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Curso de Engenharia Mecatrônica
RELATÓRIO SOBRE ENSAIO DE TRAÇÃO CONVENCIONAL
Turma: EA4W01 - Laboratório: "G"
Orientador: Prof. Alcindo
São Paulo, 21 de Abril de 2009
1) OBJETIVO
Determinação das propriedades mecânicas de um metal utilizando tabela
de "força x comprimento de deformação" informada em sala de aula. Também
determinar através do gráfico de "tensão x deformação" o modulo de
elasticidade, limite de escoamento (0,2%), limite de resistência, limite de
ruptura e dutilidade (ductilidade) em termos de variação e comprimento de
área.
2) INTRODUÇÃO
2.1) Ensaio de Tração
Em um ensaio de tração, um corpo de prova é submetido a um esforço que
tende a alongá-lo ou esticá-lo até à ruptura. Geralmente, o ensaio é
realizado num corpo de prova de formas e dimensões padronizadas, para que
os resultados obtidos possam ser comparados ou, se necessário,
reproduzidos. Este é fixado numa máquina de ensaios que aplica esforços
crescentes na sua direção axial, sendo medidas as deformações
correspondentes. Os esforços ou cargas são mensurados na própria máquina,
e, normalmente, o ensaio ocorre até a ruptura do material.
Figura 6.2 do Callister
Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as
deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o
seu corpo, pelo menos até ser atingida uma carga máxima próxima do final do
ensaio e, como é possível fazer com que a carga cresça numa velocidade
razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de tração permite medir
satisfatoriamente a resistência do material. A uniformidade da deformação
permite ainda obter medições para a variação dessa deformação em função da
tensão aplicada. Essa variação, extremamente útil para o engenheiro, é
determinada pelo traçado da curva tensão-deformação a qual pode ser obtida
diretamente pela máquina ou por pontos. A uniformidade termina no momento
em que é atingida a carga máxima suportada pelo material, quando começa a
aparecer o fenômeno da estricção ou da diminuição da secção do provete, no
caso de matérias com certa ductilidade. A ruptura sempre se dá na região
mais estreita do material, a menos que um defeito interno no material, fora
dessa região, promova a ruptura do mesmo, o que raramente acontece.
A precisão de um ensaio de tração depende, evidentemente, da precisão
dos aparelhos de medida que se dispõe. Com pequenas deformações, pode-se
conseguir uma precisão maior na avaliação da tensão ao invés de detectar
grandes variações de deformação, causando maior imprecisão da avaliação da
tensão. Mesmo no início do ensaio, se esse não for bem conduzido, grandes
erros pode ser cometidos, como por exemplo, se o provete não estiver bem
alinhado, os esforços assimétricos que aparecerão levarão a falsas leituras
das deformações para uma mesma carga aplicada. Deve-se portanto centrar bem
o corpo-de-prova na máquina para que a carga seja efetivamente aplicada na
direção do seu eixo longitudinal.
Em um ensaio de tração, obtém-se o gráfico tensão-deformação, na qual
é possível analisar o comportamento do material ao longo do ensaio. Do
início do ensaio, até a ruptura, os materiais geralmente passam pelas
deformações elásticas e plásticas.
Gráfico coleta da Wikipedia
2.1.1) Deformação Elástica
Para a maioria dos metais que são solicitados em tração e com níveis
de tensão relativamente baixos, a tensão e a deformação são proporcionais
de acordo com a relação abaixo.
Esta é a conhecida lei de Hooke uniaxial e a constante de
proporcionalidade "E" é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young.
As deformações elásticas não são permanentes, ou seja, quando a carga
é removida, o corpo retorna ao seu formato original. No entanto, a curva
tensão-deformação não é sempre linear, como por exemplo, no ferro fundido
cinzento, concreto e polímeros.
Até este ponto, assume-se que a deformação elástica é independente do
tempo, ou seja, quando uma carga é aplicada, a deformação elástica
permanece constante durante o período em que a carga é mantida constante.
Também é assumido que após a remoção da carga, a deformação é totalmente
recuperada, ou seja, a deformação imediatamente retorna para o valor zero.
2.1.2) Deformação Plástica
Acima de uma certa tensão, os materiais começam a se deformar
plasticamente, ou seja, ocorrem deformações permanentes. O ponto na qual
estas deformações permanentes começam a se tornar significativas é chamado
de limite de escoamento.
Para metais que possuem transição gradual do regime elástico para o
plástico, as deformações plásticas se iniciam no ponto na qual a curva
tensão-deformação deixa de ser linear, sendo este ponto chamado de limite
de proporcionalidade (ou tensão limite-elasticidade). No entanto, é difícil
determinar este ponto precisamente. Como conseqüência, criou-se uma
convenção na qual é construída uma linha reta paralela à porção elástica,
passando pela deformação de 0,2% da deformação total. A tensão
correspondente à intersecção desta linha com a curva tensão-deformação é o
limite de escoamento (ou tensão de cedência).
A magnitude do limite de escoamento é a medida da resistência de um
material à deformação plástica e pode variar muito, como por exemplo, entre
35 MPa para uma liga de alumínio de baixa resistência até 1400 MPa para um
aço de alta resistência.
Durante a deformação plástica, a tensão necessária para continuar a
deformar um metal aumenta até um ponto máximo, chamado de limite de
resistência à tração (ou tensão de ruptura), na qual a tensão é a máxima na
curva tensão-deformação de engenharia. Isto corresponde a maior tensão que
o material pode resistir; se esta tensão for aplicada e mantida, o
resultado será a fractura. Toda a deformação até este ponto é uniforme na
seção. No entanto, após este ponto, começa a se formar uma estricção, na
qual toda a deformação subseqüente está confinada e, é nesta região que
ocorrerá ruptura. A tensão corresponde a fractura é chamada de limite de
ruptura.
Assim, é possível obter o gráfico tensão-deformação, que varia
conforme o material analisado. Por exemplo, os materiais frágeis, como
cerâmicas e concreto, não apresentam um limite de escoamento. Já os
materiais dúcteis, como o alumínio, não apresentam o limite de escoamento
bem definido.
"Diagrama tensão-deformação para uma"Diagrama tensão-deformação para um "
"liga típica de alumínio: "material frágil: "
"1. Tensão máxima de tração "1. Tensão máxima de tração "
"2. Limite de escoamento "2. Ruptura "
"3. Tensão limite de " "
"proporcionalidade " "
"4. Ruptura " "
"5. Deformação "offset" (tipicamente" "
"0,002). " "
2.1.3) Módulo de Elasticidade (E)
Esta é uma propriedade específica de cada metal e corresponde à
rigidez deste. Quanto maior o módulo menor será a deformação elástica. Esta
propriedade pode ser obtida através da fórmula do módulo de elasticidade,
que é E = σ / ε (Lei de Hooke) , onde σ é a tensão dada por Força/ Área e
"ε" é a deformação dada por ΔL / L0. Graficamente podemos achar E pela
tangente da reta que representa a deformação elástica do corpo.
2.1.4) Limite de Escoamento (σe)
O escoamento corresponde a transição entre a deformação elástica e a
plástica. O limite de escoamento superior é a tensão máxima durante o
período de escoamento. Essa tensão é seguida por uma queda repentina da
carga que representa o início da deformação plástica. Após isso a curva se
estabiliza e o valor desta tensão equivale ao limite de escoamento
inferior. Tais resultados não dependem apenas do material, mas também de
outros fatores como a geometria e as condições do corpo de prova. O limite
de escoamento pode ser obtido pela intersecção da curva tensão x deformação
com uma reta paralela a parte que representa a deformação elástica do
gráfico deslocada de 0,2%.
2.1.5) Limite de Resistência Mecânica (σu)
Corresponde a tensão máxima obtida durante o ensaio de tração tendo
pouca importância na resistência dos metais dúcteis.
2.1.6) Limite de Ruptura (σr)
O limite de ruptura corresponde à tensão na qual o material se rompe.
2.1.7) Módulo de Tenacidade (UT )
Tenacidade de um metal é a sua habilidade de absorver energia na
região plástica. Já o módulo de tenacidade é a quantidade de energia
absorvida por unidade de volume até a fratura. Esse valor corresponde à
área total abaixo da curva de Tensão x Deformação.
2.1.8) Módulo de Resiliência (UR)
Resiliência de um metal é a sua capacidade de absorver energia e
depois descarregá-la quando deformado elasticamente. Já o módulo de
resiliência é a energia de deformação por unidade de volume necessária para
tensionar o metal até o final da região elástica. Esse valor corresponde a
área total abaixo do gráfico até o final da região elástica.
2.1.9) Alongamento Total (A)
Corresponde ao aumento percentual de comprimento na região útil do
corpo de prova observado até a ruptura do corpo de prova. Pode ser
determinado pela expressão:
A = ( Lf – L0) / L0 x 100
2.1.10) Estricção (()
É uma medida do estrangulamento da seção. Também pode caracterizar a
ductilidade do material, pois quanto maior for a estricção mais dúctil será
o metal. É obtida pela fórmula:
( = (S0 – Sf) / S0 x 100
3) MATERIAIS UTILIZADOS
Devido ao problema ocorrido na maquina de tração da universidade não
foi possível fazer o levantamento dos dados e também descrever como
realizar o ensaio, porém o Prof. Alcindo passou um levantamento utilizado
anteriormente para aplicação neste relatório, portanto os materiais
utilizados e o procedimento informado abaixo fazem parte da pesquisa.
- Corpo de prova conforme figura abaixo:
Figura 6.2 do Callister
- Maquina de tração conforme exemplo abaixo:
Figura Telecurso 2000, aula 4
4) PROCEDIMENTO
O primeiro procedimento consiste em identificar o material do corpo de
prova. Corpos de prova podem ser obtidos a partir da matéria-prima ou de
partes específicas do produto acabado.
Depois, deve-se medir o diâmetro do corpo de prova em dois pontos no
comprimento da parte útil, utilizando um micrômetro, e calcular a média.
Por fim, deve-se riscar o corpo de prova, isto é, traçar as divisões
no comprimento útil. Num corpo de prova de 50 mm de comprimento, as
marcações devem ser feitas de 5 em 5 milímetros.
Figura Telecurso 2000, aula 4
Assim preparado, o corpo de prova estará pronto para ser fixado à
máquina de ensaio.
Fixa-se o corpo de prova na máquina por suas extremidades, numa
posição que permite ao equipamento aplicar-lhe uma força axial para fora,
de modo a aumentar seu comprimento.
A máquina de tração é hidráulica, movida pela pressão de óleo, e está
ligada a um dinamômetro que mede a força aplicada ao corpo de prova.
A máquina de ensaio possui um registrador gráfico que vai traçando o
diagrama de força e deformação, em papel milimetrado, à medida em que o
ensaio é realizado.
5) RESULTADOS
O ensaio foi realizado em um corpo de prova em alumínio com diâmetro de
12.8mm e comprimento útil de 50.8mm, obtendo-se o diâmetro final de 6.4mm.
Foram coletados os seguintes dados:
"CARGA (N) "COMPRIMENTO "L" (mm) "
"0 "50,8 "
"7330 "50,851 "
"15100 "50,902 "
"30400 "51,003 "
"41300 "51,816 "
"44800 "52,832 "
"46200 "53,848 "
"47500 "54,880 "
"44800 "57,658 "
"36400 "59,182 (ruptura) "
Através dos dados acima foi confeccionada a tabela abaixo de tensão(σ) x
deformação(ε), obtendo-se os cálculos abaixo:
"COMPRIMENTO "Alongamento "ε""CARGA (N) "σ (Mpa) "
""L" (mm) "(mm/mm) " " "
"50,8 "0,0000 "0 "0 "
"50,851 "0,0010 "7330 "57,0 "
"50,902 "0,0020 "15100 "117,3 "
"51,003 "0,0040 "30400 "236,2 "
"51,816 "0,0200 "41300 "321,0 "
"52,832 "0,0400 "44800 "348,2 "
"53,848 "0,0600 "46200 "359,0 "
"54,88 "0,0803 "47500 "369,1 "
"57,658 "0,1350 "44800 "348,2 "
"59,182 "0,1650 "36400 "282,9 "
Segue abaixo a curva característica do material testado:
Em um ensaio de tração, a primeira parte do diagrama apresenta-se como
uma reta e é chamada de fase linear. O módulo de elasticidade (E) é o
coeficiente angular desta reta e também pode ser escrito como o quociente
entre a tensão e a deformação.
Logo " E" é: 58,9 GPa
Limite de Escoamento é determinado a partir da curva obtida no ensaio
de deformação, traçando-se uma paralela ao regime elástico com início no
ponto de deformação 0,002 e encontrando o ponto em que esta intercepta a
curva.
Logo "σe" é: 250 MPa
O limite de resistência mecânica corresponde a tensão referente ao
ponto máximo da curva obtida.
Logo "σu" é: 369,1 MPa
Para o limite de ruptura, esse corresponde a tensão referente no ponto
de ruptura do corpo de prova, ou seja, "σu" é 282,9 MPa.
A dutilidade pode ser expressa quantitativamente tanto como
porcentagem de elongação quanto como porcentagem de redução de área. A
porcentagem de elongação, %EL, é a porcentagem de deformação plástica na
fratura:
%EL = [(lf - lo) / lo] x 100
Porcentagem de Redução de Área %RA é definida como:
%RA = [(Ao - Af)/Ao] x 100
Efetuando os cálculos acima obtemos:
%EL = [(59,182-50,8)/50,8] x 100 = 16,5% (Alongamento Total)
%RA = [(128,7-32,2)/128,7] x 100 = 75% (Estricção)
6) CONCLUSÃO
Observando o gráfico do material ensaiado (alumínio) podemos observar
que trata-se de um material dutil.
O ensaio foi bastante útil para verificação como retirar de um corpo
de prova todas as propriedades necessárias à engenharia de determinado
material.
Abaixo seguem os dados calculados e valores de propriedades mecânicas
pesquisadas em diversos sites da internet.
"Propriedades Mecânicas "Valor Experimental "Valor Pesquisado "
" " "na Internet "
"Módulo de Elasticidade "58,9 GPa "70 GPa "
"Limite de Escoamento "250 MPa "255 MPa "
"Limite de Resistência "369,1 MPa "320 MPa "
"Limite de Ruptura "282,9 MPa "230 MPa "
"Alongamento "16,5% "15% "
"Estricção "75% "65% "
7) BIBLIOGRAFIA
Sites:
Portal CIMM
HTTP://www.cimm.com.br – Materiais didáticos
Acesso em 20/04/09
Wikipedia
http://www.wikipedia.org.br - palavra chave: Ensaio de Tração
Acesso em 20/04/09
University of Liverpool
http://www.matter.org.uk – AluMatter
Acesso em 21/04/09
Livros:
Livro Telecurso 2000 - Mecânica – Ensaio de Materiais; aulas 2, 3, 4 e 5;
editora Globo –10/2003
Callister, William D., Ciência e Engenharia dos materiais, Editora LTC, São
Paulo, Brasil. 2000
Souza, Sérgio Augusto de; Ensaios Mecânicos em materiais metálicos,Editora
Edgard Blucher Ltda, São Paulo, Brasil, 1974
Normas Técnicas
ASTM E18-90a - Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic
Materials [Metric], EUA, 1989.
ABNT NBR-6152; Determinação das Propriedades Mecânicas à Tração, 1980.
ASTM E8 / E8M - Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic
Materials, EUA, 2008
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Limite de Escoamento
Limite de Resistência Mecânica
