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ESCOLA POLITÉCNICA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO PMR 2202 INTRODUÇÃO À MANUFATURA MECÂNICA Projeto 1 Caracterização Mecânica de Material (Ensaios de Tração e Dureza) Turma 13 Integrantes André Truzzi Eduardo Edueta Fabio Utida Marcelo Contador Renato Freitas Grupo A nUSP 3290275 3667563 3725501 3752450 3680839 1-Introdução 1.1. Descrição do Projeto Foi designada ao grupo uma chapa metálica de material desconhecido, da qual foi retirado os corpos de prova de dimensões especificadas pelas normas técnicas. Esses corpos de prova serão submetidos a testes de tração e de dureza. No ensaio de tração será plotado a curva força-elongação. A partir dessa curva, será construída o gráfico tensão-deformação. Baseando-se nesse gráfico e em cálculos matemáticos, serão obtidos o módulo de elasticidade, limite de escoamento, limite de resistência mecânica, limite de ruptura, módulo de tenacidade, alongamento total, estricção e serão determinados os coeficientes da curva verdadeira. 1.2. Objetivos do Projeto Este projeto visa a partir de ensaios de tração e de dureza realizados em laboratório e acompanhados por técnicos especializados, fazer a caracterização e a identificação de uma amostragem de material metálico desconhecido designado ao grupo, bem como o aprendizado e a familiarização com métodos de identificação. A partir de ensaios de tração e dureza, serão definidos valores característicos do material, e a partir da análise comparativa destes valores com os valores disponíveis na literatura, será possível identificar a amostra. 1.3. Resumo das Normas Para que os valores obtidos nos ensaios de tração e dureza possam ser analisados de forma comparativa, características como dimensões do corpo de prova e equipamentos utilizados deverão ser adaptadas segundo normas em padrões conhecidos. Neste caso, a norma adotada foi a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Para o ensaio de dureza, a norma é bastante sucinta. O ensaio designado ao grupo é o denominado Dureza Rockwell, do tipo B. Tal ensaio baseia-se na espessura do corpo de prova, e não em sua área. Portanto, a normalização é feita apenas em sua espessura, que deve ser dez vezes a profundidade da impressão. Para o ensaio de tração, utilizou-se o método MB-4, cujas especificações são ditadas pela norma técnica NBR 6152, para chapas finas de secção retangular. Neste caso, a normalização é rigorosa, definindo a geometria e as dimensões do corpo de prova. Segundo a ABNT, o comprimento da parte útil do corpo de prova deve ser o quíntuplo da largura da mesma. 2-Materiais e Métodos 2.1. Ensaio de Tração Para fabricar o corpo de prova para o ensaio de tração a partir de uma chapa metálica, utilizou-se primeiramente a guilhotina para retirar um pedaço inicial retangular da chapa, previamente medido. A seguir, a peça foi usinada na fresadora para fazer as partes arredondadas. Abaixo, temos um desenho da peça utilizada com a suas respectivas medidas de acordo com as normas ABNT. Utilizamos uma máquina hidráulica de ensaio de tração (figura1), chamada máquina universal, um relógio, e um plotter. A máquina de ensaio de tração é dotada de um conjunto que permite a aplicação de uma carga variável e de dispositivos para prender o corpo de prova. O relógio, cuja escala é de 0.01mm, serve para medir o elongamento da peça. Os valores obtidos com o relógio serão utilizados no cálculo do módulo de elasticidade. Fixa-se o corpo de prova na máquina por suas extremidades (chamada de cabeça), então, o equipamento aplica-lhe esforços axiais crescentes, de modo a causar um alongamento da parte útil do corpo de prova, até a ruptura do mesmo. No topo da máquina de ensaio de tração há um sensor que mede o elongamento da peça, há um outro sensor que mede a força aplicada, em kgf. Ambos os sensores estão ligados ao ploter, que registrará os dados num papel milimetrado. Ensaio de Tração 2.2. Ensaio de Dureza O ensaio de dureza foi feito utilizando uma máquina específica para esse tipo de ensaio que aplica uma determinada carga e que tem em sua ponta um penetrador. A principal característica da escala de dureza Rockwell B é que esta é utilizada para materiais de dureza média, na qual se usa como penetrador um esfera de aço de 1/16” de diâmetro e uma carga fixa de 100 kg . Para o ensaio de dureza, aproveitamos as sobras da peça feita para o ensaio de tração, sobrepondo várias camadas e depois penetramos essas chapas com a máquina para ensaio de dureza. O penetrador provoca uma perfuração na peça e então se mede a profundidade dessa perfuração. Simultaneamente executamos a leitura da dureza no mostrador analógico do equipamento. Devido a imprecisões no experimento, aplicamos uma correção de 30%, chegando ao valor real de dureza. Foram realizados 3 ensaios, no primeiro sobrepôs-se 5 placas, no segundo uma placa apoiada num material diferente da placa, no terceiro não utilizou-se apoio. Em cada um desses ensaios, a peça foi perfurada em 3 em diferentes pontos para obter-se melhores resultados. Ensaio de Dureza 3- Resultados Ensaio de Tração I. Tensão e Deformação de Engenharia Grafico Tensao x Deform ação de Engenharia 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 D e f or m a ção O comprimento e a área inicial do corpo de prova eram: A0 L0 12,5 mm2 50 mm Cálculo do Modulo de Elasticidade O módulo de elasticidade corresponde ao intervalo de tensões no qual o material deforma elasticamente. Sabendo-se que o intervalo de deformação elástica é caracterizado por tensões baixas, foi realizado um ensaio preliminar, onde o corpo de prova foi submetido a pequenas variações de tensão, até uma pequena manifestação de regime plástico. Para esses valores de tensão, foram registrados seus valores de deslocamento. A partir dos dados obtidos por meio de um relógio para medições de pequenas deformações e um dinamômetro, para a medição de trações, registrou-se a seguinte distribuição de valores: Deslocamento (mm) 0 0,015 0,03 0,05 0,068 0,091 0,252 Força (kgf) 0 60 120 180 240 300 360 Considerando-se 1 kgf = 10 N, e sabendo-se que a deformação e a tensão de engenharia são dados, respectivamente, por ε= ΔL / L0 e σ = F / A0, foram obtidos os valores necessários para a plotagem do gráfico Tensão x Deformação de Engenharia: Deslocamento (mm) 0 0,015 0,03 0,05 0,068 0,091 0,252 Deformação 0 0,0003 0,0006 0,001 0,00136 0,00182 0,00504 Força (N) Tensao (N/mm²) 0 600 1200 1800 2400 3000 3600 0 48 96 144 192 240 288 A partir desses valores, foi traçado o seguinte gráfico: Modulo de Elasticidade Tensão (N/mm²) y = 138221x 300 250 200 150 100 50 0 0 0,0005 0,001 0,0015 0,002 Deform ação Como pode ser visto, por meio do método de regressão linear, os pontos foram aproximados por uma reta, cuja equação (y = 138221x) está descrita no gráfico. Portanto, o módulo de elasticidade, que corresponde ao coeficiente angular da reta, apresentou o seguinte valor: E = 138221 MPa Tensão de Escoamento A tensão de escoamento (σe) representa a tensão máxima a que o material pode ser submetido de forma a sofrer deformação elástica. De acordo com os dados utilizados para o calculo do módulo de elasticidade e com outros dados retirados do gráfico plotado pelo equipamento, tem-se: Deformação (mm) Tensão (MPa) 0 0,0003 0,0006 0,001 0,00136 0,00182 0,00504 0,0125 0,033333333 0 48 96 144 192 240 288 362,3529412 400 A tensão de escoamento pode ser calculada através da intersecção do gráfico Tensão x Deformação de Engenharia com uma reta de coeficiente angular igual ao modulo de elasticidade (138221) e que contém o ponto (0, 0.002). Isto corresponde a uma deformação de 0,2% no corpo de prova. Esta reta, portanto, tem equação y = (138221x) - 276,442. Desta forma obtém-se o diagrama abaixo: Tensão de Escoam ento Tensão (N/mm²) 500 400 300 200 100 0 0 0,01 0,02 0,03 0,04 Deform ação Logo, do diagrama, temos: σe ≅ 270 MPa Módulo de Resiliência Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente, e, quando descarregado da tensão que provocou a deformação, devolver esta energia. A Resiliência pode ser calculada pela área do gráfico Tensão x Deformação de Engenharia onde ocorre regime elástico. O intervalo em que esta área se encontra foi calculado através da partição do gráfico em retângulos. O limite inferior foi calculado por retângulos inferiores ao gráfico, e o limite superior por retângulos superiores ao gráfico. Os valores encontrados foram: calculo da area (MPa) Inferior Superior 0 0,0144 0,0144 0,0288 0,0384 0,0576 0,05184 0,06912 0,08832 0,1104 0,7728 0,92736 0,96576 1,20768 Assim, foi obtido o valor médio Resiliência = 1,086 MPa Módulo de Tenacidade Tenacidade é a capacidade do material deformar-se plasticamente e absorver energia antes da ruptura. Pode ser aproximada pela área total do gráfico Tensão x Deformação de Engenharia. A área do gráfico foi aproximada pelo mesmo método utilizado para o cálculo da Resiliência. A tabulação destes dados encontra-se em anexo. Como resultado foram obtidos os seguintes dados: Limite Superior: Limite Inferior: 473,0098 461,0294 Valor médio: Tenacidade = 467,02 MPa Tensão limite de Resistência Mecânica É a máxima tensão que o corpo de prova pode ser submetido sem sofrer estricção. Pode ser estimada como a maior tensão no gráfico de Tensão x Deformação de Engenharia. Logo, da tabulação em anexo, temos: Limite de Resistência Mecânica = 724,70 MPa Tensão de Rupura É a tensão na qual o material se rompe. De acordo com a tabulação em anexo, temos: Tensão de Ruptura = 720,00 MPa Alongamento É o aumento de comprimento verificado na tração até a ruptura do corpo de prova. É determinado pela expressão ε = ( Lf – L0) / L0 x 100 Como Lf = 88,125 e L0 = 50,00, temos ε = 76,25% Estricção É uma medida do estrangulamento da seção. É dada pela expressão φ = ( S0 – Sf) / S0 x 100 Portanto, como S0 = 12,5mm2 e Sf = 7,09 mm2, temos: φ = 43,26% II. Tensão x Deformação Real Ao se utilizar as expressões εreal = ln (L/L0) Areal = A0 / exp(εreal) σreal = F / Areal obtivemos os valores de deformação real, área real e tensão real, respectivamente. Tais valores podem ser encontrados em anexo. O gráfico obtido foi: Tensão Real (N/mm²) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 A partir dos valores foi plotado um gráfico di-log para calcular a tensão corrigida para os valores de tensão e deformação onde ocorre interferência de tensões não axiais e formação de pescoço. 8 y = 0,3711x + 7,2346 7 6 5 Series1 4 Linear (Series1) 3 2 1 0 -6 -4 -2 0 A partir da formula σcorrigida = k εrealn Obteve-se os valores: N = 0,3711 K = e7,2346 = 1386,6 III. Tensão x Deformação Corrigida 1400 tensão Real Tensão Corrigida 1200 1000 800 Tensão de Engenharia 600 400 200 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 3.2 Ensaio de Dureza Primeira análise: Para o ensaio de dureza, durante a primeira etapa foram analisadas 5 placas sobrepostas em um apoio de metal. Os valores encontrados foram muito diferentes das análises posteriores, devido ao que chamamos de “Efeito-mola”. Resultados da 1a análise do ensaio de dureza: 1 2 3 Profundidade (mm) 0,298 0,308 0,318 Leitura (HRB) 48,0 49,0 45,5 Segunda análise: Para o ensaio de dureza, durante a segunda etapa, decidimos eliminar o efeito mola. Para tanto, analisamos somente uma placa em um apoio de metal. Resultados da 2a análise do ensaio de dureza: 1 2 3 Profundidade (mm) 0,196 0,186 0,178 Leitura (HRB) 61,0 65,0 67,0 Terceira análise: Após os resultados anteriores, e a eliminação do “Efeito-mola” , notamos que o apoio de metal era constituído de um material mais mole do que o analisado, portanto decidimos realizar esta terceira análise sem o apoio de metal. Dentre todas as análises, a terceira foi a mais confiável com relação a eliminação das dificuldades de execução da análise. Resultados da 3º análise do ensaio de dureza: 1 2 3 Profundidade (mm) 0,178 0,170 0,174 Leitura (HRB) 67,0 70,6 70,0 Leitura (HRB)* 87,1 91,8 91,0 *Dureza com correção de 30%. Obs: Os resultados das duas outras análises foram desprezados. Comparando-se os resultados obtidos com valores tabelados de diversos matérias, apresentados em aula, descobrimos que o material metálico desconhecido é Aço Inox. 4- Conclusão 4.1. Tração Encontraram-se dificuldades no preparo do corpo de prova, baseando-se na experiência de outro grupo, tivemos que adaptar o corpo de prova, retirando parte da cabeça pois caso contrário, a peça atingiria o batente da máquina antes da ruptura da mesma. Devido ao precário método de fixação, que permitiu uma pequena mobilidade da peça, houve pequenas variações de área na parte útil do corpo de prova durante o fresamento; essas variações causaram interferências de baixa escala nos cálculos de tensão. 4.2.Dureza Encontrou-se muitas dificuldades no ensaio de dureza, foram realizadas 3 diferentes análises , cada uma com 3 cálculos. A primeira análise a sobreposição de 5 placas causou erros de medição devido ao “efeito-mola”. Na segunda foi analisada uma única placa, porém, o valor encontrado diferiu do valor esperado devido ao apoio ser feito de um material mais mole do que a placa. Somente na terceira análise obtivemos resultados próximos do esperado, mas ainda houveram imprecisões devido a problemas no equipamento, para tentar contorna-los, utilizou-se um fator de correção de 1,3. Apesar de todas as dificuldades apresentadas acima, os resultados dos ensaios de dureza foram satisfatórios, tendo apenas uma pequena defasagem em relação ao valor esperado (95HRB). 5 – Referências Bibliográficas 1- Chiaverni, Vicente “Tecnologia Mecânica Estrutura e propriedades das Ligas Metálicas” Makron Books 2º Edição 2- Souza, Sergio Augusto de “Ensaios Mecânicos de materiais Metálicos Fundamentos Teóricos e Práticos” Edgard Blucher, 1974. 3- http://www.fem.unicamp.br/~gps/PDF/Apostila_2_Ensaio_Tracao.pdf 4- http://www2.pucpr.br/docentes/karin.borsato/material/tracao.pdf 5- http://www.bibvirt.futuro.usp.br/textos/tem_outros/cursprofissionalizante/ tc2000/ensaios/ensa04.pdf 6-http://www.bibvirt.futuro.usp.br/textos/tem_outros/cursprofissionalizante/ tc2000/ensaios/ensa03.pdf