ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SO JOS DOS CAMPOS

Filipe Coelho de Lemos Gustavo Henrique Rocha Hioka Jorge Augusto Almeida Otvio Silva Brito Souza Sandra Arajo Oliveira

Trabalho de ensaios no destrutivos e destrutivos em Engenharia Industrial Mecnica, orientado pelo professor Vincius Ferreira.

ETEP Faculdades So Jos dos Campos 2009

ETEP - FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SO JOS DOS CAMPOS

Filipe Coelho de Lemos Gustavo Henrique Rocha Hioka Jorge Augusto Almeida Otvio Silva Brito Souza Sandra Arajo Oliveira

________________________ Professor Vincius Ferreira

ETEP Faculdades So Jos dos Campos 2009

RESUMO Ensaio de trao consiste na aplicao de carga de trao uniaxial crescente em um corpo-deprova especifico ate a ruptura. Mede-se a variao no comprimento (L) como funo da carga (P). Trata-se de ensaio amplamente utilizado na indstria de componentes mecnicos, devido vantagem de fornecer dados quantitativos das caractersticas mecnicas dos materiais. Entre as principais destacam-se: limite de resistncia trao ( u), limite de escoamento ( e), mdulo de elasticidade (E), mdulo de resilincia (Ur), mdulo de tenacidade (Ut), ductilidade, coeficiente de encruamento (n) e coeficiente de resistncia(k). O ensaio de trao bastante utilizado como teste para o controle das especificaes da entrada de matria-prima. Os resultados fornecidos pelo ensaio de trao so fortemente influenciados pela temperatura, pela velocidade de deformao, pela anisotropia do material, pelo tamanho de gro, pela porcentagem de impurezas, bem como pelas condies ambientais.

Palavras Chave: Ensaio; Trao, Resistncia; Ductilidade; Tenacidade; Resilincia.

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SUMRIO Pg.

REFERNCIAS .....................................................................................................................23 LISTA DE SMBOLOS do = i = dimetro inicial Lo = comprimento inicial df = f = dimetro final Lf = comprimento final Pmx = carga mxima Pe = carga de escoamento Prup = carga de ruptura mx = tenso mxima e = tenso de escoamento rup = tenso de ruptura = deformao x = deformao em x y = deformao em y z = deformao em z E = mdulo de elasticidade = coeficiente de Poisson Ur = mdulo de resilincia Ut = mdulo de tenacidade mx = cisalhamento mximo

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LISTA DE FIGURAS Pg.

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INTRODUO Qualquer projeto de engenharia requer um vasto conhecimento das caractersticas, propriedades e comportamento dos materiais disponveis. Os critrios de especificao ou escolha de materiais impem mtodos de normalizao que objetivam levantar as propriedades mecnicas e seu comportamento sob determinadas condies de esforo. Propriedades mecnicas: se referem ao comportamento do material quando sob a ao de esforos e que so expressas em funo de tenses e/ou deformaes. As principais so: Resistncia: representada por tenses, definidas em condies particulares. Elasticidade: propriedade do material segundo a qual a deformao que ocorre em funo da tenso aplicao desaparece quando a mesma retirada. Plasticidade: capacidade de o material sofrer deformao permanente sem se romper. Tenacidade: reflete a energia total necessria para provocar a fratura do material, desde sua condio de tenso nula. Classificao dos ensaios dos materiais: 1. quanto a integridade geomtrica e dimensional da pea ou componente: Destrutivos: provocam inutilizao parcial ou total da pea; ex.: trao, dureza, fadiga, fluncia, toro, flexo, tenacidade a fratura. No-Destrutivos: no comprometem a integridade da pea; ex.: raios X, ultra-som, partculas magnticas, lquidos penetrantes. 2. quanto a velocidade de aplicao da carga: Estticos: carga aplicada de maneira suficientemente lenta, induzindo a uma sucesso de estados de equilbrio (processo quase esttico); ex.: trao, compresso, flexo, dureza e toro. Dinmicos: carga aplicada rapidamente; ex.: fadiga e impacto. Carga constante: carga aplicada durante um longo perodo; ex.: fluncia. Mtodos de ensaios: determinam que os ensaios devem ser realizados em funo da geometria da pea, do processo de fabricao e de acordo com as normas tcnicas vigentes, podendo ser: Ensaios da prpria pea. Ensaios de modelos. Ensaios de amostras. 6

Ensaios em corpo-de-prova retirados de parte da estrutura.

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FUNDAMENTAO TERICA

Ensaio de Trao (Teoria)

Ensaios de trao avaliam diversas propriedades mecnicas dos materiais, normalmente auxiliando na escolha do elemento certo para determinados projetos. Este tipo de ensaio o mais amplamente utilizado por ser um tipo de ensaio relativamente simples e de realizao rpida, alm de fornecer informaes importantes e primordiais para o projeto e a fabricao de peas. O procedimento experimental consiste na deformao de uma amostra de determinado material at a sua fratura. Essa fratura se d devido aplicao de trao, gradativamente crescente e uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de um corpo-de-prova. O levantamento da curva de tenso de trao pela deformao sofrida pelo corpo constitui o resultado do teste de trao.

2.1.Propriedades mecnicas em trao

Ensaio convencional:

2.1.1 Regime elstico: Elasticidade de um material a sua capacidade de voltar forma original em ciclo de carregamento e descarregamento. A deformao elstica reversvel, ou seja, desaparece quando a tenso removida. A deformao elstica conseqncia da movimentao dos tomos constituintes da rede cristalina do material, desde que a posio relativa desses tomos seja mantida. At certo nvel de tenso aplicada, o material trabalha no regime elstico, isto , segue a lei de Hooke e a deformao linear especfica proporcional ao esforo aplicado. A proporcionalidade pode ser observada no trecho retilneo do diagrama tenso-deformao e a constante de proporcionalidade denominada mdulo de deformao longitudinal ou mdulo de elasticidade.

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2.1.1.1 Mdulo de elasticidade: fornece uma indicao da rigidez do material e depende fundamentalmente das foras de ligao interatmicas, o que explica seu comportamento inversamente proporcional temperatura. Efeito termoelastico: existe uma correlao entre o trabalho mecnico executado durante o carregamento uniaxial no campo elstico e as correspondentes deformaes e propriedades termodinmicas, como temperatura e entropia. A aplicao de tenso elstica em uma amostra, de tal forma que o limite do campo elstico seja alcanado antes que a amostra possa trocar calor com o meio ambiente, caracteriza um processo adiabtico. Como a troca de calor da amostra com o ambiente nula, a mudana de energia interna dada somente pelo trabalho mecnico realizado, ou seja, o processo ocorre para uma entropia constante e reversvel. Mdulo de resilincia: a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e liber-la quando descarregado. O modulo de resilincia a energia de deformao por unidade de volume necessria para tracionar o metal da origem ate o limite de proporcionalidade. Coeficiente de Poisson: mede a rigidez do material na direo perpendicular a direo de aplicao da carga uniaxial. 2.1.1.2 Escoamento: terminada fase elstica, tem incio fase plstica, na qual ocorre uma deformao permanente no material, mesmo que se retire a fora de trao. No incio da fase plstica ocorre um fenmeno chamado escoamento. O escoamento caracterizase por um aumento relativamente grande na deformao permanente do material sem que haja aumento de carga, mas com o aumento da velocidade de deformao. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito prximos uns dos outros. Limite de escoamento: conhecido como tenso de escoamento, a tenso mxima que o material pode suportar dentro do seu regime elstico de deformao, a partir deste valor qualquer acrscimo de tenso causar uma deformao permanente no material, fazendo com que o mesmo deixe de obedecer lei de Hooke (T = k.x), tal tenso normalmente definida como sendo a mdia entre o limite inferior e superior das tenses da regio do escoamento. Para os casos de escoamento imperceptvel, convencionou-se adotar uma deformao-padro que corresponda ao limite de escoamento, conhecida como limite n de escoamento. Por

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exemplo, o procedimento para determinar o limite de escoamento para o caso de n = 0,2% como se segue: 1. Obter uma curva tenso-deformao de engenharia por meio de ensaio de trao. 2. Construir uma linha paralela a regio elstica da curva, partindo de uma deformao de 0,002 ou 0,2%. 3. Definir e na interseo da reta paralela com a curva tenso-deformao. O valor de n pode assumir valores em funo do campo plstico do material, como por exemplo: metais e ligas em geral n = 0,2% ( = 0,002) cobre e suas ligas n = 0,5% ( = 0,005) (nesse caso, traa-se uma perpendicular ao eixo de deformaes a partir da deformao especifica, ate atingir a curva tenso-deformao)

ligas metlicas muito duras n = 0,1% ( = 0,001)

Em alguns casos, a curva tenso-deformao no apresenta a parte linear (regio elstica) bem definida, o que torna impreciso o traado de uma linha paralela para a determinao do limite n.

2.1.2 Regime plstico: a regio elstica caracteriza-se pela presena de deformaes permanentes no corpo-de-prova. Para materiais de alta capacidade de deformao, o diagrama tenso-deformao apresenta variaes relativamente pequenas na tenso, acompanhadas de grandes variaes na deformao. Limite de resistncia a trao: Aps o escoamento ocorre o encruamento (necessidade de aumentar-se a tenso para dar continuidade a deformao plstica do material), que um endurecimento causado pela quebra dos gros que compem o material quando deformado a frio. O material resiste cada vez mais trao externa, exigindo uma tenso cada vez maior para deformar. O limite de resistncia a tenso correspondente ao ponto de mxima carga atingida durante o ensaio.

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Limite de ruptura: Em decorrncia da aplicao contnua da trao, o material do corpo de prova rompe-se num ponto onde a ultima tenso suportada pelo material chamado de limite de ruptura (C). Note que a tenso no limite de ruptura menor que no limite de resistncia devido diminuio da rea que ocorre no corpo de prova depois que este atinge a carga mxima. Alongamento: diferena entre o comprimento final e o comprimento inicial do corpode-prova. Estrico: diferena entre a seo inicial e final aps a ruptura do corpo-de-prova. Mdulo de tenacidade: a capacidade que o material apresenta de absorver energia ate a fratura. 2.2 Informaes adicionais sobre o Ensaio de trao A temperatura pode influenciar significativamente as propriedades mecnicas levantadas pelo ensaio de trao. Em geral a resistncia diminui e a ductilidade aumenta conforme o aumento da temperatura do ensaio. O teor de soluto da liga tambm influencia os valores das propriedades levantadas no ensaio de trao. 2.2.1 Deformao plstica e fratura Enquanto a deformao elstica homognea, envolvendo somente um deslocamento de tomos pequeno e reversvel, a deformao plstica no-homogenea e envolve deslocamentos grandes e irreversveis. Fratura a separao ou fragmentao de um corpo solido em duas ou mais partes sob a ao de uma tenso, e pode ser considerada como sendo constituda de duas partes nucleao da trinca e coalescimento (propagao) da trinca. Existe duas categorias de fratura: Fratura dctil: caracterizada pela ocorrncia de uma aprecivel deformao plstica antes e durante a propagao da trinca.

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Fratura frgil: caracterizada pela rpida propagao da trinca, com nenhuma deformao macroscpica e muito pouca microdeformao.

Para os polmeros, so tpicos trs comportamentos diferentes para relao tensodeformao: Frgil: em que a fratura ocorre quando se deforma elasticamente o material; Plstico: similar ao comportamento encontrado na maioria dos materiais metlicos; Totalmente elstico ou elastmeros: obtendo alta deformao com baixa tenso.

Sendo assim foram ensaiados no laboratrio 3 tipos de matrias: alumnio, ao e ferro fundido, visando avaliar suas propriedades tais como: resistncia, tenacidade e ductilidade, comprovando-as atravs dos clculos.

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RESULTADOS

Ensaio de Trao 3.1 DescrioO ensaio foi realizado em uma Mquina Universal com capacidade de carga mxima de 25000 kgf e mnima de 1200 kgf, com trs corpos de prova (CP) de seo circular, sendo um de ao, um de alumnio (Al) e um de ferro fundido (FeFo), seus dimetros e comprimentos foram medidos antes e depois do ensaio com um paqumetro. As cargas aplicadas foram monitoradas pela prpria mquina. Os CPs foram ensaiados na seqncia: ao, alumnio e ferro fundido. Estes foram centrados na mquina atravs da calota esfrica da mesma, houve a aplicao de pr-carga, e em seguida tracionados at a sua ruptura com obteno dos devidos grficos de Trao x Deformao.

3.2 Grfico

(Grfico3.2: Ao, alumnio e ferro fundido) 13

3.3 Dados do Ensaio:

do = i = dimetro inicial Lo = comprimento inicial df = f = dimetro final Lf = comprimento final

Ao:

do = 9,72mm 9,76mm 9,68mm Lo = 50 mm Lf = 53,24mm i = 9,72mm f = 8,26mm do = 9,72mm

Carga Mx. = 7020 Kgf Escala Mx. = 12500 Kgf

Alumnio:

do = 9,8mm 9,78mm 9,82mm Lo = 50 mm 14 do = 9,8mm

Lf = 59,92mm i = 9,8mm f = 5,18mm

Carga Mx. = 1430 Kgf Escala Mx. = 5000 Kgf

do = 12mm

Ferro Fundido:

11,88mm 11,90mm Lo = 50 mm Lf = 50mm i = 11,92mm f = 11,92mm

do = 11,92mm

Carga Mx. = 2150 Kgf Escala Mx. = 5000 Kgf

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3.4 Clculos 3.4.1 Foras: Ao:

Pmx = 7020 kgf Pe = 42 linhas Prup = 62,5 linhasPm x = 7020 kgf 9,81 m / s 2 = 68866 ,2 = 71 linhas Pe = 42 linhas = 40737 ,8 Pr up = 62 ,5linhas = 60621 ,7

Alumnio:

Pmx = 1430 kgf Pe = 4,5 linhas Prup = 22 linhasPm x =1430 kgf 9,81 m / s 2 =14028 ,3 = 35 linhas Pe = 4,5linhas =1803 ,6 Pr up = 22 linhas = 8817 ,8

Ferro Fundido

Pmx = 2150 kgfPm x = 2150 kgf 9,81 m / s 2 = 21091 ,5 = 53 ,5linhas Pe = Pr up = Pm x = 21091 ,5

3.4.2 Tenses:16

Ao

Pmx 4 68866 ,2 = = 928 ,1MPa Ao (9,72 ) 2 Pe 4 40737 ,8 e = = = 549 MPa Ao (9,72 ) 2 Pr up 4 60621 ,7 rup = = = 817 MPa Ao (9,72 ) 2

mx =

AlumnioPmx 4 14028 ,3 = = 186 MPa Ao (9,8) 2

mx = e =

Pe 4 1803 ,6 = = 23 ,9 MPa Ao (9,8) 2 Pr up 4 8817 ,8 rup = = = 116 ,9 MPa Ao (9,8) 2

Ferro Fundido

Pmx 4 21091 ,5 = = 189 MPa Ao (11,92 ) 2 e = rup = mx =189 MPa

mx =

3.4.3 Deformao:

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Ao

Lx (53 ,24 50 ) = = 0,065 = 6,5 o o hxo 50 d (9,72 8,26 ) y = z = = = 0,15 = 15 o o do 9,72

x =

Alumnio

Lx (59 ,92 50 ) = = 0,198 = 19 ,8 o o hxo 50 d (9,8 5,18 ) y = z = = = 0,471 = 47 ,1 o o do 9,8

x =

Ferro Fundido

Lx (50 50 ) = = 0 = 0 oo hxo 50 d (11,72 11,72 ) y = z = = = 0 = 0 oo do 11,72

x =

3.4.4 Mdulo de Elasticidade: Ao

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=

e 549 = = 274,5M Pa 2 2 = 0,62 o o 274,5 E= = = 44,3GPa 0,62 o o

Alumnio

=

e 23,9 = = 11,95MPa 2 2 = 0,11o o 11,95 E= = = 10,9GPa 0,11o oFerro Fundido No tem como medir a deformao, porque no houve, nesse corpo-de-prova,

deformao plstica. Para conseguir o mdulo de elasticidade teria que efetuar uma medio de deformao durante o ensaio na regio plstica do material, ou seja, antes deste se romper.

3.4.5 Coeficiente de Poisson:

=

y z = x x

No temos como calcular o coeficiente de Poisson, pois nenhuma medida de dimetro foi tomada dentro da regio elstica do material durante o ensaio, portanto impossvel de se calcular y e z. 19

3.4.6 Mdulo de Resilincia: Aoe 22E = 549 2 = 3,4 MPa 2 44300

Ur =

Alumnioe 22E = 23,9 2 = 26 ,2 KPa 2 10900

Ur =

Ferro Fundido

No tem como calcular o mdulo de resilincia porque no h mdulo de elasticidade.

3.4.7 Mdulo de Tenacidade: Ao (dctil)e + mx2 x = 549 + 928 ,1 6,5 o o = 48 MPa 2

Ut =

Alumnio (dctil)e + mx2 x = 23 ,9 +186 19 ,8 o o = 20 ,8MPa 2

Ut =

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Ferro Fundido (frgil)Ut = 2 2 mx x = 189 0 o o = 0 MPa 3 3

3.4.8 Crculo de Mohr (Cisalhamento Mximo): Aomx2 = 928 ,1 = 464 ,1MPa 2

mx =

Alumniomx2 = 186 = 93 MPa 2

mx =

Ferro Fundidomx2 = 189 = 94 ,5MPa 2

mx =

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CONCLUSO Pode-se concluir atravs dos clculos e embasado na teoria: Deformao ( ): o alumnio mais dctil que o ao que mais dctil que o ferro fundido Mdulo de resilincia (Ur): o ao mais resilinte que o alumnio e o ferro fundido no pode ser avaliado. Mdulo de tenacidade (Ut): o ao mais tenaz que o alumnio que mais tenaz que o ferro fundido.

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REFERNCIAS Livro Ensaios dos Materias AMAURI GARCIA, JAIME ALVARES SPIM E CARLOS ALEXANDRE DOS SANTOS. LTC Livros Tcnicos e Cientficos Editora S.A.: Informao e exerccios propostos [Reimpr.] Rio de Janeiro, 2008.

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