, como os ferros fundidos, materiais cerâmicos, entre outros (ZOLIN, 2011). De acordo com Chiaverini (1986), o ensaio de compressão apresenta certas limitações, devido à:

• Dificuldade de aplicar-se uma carga axial ou verdadeiramente concêntrica.• Ocorrência de atrito entre os cabeçotes das máquinas de ensaio e as faces dos

corpos de prova, o que pode alterar os resultados.• Seções transversais dos corpos de prova, em geral, apresentam área apreciável,

para garantir uma boa estabilidade da peça, de modo que se torna necessária a utilização de máquinas de ensaio de grande capacidade ou corpos de prova tão pequenos e, portanto, tão curtos que dificultam a obtenção de medidas de deformação com precisão adequada.

• Altura do corpo de prova em relação a sua largura, pode ocorrer o efeito da flambagem, que é uma instabilidade lateral do material dúctil sob a ação de carga de compressão.

Os materiais frágeis, como o concreto e o ferro fundido, em função da presença de trincas microscópicas, são geralmente fracos em condições de tração, já que tensões de tração tendem a propagar essas trincas, que se orientam perpendicularmente ao eixo de tração. Nessas condições, a resistência à tração apresentada é baixa e varia de modo considerável com a amostra utilizada. Por outro lado, esses materiais são resistentes à compressão; para materiais frágeis, o limite de resistência à compressão pode chegar à ordem de 8 a 10 vezes o valor correspondente no ensaio de tração, por exemplo se a resistência à compressão de um corpo de prova cilíndrico é da ordem de 50 MPa, então a resistência à tração desse concreto está em torno de 6 MPa. Essa analogia fica clara na Figura 14, na qual tem-se uma comparação entre os desempenhos à tração e à compressão de dois materiais frágeis: ferro fundindo cinzento e concreto (GARCIA et al., 2012).


100

FIGURA 14- COMPARAÇÃO ENTRE OS COMPORTAMENTOS À TRAÇÃO E À COMPRESSÃO DE DOIS MATERIAIS FRÁGEIS

FONTE: Adaptado de Hayden (1965)

Os resultados do ensaio de compressão são influenciados pelas mesmas variáveis do ensaio de tração, que são elas: temperatura, velocidade de deformação, anisotropia do material, tamanho de grão, porcentagem de impurezas e condições ambientais. Bem como, na indústria de construção civil, para concretos e madeira, deve-se considerar o teor de água contido nos corpos de prova e sua idade (GARCIA et al., 2012).

Da mesma forma que o ensaio de tração, é possível determinar características particulares dos materiais quando submetidos a esforços de compressão, tais como (GARCIA et al., 2012):

• Limite de escoamento à compressão: para determiná-lo quando o material ensaiado não apresenta um patamar de escoamento nítido, utiliza-se a mesma metodologia empregada no ensaio de tração, em que se adota um deslocamento da origem no eixo da deformação de 0,2% de deformação e a construção de uma reta paralela à região elástica do gráfico tensão-deformação, conforme explicado anteriormente.

• Limite de resistência à compressão: máxima tensão que o material pode suportar antes da fratura. É determinada dividindo-se a carga máxima pela área inicial do corpo de prova.

• Dilatação transversal: esse parâmetro equivale ao coeficiente de estricção determinado no ensaio de tração e está relacionado com a plasticidade do material.

Enfim, fica clara a importância do conhecimento sobre o ensaio de compressão, uma vez que esse ensaio é de extrema necessidade para conhecer o comportamento mecânico dos materiais frágeis.

4 ENSAIO DE COMPRESSÃO PASSO A PASSO

O ensaio de compressão consiste na aplicação de carga de compressão crescente em um corpo de prova específico. A deformação linear, obtida pela medida

Concreto

CompressãoCompressão

Tens

ão (M

Pa)

Tens

ão (M

Pa)

Deformação Deformação

TraçãoTraçãoFerro fundido cinzento

843 21

14

7

562

281

0,01 0,01 0,02 0,03 0,040,02 0,03


101

FIGURA 15 - (A) ENSAIO DE COMPRESSÃO EM CORPO DE PROVA CILÍNDRICO; (B) RESULTADO DA FRATURA OBSERVADA EM MATERIAIS FRÁGEIS; (C) RESULTADO DA

FRATURA EM MATERIAIS DÚCTEIS


da distância entre as placas que comprimem o corpo versus a carga de compressão, consiste na resposta desse tipo de ensaio, basicamente utilizado na indústria de construção civil e na indústria de materiais cerâmicos (GARCIA et al., 2012).

O ensaio de compressão fornece resultados que permitem quantificar o comportamento mecânico do concreto, madeira, compósitos e materiais de baixa ductilidade (frágeis). Na indústria de conformação, é utilizado para parametrizar condições de processos que envolvam laminação, forjamento, extrusão e semelhantes. Os resultados numéricos obtidos no ensaio de compressão são semelhantes aos obtidos no ensaio de tração (GARCIA et al., 2012).

O ensaio de compressão pode ser executado em máquina universal de ensaios, a mesma utilizada no ensaio de tração, com a adaptação de duas placas (cabeçotes) lisas e de superfície perpendicular ao eixo de aplicação de carga. Uma dessas placas deve ser engasgada (fixa), e a outra, geralmente a placa superior é móvel. O corpo de prova usualmente tem a forma cilíndrica com diâmetro inicial (D0) e o comprimento original (L0) (GARCIA et al., 2012).

Na Figura 15a está exposto o corpo de prova cilíndrico no aparato de ensaio de compressão. Para o caso do ensaio em materiais frágeis, a fratura ocorre preferencialmente em plano a 45º do eixo de aplicação da carga, em geral com pequena deformação no diâmetro (Figura 15-b). Para o caso dos materiais dúcteis (metais de modo geral) em função do efeito do atrito entre a placa de aplicação de carga e o corpo de prova, ocorre o chamado embarrilhamento, em que se observa deformação pronunciada no centro do comprimento do corpo de prova (Figura 15-c) (GARCIA et al., 2012).

Placa móvel

P P

Placa fixa Placa fixa Placa fixa

Placa móvel Placa móvel

(a) (b) (c)

L0 L1 L1

D1

D0

D1

Cor

po d

e pr

ova

Cor

po d

e pr

ova

Cor

po d

e pr

ova

Fratura frágil

(plano 45')


102

Uma das principais precauções que devem ser tomadas na realização do ensaio é a dimensão do corpo de prova, que deve ter uma relação ente o comprimento e a seção transversal adequada para resistir à flambagem. A razão comprimento/ diâmetro (L0/ D0), dependendo da ductilidade do material, deve estar entre 3 e 8, para se evitar a flambagem. Outra condição que pode acarretar a flambagem é a falta de paralelismo entre as placas do equipamento (GARCIA et al., 2012).

Na Figura 16-a tem-se um corpo de prova com razão L0/ D0 inadequada, ou seja superior a 8, por exemplo o comprimento é de 45 cm e o diâmetro de 5 cm, com isso a razão L0/ D0 = 9 (45/ 5 = 9). Enquanto que na Figura 16-b tem-se um exemplo de como pode ocorrer a flambagem no material dúctil, percebe-se que o corpo de prova ao invés de reduzir a sua seção (ser esmagado) ele está “escapando” da aplicação da carga. Já, na Figura 16-c está exposto o comportamento do corpo de prova devido ao desalinhamento das placas do equipamento de compressão (GARCIA et al., 2012).

FIGURA 16: (A) CORPO DE PROVA COM RAZÃO L0/ D

0 INADEQUADA; (B)

FLAMBAGEM PARA CORPOS DE PROVA DÚCTEIS; (C) FLAMBAGEM DEVIDA AO DESALINHAMENTO DAS PLACAS DE COMPRESSÃO


Para a execução do ensaio de compressão, primeiro é necessário extrair ou moldar o corpo de prova e definir a idade que será ensaiado, por exemplo o concreto (cimento + agregado graúdo + agregado miúdo + água), comumente é ensaiado na idade de 28 dias, ou seja, após 28 dias do preparo do corpo de prova / 28 dias de hidratação do aglomerante (cimento) pelo contato com a água. A idade do ensaio vai depender do objetivo do ensaio e dos requisitos da norma.

Placa móvel

Placa fixa Placa fixa Placa fixa

Placa móvelPlaca móvel

Cor

po d

e pr

ova

com

razã

oL/

D>8

L0

D0

Ângulo dedesalinhamentoP P

(a) (b) (c)


103

O ensaio consiste em posicionar o corpo de prova cilíndrico ou cúbico no dispositivo de apoio do equipamento/prensa (hidráulica ou manual) e aplicar uma carga, que varia de acordo com o ensaio realizado e deve ser verificado em norma à carga e à velocidade do ensaio antes do início do procedimento.

Lembrando, que as faces rasadas do corpo de prova devem ficar em contato com o dispositivo de apoio, caso as faces não estejam rasadas deve-se realizar o capeamento (revestimento das superfícies com uma pasta de cimento ou enxofre derretido) deve ser fresado na fresadora, os dois procedimentos visam deixar as superfícies planas e sem nenhuma imperfeição, pois, por exemplo, a presença de um grão de areia nas superfícies que estão em contato com a prensa pode interferir no resultado final, reduzindo a resistência do material.

Por exemplo, para o corpo de prova cúbico (40 mm x 40 mm) de argamassas (cimento + agregado miúdo + água) deve ser aplicado uma carga de 500 ± 50 N/s até a ruptura do corpo de prova de acordo com a norma NBR 13279 de 2005.

Na Figura 17 está exposto o corpo de prova cúbico de argamassa no dispositivo de ensaio. Sendo que, a parte inferior do dispositivo é fixa e a parte superior do dispositivo é móvel, ou seja, a parte superior que aplica carga e comprime o corpo de prova.

FIGURA 17 - ENSAIO DE RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO

Fonte: Os autores

Parte móvel

Parte fixa

Corpo de prova

Superfícies rasadas/ planas


104

A resistência à compressão é dada pela Equação 1 (NBR 13279/ 2005):

Equação 1

Onde:Rc = resistência à compressão (MPa);Fc = carga máxima aplicada (N);A = área da seção, considerada quadrada 40mm x 40mm (mm2).

No Quadro 1 tem-se algumas normas de ensaios de compressão. Lembrando, as características como velocidade de aplicação da carga, a dimensão e o formato do corpo de prova irão variar de acordo com o material que se deseja ensaiar. Então, antes de moldar um corpo de prova é necessário verificar qual norma será necessário seguir.

QUADRO 1 - NORMAS DE ENSAIOS DE COMPRESSÃO

NORMA ANO NOME

NBR 13279 2005 Argamassa para assentamento e revestimento de paredes e tetos: determinação da resistência à tração na flexão e à compressão.

NBR 7215 1996 Cimento Portland: determinação da resistência à compressão.

NBR 5739 2018 Concreto – ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos.

NBR ISO 7500-1 2016

Materiais metálicos – calibração e verificação de máquinas de ensaio estático uniaxial. Parte 1: máquinas de ensaio de tração/compressão – calibração e verificação do sistema de medição da força.

NBR 8910 2016 Espuma flexível de poliuretano – determinação da resistência à compressão.

NBR 15174 2014Componentes metálicos e plásticos para calçados e artefatos – fivelas, enfeites e reboques/para-lamas – determinação da resistência à tração e compressão.

NBR 10936 2013Bloco de solo-cimento sem função estrutural – análise dimensional, determinação da resistência à compressão e da absorção de água – método de ensaio.

NBR 14272 1999 Tubos de PVC – verificação da compressão diametral.

NBR 12132 1991 Cabos telefônicos – ensaio de compressão – método de ensaio.

NBR 6582 1991 Tubo cerâmico para canalizações – verificação da resistência à compressão diametral.

FONTE: Os autores

RcFAc=

105

RESUMO DO TÓPICO 2

Neste tópico, nós vimos que:

• O ensaio de compressão é realizado em produtos acabados, para verificar o seu comportamento, por exemplo o ensaio em tubos e molas.

• O ensaio de compressão é comumente realizado em materiais frágeis, nos quais seu ensaio de tração seria complicado, pelas características do material frágil e porque a sua resistência à tração é em torno de 8 vezes menor que a resistência à compressão.

• Com o resultado do ensaio de compressão é gerado a curva tensão x deformação, a qual fornece informações valiosas sobre o material ensaiado, como seu limite de escoamento, o limite de proporcionalidade (Lei de Hooke) e a resistência à ruptura.

• Sempre que for realizar um ensaio é necessário verificar a norma técnica vigente e de acordo com a norma vai variar as características do ensaio e as dimensões do corpo de prova.

106

AUTOATIVIDADE

1 Os materiais podem, genericamente, ser classificados como “dúcteis” ou “frágeis”, considerando isso e um gráfico de tensão-deformação comum, como o apresentado na figura a seguir, descreva qual é a principal característica que diferencia os dois materiais.

2 Qual é a finalidade de existir um limite máximo entre a altura e área de seção transversal do corpo de prova e como isso influencia no ensaio?

3 Nota-se que a maioria dos materiais frágeis apresenta resistência à tração muito inferior que os índices resistidos à compressão. A que se deve essa diferença de comportamento mecânico?

4 Determine o valor da resistência à compressão de um concreto que resistiu 139 kN de carga sobre um corpo de prova de 4 x 4 cm de base.

5 Determine o valor da resistência à compressão de um concreto que resistiu 139 kN de carga sobre um corpo de prova cilíndrico de 10 cm de diâmetro.

107

TÓPICO 3

ENSAIO DE FLEXÃO

UNIDADE 2

1 INTRODUÇÃO

Olá, caro acadêmico! Bem-vindo ao Tópico 3 deste Livro de Estudos! Neste tópico vamos estudar o ensaio de flexão de materiais. Este ensaio consiste na aplicação de uma carga crescente em determinados pontos de um corpo de prova, biapoiados, de tamanho determinado e que pode ser concentrada em um ponto, chamado de ensaio de três pontos, ou em dois pontos de aplicação de carga, chamando-se então de ensaio de quatro pontos.

O esforço de flexão é um esforço composto, isto é, apresenta mais de um esforço distribuído ao longo do corpo de prova uma vez aplicada uma carga nesse elemento. Veremos as diferenças da distribuição dos esforços quando dos diferentes ensaios executados.

O ensaio de flexão é comumente aplicado para a caracterização dos materiais de maneira geral. Neste tópico serão abordados também como determinar as propriedades dos materiais de maneira experimental e de maneira analítica, baseado em normativas nacionais.

Além do conteúdo apresentado, você também aprenderá através de exercícios resolvidos para aumentar a fixação do conteúdo.

Bons estudos!

2 CONCEITOS DO ENSAIO DE FLEXÃO

O esforço de flexão é um esforço composto, ou seja, quando ocorre simultaneamente o esforço de compressão e de tração.

Diferentemente dos ensaios de compressão ou tração, em que se aplica exclusivamente tensões normais individuais, ou nos ensaios de cisalhamento, como o ensaio de torção. No ensaio de flexão existem tensões compostas aplicadas em conjunto no momento da aplicação da carga, onde se impõe tensão compressiva, de tração e de cisalhamento ao mesmo tempo.

Os níveis máximos de tensão de tração e de compressão, assim como a tensão cisalhante sobre o corpo de prova dependem da configuração geométrica da seção, e um corpo de prova poderá apresentar maiores ou menores níveis de rigidez, dependendo fundamentalmente da forma geométrica da seção transversal.

108


No ensaio de flexão mede-se o valor da carga x deflexão (δ), deslocamento dos pontos de aplicação de carga. É um ensaio muito utilizado na indústria de cerâmicos, em concreto e madeira; metais duros, como ferro fundido, aço ferramenta e aço rápido, que são ligas de aço compostas de carbono, cobalto, cromo, manganês, molibdênio, tungstênio, vanádio, entre outros íons, utilizados comumente em equipamentos de cortes, devido ao fato de fornecer dados quantitativos da deformação que esses materiais podem sofrer quando sujeitos a cargas de flexão.

Os materiais dúcteis, quando sujeitos a esse tipo de carga, são capazes de absorver grandes deformações, ocorrendo dobramento do corpo de prova, não fornecendo assim resultados quantitativos qualificados para o ensaio de flexão, pois não chegam ao seu ponto de ruptura (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

Os principais resultados do ensaio de flexão são: módulo de ruptura – MOR (σfu), módulo de elasticidade em flexão – MOE (Etf), módulo de resiliência em flexão (Urf) e tenacidade em flexão (Utf). Esse ensaio é comumente empregado para o controle das especificações mecânicas de componentes em geral. Os resultados obtidos no ensaio de flexão podem variar com a temperatura, a velocidade da aplicação da carga, defeitos superficiais, características microscópicas e, principalmente, com a geometria da seção transversal da amostra.

Para o caso da determinação das propriedades relacionadas à resistência dos materiais cerâmicos, é mais usual a utilização do ensaio de flexão em vez do ensaio de tração. A máxima tensão até a ruptura é conhecida como módulo de ruptura ou resistência à flexão. No caso da madeira, o ensaio de flexão é realizado utilizando-se dois pontos de aplicação de carga. Como a resistência da madeira em condições de compressão ao longo das fibras é muito menor que em condições de tração, o processo de fratura começa na zona comprimida na forma de ondulações. A fratura completa ocorre na zona tracionada e consiste na ruptura ou clivagem das fibras externas e consequente fratura final. Madeiras de alta qualidade produzem uma fratura fibrosa, e madeiras de baixa qualidade, uma superfície de fratura quase lisa.

2.1 ESFORÇOS ATUANTES NO CORPO DE PROVA

À medida que se aplica carga em um corpo de prova à flexão, esse material apresentará uma deformação, seja elástica ou plástica, dependendo das propriedades do material. Essa deformação é caracterizada como deflexão, e o resultado dessa deflexão são os esforços atuantes nesse corpo de prova. A medida que o corpo de prova se deforma, existem duas zonas em que os esforços se distribuem (FIGURA 18). Essas zonas são chamadas de zona de compressão e zona de tração, separadas por uma linha neutra, e na seção da linha neutra os esforços são nulos (Figura 19).

TÓPICO 3 | ENSAIO DE FLEXÃO

109

FIGURA 18 – ESQUEMA IDEALIZADO DAS ZONAS DE ESFORÇOS EM UM CORPODE PROVA SUJEITO À FLEXÃO

a)

b)Zona comprimida

Aplicação de carga

Zona tracionadaLinha neutra

a) Corpo de prova no seu estado inicial; (b) Corpo de prova deformado pela aplicação de carga.

FONTE: Os autores

FIGURA 19 – DISTRIBUIÇÃO DE ESFORÇOS NO CORPO DE PROVA FLETIDO

FONTE: Garcia, Spim e Santos (2012)

Tensões detração

Superfícieneutra (σ = 0)

Tensões decompressão

Quando se realiza o ensaio de flexão nos corpos de prova, os esforços que são gerados na seção transversal do seu interior podem ser determinados de maneira simplificada, assumindo-se algumas hipóteses (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012):

110


A equação da viga de Euler-Bernoulli é um modelo físico e matemático para o comportamento de uma viga. Foi desenvolvida pelos matemáticos Leonhard Euler e Jakob Bernoulli.

ATENCAO

FIGURA 20 – SEÇÃO TRANSVERSAL INCLINADA EM RELAÇÃO AOCENTRO DA CURVATURA

• corpo de prova inicialmente retilíneo;• material homogêneo e isotrópico;• validade da Lei de Hooke (σ = E x ). Isto é, material elástico;• consideração de Euler-Bernoulli: seções planas permanecem planas. Para essa

consideração admite-se que, durante a deformação do corpo de prova, as seções transversais do corpo de prova não sofrem deformação, apenas se curvam em relação ao centro de curvatura;

• existe uma superfície neutra que passa pelo eixo longitudinal do corpo de prova, que não sofre tensão normal (σ = 0). O cruzamento da superfície neutra com qualquer seção transversal do corpo de prova gera uma linha chamada de linha neutra (LN). Essa linha se encontra no centro de gravidade da seção transversal do corpo de prova e não se desloca durante a flexão. A inclinação ou giro da seção em relação ao centro de curvatura deverá ocorrer sobre essa linha (Figura 20);

• a distribuição da tensão normal na seção transversal é linear, com a máxima compressão na superfície interna (superior) do corpo de prova e a máxima tração na sua superfície externa (inferior).

Parte do corpode provas apósflexão

Bernoulli - Seções planaspermanecem planas

0 - Centro decurvatura


111

Condição de Bernoulli em que as infinitas seções transversais do corpo de prova inclinam-se ao centro da curvatura, sem deformação.


Uma vez conhecendo-se como são distribuídos os esforços no elemento, faz-se necessário conhecer os esforços que atuarão durante a deformação. Devido à carga aplicada, são gerados no interior do corpo de prova uma força cortante (V), ou de cisalhamento, e um momento fletor (M), os quais podem variar ao longo do eixo longitudinal, dependendo do ponto de aplicação da carga de flexão.

A força cortante corresponde a um esforço de cisalhamento que ocorre na seção transversal, com o objetivo de balancear a carga aplicada e os apoios (ou engaste). O momento fletor equivale a um esforço de giro da seção transversal que objetiva equilibrar o efeito da flexão. O cálculo da força cortante e do momento fletor pode ser realizado mediante o método das seções, em que se admitem cortes no corpo de prova desde uma extremidade até a outra, balanceando os esforços existentes ao longo do eixo longitudinal. Para tanto, se faz necessário estabelecer uma convenção de sinais para a aplicação das cargas e dos esforços atuantes.

No caso do esforço cortante, quando o valor é positivo, é representado acima da linha de referência nos diagramas de representação. Enquanto que no caso do momento fletor, o valor positivo corresponde à face tracionada do elemento. Isto é, quando uma viga é flexionada, a parte tracionada localiza-se na face inferior do corpo de prova. Logo, o valor positivo, é representado na parte inferior da linha referência nesse tipo de análise.

De maneira mais explicativa, na Figura 21 são apresentados os diagramas de momento fletor e esforço cortante nos ensaios de flexão de três e quatro pontos.

FIGURA 21 – DISTRIBUIÇÃO DOS ESFORÇOS NOS CORPOS DE PROVA NOS ENSAIOS DE FLEXÃO DE TRÊS E QUATRO PONTOS

Cortante máxima negativa = /

P

-P 2

2Cortante máximo = / 4P xMomento máximo = ____

ESFORÇOCORTANTE

MOMENTOFLETOR

Vão entre apoios (/)

Aplicação de carga (P)

a)

112


Onde: MFmáx é o momento fletor máximo; P é a carga aplicada, l é o vão entre os apoios inferiores; Vmáx é o esforço cortante máximo; a é a distância longitudinal entre o ponto de aplicação da carga e o apoio inferior.

Cortante máxima negativa = /-P 2

P 2Cortante máximo = / lP x aMomento máximo = _____

ESFORÇOCORTANTE

MOMENTOFLETOR

Vão entre apoios (/)

Aplicação de carga

b)

nulo

a) Flexão em três pontos; (b) Flexão em quatro pontos.FONTE: Adaptado de Valle, Rovere e Pillar (2013) e Callister (2007)

Uma vez que a carga (P) é aplicada no corpo de prova, os esforços são distribuídos e podem ser calculados através da Equação 1 e Equação 2.

Momento fletormáximo

Esforço cortante máximo

Ensaio de 3 pontos Equação 1

Ensaio de 4 pontos Equação 2

2.1.1 Tensão normal na seção transversal

A linha neutra (LN) é a interseção entre a parte tracionada e a parte comprimida do corpo de prova. Essa LN passa, necessariamente, no centro geométrico do corpo de prova (centroide), e quanto mais afastada da linha neutra, maior a tensão aplicada.

M P lFmáx �

�4

M P alFmáx ��

V Pmáx � � 2

V Pmáx � � 2


113

Onde: σ é a tensão normal na seção transversal; MF é o momento fletor; IZ é o momento de inércia (depende da geometria da seção transversal); é a distância em relação à linha neutra.

O cálculo da altura da linha neutra é realizado por uma série de equações de integração e pode ser conferida na referência (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

UNI

Uma vez que se conhecem os valores de momento fletor, esforço cortante e a localização da linha neutra, é possível determinar a tensão máxima aplicada na seção transversal do corpo de prova, através da Equação 3.

Por exemplo, em uma seção simétrica, como um quadrado, retângulo etc.; a linha neutra está localizada exatamente à metade da altura da seção (Figura 22). Nesse caso, o valor de é igual a zero, isto é, o valor é nulo. Enquanto que nas extremidades, o valor é máximo.

Equação 3

FIGURA 22 – LOCALIZAÇÃO DA LINHA NEUTRA EM SEÇÃO TRANSVERSAL SIMÉTRICA

FONTE: Os autores

Linha neutrah

b

c

c

� � ��MI

cF

z

C

c

114


Caro acadêmico! Para fixar esse conceito, vamos analisar um exemplo resolvido a seguir.

Exemplo 1 – Determine o valor da máxima tensão normal (σ) para uma viga de seção transversal de 120 mm x 60 mm, com momento fletor máximo aplicado de 2 kN.m.

a) Calcular a tensão máxima quando a base for 60 mm, IZ = 8,64 x10-6 m4; b) Calcular a tensão máxima quando a base for 120 mm, IZ = 2,16 x10-6 m4.

60

60 120

120

a) b)

Nota-se que quando o elemento é flexionado na direção em que possui maior altura, o valor de tensão máxima é menor, que significa que nessa configuração, o elemento suporta maior carga.

Com base nesse exemplo, é possível fazer um paralelo com as vigas encontradas no dia a dia nos elementos estruturais, note que quando se utilizam elementos flexionados, a geometria do elemento estrutural tende, predominantemente, a possuir a altura com dimensão superior à sua base.

a) Nesse caso, o valor de é equivalente à metade da altura do corpo de prova, 60 mm. Aplicando-se os valores na Equação 3, tem-se:

c

cb) Nesse caso, o valor de é equivalente à metade da altura do corpo de prova, 30 mm. Aplicando-se os valores na Equação 3, tem-se:

� � ��MI

cF

z-6

2000 0,068,64 10

σ = ××

Logo 13,89 MPa

Logo 27,78 MPa� � ��MI

cF

z-6

2000 0,032,16 10

σ = ××


115

2.2 MOMENTO DE INÉRCIA E CURVA TENSÃO VERSUS DEFLEXÃO (δ)

O momento de inércia pode ser generalizado como sendo a distribuição da massa de um corpo em torno de um eixo de rotação. Quanto maior o momento de inércia de um corpo, mais difícil será fazê-lo girar.

Considerando esse conceito e uma barra longitudinal, podemos verificar que quanto maior a altura de um determinado corpo de prova, maior será o seu momento de inércia e mais difícil será de flexioná-lo.

Para ilustrar esse conceito, pegue uma régua qualquer e tente flexioná-la com ela “deitada”. Você notará que haverá grande deformação com a aplicação de um pequeno esforço.Agora, flexione a régua de modo que ela esteja “em pé”, ou seja, a base da régua deve ser a menor dimensão. Perceba que há a necessidade de uma quantidade consideravelmente maior de esforço para que a régua se deforme.Isso acontece pelo momento de inércia ser dependente da geometria da seção transversal e da massa em relação ao centro de gravidade.

NOTA

Na engenharia, as seções utilizadas para o desenvolvimento de elementos estruturais, costumam convergir para seções do tipo I, quadrada, retangular ou circular. Para esse tipo de seção transversal, as equações de momento de inércia são apresentadas na Equação 4 à Equação 6.

Tipo da seção Equação do Momento de inércia

Equação 4

Equação 5

Equação 6

I b h A Yz � ��

� ��

��

�

��

3

2

12

I b hz �

� 3

12

I Dz �

�� 4

64

Onde: Σ é “somatória”; b é o valor da base do corpo; h é a altura; A é a área; é o valor do centro de gravidade; D é o valor do diâmetro.Y

116



Exemplo 2 - Determine o momento de inércia de um elemento de seção transversal tipo “I”, com as dimensões a seguir (BEER et al., 2011):

200 mm15 mm

15 mm

300 mm30 mm

O centro de gravidade do perfil I é exatamente na metade da altura do perfil. Nesse caso, é na altura de 165 mm desde a base. Para o cálculo, deve-se separar o perfil em três partes, sendo elas a base, a parte superior e a alma (parte do meio do perfil). Cada parte deverá ser calculada em relação ao seu centro de gravidade e em relação ao centro de gravidade da peça como um todo.

Como a parte superior e a parte inferior são simétricas, apresentam o mesmo valor. O centro de gravidade dessas partes está localizado a 157,5 mm do centro de gravidade da peça inteira. Já, o centro de gravidade da alma coincide com o centro de gravidade da peça inteira. Assim, é possível colocar os valores na Equação 4 e determinar o valor do momento de inércia da peça, como apresentado a seguir.

I b h A Yz � ��

� ��

��

�

��

3

2

12

Iz ��

� ��

��

�

��

��

��

��

��

��

200 15

12200 15 157 5 2

30 300

123

3

2

3

, 00 300 02��

��

�

��

421645000 zI mm=


117

Considerando as geometrias da seção transversal I, retangular e circular, é possível perceber que o maior momento de inércia acontece na seção do tipo “I”, pois há menor quantidade de massa mais próximo ao seu centro de gravidade, ou seja, é mais difícil de girar em torno de seu próprio eixo. Essa característica é refletida no seu comportamento mecânico à flexão, na Figura 23 é apresentada uma comparação entre corpos de prova com alturas equivalentes entre si, submetidos à flexão.

FIGURA 23 – DEFLEXÃO DE CORPOS DE PROVA COMDIFERENTES SEÇÕES TRANSVERSAIS

FONTE: Adaptado de Garcia, Spim e Santos (2012)

Seçãotransversaldo corpode prova

Deflexão (mm)

Car

ga (P

)

Pmáx

Pmáx

Pmáx

Nota-se, pela Figura 23, que o elemento de seção I possui uma maior resistência mecânica e menor deflexão, isso devido ao seu maior momento de inércia.

Com relação à curva tensão x deflexão (δ), existem três estágios principais (Figura 24). Primeiro, um período elástico, em que a tensão e a deformação apresentam uma variação linear e aumentam progressivamente. Isto é, nesse estágio, as deformações são reversíveis e uma vez retirada a carga do corpo de prova, volta ao seu estado de deformação inicial. O segundo estágio, um estágio não linear onde há um aumento de deformação em relação à tensão (até um pico de tensão), onde as deformações não são mais reversíveis e apresentam deformação plástica, isto é, uma vez retirada a carga aplicada, o corpo de prova recuperará a sua deformação elástica, mas não a sua deformação plástica, resultando em uma deformação em relação ao seu estado inicial. E um terceiro estágio, pós-pico de tensão e em que não há mais necessidade de aumento de tensão para a deformação do corpo de prova. Caracterizando no aumento característico da deflexão.

118


FIGURA 24 – ESTÁGIOS DE DEFORMAÇÃO À FLEXÃO

Car

ga (P

)1º

estágio2º

estágio3º

estágio

Deflexão (δ)FONTE: Os autores

2.3 DETERMINAÇÃO DA DEFLEXÃO DO CORPO DE PROVA NO ENSAIO DE FLEXÃO

A determinação da deflexão do corpo de prova também é possível de ser realizada de maneira analítica por modelos matemáticos. Isto é, conhecendo-se as propriedades do material analisado, é possível determinar o nível de deflexão com o aumento da carga no ensaio. Esse método é bastante usual, principalmente, quando não há possibilidade da medida da deflexão por sensores de deslocamento no equipamento de ensaio.

Na Equação 7 e Equação 8 são apresentados os modelos para a determinação da deflexão de corpos de prova de seção quadrada/retangular e seção circular.

FIGURA 25 – TIPO DE SEÇÃO

Tipo da seção

Ensaio de três pontos Equação 7

Ensaio de quatro pontos

Equação 8


� ��

� � �P lE b h

3

34

��

��

� � �4

3

3

4

P lE D

� ��

� � ��

�� P a

E b hl a

43 4

3

2 2 ��

��

� � ��

�� 4

33 4

4

2 2P aE D

l a


119


Exemplo 3 – Determine o valor da deflexão máxima no ensaio de três e quatro pontos de uma viga de seção transversal retangular de 40 mm x 10 mm, carga máxima aplicada de 5 kN, vão central do corpo de prova de 100 mm e módulo de elasticidade (E) de 25 GPa.

a) Calcular a deflexão máxima quando a base for 10 mm;b) Calcular a deflexão máxima quando a base for 40 mm.

10

10 40

40

a) b)

a) Flexão três pontos

b) Flexão quatro pontos

� ��

� � �P lE b h

3

34

� ��

� � �5000 100

4 25 10 10 40

3

9 3x0,078 mmδ =

� ��

� � ��

�� P a

E b hl a

43 4

3

2 2

� ��

� � �� 5000 33 3

4 25 10 10 403 100 4 33 3

9 3

2 2,,

x

0,066 mmδ =

120


c) Flexão três pontos

d) Flexão quatro pontos

Nesse exemplo, é possível verificar que o valor da deflexão quando executada em três pontos, obtém-se um valor maior que quando executado o ensaio de quatro pontos. Isso é devido à concentração de tensão em um único ponto do corpo de prova, enquanto que no ensaio de quatro pontos, a carga é distribuída de maneira uniforme entre os pontos de aplicação da carga.

Além disso, é possível verificar que quando o corpo de prova é ensaiado com a menor altura, a deflexão é na ordem de 100 vezes maior, por exemplo, passando dos 0,078 mm para 1,25 mm, ilustrada na figura a seguir.

FIGURA 26 – DIFERENÇA DE DEFLEXÃO EM CORPOS DE PROVA COM MESMA SEÇÃO TRANSVERSAL ENSAIADOS EM DIFERENTES SENTIDOS

FONTE: Os autores

Car

ga (P

)

Deflexão

� ��

� � �P lE b h

3

34

� ��

� � �5000 100

4 25 10 40 10

3

9 3x1,25 mmδ =

� ��

� � ��

�� P a

E b hl a

43 4

3

2 2

� ��

� � �� 5000 33 3

4 25 10 40 103 100 4 33 3

9 3

2 2,,

x

1,06 mmδ =


121

Isso pode ser relacionado com o valor de tensão normal e de valor do momento de inércia da seção transversal. Isto é, mesmo com a mesma área de seção transversal, quando o corpo de prova é ensaiado com a menor altura, há uma maior tensão aplicada em toda área da seção, que é dependente do seu momento de inércia. Essa diferença dos valores de tensão aplicada, resultam na diferença da deflexão, calculada nesse exemplo.

2.4 DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FLEXÃO

A determinação da resistência à flexão, também conhecida por Módulo de ruptura (MOR), é o valor máximo de carga/tensão suportada pelo corpo de prova no ensaio de flexão. Para elementos ou corpos de prova com seção transversal do tipo retangular/quadrada, é possível determinar, no caso do ensaio de três pontos, pela Equação 9, de acordo com a NBR 13279 (2004) e no ensaio de quatro pontos pela Equação 10, de acordo com a NBR 12142 (2010).

Tipo de ensaio Equação para determinação do MOR

3 pontos Equação 9

4 pontos Equação 10


Exemplo 4 – Determine o valor da resistência à flexão nos ensaios de três e quatro pontos de um corpo de prova com altura de 40 mm, base de 40 mm e comprimento de 160 mm. O vão entre apoios (l) é de 100 mm e a carga aplicada foi de 3 kN.

Aplicando-se os valores do enunciado na Equação 9 e Equação 10, tem-se:

Flexão três pontos:

Flexão quatro pontos:

MOR P lb hmáx�

� ��

3

22

MOR P lb hmáx��

� 2

MOR P lb hmáx�

� ��

3

22

MOR � � ��

3 3000 100

2 40 402

7,03 MOR MPa=

MOR P lb hmáx��

� 2 MOR � ��

3000 100

40 402

4,68 MOR MPa=

122


Nota-se que se o corpo de prova resistir a uma mesma carga aplicada o resultado obtido não é igual nos dois ensaios. Isso é devido ao tipo de carga aplicada. No ensaio de três pontos, a carga é concentrada em um ponto do corpo de prova, o que potencializa a fissuração nesse determinado ponto. Enquanto que no ensaio de quatro pontos, os esforços estão distribuídos em um determinado espaço do corpo de prova, resultando em um valor inferior de resistência à flexão.

Com base nisso, deve-se sempre analisar qual ensaio é mais adequado para avaliar as propriedades do material, se o ensaio de três pontos ou de quatro pontos. Por exemplo, se o objetivo é analisar um compósito reforçado com fibras, recomenda-se a utilização do ensaio de quatro pontos, pois assim não há uma concentração de tensão no meio do corpo de prova, e o reforço fibroso pode ser avaliado com mais detalhes.

3 EXECUÇÃO DOS ENSAIOS À FLEXÃO

Para a execução dos ensaios de flexão é necessária uma metodologia que normalmente é acompanhada de normativas específicas. Neste livro, a metodologia e as instruções para a execução dos ensaios de flexão são baseadas na NBR 13279 (2004) e NBR 12142 (2010).

Na figura a seguir são apresentados os ensaios de flexão com três e quatro pontos.

FIGURA 27 – EXEMPLOS DE ENSAIO FLEXÃO TRÊS E QUATRO PONTOS

B)


123

B)FONTE: Adaptado de INSTRON (s.d.)

Para a execução do ensaio, deve-se:

• Configurar a distância entre os apoios inferiores de acordo com a normativa em execução. Ajustar a distância dos pontos de aplicação da carga (no caso do ensaio de quatro pontos).

• Posicionar o corpo de prova do modo mais centralizado possível nos apoios inferiores (a bases dos corpos de provas devem estar as mais planas possíveis, pois uma imperfeição na base pode ocasionar desvios e alterações nos resultados).

• Configurar a prensa universal de aplicação de carga para a velocidade normatizada (os resultados são sensíveis à essa variável).

• Configurar/ ajustar os equipamentos de medida de deslocamento (deflexão) do corpo de prova (se necessário).

• Aplicar a carga no corpo de prova até a sua ruptura.

124



ENSAIOS LABORATORIAIS

Determinantes para qualidade final da construção, testes de desempenham precisam estar sincronizados à evolução da obra.

BRUNNA STAVIS

Para elevação da qualidade geral da construção civil é imprescindível a existência de memoriais de especificações e desempenho dos elementos construtivos, visando garantir compras mais acertadas e precisas. Afinal, todo sistema de qualidade exige a escolha de serviços controlados por meio de parâmetros de projetos e que possam ser analisados seguindo normas técnicas pertinentes a cada caso.

Nesse contexto, ensaios de laboratório testemunham a observância de tais parâmetros, estabelecendo registros para garantia da qualidade. Outra função importante, especialmente para materiais como concreto armado ou argamassa, por exemplo, é a definição da rastreabilidade de cada serviço. Para cada material existem ensaios laboratoriais e de recebimento na obra, definidos por normas brasileiras e internacionais.

ESPECIFICAÇÃO

A contratação de ensaios laboratoriais passa pela avaliação da capacitação do laboratório que prestará os serviços. Antes da contratação é importante analisar a composição do corpo técnico, o atendimento dos equipamentos e dos ensaios às normas, o recebimento e acondicionamento dos materiais a serem analisados, os formulários de ensaio – levando em consideração a rastreabilidade –, a climatização, a documentação dos procedimentos, a análise crítica e interpretativa dos resultados, a participação de programas interlaboratoriais etc.

Para a contratação, "normalmente o cliente entra em contato, informa o tipo de ensaio necessário e as especificações do projeto, a empresa elabora o orçamento e, após o aceite, o serviço é executado", afirma Roberta Bomfim Boszczowski, engenheira civil e doutora em Geotecnia, responsável pelo Laboratório de Solos da Fugro In Situ Geotecnia.

De acordo com o engenheiro e professor César Zanchi Daher, diretor da Daher Tecnologia em Engenharia, para contratação de ensaios laboratoriais é imprescindível o acompanhamento do engenheiro tecnologista. É ele quem define os ensaios necessários para cada material. Esse profissional também fica responsável pela logística de recebimento e planejamento de ensaios, bem como a análise interpretativa e crítica dos resultados, visando à liberação ou não do uso dos materiais.


125

LOGÍSTICA E CUIDADOS NO CANTEIRO

Segundo Daher, o correto recebimento dos materiais determina a precisão dos ensaios e, por isso, deve fazer parte do planejamento logístico da obra. A finalidade é proporcionar o tempo adequado para execução dos ensaios. "No caso do concreto dosado em central é preciso ficar atento ao momento de saída da central, com o ensaio de abatimento, além de verificar o lacre da betoneira, cujo número deve estar de acordo com o número da nota fiscal", exemplifica.

Para Roberta, as amostras devem chegar ao laboratório com as mesmas características de campo para não comprometer o resultado. "No caso das amostras de solo indeformadas, por exemplo, essas características são ainda mais importantes. O transporte deve garantir a integridade das mesmas, sua densidade e teor de umidade. Portanto, elas devem ser cuidadosamente embaladas com parafina e transportadas em caixas de madeira forradas com serragem úmida. É preciso ter cuidado também na especificação dos locais de coleta, dos cuidados na sua retirada e no número de amostras representativas para a obra", destaca.

COTAÇÕES DE PREÇOS E FORNECEDORES

O orçamento é feito com base nos custos necessários para execução dos ensaios. "Estimo que estes custos variem entre 2% e 5% do custo do material. Este valor deverá ser acrescido do item mais importante: a consultoria do engenheiro tecnologista. É ele que fará a análise interpretativa e crítica dos resultados, dando o parecer final sobre os mesmos", conta Daher. Segundo ele, esse custo está diretamente relacionado ao valor da hora técnica do profissional, que hoje varia entre R$ 250 e R$ 350, afirma.

Geralmente, o pagamento pode ser efetuado com uma entrada de 20% a 30% e o restante 15 a 20 dias após a entrega dos serviços. No entanto, a forma de pagamento pode variar conforme a empresa contratada. "Os valores de uma campanha de laboratório variam conforme o tipo e a duração dos ensaios. Normalmente, o pagamento é efetuado depois de entregue o relatório. Após a entrega, é feita a medição e é emitida a nota fiscal", destaca Roberta.

ENTREVISTA COM ARNALDO BATTAGINQualidade atestada

Quais são os procedimentos para a contratação de ensaio?

É preciso mandar um e-mail solicitando o tipo de ensaio. Depois disso, o cliente recebe um orçamento onde consta o prazo de entrega, a quantidade de amostras, o método do ensaio, o preço e as condições de pagamento. O processo é feito desta forma porque os laboratórios da ABCP (Associação Brasileira de Cimento Portland) são certificados pelo ISO 9001 e possuem acreditação no Inmetro (Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial). Por ano realizamos cerca de 12 mil ensaios.

126


Como é feito o pagamento?

O pagamento dos serviços prestados pelo laboratório da ABCP é feito após a entrega do laudo. Hoje os laudos são digitais até mesmo por questões ambientais. Achamos que haveria certa resistência, mas tivemos ótima aceitação. O sistema gera uma senha para o cliente e por meio dela ele tem acesso ao laudo. Junto é enviada a nota fiscal e o pagamento é feito em até 30 dias.

Quem pode contratar?

Há 15 anos, os laboratórios deixaram de atender somente fabricantes de cimento e passaram a atender também construtoras, concreteiras, laboratórios particulares e consultores independentes.

Quais as especialidades?

O laboratório da ABCP possui oito especialidades: química, meio ambiente, cimento, metrologia, mineralogia, concreto, solo-cimento e argamassa industrializada. Há dois anos, a ABCP investe cerca de R$ 400 mil por ano em seus laboratórios, principalmente na parte analítica e instrumental.

Qual a formação dos profissionais que realizam os ensaios?

Quem faz os ensaios normalmente são técnicos em química, mas temos profissionais das mais diversas áreas, como geólogos, engenheiros civis, químicos, engenheiros mecânicos, entre outros.

De que forma os ensaios podem garantir a qualidade durante a execução do serviço? Prevenir é fácil, consertar é muito difícil. Os ensaios de laboratório servem para atestar a qualidade na construção civil. Recentemente, realizamos um estudo muito grande de prevenção de patologias de concreto para a duplicação da barragem do Tucuruí.

Normas técnicas

A norma de desempenho NBR 15575 – Edifícios Habitacionais de até Cinco Pavimentos – Desempenho, da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) define critérios de desempenho para a habitabilidade, segurança e sustentabilidade de edificações ao longo de uma vida útil mínima obrigatória. É ela quem define as responsabilidades dos agentes envolvidos, desde o incorporador até o usuário, trazendo novos parâmetros de projeto e especificação. "Esta norma força a adequação de todos os produtos da cadeia produtiva. Para cada material especificado e a ser empregado existe uma norma com as especificações e desempenho mínimos", destaca Daher.

FONTE: <http://construcaomercado17.pini.com.br/negocios-incorporacao-construcao/121/artigo298909-1.aspx>. Acesso em: 12 dez. 2018.

127

RESUMO DO TÓPICO 3

Nesse tópico, nós vimos que:

• O ensaio de resistência à flexão é comumente utilizado para a determinação de propriedades dos materiais de uma maneira geral.

• Os fundamentos para a determinação das propriedades dos materiais à flexão necessitam de algumas generalizações matemáticas para simplificar os cálculos.

• O fenômeno de flexão é complexo, pois possui mais de um esforço atuante no momento da aplicação da carga.

• O tipo da seção transversal e, por consequência, o momento de inércia possuem impacto direto nas propriedades do elemento à flexão, e quanto maior o momento de inércia, maior será o valor da resistência à flexão (para um mesmo material).

128

1 Quando um corpo de prova é solicitado à flexão, existe uma linha imaginária que divide a seção do corpo de prova e compressão e tração. Qual é a influência dessa linha no comportamento mecânico do material?

2 Determine o valor da deflexão de um corpo de prova submetido ao ensaio de flexão de 3 pontos, onde a carga aplicada foi de 6 kN, o valor do vão central do ensaio é de 10 cm, o valor do módulo de elasticidade do material é de 45 GPa, a base do corpo de prova possui 2 cm e possui altura de 3 cm.

3 Determine o valor de tensão que o corpo de prova estará suportando quando em um ensaio de flexão, aplicando-se um momento fletor de 3 kN.m, sendo o corpo de prova com base de 2 cm e altura de 7 cm.

4 Determine o valor do módulo de ruptura de um corpo de prova em um ensaio de flexão 3 pontos. O corpo de prova apresentou carga máxima de 10 kN, foi ensaiado com vãos entre apoios de 12 cm e possui base de 2,5 cm e altura de 6,5 cm.

5 Determine o valor do módulo de ruptura de um corpo de prova em um ensaio de flexão 4 pontos. O corpo de prova apresentou carga máxima de 9 kN, foi ensaiado com vãos entre apoios de 10 cm e possui base de 5 cm e altura de 5 cm.

AUTOATIVIDADE

129

UNIDADE 3

ENSAIOS COMPLEMENTARESDE MATERIAIS


PLANO DE ESTUDOS

Após o estudo desta unidade, você será capaz de:

• analisar e realizar ensaios de dureza Brinell, dureza Rockwell, dureza Vickers e microdureza Vickers e Knoop nos materiais;

• avalisar e realizar ensaios de fadiga em materiais;

• verificar as curvas tensão x número de ciclos em resultados experimentais de fadiga;

• analisar e realizar ensaio de torção em materiais;

• calcular os parâmetros físicos e grandezas necessárias para a determinação de propriedades dos materiais.

Esta unidade encontra-se dividida em três tópicos. Ao longo de cada um deles, você encontrará sugestões e dicas que visam potencializar os temas abordados, e ao final de cada tópico estão disponíveis resumos e autoatividades, que visam fixar os temas estudados.

TÓPICO 1 – ENSAIO DE DUREZA DOS MATERIAIS

TÓPICO 2 – ENSAIO DE TORÇÃO

TÓPICO 3 – ENSAIO DE FADIGA

130

131

TÓPICO 1

ENSAIO DE DUREZA DOS MATERIAIS

UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Olá, caro acadêmico! Bem-vindo ao Tópico 1 da Unidade 3 deste livro de estudos. No tópico vamos estudar o ensaio de dureza em materiais. Esse ensaio é largamente utilizado na engenharia e na especificação dos materiais, um exemplo bastante significativo e claramente utilizado nos pisos residenciais ou peças de revestimento, que devem apresentar uma resistência ao desgaste ou dureza adequada, de modo a serem duráveis ao atrito, por exemplo.

De maneira geral, o conceito de dureza (adimensional) é tratado de forma diferente dependendo do contexto em que se aborda o assunto, sendo comumente relacionado à capacidade de deformação (módulo de elasticidade) como resistência ao choque, entre outros. Neste Tópico, trataremos a dureza no seu sentido fundamental, que é a capacidade de um material riscar o outro.

Assim, você como engenheiro, será capaz de avaliar os materiais através dessa propriedade e determinar o material adequado para cada projeto, com base nas características necessárias, da melhor maneira possível.

2 CONCEITOS DO ENSAIO

A dureza é uma propriedade mecânica cujo conceito segue a resistência que um material, quando pressionado por outro material ou por marcadores padronizados, apresenta ao risco ou à formação de uma marca permanente. Os métodos e ensaios mais aplicados em engenharia utilizam-se de penetradores com formato padronizado e que são pressionados na superfície do material sob condições específicas de pré-carga e/ou carga, causando inicialmente deformação elástica e, em seguida, deformação plástica. A área da marca superficial formada ou a sua profundidade são medidas e correlacionadas a um valor numérico que representa a dureza do material. Essa correlação é baseada na tensão que o penetrador necessita para vencer a resistência da superfície do material (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

UNIDADE 3 | ENSAIOS COMPLEMENTARES DE MATERIAIS

132

A dureza de um material depende diretamente das forças de ligação entre átomos, íons ou moléculas, do escorregamento de planos atômicos, assim como da resistência mecânica. Nos sólidos moleculares, como os plásticos, as forças atuantes entre as moléculas (forças de Van der Waals) são baixas, e eles são relativamente macios. Os sólidos metálicos e iônicos, devido à natureza mais intensa das forças de ligação, são mais duros, enquanto os sólidos de ligação covalente são os materiais conhecidos com maior dureza. A dureza dos metais pode também ser aumentada por tratamentos especiais, como adição de soluto, trabalho a frio, refino de grão, endurecimento por precipitação, tratamentos térmicos ou termoquímicos específicos. Há uma ligação bastante próxima entre o limite de escoamento dos metais e a sua dureza (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012; SOUZA, 1982).

Existem diversos métodos para a determinação da dureza, sendo que podem ser divididos em três grupos principais: risco, rebote e penetração, os quais serão apresentados a seguir.

3 TIPOS DE ENSAIO

Apesar dos ensaios de dureza serem fundamentalmente similares, existem particularidades e metodologias diferentes para ensaios utilizados atualmente. Neste tópico, será abordado o ensaio de dureza por risco, Brinell, Rockwell e Vickers.

3.1 DUREZA POR RISCO

O ensaio de dureza por risco, dentre os tipos de ensaio, é o menos utilizado. A sua maior aplicação é no campo da mineralogia, que tem como fundamento o relacionamento do material analisado com a capacidade de riscar outro material.

Essa propriedade está diretamente ligada com a dureza Mohs, que é a escala de dureza mais amplamente empregada. No caso dos materiais inorgânicos naturais, os chamados minerais, existe uma escada de zero a dez, padronizando em ordem a capacidade dos materiais de “riscar”, como apresentado no Quadro 1.

QUADRO 1 – ESCALA MOHS PARA MATERIAIS

Tipo de mineral Dureza MOHS

Diamante 10Safira 9

Topázio 8

Quartzo 7Ortoclásio 6

Apatita 5Fluorita 4Calcita 3Gesso 2Talco 1

FONTE: Adaptado de Callister (2007).

TÓPICO 1 | ENSAIO DE DUREZA DOS MATERIAIS

133

A escala Mohs consiste em uma escala de 10 minerais padrões organizados de tal forma que o mais duro (diamante – dureza ao risco 10) risca todos os outros. O mineral localizado imediatamente abaixo (safira ou coríndon – dureza ao risco 9) risca os que se seguem; o topázio (dureza 8) risca o quartzo (dureza 7), que risca o feldspato ou o ortoclásio (dureza 6), e assim sucessivamente, até o mais macio da escala, que é o talco (silicato de magnésio – dureza ao risco 1) (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012; SOUZA, 1982).

Na escala Mohs, a maioria dos metais localiza-se entre os pontos 3 e 8, mas essa escala não permite uma definição adequada da dureza dos metais. Na Figura 1 é apresentada a escala Mohs comparando-a com diferentes materiais e as durezas obtidas por outros métodos de ensaio, que serão detalhados na sequência.

FIGURA 1 – ESCALA MOHS COMPARADA COM OUTRAS ESCALAS DE DETERMINAÇÃO DE DUREZA DOS MATERIAIS

FONTE: Adaptado de Garcia, Spim e Santos (2012); Callister (2007)

Diamante

Safira Aços nitretados 650

130

7060

40

2010080604020

0

600

500

200

100

130

10090605030

14012010080

90

80

604020

604020

120100806040

50

20

5

Aços ferramentas

Aços de usinagemfácil

Bronzes e ligasde alumínio

Plásticos

Topázio

Feldspato

20.000

5.000

2.000

1.000

500

200

100

50

20

5

Quartzo

Apatita

FluoritaCalcita

Gesso

TalcoDureza Mohs

Dureza Brinell Dureza VickersRockwell R

Rockwell B

Rockwell C

Rockwell M

Shore A

Shore DMateriais

10

98765

43

2

1

Para a determinação da dureza por risco, pode-se executar o ensaio de microdureza Bierbaum, que consiste na aplicação de uma força padronizada de 3 gf (grama força), com um diamante de formato cúbico com ângulo de contato de 35º, sobre uma superfície adequadamente polida (Figura 2).


134

FIGURA 2 – ESQUEMA IDEALIZADO DO ENSAIO DE MICRODUREZA BIERBAUM

Riscadorde diamanteP = 3 gf

Impressão

Material

35º


Uma vez realizado o ensaio, por meio de um microscópio, realiza-se a medida da largura do risco (λ) em . Com isso, é possível determinar a dureza Bierbaum (K) através da Equação 1:


Exemplo 1 – Determine a dureza Bierbaum (K) de um material, sendo que o valor da largura do risco verificada foi de 40 .

Resposta:Aplicando-se o valor da largura do risco à Equação 1, tem-se:

Equação 1K � 104

2�

µm

µm

K � 104

2�K =

10

40

4

2K = 6 25,


135

3.2 DUREZA POR REBOTE

A dureza por rebote é um ensaio dinâmico, cuja impressão na superfície do material analisado é devida à queda livre de um êmbolo que possui uma ponta de forma padronizada, feita de diamante e possui massa conhecida, sendo então a força aplicada função da altura do lançamento do êmbolo. Nos ensaios de dureza dinâmica, o valor da dureza é proporcional à energia de deformação consumida para formar a marca na superfície do corpo de prova, e representa a altura do êmbolo, por meio de um número (Figura 3) (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012; SOUZA, 1982).

FIGURA 3 – ESQUEMA IDEALIZADO DO ENSAIO DE MICRODUREZA POR REBOTE. (A) ENSAIO DE DUREZA SHORE C; (B) ENSAIO DE DUREZA SHORE D

A) B)FONTE: Adaptado de Garcia, Spim e Santos (2012)

Nessas condições, um material dúctil irá consumir mais energia na deformação do corpo de prova e o êmbolo alcançará uma altura menor no retorno, indicando, consequentemente, uma dureza mais baixa. Desses métodos destaca-se a dureza Shore, método proposto no início dos anos 1900, que utiliza uma barra de aço com uma ponta arredondada de diamante colocada dentro de um tubo de vidro com uma escala dividida em unidades (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012; SOUZA, 1982).

A barra é liberada de uma altura padrão e a altura do rebote após o choque com a superfície do material é considerada a dureza do material. A leitura do valor na escala no bulbo de vidro é realizada no instante de inversão do movimento ascendente do êmbolo. É também conhecida como dureza por escleroscópio, nome do primeiro equipamento fabricado comercialmente para esse método (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012; SOUZA, 1982).


136

O método, amplamente empregado na determinação da dureza de materiais metálicos finais ou acabados, é dividido em diferentes escalas de acordo com as durezas dos materiais. O equipamento de dureza Shore é leve e portátil, sendo adequado à determinação de durezas de peças grandes, por exemplo cilindro de laminador, trens de pouso de avião e ensaios em campo. Como a marca superficial deixada pelo ensaio é pequena, ele é também indicado no levantamento da dureza de peças acabadas. Outra vantagem oferecida por esse ensaio é a oportunidade de realização também em condições adversas, como altas temperaturas.

O número de dureza serve como número relativo e somente para comparação de materiais. Entretanto, comparações com outros métodos de determinação da dureza mostram que um valor de dureza Shore de 63 é equivalente, aproximadamente, ao de 440 de dureza Brinell (Quadro 2). Além disso, é possível relacionar o valor da dureza Shore com o limite de resistência de aços em geral, como apresentado na Figura 4. Nota-se que a dureza Shore não é função linear do limite de resistência (SOUZA, 1982).

QUADRO 2 – COMPARAÇÃO APROXIMADA ENTRE DUREZA BRINELLE DUREZA SHORE

Dureza Brinell (esfera de 10 mm de diâmetro e carga de 3000 kgf) Dureza Shore

496 69465 66433 62397 57360 52322 47284 42247 37209 32190 29171 26152 24133 21

FONTE: Adaptado de Souza (1982)


137

FIGURA 4 – CORRELAÇÃO DA DUREZA SHORE COM O LIMITE DERESISTÊNCIA DE LIGAS DE AÇO


Dur

ezas

Sho

re

Limite de resistência (kgf/mm2)

3.3 DUREZA POR PENETRAÇÃO

Diferentemente do ensaio por riscos, mencionado anteriormente, a medida de dureza por penetração é realizada por meio da compressão de um objeto padronizado contra um objeto de que se deseja conhecer a dureza. Normalmente, o material utilizado para a compressão ou ponta de referência é um material com dureza elevada, como diamante ou aços de alta liga. Dessa forma, o material a ser medido deformar-se-á e a partir disso, é possível determinar a sua dureza em relação ao módulo de elasticidade, da profundidade de penetração e outros parâmetros apresentados a seguir.

Esse ensaio, como é mais explorado que o ensaio por risco, apresenta algumas metodologias distintas, porém são similares em seu fundamento, como conheceremos agora.


138

3.3.1 Dureza Brinell

A dureza por penetração foi proposta inicialmente por J. A. Brinell, em 1900, que acabou sendo batizada de “Dureza Brinell” e é simbolizada pelas letras HB (do inglês Hardness Brinell), e é o ensaio de dureza mais amplamente empregado até hoje no campo da engenharia, sobretudo por ser um dos primeiros ensaios a ser padronizado (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012; SOUZA, 1982).

Basicamente, o ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma ponta de referência, nesse caso, uma esfera de aço, com diâmetro “D” conhecido, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um material, mais comumente de metais. A carga aplicada “P” é aplicada durante um tempo determinado “t” (Equação 2). Essa compressão provocará uma impressão permanente na superfície do material ensaiado com formato de uma “calota esférica”, tendo um diâmetro “d”, o qual é medido através de um microscópio óptico ou lupa graduada, uma vez que a ponta de impressão é retirada (Figura 5).

Onde:HB é a dureza Brinell em Pascal (Pa);P é a carga aplicada em Newtons (N);S é a área de contato da ponta de referência em mm2.

FIGURA 5 – ESQUEMA IDEALIZADO DO ENSAIO DE DUREZA BRINELL

136º

dde

Pcarga

Corpo de prova

CalotaEsfera

D

Material

d = –––––d1 + d22


Equação 2HB PS

=


139

Onde:h é a profundidade da calota esférica, em mm;D é o diâmetro do penetrador, em mm; é o diâmetro médio da impressão, em mm;

O valor de “d” deve ser tomado com a média de pelo menos duas leituras feitas ortogonais uma da outra.

NOTA

Uma vez realizado o ensaio, é possível determinar a dureza Brinell que corresponde a uma tensão, o que permite estabelecer relações entre dureza e outras propriedades mecânicas dos materiais, conforme será apresentado na Equação 3, por meio da introdução do valor da calota esférica da Equação 2.

Já, a profundidade (h, em milímetros) da calota esférica pode ser calculada pela Equação 4.

Equação 3HB P

D D d� �

�

� � �0 102

2

2

,

( )�

Onde:HB é a dureza Brinell em Pascal (Pa);P é a carga aplicada em Newtons (N);D é o diâmetro do penetrador, em mm; é o diâmetro médio da impressão (calota) em mm;0,102 é um fator de conversão da carga em N, uma vez que inicialmente o ensaio foi proposto em kgf (quilograma-força), devido à adoção do Sistema Internacional (SI), a unidade foi convertida para este.

d

d

Equação 4h D D d�

� �2 2

2


140

Inicialmente, Brinell sugeriu uma carga, P, de 3000 kgf e uma esfera de aço de 10 mm de diâmetro. Entretanto, para metais moles, a carga pode ser diminuída para evitar uma impressão muito grande ou profunda e, para peças pequenas, pode-se também diminuir o valor de D, a fim de que a impressão não fique muito perto das bordas do corpo de prova. Essas alterações em P e em D devem ser realizadas tomando certos cuidados, como: Para metais muito duros, isto é, HB superior a 500 kgf/mm2, substitui-se a esfera de aço por esfera de Carbeto de Tungstênio (WC) para minimizar a distorção da esfera, pois essa distorção acarretaria em valores falsos de d e, portanto, para HB (SOUZA, 1982).

Dependendo do material utilizado para a aplicação da carga, deve-se, no relatório, especificar e deixar claro qual material foi utilizado, como quando se utilizar uma esfera de aço, especifica-se HBS, “dureza Brinell Aço” do inglês Hardness Brinell Steel ou por exemplo no caso da peça de carbeto de tungstênio, onde se indica a sigla HBW, do inglês Hardness Brinell W (“W” é o símbolo na tabela periódica, que se refere ao elemento químico Tungstênio).

O tempo de aplicação de carga, t, é normalmente de 30 segundos, mas pode chegar até 60 segundos, dependendo da norma de execução aplicada e quando se ensaiam metais de baixo ponto de fusão, como no caso de chumbo e suas ligas, que possuem HB inferior a 60. Nesses casos, pode ocorrer o fenômeno de fluência (creep) durante a aplicação da carga, e onde um tempo curto não seria suficiente para promover uma calota esférica que forneça uma indicação adequada da deformação plástica do metal.

Apesar da unidade N/mm2 ou kgf/mm2 oriundo da Equação 3 ser o resultado da divisão das grandezas, essa unidade pode ser omitida, uma vez que a dureza Brinell não é um conceito físico satisfatório, pois não leva em consideração o valor médio da pressão sobre toda a superfície de impressão.

A localização da impressão Brinell deve estar afastada das bordas do corpo de prova a, no mínimo, duas vezes e meia o diâmetro, d, obtido, e a espessura do corpo de prova, para o ensaio, deve ser no mínimo igual a dez vezes o diâmetro d, para evitar, em ambos os casos, degeneração laterais e de profundidade, falseando o resultado. A distância entre duas impressões deve ser no mínimo igual a 5d (5 vezes o diâmetro).

A peça deve ser ensaiada de maneira muito bem apoiada, para que se evitem deslocamentos no momento da aplicação da carga. Caso haja alguma movimentação da peça durante o ensaio, este fica invalidado, e deverá ser refeito.

NOTA


141

A carga de 3000 kgf proposta por Brinell com esfera de 10 mm de diâmetro pode ser contornada, considerando que duas impressões feitas com cargas e esferas diferentes são semelhantes, os ângulos que os centros das esferas fazem com a impressão são iguais, como apresentado na Figura 6 e na Equação 5.

A escolha da carga dependerá do material a ser ensaiado, e para isso deve ser adotado o grau de carga ou constante do material, que garante que seja mantido o ângulo de 136° entre as tangentes da calota esférica da impressão. Essa condição é atendida para d1/D1 = d2/D2, desde que o grau de carga seja constante (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

FIGURA 6 – IMPRESSÕES BRINELL COM DIFERENTES TAMANHOS DE ESFERAS


Onde:ϕ é o ângulo entre o centro da esfera e a borda da impressão.

Equação 5sen dD

dD

cons te�2

1

1

2

2

� � � tanconstante


142

Tanto a carga quanto o diâmetro da esfera dependem do material, devendo tais parâmetros se adequar ao tamanho, à espessura e à estrutura interna do corpo de prova. Os diâmetros de esferas normalizados são de 10 mm, 5 mm, 2,5 mm, 2 mm e 1 mm para a norma NBR NM ISO 6506-1 (2010), e de 10 mm, 5 mm, 2,5 mm e 1 mm para a norma ASTM E10 (2017a), apresentados na Figura 7.

FIGURA 7 – EQUIPAMENTOS PARA ENSAIO DE DUREZA BRINELL. (A) ESFERAS DE TUNGSTÊNIO DE 10, 5 E 2,5 MILÍMETROS; (B) EQUIPAMENTO PARA FIXAÇÃO DAS ESFERAS NO EQUIPAMENTO; (C) UMA CALOTA ESFÉRICA REALIZADA POR MEIO DE UMA ESFERA DE AÇO

Esferas Brinell

10 mm 5 mm 2,5 mm

a)

b)

c)FONTE: Adaptado de Garcia, Spim e Santos (2012)


143

Em uma primeira aproximação, as relações da Equação 5 podem ser admitidas quando o valor da relação P/D2 forem mantidas constantes. Dessa forma, no caso dos materiais homogêneos, o uso de esferas de diâmetros diferentes e com cargas variáveis permite obter o mesmo valor da dureza, desde que a relação P/D2 forem mantidas constantes (SOUZA, 1982).

No Quadro 3 são apresentadas as principais constantes ou graus de cargas empregados para os mais conhecidos materiais de engenharia, e o Quadro 4 apresenta as principais cargas empregadas em função da definição da esfera e da escolha da constante dependente do material. A norma ASTM E10 (2017a) classifica o método de dureza Brinell em escalas segundo os diferentes graus de cargas ou constantes. Vale ressaltar que os valores de constantes sugeridos são apenas indicativos para os materiais mais comuns, podendo ocorrer variações em função do histórico desses valores. A utilização de constante ou grau de carga diferente do recomendado deve ser acordada entre as partes. Para o caso de materiais com durezas desconhecidas, quando possível, recomenda-se a passagem de uma lima na superfície do material; se o material for riscado, ele é razoavelmente mole, mas, no caso de materiais que não são riscados, não se recomenda realizar o ensaio Brinell.

QUADRO 3 – CONSTANTES PARA O ENSAIO DE DUREZA BRINELLPARA ALGUNS MATERIAIS

Constante ou grau de carga Materiais Exemplos

30 Metais ferrosos e não ferrosos resistentes.

Aços, ferros fundidos, níquel e ligas, cobalto e ligas e ligas de titânio.

15 Somente para carga de 3000 kgf.

Titânio e ligas, bem como materiais não tão duros e ligas leves (somente

na NBR NM ISO 6506-1 (2010)).

10 Metais ferrosos dúcteis e maioria dos não ferrosos.

Ferros fundidos, ligas de alumínio, ligas de cobre: latões, bronzes, ligas

de magnésio, zinco.

5 Metais não ferrosos moles. Metais puros, alumínio, magnésio, cobre, zinco.

2,5 Metais moles. Ligas de estanho, chumbo, antimónio, berílio, lítio.

1,25 Metais mais moles. Metais puros berílio e lítio ou metais moles.

1 Metais muito moles. Metais puros estanho, chumbo, antimônio.

FONTE: Adaptado de garcia, Spim e Santos (2012)


144

QUADRO 4 – CARGAS UTILIZADAS NO ENSAIO DE DUREZA BRINELL

Esfera D(mm)

Constante ou grau de carga30 15 10 5 2,5 1,25 1

Cargas (kgf)10 3000 1500 1000 500 250 125 1005 750 - 250 125 62,5 31,25 25

2,5 187,5 - 62,5 31,25 12,625 7,812 6,252 120 - 40 20 10 5 41 30 - 10 5 2,5 1,25 1

FONTE: ASTM E10 (2017a); NBR NM ISO 6506-1 (2010)

Obtido o resultado, esse deverá ser validado se o diâmetro médio da calota esférica ( ) estiver entre 24-60 % do diâmetro da esfera de aplicação de carga (D), isto é:

d

No caso dessa relação não ocorrer, deve-se selecionar outra constante para o material e determinar novamente a carga do ensaio. Recomenda-se, também, especificar o valor do diâmetro da esfera e a carga aplicada em conjunto com o resultado do ensaio, por exemplo: Ensaio “HBS 10 / 3000” para o ensaio utilizando esfera de aço de 10 mm e carga de 3000 kgf.

No ensaio de dureza Brinell, na maioria dos ensaios (materiais com valores de dureza Brinell até 450 HB), utiliza-se uma carga de 29,42 kN (3000 kgf) com esferas de aço. Porém, para metais mais moles, utilizam-se cargas de 14,70 kN (1500 kgf) ou 4,9 kN (500 kgf), para evitar a formação de uma impressão muito profunda. Já no caso de materiais muito duros (dureza entre 450 e 650 HB), utiliza-se esfera de carboneto de tungstênio para evitar deformação na esfera padronizada. O tempo de aplicação da carga é da ordem de 10 a 15 segundos para materiais duros e de 30 a 60 segundos para materiais mais moles para evitar calotas irregulares, como apresentados na Figura 8.

FIGURA 8 – EXEMPLO DE CALOTAS IRREGULARES NO ENSAIO DE DUREZA BRINELL


0 24 0 6, ,D d D≤ ≤


145

3.3.1.1 Dureza Brinell e o limite de resistência à tração convencional

Uma das possibilidades dos resultados de dureza Brinell é a sua correlação com os valores de limite de resistência à tração do material (comumente mais utilizado para ligas metálicas). A existência de relações que permitam converter dureza em tensão é útil em situações em que é necessária uma estimativa da resistência de um material e não se dispõe de uma máquina de ensaio de tração, ou quando a situação é a inversa. Existem relações experimentais que, embora não sejam necessariamente precisas, constituem ferramentas úteis nesse sentido, por exemplo a relação entre dureza Brinell e limite de resistência à tração, que pode ser encontrada pela Equação 6:

No Quadro 5 são apresentados os valores de algumas constantes experimentais (α) utilizados para a determinação da resistência à tração de ligas, e na Figura 9 são apresentados alguns valores da correlação Dureza Brinell x Limite de resistência à tração.

QUADRO 5 – VALORES DE CONSTANTE EXPERIMENTAL α PARA ALGUNS MATERIAIS


Material Constante αAço-carbono 3,6

Aço-carbono tratado termicamente 3,4Aço/ligas tratados termicamente 3,3

Latão encruado 3,45Cobre recozido 5,20

Alumínio e suas ligas 4,0

Para HB maiores que 380, a correlação Dureza Brinell x Limite de resistência à tração não é recomendada, pois a dureza passa a crescer mais rapidamente do que o limite de resistência à tração. De qualquer forma, é importante ressaltar que os valores determinados pela Equação 6 são considerados apenas valores aproximados, devendo ser indicados os valores de dureza adotados. É possível fazer uma estimativa de algumas propriedades mecânicas de aços-carbono em função de propriedades dos microconstituintes, admitindo-se que a dureza seja uma propriedade aditiva, o que na realidade não ocorre, servindo apenas como abordagem estimativa (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

Equação 6� �u HB� �

Onde: é o limite de resistência à tração em MPa;α é a constante experimental;HB é a dureza Brinell.

σ u


146

FIGURA 9 – VALORES DE CORRELAÇÃO DUREZA BRINELL X LIMITE DERESISTÊNCIA À TRAÇÃO


Número de Dureza Brinell (HB)

Aço-carbono

Ferro fundido(nodular)

Latão Resi

stên

cia

à tr

ação

103

(psi

)0 0

0

1500

1000

500

50

100

100

150

200

250

200 300 400 500

Resi

stên

cia

à tr

ação

(MPa

)

Caro acadêmico! Para fixar o conceito sobre correlação do limite de resistência x dureza Brinell, vamos analisar um exemplo resolvido a seguir.

Exemplo 2 – Determine qual é o valor do limite de resistência para uma liga de aço-carbono que possui um valor de dureza Brinell de HB 160.

Resposta:Aplicando o valor de HB na Equação 6, e com o auxílio dos valores de

constante da Tabela 5, tem-se:

� �u HB� � � u � �3 6 150, � u MPa� 540


147

3.3.2 Dureza Rockwell

Depois da Dureza Brinell, Rockwell propôs um método de análise de dureza dos materiais também por penetração, no ano de 1922. O ensaio recebeu o seu nome e oferece algumas vantagens significantes em relação ao ensaio Brinell, que fazem esse ensaio ser de grande uso, internacionalmente.

A dureza Rockwell, de símbolo “HR” (do inglês Hardness Rockwell), elimina o tempo necessário para a medição de qualquer dimensão da impressão causada na superfície do material, pois o resultado é lido direta e automaticamente em uma máquina de ensaio, sendo, portanto, analítico e mais fácil, além de reduzir o erro de operação. Além disso, utiliza peças e penetradores pequenos, a impressão pode não causar danos significativos à peça e pode ser, também, utilizada para indicar diferenças de dureza numa mesma região de uma peça (SOUZA, 1982).

O ensaio é baseado na profundidade de penetração de uma ponta, subtraída da recuperação elástica devida à retirada de uma carga maior e da profundidade causada pela aplicação de uma carga menor (Figura 10). Os penetradores usados no ensaio de Dureza Rockwell são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante, também chamado de penetrador-Brale, 120º de conicidade) ou de Carbeto de Tungstênio (WC). Com qualquer desses penetradores, a carga menor é então aplicada para fixar bem o corpo de prova, ou seja, para garantir um contato adequado com a superfície do corpo de prova. Uma vez aplicada e retirada a carga maior, a profundidade de impressão é dada diretamente no mostrador da máquina, em forma de número de dureza, após voltar a carga ao valor menor (SOUZA, 1982).

FIGURA 10 – ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL. (A) ESQUEMA IDEALIZADO DA APLICAÇÃO DE CARGA; (B) EQUIPAMENTO DURÔMETRO DIGITAL

FONTE: Adaptado de Garcia; Spim; Santos (2012). Disponível em: <http://www.larjac.com.br/durometro-digital>. Acesso em: 5 nov. 2018.

a) b)


148

A dureza Rockwell pode ser classificada como comum ou superficial, dependendo da pré-carga e carga aplicadas. Originalmente, o método foi proposto em kgf e polegadas, mas, devido à adoção do Sistema Internacional (SI) de unidades, os valores foram convertidos para N e mm, sendo prática comum se referir às unidades inicialmente propostas.

Nos ensaios de dureza Rockwell comuns, utilizam-se pré-carga de 98 N (10 kgf) e carga ou força total de 589 N (60 kgf); 981 N (100 kgf) e 1471 N (150 kgf); e, para dureza superficial, pré-carga de 29 N (30 kgf) e forças totais de 147 N (15 kgf), 294 N (30 kgf) e 441 N (45 kgf). A aplicação da pré-carga é necessária para eliminar a ação de eventuais defeitos superficiais e ajudar na fixação do corpo de prova no suporte, além de causar pequena deformação permanente, eliminando erros causados pela recuperação do material devido à deformação elástica (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

Como o método utiliza vários penetradores e cargas, este é dividido em escalas dependendo das combinações, podendo-se citar B, C, A, D, E, F, G, H, K, L, M, P, R, S e V como comuns e 15N ou 15T, 30N ou 30T e 45N ou 45T como superficiais. O número de dureza Rockwell é sempre designado pelo símbolo HR seguido da escala utilizada, precedidos do valor numérico. A escala superficial é indicada pelo número seguido do símbolo HR e do símbolo da escala superficial. No Quadro 6 são apresentadas as várias escalas existentes para a dureza Rockwell, que dependem do penetrador e da carga aplicada, abrangendo toda a gama de materiais. Algumas escalas são equivalentes entre si, o que permite a comparação entre seus valores para conversões aproximadas, porém tais informações devem constar no resultado.

QUADRO 6 – ESCALAS DE DUREZA ROCKWELL

Ensaio Rockwell comumDiamante 60 kgf 100 kgf 150 kgf

A B C

Esfera de aço ou Carbeto de

tungstênio

F (ϕ 1,59 mm) B (ϕ 1,59 mm) G (ϕ 1,59 mm)H (ϕ 3,17 mm) E (ϕ 3,17 mm) K (ϕ 3,17 mm)L (ϕ 6,35 mm) M (ϕ 6,35 mm) P (ϕ 6,35 mm)

R (ϕ 12,70 mm) S (ϕ 12,70 mm) V (ϕ 12,70 mm)

Ensaio Rockwell superficial

Diamante 15 kgf 30 kgf 45 kgf

15N 30N 45N

Esfera de aço ou Carbeto de

tungstênio

15T (ϕ 1,59 mm) 30T (ϕ 1,59 mm) 45T (ϕ 1,59 mm)

15W (ϕ 3,17 mm) 30W (ϕ 3,17 mm) 45W (ϕ 3,17 mm)

15X (ϕ 6,35 mm) 30X (ϕ 6,35 mm) 45X (ϕ 6,35 mm)

15Y (ϕ 12,70 mm) 30Y (ϕ 12,70 mm) 45Y (ϕ 12,70 mm)

FONTE: Adaptado de ASTM E18 - 17e1 (2017b)


149

Existe a possibilidade de transformar o valor de dureza Rockwell em dureza Brinell e vice-versa através da Equação 7, com o auxílio dos valores das constantes apresentadas na Tabela 7.

QUADRO 7 – VALORES DE CONSTANTES C1 E C2 PARA CONVERSÃO DA DUREZA ROCKWELL EM BRINELL

Escala Rockwell C1 C2

B 130 500C 100 500A 100 500D 100 500E 130 500F 130 500G 130 500

15N 100 100030N 100 100045N 100 100015T 100 100030T 100 100045T 100 1000


Para visualizar os valores da conversão de dureza Rockwell em Brinell ou outras unidades de dureza, consultar a referência (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012), que apresenta uma tabela com uma infinidade de valores de conversão para diferentes escalas. Sobre essa referência, pode ser importante verificar se ela estará disponível em biblioteca física ou virtual para acesso do acadêmico.

DICAS

Equação 7HR C C PD HB

� � ��

��

��1 2

��

Onde:HB é a dureza Rockwell;C1 e C2 são constantes do ensaio para conversão; é a variação da carga (Carga final – carga inicial);D é o valor do diâmetro do penetrador, em mm;HB é o valor da dureza Brinell.

∆P


150

Existe, também, a possibilidade da determinação da profundidade da penetração (h) no ensaio de dureza Rockwell. Para isso, utiliza-se a Equação 8.

Penetrador de diamanteComumSuperficial

Penetrador EsféricoComumSuperficial

h = (100 – HR) x 0,002h = (100 – HR) x 0,001

h = (130 – HR) x 0,002h = (100 – HR) x 0,001

Equação 8

Onde:h é a profundidade de penetração (mm);HR é a dureza Rockwell.

Em suma, pode-se citar as seguintes vantagens do método Rockwell em relação ao método Brinell:

• Rapidez de execução, com tempo aproximado de 1 minuto.• Aplicável a todos os materiais, desde mais duros até mais moles.• Maior exatidão e isenção de erros, já que não exige leitura do tamanho da impressão.• Não requer experiência do operador do equipamento.• Possibilidade de maior utilização para materiais duros.• Pequeno tamanho da impressão, onde em alguns casos os componentes podem

ser testados sem danos.• Permite a determinação de durezas superficiais com pequena profundidade de

penetração.

3.3.3 Dureza Vickers

O ensaio de dureza Vickers foi proposto no início do século XX, no ano de 1925, por Smith e Sandland, levando o nome “Vickers” pelo fato de que quem produzia e fornecia os equipamentos e a máquina de ensaio era a companhia Vickers-Armstrong Ltda., batizando então o ensaio. O ensaio consiste de aplicar uma carga através de um penetrador em forma de pirâmide de base quadrada, composto por diamante, com faces opostas por um ângulo de 136º (Figura 11). Esse ângulo produz valores de impressões similares ao obtido no ensaio Brinell, pelo fato da relação d/D do ensaio de dureza Brinell resultarem em tangentes das esferas de aplicação de carga também em 136º (SOUZA, 1982).


151

ou

D é o valor do diâmetro do penetrador, em mm; d é o diâmetro médio da impressão (calota) em mm.

DICAS

FIGURA 11 – ESQUEMA IDEALIZADO DO ENSAIO DE DUREZA VICKERS


Devido ao penetrador ser de diamante, resulta em um material praticamente indeformável, o que torna as suas impressões semelhantes entre si, independentemente do tamanho do penetrador, a dureza Vickers (HV), do inglês Hardness Vickers, é independente da carga, o número da dureza é o mesmo qualquer que seja a carga utilizada, isso para materiais homogêneos. Normalmente, a carga aplicada varia de 1 a 120 kgf. Para se obter uma impressão regular, a mudança da carga se faz necessária, para as dimensões no visor da máquina de ensaios. Isso depende da dureza do material que está sendo ensaiado, assim como no caso da dureza Brinell.

A forma da impressão é um losango regular, isto é, quadrada, e pela média das diagonais impressas, obtém-se o valor da dureza Vickers, como apresentado na Equação 9 ou Equação 10:

Equação 9HVP sen

d� �

� ��

�

��

�

�

��

0 102

22

2,

�

Pcarga


152

Onde:HV é a Dureza Vickers;0,102 é um fator de conversão da carga em N, uma vez que inicialmente o ensaio foi proposto em kgf (quilograma-força), devido à adoção do Sistema Internacional (SI), a unidade foi convertida para este;P é a carga aplicada em N;θ é o valor do ângulo entre as faces da pirâmide = 136º (penetrador);d é o comprimento da diagonal da impressão em mm.

Para esse método de ensaio, a carga pode variar de 49 N a 980 N (5 kgf a 100 kgf) para ensaios com carga normal; de 1,96 N a 49 N (100 g a 5 kgf) para ensaios com carga pequena; e de 0,0098 N a 1,96 N (1 g a 100 g) para ensaios com microcarga, segundo a norma brasileira NBR NM ISO 6507-1 (2008), enquanto a norma ASTM E92 (2017c) divide em carga normal entre 9,8 N e 980 N (1 kgf a 120 kgf) e microcarga entre 0,0098 N e 9,8 N (0,1 g a 1000 g). As cargas são escolhidas de tal forma que a impressão gerada no ensaio seja suficientemente nítida para permitir uma boa leitura das diagonais, que deverão estar compreendidas entre limites de 0,011 mm até 1,999 mm, de acordo com a NBR NM ISO 6507-1 (2008), sendo comum encontrar tabelas de conversão com valores máximos de diagonais de 0,750 mm (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

Como o penetrador é indeformável, a dureza obtida independe da carga utilizada, devendo, se o material for homogêneo, apresentar o mesmo número representativo da dureza. Sempre que possível recomendam-se as maiores cargas. A designação da dureza é formada pelo valor da dureza seguido pelo símbolo HV e da carga aplicada e pelo tempo de aplicação de carga se este for diferente dos previstos em normas (10 a 15 segundos para materiais duros e 30 a 60 segundos para materiais moles) (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

As principais vantagens do método Vickers são a escala contínua; impressão extremamente pequenas que não inutilizam a peça; grande precisão de medida; deformação nula do penetrador; existência de apenas uma escala de dureza; aplicação para toda a grama de durezas encontradas em diversos materiais; aplicação em qualquer espessura de material, podendo, portanto, medir também durezas superficiais (SOUZA, 1982).

Para exemplificar a diferença das impressões para os diferentes ensaios de dureza, na Figura 12 são apresentadas as impressões realizadas no ensaio Brinell e no ensaio de dureza Vickers.

Equação 10HV Pd

� �0 1892

,


153

FIGURA 12 – IMPRESSÕES OBTIDAS NOS ENSAIOS DE DUREZA. (A) ESQUEMA IDEALIZADO DAS IMPRESSÕES EM DIFERENTES ENSAIOS; (B) COMPARAÇÃO DA

IMPRESSÃO ENTRE DUREZA BRINELL E VICKERS

Dureza Brinell

Dureza Vickers

D = 10 mm, P = 3000 kgfd = 3,76 mm

D = 1 mmP = 30 kgfd = 0,375 mm

D = 5 mmP = 750 kgfd = 1,88 mm

D = 2 mmP = 120 kgfd = 0,75 mm

P = 30 kgfL = 0,463 mm

P = 10 kgfL = 0,267 mm

a)

b)

BrinellP = 31,25 kgf

Esfera = 5 mm

VickersP = 30 kgf

FONTE: Adaptado de Garcia, Spim e Santos (2012) e Souza (1982)

Existe ainda a possibilidade de correlacionar os valores de dureza Vickers com os valores de limite de proporcionalidade dos materiais. O valor numérico da dureza Vickers é da ordem de 2 a 3 vezes o valor do limite de proporcionalidade (em MPa) para os materiais duros e em torno de 2 a 4 vezes o valor para metais “comuns”, como apresentado no Quadro 8.


154

QUADRO 8 – VALORES DE CORRELAÇÃO ENTRE DUREZA VICKERS E LIMITE DE PROPORCIONALIDADE

Material Dureza Vickers (HV) Limite de proporcionalidade (MPa)Diamante 84000 54100Alumina 20000 11300

Carbeto de tungstênio 21000 6000Aço-carbono 450 200

Alumínio recozido 270 120Cobra recozido 220 80

Chumbo 60 16


3.3.4 Microdureza Vickers e Knoop

De maneira similar à dureza “convencional”, em algumas situações práticas, ocorre a necessidade de determinação da dureza de pequenas áreas do corpo de prova. A medida do gradiente de dureza que se verifica em superfícies cementadas e a determinação da dureza individual de microconstituintes de uma estrutura metalográfica são alguns exemplos dessas situações. O ensaio de microdureza produz uma impressão microscópica e se utiliza de penetradores de diamante e cargas menores que 9,8 N (1 kgf). Os métodos mais utilizados são a microdureza Vickers e a microdureza Knoop.

Para a microdureza Vickers, o penetrador é o mesmo empregado nos ensaios comuns, e o valor da dureza HV será dado pela relação entre a força aplicada e a área da superfície da marca permanente.

A microdureza Knoop (HK), do inglês Hardness Knoop, proposta em 1939, utiliza um penetrador de diamante na forma de uma pirâmide alongada, com ângulos de 172°30' e 130° entre faces opostas, que provoca uma impressão no local onde a diagonal maior e a diagonal menor apresentam uma relação de 7:1 (Figura 13). A microdureza Knoop é calculada dividindo a força aplicada pela área projetada da impressão, que pode ser calculada pela Equação 11.


155

FIGURA 13 – ESQUEMA IDEALIZADO DO PENETRADOR PARA MICRODUREZA KNOOP

FONTE: Adaptado de Garcia; Spim; Santos (2012)

Onde:HK é a dureza Knoop;P é a carga aplicada;Sp é a área da impressão na peça (mm2);L é o valor da diagonal maior do losango da impressão em mm.

Ao indicar a dureza HK, o valor calculado deve ser multiplicado por 103, para compatibilizá-lo com a grandeza das demais durezas que se baseiam em uma relação carga/área. A área da impressão obtida no ensaio Knoop é cerca de 15 % da área correspondente no ensaio Vickers, enquanto a profundidade da impressão é menor que a metade. A profundidade da impressão é cerca de 1/30 da diagonal maior. O ensaio Knoop permite a determinação da dureza de materiais frágeis como o vidro e de camadas finas como películas de tinta ou camadas eletrodepositadas. As distâncias mínimas recomendadas para as impressões são de 2,5 vezes a diagonal menor para impressões paralelas ao eixo maior, duas vezes a diagonal maior para impressões alinhadas no eixo maior, e uma distância de uma vez a diagonal maior da borda da peça (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

Equação 11HK PS

PLP

� ��14 23

2

,


156

4 INFORMAÇÕES PARA A REALIZAÇÃO DO ENSAIO DE DUREZA

A seguir são apresentadas as informações adicionais para o desenvolvimento dos ensaios de dureza abordados nesta unidade.

4.1 INFORMAÇÕES ADICIONAIS PARA O ENSAIO DUREZA BRINELL

Basicamente, o procedimento do ensaio consiste em (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012):

• Escolha do material da esfera: esfera de AÇO (materiais com dureza < 350 HB);• Esfera de WC (materiais com dureza < 650 HB).• Escolha do grau de carga ou constante: depende do material (30; 15; 10; 5; 2,5; 1,25;1);• Definição da carga aplicada: depende da relação P = D2 x Constante;• Validação do resultado: diâmetro de impressão: 0,24D a 0,60D;• Devido ao tamanho da impressão formada, o ensaio pode ser considerado

destrutivo;• O penetrador deve ser polido e isento de defeitos na superfície, e o corpo

de prova (ou superfície) deve estar liso e isento de substâncias como óxidos, carepas, sujeiras e óleos; e, mais importante, a superfície deve ser plana, normal ao eixo de aplicação da carga e bem apoiada sobre o suporte, evitando deslocamentos durante o ensaio. Recomenda-se que a superfície a ser medida apresente um bom acabamento, podendo ser lixada ou usinada, desde que esses processos não alterem as características da superfície e permitam uma medição fácil e precisa;

• Como a impressão formada abrange uma área maior do que a formada pelos outros ensaios de dureza, o ensaio de dureza Brinell é o único indicado para materiais com estrutura interna não uniforme, como, por exemplo, o ferro fundido cinzento. Por outro lado, o grande tamanho da impressão pode impedir o uso desse teste em peças pequenas;

• O ensaio de dureza Brinell não é adequado para caracterizar peças que tenham sofrido tratamentos superficiais, como cementação, nitretação e outros, pois a penetração pode ultrapassar a camada tratada e gerar erros nos valores obtidos;

• Para metais de grande capacidade de encruamento, podem ocorrer um amassamento das bordas da impressão e a leitura de um diâmetro menor do que o real;

• Ao contrário, em metais que tenham sido trabalhados a frio a ponto de apresentarem pequena capacidade de encruamento, pode ocorrer uma aderência do metal à esfera de ensaio, com as bordas da calota esférica formada projetando-se ligeiramente para fora da superfície do corpo de prova, provocando uma leitura de um diâmetro maior que o real;

• Deve-se observar, entre os centros de duas impressões vizinhas, um afastamento de, no mínimo, 4 x d (quatro vezes o diâmetro da calota esférica) para ferrosos (dureza maior que 150 HB), e 6 x d no caso de outros materiais (dureza menor que 150 HB), e 3 x d para todos os materiais;


157

• A distância do centro da impressão para a borda do corpo de prova deve ser de no mínimo 2,5 x d para materiais com dureza maior que 150 HB e de 3 x d para materiais abaixo de 150 HB (Quadro 9);

• A espessura mínima (emin) é de 8x a profundidade (h) da calota esférica, ou 10x segundo a ASTM.

QUADRO 9 – RECOMENDAÇÕES DE DISTÂNCIAS MÍNIMAS ENTRE PONTOS NO ENSAIO DE DUREZA BRINELL

ABNT ASTM

Distância entre centros4x d para materiais ferrosos HB >

1506x d para materiais mole HB < 150

3x d para todos

Distância entre centro à borda

2,5x d para materiais HB > 1503,0x d para materiais HB < 150 2,5x d para todos

Espessura mínima 8x h é a profundidade da calota2x d é o diâmetro da calota

Superfícies cilíndricas - Diâmetro da peça ≥ 5x D

FONTE: Adaptado de ASTM E10 (2017a) e NBR NM ISO 6506-1 (2010)

4.2 INFORMAÇÕES ADICIONAIS PARA O ENSAIO DUREZA ROCKWELL

Basicamente, o procedimento do ensaio consiste em (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012):

• Escolha da escala (penetrador e cargas).• Aplicação de pré-carga.• Aplicação da carga principal por período específico.• Retirada da carga principal e manutenção da pré-carga.• Leitura da medida.• Deve-se realizar o ensaio em materiais desconhecidos partindo de escalas

mais altas (penetrador de diamante) para evitar danos no penetrador, seguido posteriormente de escalas mais baixas (penetrador de esfera).

• O penetrador e o suporte devem estar limpos e bem-assentados;• A superfície a ser testada deve estar limpa e seca, plana e perpendicular ao

penetrador;• Não deve ocorrer impacto na aplicação das cargas.• O tempo de aplicação da pré-carga deverá ser menor que 3 segundos, sendo

recomendado períodos de 4 a 8 segundos para a aplicação da carga total durante aproximadamente 4 segundos.

• O espaçamento entre as impressões deve ser no mínimo 4 vezes o diâmetro da impressão e não menor que 2 mm e 3 vezes a profundidade de penetração, e, ainda, 2,5 vezes o diâmetro para a distância da borda do corpo de prova.


158

• Na realização do ensaio, recomenda-se que a espessura do corpo de prova seja no mínimo 10 vezes maior que a profundidade da impressão (h) para penetrador de diamante e 15 vezes para penetradores esféricos.

• Após cada troca ou remoção do penetrador, bem como troca das bases, as duas primeiras medições deverão ser desprezadas.

• Para verificação de existência de camadas superficiais ou recobrimentos em materiais cujo histórico não se conhece, recomenda-se a realização de medidas em pelo menos duas escalas consecutivas com cargas menores, certificando a equivalência.

159

Neste tópico, você aprendeu que:

• Existem basicamente três tipos de ensaio para a determinação da dureza dos materiais, o ensaio por risco, por rebote e por penetração.

• Os ensaios de dureza são bastante sensíveis, porém simples de serem realizados.

• A determinação da dureza dos materiais é uma medida direta e que pode ser correlacionada com outras grandezas dos materiais, como resistência à tração direta.

• Os valores de dureza obtidos podem ser relacionados entre si.

• Para uma adequada obtenção da dureza dos materiais, os corpos de prova devem estar devidamente preparados.

RESUMO DO TÓPICO 1

160

1 Determine a dureza Bierbaum de um aço que apresentou a 70 de largura do risco.

2 Com base na figura a seguir, determine a resistência do aço que possui uma dureza Shore de 55.

3 Determine o limite de resistência à tração de uma barra de latão encruado, cuja constante experimental (α) é de 3,45 e a dureza Brinell é de 250.

4 Determine a dureza Brinell de uma esfera de aço de 250 mm2 na qual foi aplicada uma carga de 50 N.

AUTOATIVIDADE

Dur

eza

Shor

e

Limite de resistência (kgf/mm2)

161

TÓPICO 2

ENSAIO DE TORÇÃO

UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Olá, caro acadêmico! Bem-vindo ao Tópico 2, da Unidade 3, deste livro de estudos. Neste tópico vamos estudar o ensaio de torção em materiais. Mas o que é a torção?

Torção pode ser definida como a solicitação que tende a girar as seções de uma determinada peça, em relação às outras, um exemplo clássico é a manivela. Esse tipo de propriedade é muito importante no dimensionamento de materiais, sobretudo, em máquinas de giro, como motores e engrenagem em geral. É, então, de alta aplicabilidade do dia a dia das pessoas e você como engenheiro poderá se deparar com situações onde será necessário tratar com ensaios ou caracterização de materiais sujeitos à torção.

Assim, caro acadêmico, vamos lá!

Bons estudos!

2 CONCEITOS DO ENSAIO DE TORÇÃO

A torção é a solicitação que se apresenta quando se aplica uma força sobre o eixo longitudinal de um elemento construtivo de tal forma que cada seção transversal do elemento sob ação do esforço solicitante tende a girar em relação às outras (Figura 14).

Um exemplo de fácil compressão do esforço de torção é torcer uma toalha úmida, cada um dos lados da toalha será girado para um lado, acarretando em uma torção na toalha, que acarretaria nesse caso, a retirada da água.

162


FIGURA 14 - ESFORÇO DE TORÇÃO

FONTE: <http://dicioilustradoestruturas.blogspot.com/2012/>. Acesso em: 5 nov. 2018.

O ensaio de torção é muito utilizado para verificar a qualidade do produto, uma vez que a torção ocorre quando atua sobre o corpo um torque. Sendo que, esse tipo de solicitação é comum quando se trata de eixos e sistemas de transmissão de movimento. O esforço de torção prova uma deformação elástica ao longo do comprimento do elemento. A medida do grau de deformação é proporcional ao comprimento do corpo (ZOLIN, 2011).

O efeito da aplicação de uma força pela distância em relação ao centro de giro é resultante do torque ou momento torçor (MT) (ZOLIN, 2011).

Aplicando um torque (F⋅d) sobre um material, uma parte está sob efeito de compressão, semelhante ao efeito das fibras na flexão. Quando ocorre a ruptura é por cisalhamento, por isso o gráfico da torção (momento) em função da deformação é semelhante ao do ensaio de tração ou do ensaio de compressão (ZOLIN, 2011).

Na Figura 15 tem-se os limites de proporcionalidade, de escoamento, os momentos máximos e de ruptura como acontece no ensaio de tração e de compressão.

TÓPICO 2 | ENSAIO DE TORÇÃO

163

FIGURA 15 - GRÁFICO MOMENTO TORÇOR VERSUS ÂNGULO DE TORÇÃO

FONTE: Zolin (2011)

FONTE: Zolin (2011)

O ensaio de torção permite identificar os tipos de materiais e seus limites de resistência. De acordo com a Figura 16, fica claro que a fratura na forma de hélice com ângulo de 45º com o eixo longitudinal, ocorrem nos materiais frágeis, e a fratura que forma um plano perpendicular com o eixo longitudinal ocorrem em materiais dúcteis (ZOLIN, 2011).

FIGURA 16 - CORPO DE PROVA COM (A) FRATURA FRÁGIL E (B) FRATURA DÚCTIL

164


O conhecimento de como ocorre a ruptura por torção é de extrema relevância para auxiliar na identificação da origem da falha e a consequente solução. O efeito a torção é semelhante ao de tração, porém existe uma diferença muito importante entre eles em relação ao aspecto da fratura, conforme observado no Tópico 1 da Unidade 2.

2.1 INFORMAÇÕES COMPLEMENTARES AO ENSAIO

O ensaio de torção consiste na aplicação de carga rotativa em um corpo de prova geralmente de geometria cilíndrica. Mede-se o ângulo de deformação (θ) como função do momento de torção aplicado. Esse ensaio é amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, como: motores de arranque, turbinas aeronáuticas, rotores de máquinas pesadas, brocas, parafusos e outros, principalmente, devido à vantagem de fornecer dados quantitativos das características mecânicas dos materiais que compõem o componente, em particular as tensões de cisalhamento. Dentre os principais resultados do ensaio destacam-se: limite de escoamento ao cisalhamento (Te), limite de resistência ao cisalhamento (Tu), módulo de elasticidade transversal (G), módulo de resiliência à torção e o módulo de tenacidade à torção (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

Os resultados fornecidos pelo ensaio de torção são fortemente influenciados pela temperatura, velocidade de deformação, anisotropia do material, tamanho de grão, porcentagem de impurezas, qualquer tipo de tratamento térmico sofrido pelo corpo de prova, assim como pelas condições ambientais do ensaio (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

O ensaio de torção pode ser executado a partir de corpos de prova feitos do material do qual o componente será fabricado, ou por meio de ensaio na própria peça, como por exemplo: eixos, brocas, hastes, entre outros, desde que suas dimensões sejam compatíveis com a máquina de ensaio. A máquina de ensaio possui uma cabeça giratória, responsável pela aplicação do momento de torção, na qual é fixada uma das extremidades do corpo de prova. O momento é transmitido à outra extremidade do corpo de prova, que fica preso à mesa de engaste da máquina de ensaio (Figura 17) (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).


165

FIGURA 17 - ESQUEMA IDEALIZADO DE FIXAÇÃO DO CORPO DE PROVA PARA ENSAIO DE TORÇÃO

Mesa de engaste

Corpo de prova(eixo cilíndrico)

Região deengaste no manual

Ângulo de torção

Manual detorção

Mt = P · BForça (P)

Braço (B)

FONTE: Garcia, Spim e Santos (2012).

Ao longo do ensaio, registra-se o momento de torção x ângulo de torção ou de giro relativo da extremidade onde a torção é aplicada. Com os resultados do momento de torção versus o ângulo de torção, se constrói a curva tensão de cisalhamento versus a deformação angular de cisalhamento (Figura 18) (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

FIGURA 18 - CURVA OBTIDA NO ENSAIO DE TORÇÃO


Cisalhamento (t)

Deformação angular de cisalhamento y

α = artg (G)

Deformação reversívelComportamento elástico

Comportamentoplástico

Região deencrutamento

Início do processode ruptura

Região de encrutamentonão uniforme

Ruptura total

F

0

tu

tp

166


2.2 DETERMINAÇÃO DOS COEFICIENTES RELACIONADOS AO ENSAIO DE TORÇÃO

2.2.1 Determinação da tensão de cisalhamento (t)Para a determinação da máxima tensão de cisalhamento (tMáx) em um corpo

de prova de seção transversal circular e maciça, pode-se aplicar a Equação 12:

Onde:tMáx é a tensão máxima de cisalhamento para seção maciça tubular (Pa);Mtmáx é o momento torçor máximo aplicado (N.m);D é o diâmetro do corpo de prova (m).

Para corpos de prova de seção circular vazados, aplica-se a Equação 13.

Onde:tMáx é a tensão máxima de cisalhamento para seção vasada tubular (Pa);Mtmáx é o momento torçor máximo aplicado (N.m);Dext é o diâmetro externo do corpo de prova (m);Dint é o diâmetro interno do corpo de prova (m).

No caso de corpos de prova com seção transversal de seção retangular, utiliza-se a Equação 14.

Onde:tMáx retangular é a tensão máxima de cisalhamento para seção retangular;Mtmáx é o momento torçor máximo aplicado (N.m);α é um coeficiente numérico que depende da relação b/c (Quadro 10);b é a largura do corpo de prova (m);c é a altura do corpo de prova (m).

Equação 12��

�Máx

máxMD

��

16

3

Equação 13��

�Máx

máx ext

ext

M DD D

�� 16

4 4

int

Equação 14��Máxre gular

tmáxMb ctan

�� 2


167

QUADRO 10 – VALORES DE α E β DA RELAÇÃO B/C PARA O CÁLCULO DA TENSÃO MÁXIMA DE CISALHAMENTO EM SEÇÃO TRANSVERSAL RETANGULAR

Relação b/c α β1 0,208 0,141

1,5 0,231 0,196

1,75 0,239 0,2142 0,246 0,229

2,5 0,258 0,2493 0,267 0,2634 0,282 0,2816 0,299 0,2998 0,307 0,307

10 0,313 0,313∞ 0,333 0,333


Prezado acadêmico, note que a tensão de cisalhamento máxima em elementos de seção transversal retangular é possível de ser determinada sem a necessidade do coeficiente “α”, pela Equação 15.

NOTA

2.2.2 Determinação do módulo de elasticidadetransversal (G)

O módulo de elasticidade transversal é equivalente ao módulo de elasticidade obtido no regime elástico, mas nesse caso, a deformação é referente ao valor angular medido no ensaio, e pode ser calculado a partir da Equação 16.

Onde:G é o módulo de elasticidade transversal;Mt é o momento torçor aplicado (N.m);

Equação 15�Máxre gulartmáxM

b ccbtan

,��

� � ��

��

�

��

�

��2

3 1 8

Equação 16G M LIr

��

�

168


Ir é o momento de inércia polar;θ é o ângulo de torção obtido no ensaio no regime linear;L é o comprimento do corpo de prova (m).

2.2.3 Determinação do ângulo de torção por unidade de comprimento (θ)

Para a determinação do ângulo de torção é possível utilizar a Equação 17. Nesse caso, relaciona-se os valores de momento torçor no regime elástico.

Onde:θ é o ângulo de torção obtido no ensaio no regime linear;Mt é o momento torçor aplicado;C é uma função de G e Ir, onde C = G x Ir para eixos circulares e C = β x b x c3 x G. Os valores de β podem ser consultados no Quadro 10

3 ESPECIFICIDADES DO ENSAIO DE TORÇÃO

Assim como os demais ensaios, o ensaio de torção apresenta características e especificidades para a sua execução, algumas delas são apresentadas a seguir:

• A fixação das extremidades do corpo de prova na máquina deve ser tal que não ocorram danos ou destruição das mesmas, ocasionando pontos de nucleação de trincas e consequente fratura.

• A distância entre as fixações será considerada o comprimento útil do corpo de prova (L).

• A rotação ou giro do corpo de prova deverá ocorrer apenas ao longo do comprimento útil, e não na região engastada. Para tanto, antes de se validar o ensaio, o operador deverá verificar se a extremidade de fixação não se encontra danificada (deformada) após a retirada deste da máquina de ensaio.

• O equipamento deverá ser dotado de um dispositivo de leitura de giro, diminuindo possíveis erros do operador nas medidas.

• Para o caso de ensaios realizados em componentes curvos, como é o caso de arames ou fio máquina, deverão ser endireitados com a própria mão quando possível, ou com um martelo de madeira, borracha, cobre ou outro material que não danifique a superfície do corpo de prova.

• Como a tensão máxima de cisalhamento ocorre na superfície, é recomendado que seja isenta de defeitos ou marcas, que podem mascarar o comportamento do componente como um todo, não revelando sua total capacidade.

• A velocidade de giro durante o ensaio também requer especial atenção, devendo ser pequena. Em geral, esta é medida em rpm (rotação por minuto) ou rps (rotação por segundo).

Equação 17� ��MC


169

Produto obtido por laminação a quente com seção transversal circular é destinado à trefilação em geral para produção de arames para pregos, grampos, ganchos, arames recozidos e também para aplicação em laminação a frio.

DICAS

As fraturas observadas no ensaio de torção são diferentes das obtidas no ensaio de tração, assim como a deformação plástica na fratura é localizada e muito pequena quando comparada com o alongamento e a redução de área em tração. Os materiais dúcteis rompem-se por cisalhamento ao longo de um plano de máxima tensão de cisalhamento, geralmente um plano normal ao eixo longitudinal do corpo de prova, ou plano transversal. No caso de alguns materiais em que o componente de tensão no sentido longitudinal predomina sobre o componente transversal, como ocorre no caso da madeira com fibras paralelas ao eixo longitudinal, as primeiras trincas ou fendas serão produzidas por essas tensões, que aparecerão na superfície do material (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

170

Nesse tópico, você aprendeu que:

• Os materiais apresentam patamar elástico, similar ao ensaio de tração e compressão.

• O ensaio de torção dos materiais é amplamente aplicado a peças e engrenagens no ramo da engenharia.

• A fixação adequada do corpo de prova no equipamento de medição é fundamental para um ensaio dentro dos padrões exigidos.

• O ensaio de torção é relativamente simples de ser realizado e as suas propriedades podem ser extraídas diretamente a partir do gráfico obtido no ensaio.

RESUMO DO TÓPICO 2

171

AUTOATIVIDADE

1 Determine o valor da tensão máxima de cisalhamento (tMáx) em um corpo de prova de tubular de seção transversal circular com 30 mm de diâmetro, que está submetido a um momento de 1,5 kN.m.

2 Determine o valor da tensão máxima de cisalhamento (tMáx) em um corpo de prova de tubular vazado de seção transversal circular com 30 mm de diâmetro externo e 25 mm de diâmetro interno que está submetido a um momento de 1 kN.m.

3 Determine o valor da tensão máxima de cisalhamento (tMáx) em um corpo de prova de de seção transversal retangular com base de 30 mm e altura de 20 mm que está submetido a um momento de 2,5 kN.m.

4 Determine o valor da tensão máxima de cisalhamento (tMáx) em um corpo de prova de de seção transversal retangular com base de 40 mm e altura de 25 mm que está submetido a um momento de 1,8 kN.m. Utilize a Equação 15 do livro didático.

172

173

TÓPICO 3

ENSAIO DE FADIGA

UNIDADE 3

1 INTRODUÇÃO

Olá, caro acadêmico! Bem-vindo ao Tópico 3 da Unidade 3 deste livro de estudos. Neste tópico vamos estudar o ensaio de fadiga em materiais.

Basicamente, o ensaio de fadiga consiste na aplicação e uma carga pré-determinada em um regime do tipo cíclico a um corpo de prova previamente preparado e padronizado. Esse tipo de ensaio é extensivamente utilizado na indústria automobilística e aeronáutica, sobretudo pelo fato dos materiais apresentarem falha não pela ruptura à resistência, mas pela fadiga. Normalmente, não se tem uma ruptura por levar o material ao seu estado limite último, mas sim devido às solicitações repetidas ao longo da vida do objeto, que resultam no aumento e propagação de fissuras que podem vir a resultar em uma falha do material.

Os resultados são apresentados principalmente na forma de gráficos tensão-número de ciclos, os quais vamos abordar com profundidade ao longo deste tópico. Assim, essa propriedade, resistência à fadiga, mostra-se como uma propriedade fundamental no momento da escolha e dimensionamento em projetos de engenharia, que você, como futuro engenheiro poderá desenvolver.

Dessa forma, caro acadêmico, vamos lá!

Bons estudos!

2 CONCEITOS DO ENSAIO DE FADIGA

De maneira geral, os materiais submetidos a tensões cíclicas, isto é, repetitivas apresentam falhas ou rompem-se em regimes de tensões muito inferiores às determinadas nos ensaios de tração convencional, compressão ou torção, quando se leva os materiais ao seu estado de limite último. Esse fato é conhecido como ruptura por fadiga, que costuma ocorrer em materiais após um determinado tempo de serviço do material. A medida que o desenvolvimento tecnológico incorporou novos componentes e equipamentos, por exemplo nas indústrias automobilística


174

e aeronáutica, submetidos continuamente a esforços dinâmicos e a vibrações, o fenômeno da fadiga passou a representar a causa de mais de 90% das falhas em serviço de componentes de materiais metálicos. Os materiais poliméricos e os cerâmicos, com exceção dos vidros, são também suscetíveis à ruptura por fadiga. A falha por fadiga é particularmente imprevisível, pois acontece sem que haja qualquer aviso prévio (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

Os primeiros estudos sobre o comportamento de materiais metálicos a esforços alternados e repetitivos foram feitos por August Wöhler, no período de 1850. Importantes informações foram obtidas desses estudos, entre elas a apresentação dos resultados do ensaio num gráfico que relaciona a tensão versus o número de ciclos até a fratura. Entre os principais fatores para que ocorra a falha por fadiga nos materiais podem ser citados: a existência de tensões cíclicas ou flutuantes e o número de ciclos de aplicação da tensão suficientemente alto para que ocorram a nucleação e a propagação de uma trinca. De maneira geral, o ensaio de fadiga pode ser dividido em categorias que correspondem individualmente ao estudo da nucleação de trincas e ao estudo da propagação de trincas (Figura 19) (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).

FIGURA 19 – CATEGORIAS PARA A REALIZAÇÃO DO ENSAIO DE FADIGA


Fadiga de desgaste

Ensaio realizado sem a existência de pré-trinca.Objetivo: controlar a nucleação de trincasExemplos: componentes de pequeno porte, ferramentas de corte, dentes de engrenagem, eixos, hastes de manivelas, esferas de rolamento

Fadiga de alto ciclo

Baixas tensões cíclicas e número elevado de ciclos>104 para correr a fratura

Exemplos: componentes de máquinas rotativas e sistemas que sofrem elevadas vibrações, como rodas, eixos, rolamentos

Fadiga de baixo ciclo

Altas tensões cíclicas e número baixo de ciclos<104 para correr a fratura

Exemplos: componentes de núcleo de reatores nucleares, componentes sujeitos ocasionalmente a sobrecargas

Fratura de desgaste

Ensaio realizado com a existência de pré-trinca.Objetivo: controlar o crescimento de trincasExemplos: componentes de grande porte, estruturas de pontes, navios, aviões, autos, elementos soldados, vasos de pressão

Categorias do ensaio de fadiga

TÓPICO 3 | ENSAIO DE FADIGA

175

2.1 CARGAS CÍCLICAS

Nos ensaios, as cargas aplicadas costumam ser do tipo cíclicas. É importante caracterizar os possíveis tipos de tensões cíclicas que provocam o fenômeno de fadiga. A tensão aplicada pode ser axial (tração-compressão), de flexão (dobramento) ou de torção (carga rotativa). De modo geral, três diferentes formas de tensão cíclica ou variável no tempo são possíveis (Figura 20), e em diferentes tipos, como flexão rotativa, tração-compressão, cisalhamento, entre outros.

FIGURA 20 – EXEMPLOS DE ENSAIO DE FADIGA. (A) ENSAIO DE FLEXÃO ROTATIVA; (B) ENSAIO DE TORÇÃO; (C) ENSAIO DE TRAÇÃO CÍCLICA

c)

Corpo de prova

b)a)

Torque

Corpo de provaFixação

Basefixa

Carga

Suporte

Corpo deprova

Compressão

TraçãoRotação

Rolamento

Motor

FONTE: Adaptado de Garcia, Spim e Santos (2012).

A aplicação do ciclo alternado da tensão (similar à função senoidal) é similar à condição de serviço do material, e é uma situação idealizada para ser o mais próximo de uma condição real, mas acelerada. Esse ensaio é acionado por um eixo rotativo funcionando em velocidade constante e sem sobrecargas. Para esse tipo de tensão, as amplitudes de tensão máxima (tração) e mínima (compressão) são iguais (Figura 21).


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FIGURA 21 – TENSÃO ALTERNADA NO ENSAIO DE FADIGA

FONTE: Adaptado de Garcia; Spim; Santos (2012) e Callister (2007)

Pico

σmáx

σr

σa

σcompressão

σmin

σtração

Vale

Períodode 1 ciclo

Tempo

Onde:σmáx é a tensão máxima de tração;σmin é a tensão mínima de compressão;σa é a amplitude de oscilação;σr é o intervalo de tensões.

No caso de um ensaio em “tensão flutuante”, a tensão pode estar apenas no patamar de tração como no de compressão, por exemplo, partindo de um valor mínimo de tensão, como apresentado na Figura 22, onde é apresentado um caso de ciclo de tensão que se repete em torno de uma tensão média (σM), no qual os valores da tensão máxima (σmáx) e da tensão mínima (σmin) não são iguais.

FIGURA 22 – TENSÃO FLUTUANTE OSCILATÓRIA NO ENSAIO DE FADIGA

FONTE: Adaptado de Garcia, Spim e Santos (2012) e Callister (2007)

σmáx

Períodode 1 ciclo

Tempo

σM ≠ 0σmáx ≠ σmin

σcompressão

σr

σa

σmin

σtração

σM


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Para a determinação da tensão média, pode-se utilizar a Equação 18.

Onde:σM é a tensão média (Pa);σmáx é a tensão máxima (Pa);σmin é a tensão mínima (Pa).

Onde:σr é o intervalo de tensões;σmáx é a tensão máxima (Pa);σmin é a tensão mínima (Pa).

Onde:σM é a amplitude de oscilação;σmáx é a tensão máxima;σmin é a tensão mínima.

Já, para a determinação do intervalo de tensões, pode-se utilizar a Equação 19:

Enquanto que, para a determinação da amplitude de oscilação e razão de variação das tensões, podem ser calculadas pelas Equação 20 e Equação 21, respectivamente.

2.2 CURVA TENSÃO VERSUS NÚMERO DE CICLOS

A maneira mais frequente da apresentação dos resultados do ensaio a fadiga é através da curva tensão-número de ciclos (σ – N) (Figura 23). Por meio desse gráfico são extraídos, normalmente, os resultados de limite de resistência à fadiga (σRf), resistência à fadiga (σf) e vida em fadiga (Nf). Normalmente, para o número de ciclos emprega-se uma escala logarítmica, e a tensão lançada no gráfico é a tensão nominal (podendo ser σa, σmáx, ou σmin, sem ajuste para a concentração de tensões. Para a obtenção das propriedades de resistência à fadiga

Equação 18��

Mmáx�

�min

2

Equação 19� � �r máx� �min

Equação 20��

amáx�

�min

2

Equação 21��amáx

� min


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são ensaiados vários corpos de prova do mesmo material, com condições idênticas de tratamento térmico, acabamentos superficial e dimensional para diferentes cargas até a ruptura, registrando-se o número de ciclos em que a ruptura ocorreu (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012; SOUZA, 1982).

FIGURA 23 – CURVA TENSÃO-NÚMERO DE CICLOS EM ENSAIO DE FADIGA

FONTE: Adaptado de Garcia, Spim E Santos (2012)

Números de ciclos (N)

1200

600

800

1000

200

400

0

104 105 106 107 108 109

2 2 2 2 23 3 3 3 34 4 4 4 45 5 5 5 56 6 6 6 67 7 7 7 78 8 8 8 89 9 9 9 9

Tens

ão a

plic

ada

(Mpa

)

Vida em fadiga para 600 MPa de tensão = 105 ciclos

Aço ferramenta

Limite de resistênciaem fadiga = 400 MPa

Resistência à fadigapara 107 ciclos = 150 MPa

Liga de alumínio

Para a determinação da fadiga nos materiais, normalmente, aplicam-se dois métodos fundamentais (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012):

• Método padrão: para o caso de levantamento da curva σ – N estimada com poucos corpos de prova, normalmente emprega-se o método padrão, no qual se ensaiam um ou dois corpos de prova para determinada tensão abaixo de uma tensão mínima. Se para o primeiro corpo de prova se atingir a vida útil


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preestabelecida, o próximo é ensaiado com uma tensão mais alta e assim por diante. Os valores obtidos são plotados em um gráfico σ – N padrão e ajustados por uma curva média mais conservativa.

• Método da tensão constante: nesse método, as tensões são selecionadas em valores espaçados, e vários corpos de prova são ensaiados para cada tensão, obtendo-se uma nuvem de pontos para cada condição. Com esses valores é traçada uma curva média que englobe todos os pontos (Figura 24).

FIGURA 24 – APRESENTAÇÃO DAS CURVAS TENSÃO-NÚMERO DE CICLOS. (A) MÉTODO PADRÃO; (B) MÉTODO DA TENSÃO CONSTANTE

a) b)

1100 550

500

450

400

350

300

250200

965825690550410275

104 104 105 106 107 108105 106 107 108

Tens

ão (M

Pa)

Número de ciclos (N) Número de ciclos (N)

Tens

ão (M

Pa)

Não rompeu

Curva σ x N média

Curva σ x N conservativa


Em geral, a curva σ – N em ligas ferrosos e ligas de titânio apresenta um limite de tensão tal que, para valores abaixo desse limite, o corpo de prova nunca sofrerá ruptura por fadiga. Esse limite de tensão é conhecido como limite de resistência à fadiga (σRf), e a curva σ – N , nesse ponto, toma a forma de um patamar horizontal (Figura 25). Para os aços, o limite de resistência à fadiga está compreendido na faixa de 35% a 65% do limite de resistência à tração. Na prática, admite-se como boa aproximação que a razão de fadiga (Rf), ou seja, a razão entre o limite de resistência à fadiga e o limite de resistência à tração, vale aproximadamente 0,5. (CALLISTER, 2007; GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012; SOUZA, 1982).


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FIGURA 25 – CURVA σ – N TÍPICA DE METAIS FERROSOS E COM PATAMARDE LIMITE DE RESISTÊNCIA

Número de ciclos (N)

σ(MPa)

1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8

Não ocorre rupturapor fadiga

Curva típica para:Aço-CLigas de TiLigas de MoFerrosos em geral

σRt

FONTE: Adaptado de Garcia, Spim e Santos (2012) e Callister (2007)

A maioria das ligas não ferrosas (alumínio, cobre, magnésio etc.) não apresenta limite de resistência à fadiga, já que a tensão decresce continuamente com o número de ciclos de aplicação de carga (Figura 26). Para esses materiais, a fadiga é caracterizada pela resistência à fadiga (σf), que é a tensão na qual ocorre ruptura para um número arbitrário de ciclos de aplicação de carga. Na prática, esse número se situa entre 107 e 108 ciclos. Outro parâmetro importante na caracterização do comportamento diante da fadiga de um material é a vida em fadiga (Nf), que consiste no número de ciclos que causará a ruptura para um determinado nível de tensão.

FIGURA 26 – CURVA σ – N TÍPICA DE MATERIAIS SEM PATAMAR DE LIMITE DE RESISTÊNCIA

FONTE: Adaptado de Garcia, Spim e Santos (2012) e Callister (2007)Número de ciclos (N)

Curva típica para:AlumínioCobreNão ferrosos em geral

1E+1 1E+2 1E+3Nt1 Nt2

1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8

σ(MPa)

σt1

σt

σt2


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2.3 FRATURA DE FADIGA

Os materiais, de maneira geral, quando submetido às tensões cíclicas apresentam ruptura muito antes da sua resistência mecânica última. Isto é, apresentam falha com tensões muito abaixo da sua capacidade de resistência. Isso se deve aos fenômenos de propagação de fissuras, abordado anteriormente com a Teoria de Griffith pela concentração de tensões nas bordas das fissuras, e que são separadas em três tipos fundamentais:

• Nucleação da fissura;• Propagação cíclica da fissura – Fenômeno lento, e;• Falha catastrófica – Fenômeno rápido.

A Teoria de Griffith e a mecânica da fratura foram abordados na Unidade 1 deste livro de estudos.

DICAS

2.3.1 Nucleação por fissura

A nucleação das fissuras ocorre pelo fato de haver altas concentrações de tensões na borda das fissuras, fazendo-as se propagarem de maneira rápida e com pequena aplicação de carga no corpo de prova. Além das fissuras ou defeitos macroscópicos, como ranhuras, defeitos superficiais ou de fabricação, as regiões de contorno de grãos e poros internos do material, caracterizam-se como falas e pontos de concentração de tensão, o que contribui para a nucleação das fissuras (Figura 27).

FIGURA 27 – ELEMENTOS QUE CONTRIBUEM PARA A NUCLEAÇÃO DE FISSURAS. (A) POROS E FISSURAS; (B) FISSURAS NA SUPERFÍCIE; (C) DEFEITOS

DE MORFOLOGIA QUÍMICA


Entalhe ou trincade superfície

Planos emdeslizamento

Superfície Superfície

TrincaPoro

Inclusão

a) b) c)


182

Note que em regiões livres de defeitos, as trincas podem ser nucleadas por concentração localizada de tensão.Já, a presença de defeitos internos (como inclusões ou porosidade) deve reduzir o tempo necessário para a nucleação de trincas, uma vez que esses defeitos conduzem à uma concentração local da tensão aplicada.

NOTA

2.3.2 Propagação cíclica da fissura

A propagação cíclica da fissura é devido à concentração de tensões nos defeitos do material, que acabam concentrando tensões nas bordas desses defeitos. Primeiro, a medida que se realiza o ciclo de tração no material, tem-se a concentração de tensões na borda da fissura, que tende a se propagar nos planos de fragilidade dos cristais do material, uma vez tensionada, essa fissura propaga, através da deformação plástica do material e aumentando de tamanho, em seguida, a medida que se aplica o ciclo de compressão, essa fissura é comprimida, deformando a fissura de modo a resultar em um formato “pontiagudo”. Após, segue-se para o ciclo de tração, que resulta novamente num acúmulo de tensão na borda da fissura, resultando na propagação cíclica da fissura. Um esquema idealizado desse fenômeno é apresentado na Figura 28.

FIGURA 28 – ESQUEMA IDEALIZADO DA PROPAGAÇÃO CÍCLICA DE FISSURAS


a - comprimento da trinca∆a - avanço da trinca

Tempo

Tensão, σ

σA

σC

σB

σA

σD

σD

σE

σF

σD

σE

σE

σF

σF

σA

σB

σBσC

σCa

a) Trinca inicial ou entalhe

∆a ∆a ∆a

e)

f)

g)

b) Deslizamento de plamno

c) Abertura ampla de trinca

d) Arredondamento plástico da ponta

da trinca

45°

45°

45°

45°

45°

Planos dedeslizamento

Planos dedeslizamento


183

No processo de propagação de fissuras à fadiga, que é cíclico, gera, a cada novo ciclo de tensão, ou a cada ciclo de abre e fecha da fissuração, uma marca na superfície de fratura. Essas marcas são características e normalmente apresentam um plano sequencial chamado de “estrias” regulares, como apresentado na Figura 29. Essas estrias apresentam uma configuração de estarem transversalmente à tensão aplicada e ao aumento da fissuração, porém, nesse estágio, a fissuração apresenta uma propagação estável e o material não apresenta ainda o colapso.

Já, quando ocorre a fissuração, essa apresenta uma tendência de se comportar de maneira catastrófica, uma vez que cada novo ciclo de tensão existe uma menor área de seção transversal resistindo aos esforços, logo, há uma maior tensão resistente. Assim, a medida que a tensão aumenta, a possibilidade da ruptura também aumenta, até o ponto em que o material não apresenta mais progressão estável da fissuração e rompe de maneira abrupta. Essa fissura abrupta deixa marcas características na superfície de fratura, sendo possível distinguir a parte de formação e propagação estável da fissuração e a propagação instável (ruptura catastrófica).

FIGURA 29 – SUPERFÍCIE DE FRATURA POR FADIGA DE UMA LIGA DE AÇO



184

FIGURA 30 – ESQUEMA IDEALIZADO DA SUPERFÍCIE DE FRATURA EM MATERIAIS

FONTE: Adaptado de Garcia; Spim; Santos (2012)

Propagaçãoinstável da trinca

Propagaçãoestável da trinca

Nucleaçãoda trinca

Caro acadêmico! Note que, no caso das fraturas e propagação das fissuras por fadiga, existem alguns micromecanismos principais associados, como (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012):

• Coalescência de microvazios: fratura dúctil; fratura com sobrecarga.• Formação de estriais dúcteis: crescimento subcrítico.• Clivagem: fratura frágil; fratura prematura ou sobrecarga; quase clivagem por

fragilização por hidrogênio.• Fratura intergranular: fragilização do contorno de grão (por segregação ou

precipitação); crescimento subcrítico (tensão-corrosão ou fragilização por hidrogênio).

2.3.3 Efeito da tensão média (σM) no comportamento à

fadiga

A tensão média (σM), assim como outros fatores, apresentam impacto direto no comportamento do material ensaiado à fadiga. Esse efeito, em situações práticas mostra que a tensão média pode afetar os resultados, principalmente em relação à amplitude de oscilação. Na Figura 31, é apresentado um gráfico com diferentes valores de tensão média e verifica-se que quanto maior esse valor, menor é a amplitude de oscilação e menor é o valor de limite de resistência apresentado pelo material.


185

FIGURA 31 – VARIAÇÃO AMPLITUDE EM FUNÇÃO DA TENSÃO MÉDIA

FONTE: Adaptado de Garcia, Spim e Santos, 2012)

1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8

σa

σM4

σM3

σM2

σM1

σM =

σmáx + σmin

σM1 < σM2 < σM3 < σM4

2


2.4 INFORMAÇÕES ADICIONAIS SOBRE O ENSAIO DE FADIGA EM MATERIAIS

Normalmente, os ensaios de fadiga são realizados com corpos de prova com seção de teste, isto é, parte do corpo de prova com seção transversal reduzida. Na Figura 32 é apresentado um esquema idealizado do formato de corpos de prova utilizados no ensaio. Em relação aos cuidados que devem ser tomados considerando o ensaio e os corpos de prova utilizados, deve-se destacar a confecção dos corpos de prova, que deve ser tal que a ruptura ocorra na seção de teste. A área de teste deve ter um comprimento mínimo de três vezes o diâmetro do corpo de prova.

FIGURA 32 – CORPO DE PROVA PARA ENSAIO DE FADIGA. (A) CORPO DE PROVA COM SEÇÃO PARALELA; (B) CORPO DE PROVA COM SEÇÃO COM RAIO DE CONCORDÂNCIA


186

FONTE: Adaptado de GARCIA; SPIM; SANTOS (2012); ASTM E1942 (2018); ASTM E1823 (2013); ASTM E466 (2015); ASTM E467 (2014)


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A IMPORTÂNCIA DOS LABORATÓRIOS NO ENSINODE ENGENHARIA MECÂNICA

Helio PekelmanAntônio Gonçalves Mello Jr.

1 INTRODUÇÃO

O enfoque que se dará neste artigo é o uso de laboratórios no ensino da engenharia, no caso, Engenharia Mecânica, desta forma, nada mais justo que iniciarmos com algumas definições de engenharia a fim de permitir um melhor esclarecimento com relação aos seus objetivos e aos objetivos deste artigo. Engenharia segundo Michaelis (1998), “é a arte de aplicar os conhecimentos ou utilização da técnica industrial em todas suas determinações”. Engenharia, segundo Kirk (1979), “é a profissão essencialmente dedicada à aplicação de um certo conjunto de conhecimentos, de certas habilitações e de uma certa atitude à criação de dispositivos, estruturas e processos utilizados para converter recursos a formas adequadas ao atendimento das necessidades humanas”.

Nota-se então, que a grande ferramenta do engenheiro é o conhecimento da ciência e da tecnologia, que se reverterá em benefício das necessidades humanas. Temos, segundo Michaelis (1998), que a tecnologia “é a aplicação dos conhecimentos científicos à produção em geral” e voltando a Kirk (1979) é através do engenheiro que a humanidade colhe os frutos da pesquisa científica. Assim, quando focamos o ensino de engenharia, a questão tecnologia, ciência e humanidade se tornam chaves, o que é mostrado no texto de (PEREIRA, BAZZO apud SOUZA (2002) “... o sistema educativo, em especial a escola de Engenharia, deverá se aparelhar para formar cidadãos que saibam avaliar criticamente a tecnologia e suas implicações. Se os engenheiros são os responsáveis por desenvolver e trabalhar tecnologias, nada mais lógico que eles tenham condições de entendê-las além e aquém da pura técnica”.

RELAÇÃO LABORATÓRIOS X SIMULAÇÃO / MODELAGEM

Se o engenheiro deve ser capaz de aplicar a ciência e a tecnologia, que se entenda, neste artigo, como aplicação, a adaptação dos conhecimentos científicos e tecnológicos às necessidades humanas, nada mais justo, que no seu período de ensino no curso de Engenharia, lhe seja proporcionado a possibilidade de se deparar e manipular as principais tecnologias básicas em condições próximas, simuladas, às do mundo real, ou melhor, profissional. Podemos dizer, que os laboratórios em uma instituição de ensino de Engenharia modelam situações reais (modelo – simplificação da realidade) e utilizam estes modelos em simulações. Simulação conforme Banks (1998), é a imitação da operação de um processo ou sistema do mundo real sobre o tempo. Ainda conforme o mesmo autor, simulação


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envolve a geração de uma estória artificial para desenhar inferências com relação às características de operação do sistema real representado, é utilizada para descrever e analisar o comportamento de um sistema, gerar perguntas do tipo o que acontece se?, sobre o sistema real, e ajudar no projeto de sistemas reais. Ambos, sistemas existentes e conceituais podem ser modelados e simulados.

USO DE LABORATÓRIOS X CRIATIVIDADE

Além de aproximar o aluno da ciência e tecnologia, as ferramentas do engenheiro, no atendimento às necessidades humanas, os laboratórios devem também servir como treinamento da criatividade, ou seja, deve permitir ao aluno desenvolver diferentes aplicações utilizando as mesmas ferramentas e exteriorizar este ambiente para o mundo real. Ayan (2001), ao comentar sobre o mito da personalidade criativa, diz se tratar de lenda a crença estabelecida de que a criatividade é reflexo da capacidade intelectual e coloca que, poucas pessoas entendem que podem aprender e ser mais criativas, elas não sabem quais técnicas usar para gerar novas ideias ou como desenvolver seus talentos naturais.

A fim de propiciar, o uso da criatividade sempre que for necessária Ayan (2001) propõe dez estratégias:

1- Relacione-se com as pessoas;2- Projete um ambiente enriquecedor;3- Saia do seu casulo, viajando;4- Seja contagiado por brincadeiras e bom humor;5- Expanda sua mente através da leitura;6- Dedique-se às artes;7- Fique ligado na tecnologia;8- Dinamize o pensamento com relação aos seus desafios;9- Libere seu alterconsciente;10- Entre em contato com sua alma criativa.

Neste ponto, relacionando as 10 estratégias de Ayan (2001), mostraremos os laboratórios como uma união da aplicação da ciência e tecnologia através de modelos e simulações com criatividade, ressaltando-se assim o forte elo entre estes ambientes e a definição de engenharia e, portanto, sua importância no curso. Além disso, colocaremos vantagens e desvantagens da sua presença.

Relacione-se com as pessoas – Ayan (2001) coloca que uma das maneiras mais poderosas de aumentar sua criatividade através das pessoas é aumentando sua consciência das excelentes oportunidades que residem em cada encontro ou conversa que tiver. Neste aspecto, as aulas práticas de laboratório permitem uma maior interação e conversa entre alunos e alunos professor, levando este a mais dúvidas, mais curiosidade, e consequentemente uma aproximação maior com a engenharia. Um ponto negativo que se destaca, neste caso é a questão da quantidade de alunos no ambiente de laboratório, quantidades muito grandes dispersam a atenção reduzindo muito o ganho com a troca de experiências.


189

Projete um ambiente enriquecedor – Ayan (2001) expõe que, a inspiração e produtividade são melhoradas em ambientes que estimulam todas as percepções sensoriais e o inverso também ocorre, em ambientes que produzem cacofonia de percepções sensoriais, que perturbam e traumatizam. O autor diz que cada empreendimento exige um ambiente singular correspondente aos seus objetivos. Relacionando estas afirmações com o ambiente de laboratório e estando instalado adequadamente, este pode ser encarado como alavancador da criatividade pois além de estar direcionado a um objetivo específico, estimula as várias percepções sensoriais. Novamente pode-se citar como desvantagem a quantidade grande de alunos no ambiente desvirtuando as condições apresentadas, outro ponto importante a se ressaltar são as instalações adequadas que tem um custo, às vezes alto, envolvido.

Saia do seu casulo, viajando – “Aventurar-se para além da sua zona geográfica de conforto é algo que revigora seu espírito criativo”. “Quando você vai a algum lugar onde nunca esteve, seu cérebro se reaviva e você fica mais atento ao que o cerca” Ayan (2001). Neste caso sair da sala de aula, com uma bagagem de conhecimento, e se aventurar em testar e comprovar os mesmos, relacionar com mercado e posteriormente extrapolar com novas experiências é o objetivo proposto por um ambiente de laboratório. Ressaltamos aqui não uma desvantagem, mas talvez uma falha a ser corrigida: primeiro, aumentar o contato do aluno com o mercado (visitas técnicas específicas) para que este possa fazer a ligação entre aprendizado e prática e segundo, incentivar, a partir destes contatos, a proposta de novos experimentos tornando o ambiente de laboratório não apenas didático, mas também investigativo.

Seja contagiado por brincadeiras e bom humor – “Ao experimentar estresse físico e emocional, por excesso de trabalho ou pressão psicológica, você dificilmente consegue gerar novas ideias ou solucionar problemas difíceis”. “O humor frequente é o gatilho que diz às pessoas que não há nada de errado em imaginar coisas engraçadas ou esquisitas – exatamente o que você precisa para disparar uma associação ou ideia capaz de romper um obstáculo criativo” (AYAN, 2001). Conforme as definições de engenharia apresentadas, se o engenheiro tem como uma de suas atribuições fazer a ponte entre ciência e sua aplicação na sociedade, se para este fim precisa de criatividade, e se esta é disparada com bom humor e brincadeiras, temos então o ambiente de laboratório como um local que permite o uso do expediente humor e brincadeiras de maneira mais descontraída e frequentemente tem-se colhido ótimos resultados com esta prática.

Expanda sua mente por meio da leitura – No ponto de vista do autor, um dos propósitos fundamentais da leitura é abastecer suas próprias ideias e seu trabalho criativo, o mesmo sugere aplicar o que você lê à sua vida e observar a sincronia e as descobertas casuais. Obviamente a leitura é um dos combustíveis da criatividade, como o foco neste caso é a importância dos laboratórios no ensino de engenharia, em especial, mecânica, temos o ambiente de laboratório como o finalmente do processo de leitura, ou seja, a prática do aprendido e através da curiosidade gerada, a criação de um ciclo virtuoso, aprendizagem – prática.


190

Dedique-se às artes – “O verdadeiro poder das artes é que elas falam direta e profundamente com a sua alma criativa” (AYAN, 2001). Pode-se fazer a mesma associação do item anterior, ou seja, com mais criatividade o aluno se aproxima da definição de engenharia e a união do ambiente de laboratório com a criatividade incentivada por eventos externos, como as artes, leva ao ciclo virtuoso aprendizagem – prática.

Fique ligado na tecnologia – Segundo o autor, se você não acompanhar a revolução tecnológica da atualidade, pode distorcer completamente os benefícios que ela oferece. Este é um ponto sensível de se tocar quando se aborda ambiente de laboratório pois, como já citado anteriormente, laboratórios modelam situações reais e utilizam estes modelos em simulações, tanto a modelagem como a simulação podem ser feitas com o auxílio do computador de maneira total ou parcial, e a questão então é: sair do ambiente do laboratório para uma sala de computadores para resolver problemas mais complexos mais rápido, utilizando uma tecnologia de ponta, com menos interação, ou permanecer no ambiente do laboratório para resolver problemas menos complexos porém, com uma interação maior, com um tempo maior e com menos tecnologia ? não se pretende responder a esta questão agora mas sabemos que a resposta passa pela grande desvantagem da tecnologia que é o custo e o tempo de obsolescência e pelo que foi abordado no início deste item, como avaliar os benefícios da tecnologia sem utilizá-la ? O mesmo autor expõe que a tecnologia é um facilitador do processo criativo em todas as áreas e também é uma forma de expressão criativa, corroborando podemos citar frase de Einstein “Para levantar novas questões, novas possibilidades, para tratar problemas antigos de uma nova maneira, é necessária imaginação criativa e isto representa verdadeiro avanço científico”. Deixaremos a questão utilização da tecnologia em laboratórios de engenharia como uma sugestão de tema a ser abordado em um artigo separado.

Dinamize o pensamento com relação aos seus desafios – Segundo o autor, dinamizar o pensamento é, com auxílio de estratégias de raciocínio, sair de uma situação “nenhuma ideia” para uma “nova ideia” em um curto espaço de tempo. Relacionando com ambiente de laboratório, pode-se dizer que a aplicação de técnicas de dinamização fica melhor quando realizada em um ambiente favorável como de laboratórios.

Libere seu alterconsciente – O autor explica que fenômenos aceitos como manifestações visíveis do alterconsciente são: sonhos, intuição, devaneios, visualizações e meditações. Novamente o relacionamento com o ambiente de laboratório se dá com o ambiente favorável proporcionado por este local na dinamização da criatividade.

Entre em contato com sua alma criativa – Conforme o autor, relacionar-se com seu interior exige que você esteja aberto a ideias de que dentro de cada um de nós existem sementes de grandes ideias. Finalmente podemos expor que o ambiente do laboratório contribui, de certa forma, para um encorajamento de ações criativas engrandecendo o espírito inovador do aluno de engenharia.


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CONCLUSÃO

Baseado nas definições de engenharia, nas técnicas de criatividade e na experiência reportada, pode-se dizer, que os laboratórios dentro do curso de Engenharia, em especial Engenharia Mecânica, tem um papel fundamental na formação do aluno uma vez que permite, possibilita e aprimora a capacidade de tornar real o teórico, de tornar viável o problema e de se adaptar às mais diversas condições que se apresentarão quando do exercício da profissão. Além disso, exercita o poder da diferenciação, essencial para se destacar no disputado mercado de trabalho dos dias de hoje.

Destacada a importância no curso de engenharia, as questões práticas para implantação e manutenção não podem ser esquecidas, questões como área disponível, custo e finalidade dos equipamentos, o compartilhamento com outros cursos e visibilidade obtida para o curso, que retorna em termos de budget.

Finalizando, colocamos a questão do uso deste ambiente não só para fins didáticos mas também para fins exploratórios, uma vez que um dos papeis da universidade é prover a inovação tecnológica por meio do incentivo à pesquisa, desta forma, exaltamos ainda mais a importância do laboratório dentro do curso de engenharia e salientamos a necessidade de maior atenção quanto a utilização dos recursos disponibilizados em termos de que tipo de equipamentos estão sendo adquiridos e que manutenção está sendo realizada, já que por meio deste ambiente pode-se abrilhantar o ensino de engenharia, que por consequência alavanca a inovação tecnológica que impulsiona o país rumo ao desenvolvimento, proporcionando uma vida melhor a todos os seus habitantes.

FONTE: <http://www.abenge.org.br/cobenge/arquivos/15/artigos/01_219.pdf>. Acesso em: 3 jan. 2019.

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Nesse tópico, nós vimos que:

• Os materiais, de maneira geral, apresentam falha ou ruptura em índices muito inferiores ao seu limite de resistência quando ensaiados à fadiga.

• O valor de tensão média aplicado no ensaio possui uma influência direta no comportamento mecânico do material ensaiado.

• Existem materiais que apresentam patamar de limite de resistência à fadiga, enquanto de outros decrescem a resistência até a sua falha.

• A fratura por fadiga apresenta uma superfície de fratura característica, de zona de propagação estável da fissura, com estrias e zona de propagação não estável e catastrófica.

RESUMO DO TÓPICO 3

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AUTOATIVIDADE

1 Explique com suas palavras o que é fadiga.

2 Com base na curva tensão pelo número de ciclos, disponível a seguir, determine:

a) Se aplicar uma tensão de 200 MPa em uma liga de alumínio, com quantos números de ciclos ocorrerá a ruptura?

b) Se aplicar uma tensão de 500 MPa em um aço, com quantos números de ciclos ocorrerá a ruptura?

3 A fratura por fadiga ocorre devido à propagação das fissuras, acometidas devido à aplicação de uma tensão cíclica. A propagação das fissuras pode ser dividida em três tipos principais. Quais são esses tipos e qual a diferença entre eles?

4 Quais são os mecanismos que estão envolvidos na fratura e propagação das fissuras por fadiga?


1200

600

800

1000

200

400

0

104 105 106 107 108 109

2 2 2 2 23 3 3 3 34 4 4 4 45 5 5 5 56 6 6 6 67 7 7 7 78 8 8 8 89 9 9 9 9

Tens

ão a

plic

ada

(Mpa

)

Vida em fadiga para 600 MPa de tensão = 105 ciclos

Aço ferramenta

Limite de resistênciaem fadiga = 400 MPa

Resistência à fadigapara 107 ciclos = 150 MPa

Liga de alumínio

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