Universidade Federal do PampaPrograma de Ps-Graduao em Engenharia (PPEng)

Anlise Experimental de EstruturasEnsaio de Trao

Almir Barros dos Santos Neto

Acadmicos: Alessandro NunesAnglica Bordin ColpoCleber Taschetto ParcianelloLeandro Ferreira Friedrich

Alegrete2014/02LISTA DE FIGURASFigura 1: Esquema de uma mquina de trao6Figura 2: Grfico tenso deformao6Figura 3: (a) Detalhes de construo do Strain Gage. (b) Detalhes das contas do Strain Gage7Figura 4: Esquema de montagem da ponte de Wheatstone8Figura 5: Estado uniaxial de tenso para trao10Figura 6: EMIC 200kN11Figura 7: Sistema de aquisio de sinais Spider 811Figura 8: Dimenses do corpo de prova12Figura 9: Informaes dos SGs12Figura 10: Colagem dos Strain Gages13Figura 11: Verificao da resistncia13Figura 12: Ligao dos SGs aos cabos13Figura 13: Verificao sobre o funcionamento dos SGs14Figura 14: Corpo de prova fixado14Figura 15: Curva tenso vs deformao15Figura 16: Empescoamento do corpo de prova16Figura 17: Mdulo de elasticidade pela curva tenso vs deformao17Figura 18: Descolagem dos Strain Gages18

LISTA DE TABELASTabela 1: Valores de K para algumas ligas metlicas8Tabela 2: Tipos de pontes e configuraes da ligao9Tabela 3: Propriedades obtidas atravs da curva Tenso vs Deformao15Tabela 4: Coeficiente de Poisson17Tabela 5: Resumo dos resultados18

SUMRIO1. INTRODUO42. REVISO BIBLIOGRFICA52.1 Ensaios mecnicos52.2 Ensaio de trao52.3 Diagrama Tenso Deformao Convencional62.4 Extensmetros73. MATERIAIS E MTODOS103.1 Materiais103.2 Procedimento de preparao do corpo de prova123.3 Procedimento do ensaio de trao144. RESULTADOS E DISCUSSO155. CONCLUSES186. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS19

1. INTRODUO

Os ensaios mecnicos permitem determinar as propriedades mecnicas que referem-se ao comportamento do material sob a ao de esforos, estes so realizados para adquirir medidas numricas das propriedades, a fim de identificar ou classificar diferentes materiais. A resistncia mecnica de um material depende de sua capacidade de suportar carga sem deformaes excessivas ou ruptura. Segundo Hibbler (2004) essa propriedade inerente a cada material e deve ser determinada pela realizao de ensaios que descrevem o mais prximo possvel as condies de servio. Um dos ensaios mecnicos de tenso-deformao mais aplicados realizado sobre carga de trao.Trata-se de um ensaio amplamente difundido e muito utilizado na indstria de componentes mecnicos na anlise de materiais tais como, metais, cermicas, polmeros e compsitos. Tambm bastante utilizado como teste para controle das especificaes da matria prima fornecida.Garcia et al. (1999) cita como principais resultados do ensaio de trao o limite a resistncia a trao, limite de escoamento, mdulo de elasticidade, mdulo de resilincia, mdulo de tenacidade e ductilidade. No entanto, o ensaio de trao usado principalmente para determinar a relao entre a tenso e a deformao.Para a realizao deste tipo de ensaio necessria a utilizao de uma mquina de teste. As mquinas e equipamentos comumente adotados para realizao do ensaio de trao podem ser combinadas com equipamentos auxiliares, os dados da carga aplicada geralmente so registrados pela mquina em intervalos frequentes de tempo. J o alongamento pode ser medido pela prpria mquina e tambm por meio de extensmetros.Existem vrios tipos de extensmetros disponveis no mercado e a seleo depende da necessidade de leitura, os mais conhecidos so os extensmetros de resistncia eltrica, tambm conhecidos como Strain Gages. O alongamento nos extensmetros de resistncia eltrica dado pela variao da resistncia eltrica de um fio condutor muito fino submetido deformao.Os experimentos cientficos so padronizados atravs de normas tcnicas, e a definio e publicao dessas normas padres so coordenadas por sociedades profissionais. No Brasil a organizao mais ativa a ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas), que elaborou a NBR 6892-1 (ABNT, 2013) referente ao ensaio de trao para materiais metlicos a temperatura ambiente. Em nvel global a instituio mais conhecida e com grande aceitao no Brasil a American Society for Testing and Materials que apresenta a norma ASTM E 8M tambm para ensaio de trao.Diante do exposto o presente trabalho tem como objetivo realizar um ensaio de trao em um corpo de prova de ao e determinar as seguintes propriedades mecnicas do material, resistncia de ruptura, mdulo de elasticidade, e o coeficiente de Poisson, atravs da curva tenso vs deformao obtida no ensaio. As deformaes longitudinais e transversais sero medidas atravs de Strain Gages.2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1 Ensaios mecnicos

Os ensaios mecnicos so utilizados para determinar as caractersticas de um componente mecnico ou corpo de prova. Alguns ensaios possibilitam determinar com preciso o tipo de material que se est trabalhando. Genericamente os experimentos podem ser divididos quanto a integridade geomtrica e dimensional da pea ou componente, por:a) Ensaios destrutivos, que provocam a inutilizao parcial ou total da pea, como por exemplo, os ensaios de trao, dureza, fadiga, fluncia, toro, flexo e tenacidade.b) Ensaios no destrutivos, que no comprometem a integridade da pea, podendo citar os ensaios de raio X, ultrassom e lquidos penetrantes.Quando deseja-se determinar a tenso de escoamento, tenso de ruptura e as propriedades elsticas do material os ensaios de trao ou compresso so os mais utilizados.

2.2 Ensaio de trao

A facilidade da execuo e apresentao dos resultados colocam o ensaio de trao como um dos experimentos mais utilizados para avaliar diversas propriedades mecnicas dos materiais em engenharia (NERY, 2012).O procedimento experimental consiste em aplicar uma carga uniaxial crescente a um corpo de prova (geralmente padronizado) onde se pode assegurar que as deformaes so igualmente distribudas por toda a extenso do corpo de prova at sua fratura. A deformao uniforme permite obter medies precisas da variao dessa deformao em funo da fora aplicada, essa variao define a curva tenso deformao do material. Contudo, ao alcanar o limite elstico do material a uniformidade da deformao termina em consequncia das deformaes plsticas e consequentemente da diminuio da seo do corpo de prova. Normalmente a ruptura acontece na parte mais estreita do material, a no ser que o mesmo apresente defeitos internos, forando a ruptura em algum ponto fora dessa regio (DOMINEGETI, 2011).Quando um material submetido ao ensaio de trao ele apresenta dois tipos de deformaes:a) Deformao Elstica: quando da cesso da carga, o material retorna completamente ao estado inicial. A deformao no permanente.b) Deformao Plstica: quando da cesso da carga, o material no retorna completamente ao estado inicial. A deformao permanente.Para realizar este tipo de ensaio necessrio um dispositivo que executa o ensaio, a Figura 1 mostra o esquema da mquina.Figura 1: Esquema de uma mquina de trao

Fonte: Callister, 2008

O corpo de prova preso no dispositivo de fixao da mquina, a qual dimensionada para alongar a amostra a uma taxa contnua. As mquinas de trao utilizam clulas de carga projetadas para medir deformao atravs de resistores.

2.3 Diagrama Tenso Deformao Convencional

A curva tenso-deformao uma descrio grfica que a mquina fornece da relao entre a fora aplicada e as deformaes ocorridas durante o ensaio.

Figura 2: Grfico tenso deformao

Fonte: Autor desconhecidoA Figura 2 representa o comportamento da curva tenso-deformao de engenharia at a fratura do material. A figura mostra detalhadamente a representao de cada regio do grfico. Assim como:1)Regio elstica: est regio assume a deformao elstica e independente do tempo, ou seja, durante o carregamento, a deformao elstica permanece constante durante o perodo em que a carga mantida constante. Esta regio obedece a lei de Hooke.2)Escoamento: um fenmeno localizado, que se caracteriza por apresentar um aumento correspondente a grande deformao, acompanhado de pequenas alteraes de tenso. onde ocorre transio entre a fase elstica e a fase plstica, nesta regio as deformaes comeam a se tornar significativas.3)Endurecimento por deformao: aps o escoamento ocorre o encruamento que um endurecimento ocasionado pela quebra de gros que compem o material quando acontecem as deformaes a frio.4) Estrico: at este ponto a seo transversal uniforme, entretanto, aps este ponto, comea a se formar uma estrico que corresponde a uma reduo da rea da seo transversal do corpo de prova, que ocorre a partir do limite de resistncia.

2.4 Extensmetros

O Strain Gage (SG) um resistor composto por uma base com material isolante e uma grade muito fina de um material condutor, como mostra as Figuras 3 (a) e (b). Esse material base colado com adesivos epxis ou cianoacrilatos (super bonder), sobre alguma estrutura devidamente preparada, se o corpo sofrer alguma deformao a resistncia eltrica do SG variada e medida atravs de equipamentos de anlise de dados, como por exemplo, o Spider8 utilizado neste experimento.

Figura 3: (a) Detalhes de construo do Strain Gage. (b) Detalhes das contas do Strain Gage

Fonte: Figliola (2011)Para detectar a variao da resistncia eltrica do extensmetro, deve se fazer o uso de um circuito eltrico capaz de realizar esta leitura. Por esse motivo utiliza-se a conhecida ponte de Wheststone, que consiste em organizar um ou mais extensmetros ligados com resistores de resistncia fixa, alimentando o sistema com uma tenso VA tem-se a criao de um sinal de sada VS, Figura 4.

Figura 4: Esquema de montagem da ponte de Wheatstone

Fonte: Doyle (2004)

A Equao 1 mostra o relacionamento entre deformao e o sinal de sada VS, obtidos do equacionamento das resistncias eltricas e tenso mostradas na Figura 4.

(1)

Onde K definido como a sensibilidade a deformao do material. A Tabela 1 mostra alguns valores de K para determinadas ligas e a Tabela 2 algumas configuraes possveis para a ponte de Wheatstone. Tabela 1: Valores de K para algumas ligas metlicasComposio da liga (%)Valor de K

45 Ni, 55 Cr2,1

80 Ni, 20 Cr2,2

36 Ni, 8 Cr, 0,5 Mo, 55,5 Fe3,6

74 Ni, 20 Cr, 3 Al, 3 Fe2,0

92 Pt, 8 W4,1

Fonte: Dally & Riley (1991)Tabela 2: Tipos de pontes e configuraes da ligaoTipo de PonteConfigurao da Ligao

Um Quarto

Meia Ponte

Ponte Completa

Fonte: Adaptado de...

Uma vez que os stain gages forneam sinais de deformao e as propriedades do material da clula de carga ou de uma pea qualquer so conhecidas, podemos estimar a tenso que est agindo no corpo. Quando a deformao for uniaxial podemos assumir a tenso como mostra a Equao 2.

(2)

onde a tenso que est agindo no corpo, E mdulo de elasticidade do material e a deformao do corpo dado pelo sinal do SG.A tenso tambm pode ser descrita pela Equao 3, em que F a fora aplicada e A rea da seo transversal do corpo que se est sendo tracionado ou comprimido. As Equaes 2 e 3 so vlidas para sistema uniaxial mostrado na Figura 5.

(3)

Figura 5: Estado uniaxial de tenso para trao

Fonte: Autor desconhecido

3. MATERIAIS E MTODOS

3.1 Materiais

A seguir so descritos os materiais e equipamentos utilizados para realizao do ensaio de trao.a) Mquina para ensaio de trao: Para a realizao do ensaio de trao utilizou-se a mquina de trao EMIC DL 200KN, Figura 6.

Figura 6: EMIC 200kN

b) Sistema de aquisio de dados: Utilizou-se o Spider 8 (Figura 7), fabricado pela empresa HBM que tem por objetivo captar o sinal dos SGs e transmitir a partir do software CATMAN as deformaes dos SGs.

Figura 7: Sistema de aquisio de sinais Spider 8

c) Corpo de prova: O corpo de prova utilizado no ensaio tem duas dimenses mostradas na Figura 8.

Figura 8: Dimenses do corpo de prova

d) Strain Gage: Foram utilizados 2 extensmetros da empresa Kyowa, com especificaes: resistncia igual a 120 ohms, e gage factor igual a 2,1, como mostra a Figura 9.

Figura 9: Informaes dos SGs

3.2 Procedimento de preparao do corpo de prova

A instrumentao do corpo de prova (Figura 8) descrita pelos seguintes passos:1) Fez-se o lixamento da superfcie onde os Strain Gages so colados, tomando o cuidado para deixar uma rugosidade para melhor aderncia na colagem;2) Realizou-se a colagem dos SGs com a cola conhecida por Super Bonder. Um dos Strain Gages foi colado na longitudinal e outro na transversal, como pode ser visto na Figura 10;3) Realizou-se a medio de resistncia dos dois SGs, a fim de verificar se a colagem no influenciou em suas caractersticas em termos de resistncia, conforme Figura 11;Figura 10: Colagem dos Strain Gages

Figura 11: Verificao da resistncia

4) A seguir realizada a ligao e soldagens dos fios, para a conexo no Spider 8, como mostrado na Figura 12. Cada Strain Gage ligado em um canal do Spider, assim medida a deformao na longitudinal (CP traciona) e na transversal (CP comprime);

Figura 12: Ligao dos SGs aos cabos

5) Realizou-se uma verificao de sinal com o Spider 8, onde aplicou-se uma pequena carga sobre o corpo de prova instrumentado e observou-se o sinal da deformao alterar como indicado pelo software CATMAN, conforme Figura 13.

Figura 13: Verificao sobre o funcionamento dos SGs

3.3 Procedimento do ensaio de trao

O procedimento para o ensaio de trao tem seus passos descritos a seguir:1) realizado o pr-set da mquina de ensaio de trao, onde so definidos alguns parmetros do ensaio de trao, a velocidade do ensaio adotada foi de 10 mm/min;2) Configurou-se software CATMAN para o ensaio, onde utilizou-se as configuraes de de ponte para cada SG. A frequncia do sinal utilizada de 5 Hz;3) Posicionou-se o corpo de prova entre as garras e fez-se a fixao, como mostra a Figura 14.

Figura 14: Corpo de prova fixado

4) Por fim os sinais dos Strain Gages so zerados atravs do CATMAN e o ensaio de trao iniciado.

4. RESULTADOS E DISCUSSO

A Figura 15 mostra a curva tenso vs deformao obtida do ensaio de trao. possvel notar uma curva tpica de um ao com baixo percentual de carbono, com grande ductilidade.

Figura 15: Curva tenso vs deformao

Atravs da curva tenso vs deformao possvel determinar algumas propriedades do material ensaiado como mostra a Tabela 3.

Tabela 3: Propriedades obtidas atravs da curva Tenso vs DeformaoPropriedade MecnicaMPa

Tenso de Escoamento 200,22

Tenso Mxima de Resistncia a Trao 256,33

Tenso de Ruptura 180

Graficamente a tenso de escoamento pode ser obtida pelo traado de uma reta paralela ao trecho reto do diagrama, a partir de 0,2% de alongamento no eixo das abscissas. A tenso mxima de resistncia trao o valor mximo de tenso da curva tenso-deformao e onde se inicia a estrico do material.Um dos pr-sets do ensaio, o deslocamento mximo do travesso, foi definido de forma errnea, uma vez que o corpo de prova no rompeu devido a interrupo do ensaio, por ter atingido o limite superior de deslocamento. Isto ocorreu devido ao no conhecimento das propriedades do material ensaiado, dessa forma a tenso de ruptura no pode ser determinada. No entanto, a Figura 16 mostra o empescoamento do corpo de prova, ou seja, a reduo da seo transversal, fase que precede a ruptura do material. Assim, considera-se a tenso de ruptura de aproximadamente 180 MPa.

Figura 16: Empescoamento do corpo de prova

O mdulo de Elasticidade pode ser encontrado pela tangente do ngulo formado entre a curva da parte elstica e o eixo das abcissas. O mdulo de elasticidade uma propriedade especfica de cada material e corresponde rigidez deste. Quanto maior o mdulo menor ser a deformao elstica. Desconsiderando a parte inicial da curva que corresponde ao ajuste do corpo de prova as garras encontra-se o mdulo de elasticidade de 21,8 GPa, como mostra a Figura 17.Mesmo desconhecendo o material, sabe-se que aos de baixo carbono possuem mdulo de elasticidade de aproximadamente 200 GPa valor muito maior do que o encontrado, uma hiptese para este desvio pode ser o escorregamento do corpo de prova das garras no incio do ensaio no sendo o real alongamento.Figura 17: Mdulo de elasticidade pela curva tenso vs deformao

Outra propriedade encontrada foi o coeficiente de Poisson, determinado a partir das deformaes longitudinais e transversais dos Strain Gages colados na superfcie do corpo de prova. A partir da Equao 4, os valores para o coeficiente de Poisson so mostrados na Tabela 4.

(4)

Tabela 4: Coeficiente de PoissonDeformao na Longitudinal (m/m)Deformao na Transversal(m/m)Coeficiente de Poisson

2591,314-711,0850,275

2634,285-726,1710,277

2675,428-743,3140,279

2721,142-761,37140,282

2779,428-785,14280,286

2856,685-819,42860,294

Os valores encontrados para o coeficiente de Poison foram bastante prximos aos achados na literatura, mdia de 0,282. Valor bastante prximo ao citado por Hertzberg (1995) para aos carbono, valor de 0,293.Um problema que ocorreu foi a descolagem dos SGs aps determinada deformao do corpo de prova (Figura 18), mesmo assim foi possvel calcular o coeficiente de Poisson. Duas hipteses tcnicas foram levantadas: (1) A superfcie onde os SGs foram colados no estava aderente o suficiente; (2) A cola utilizada no suporta grandes deformaes. Outra causa pode ser a falta de prtica com o trabalho em SGs.

Figura 18: Descolagem dos Strain Gages

A Tabela 5 apresenta um resumo geral dos valores encontrados no trabalho.

Tabela 5: Resumo dos resultadosC.PnEspessurammComprimentotilmmrea da seo inicialmmResistncia de rupturaTenso mxima de resistncia a traoMdulo de elasticidadePoison

MPaMPaGPa-

13,758047,625 180256,3321,80,282

5. CONCLUSES

Nota-se que o grfico tenso-deformao apresentou quatro reas com comportamentos distintos. O primeiro comportamento a regio elstica, que apresentou uma leve curva no incio do deslocamento, supe-se que essa curva deve-se a folgas associadas a mquina.Em seguida, observamos a rea de escoamento, neste momento as deformaes so heterogneas, ou seja, existem bandas de materiais que j se deformaram ao lado de bandas que ainda no deformaram, e quando as tenses vencem as barreiras que contm as discordncias, define-se este comportamento, o alongamento durante o escoamento.A rea de comportamento plstico bem definida no grfico, esta a regio em que o material passa a se deformar permanentemente, nesta zona observa-se o encruamento do material.E por ltimo, o empescoamento, aps o incio da estrico, o limite de resistncia comea a cair (devido a diminuio da seo resistente), at que alcanada a saturao plstica do metal e, ento, acontece a ruptura do CP.Quanto a resistncia de ruptura, no foi possvel determinar porque a mquina parou o ensaio antes de ocorrer a ruptura, entretanto estima-se que a tenso de ruptura alcanou um valor aproximado de 180 MPa.No foi possvel determinar o valor do mdulo de elasticidade, pois o resultado apresentou valores fora da faixa esperada para um ao de baixo carbono. Supe-se que isso tenha ocorrido pelo escorregamento das garras de fixao do corpo de prova na mquina.O coeficiente de Poison apresentou valores satisfatrios, pois o resultado constatado no presente trabalho veio ao encontro dos valores identificados na literatura.Enfim, para resultados mais precisos, seria necessrio realizar o ensaio com um maior nmero de amostras, para assim poder traar uma mdia dos valores juntamente com seus respectivos erros previstos, assim como, descartar os CPs com valores fora da faixa aceitvel.

6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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