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Departamento de Materiais, Processos e Componentes Eletrônicos Prof. Dr. Paulo Jorge Brasão
COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS TRAÇÃO: AÇOS E POLÍMEROS
ENSAIO DE MATERIAIS
Setembro/2010
Segundo Semestre/2010
Erick Vendruscolo Guerra n°0810808-3 Zaqueu de Oliveira Lopes n°0820778-9
I - Introdução O projeto de um componente mecânico ou equipamento industrial requer conhecimento das propriedades dos materiais disponíveis. Para a seleção de um tipo de material para o projeto são avaliadas as suas propriedades mecânicas e seu comportamento mecânico. Estas características são obtidas através de ensaios mecânicos normalizados. As principais associações de normas técnicas fornecem as normas que descrevem o procedimento do ensaio, bem como requisitos mínimos de resistência mecânica e dureza para diversas classes de materiais, desta forma se estabelece uma linguagem comum entre fornecedores e usuários. Um dos métodos para se verificar a resistência mecânica de um material consiste em submeter um corpo de prova ao ensaio de tração. ¹ Para entender o princípio deste ensaio, temos dois exemplos: 1. Imagine que se aplica determinada carga de tração uma barra de seção transversal constante que seja suficiente para rompê-la. Porém, quando se aplica a mesma carga a uma outra barra com maior área de seção transversal esta não se rompe. De fato existe uma relação de dependência entre a área de seção de uma peça e sua resistência mecânica, frente à uma carga constante aplicada. Portanto, para se medir a resistência de um material é necessário correlacionar a força aplicada à área de seção da peça. 2. Também podemos mudar o tipo de estrutura do material a ser tracionado, isso está diretamente ligado a aplicação em que ele será utilizado, se tiver que ser um material não muito resistente a tração, mas leve, utilizamos os polímeros. Já se não se importar com o peso e sim com a resistência que o material terá que suportar, utilizamos as ligas metálicas. (utilizamos no exemplo materiais que usamos no experimento, sem levar em consideração outros tipos de materiais como cerâmicos, compósitos e etc). ²
I -a- Propriedades Elasticidade: é o ramo da física que estuda o comportamento de corpos materiais que se deformam ao serem submetidos a ações externas (forças devidas ao contato com outros corpos, ação gravitacional agindo sobre sua massa, etc.), retornando à sua forma original quando a ação externa é removida. Plasticidade: é o ramo da física que estuda o comportamento de corpos materiais que se deformam ao serem submetidos a ações externas e não retornam mais ao estágio inicial. Em outras palavras, plasticidade é quando o material se deforma e fica deformado, não volta ao normal. Tenacidade (UT): é a capacidade de um material absorver energia até o momento da fratura é denominado tenacidade. O módulo de tenacidade quantifica a tenacidade de um material, sendo a energia absorvida por unidade de volume, desde o início do ensaio de tração até a fratura do corpo de prova. A área total sobre a curva x ε representa a tenacidade de um material, nestas condições em que ocorrem pequenas taxas de deformação. (e - limite de escoamento, U – limite de resistência do material) UT = (e x u) . f /2
(material dúctil)
UT = (2/3)u . f
(material frágil)
Módulo de Young ou módulo de elasticidade: é um parâmetro mecânico que proporciona uma medida da rigidez de um material sólido. Obtém-se da razão entre a tensão (ou pressão) exercida e a deformação unitária sofrida pelo material. Isto é, 2
Lei de Hooke: é a lei da física relacionada a elasticidade de corpos, que serve para calcular a deformação causada pela força exercida sobre um corpo, tal que a força é igual ao deslocamento da massa a partir do seu ponto de equilíbrio vezes a característica constante do corpo que sofrerá deformação:
F = k.Δl Limite de escoamento, ou tensão de escoamento: é a tensão máxima que o material suporta ainda no regime elástico de deformação, se houver algum acréscimo de tensão o material não segue mais a lei de Hooke e começa a sofrer deformação plástica (deformação definitiva). adm = e / C.S.
C.S. = coeficiente de segurança
Módulo de Resiliência (UR): é a capacidade do material absover energia ao ser elasticamente deformado e liberar esta energia quando descarregado. O módulo UR é a área abaixo da curva tensão x deformação na região elástica de proporcionalidade. (p - limite de proporcionalidade) ³ UR = (εp x p)/2 = (p)2 / 2E
I -b- Objetivos Fazer o ensaio de tração usando dois tipos diferentes de materiais, dentre eles dois tipos de estruturas, e depois comparar para chegar a conclusão de qual material aguentará maior esforço.
II - Procedimento Experimental Para melhor entendimento, dividimos o procedimento experimental em duas partes, a primeira sobre a tração do Aço e a segunda sobre a tração dos polímeros
II – a – Aços Material: Aço ABNT: 1020 Aço ABNT: 1070 Ambos de diâmetro Øi = 20mm
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Utilizando a máquina universal de ensaio, foram feitos os seguintes procedimentos:
Coloca-se o corpo de prova na garra superior A garra inferior sobe e encaixa-se no corpo Ajuste do ponteiro no zero Inicio do esforço ( escala 0 – 40.000kgf) Força de escoamento: onde o ponteiro parou momentaneamente, tem inicio a deformação plástica A segunda vez que parou o ponteiro é a força máxima Visualização da estricção e empescosamento Quebra do corpo de prova (velocidade 200 kgf/s) Força máxima
Depois da tração a barra ficou conforme a figura abaixo:
Os pontilhados nas extremidades foram feitos pelas garras, evitando que o corpo escorregue.
III – a – Resultados Analisando o Aço ABNT: 1020 obtivemos os seguintes resultados: Força máxima de ruptura = 12.400 kgf Força máxima de tração = 17.700 kgf Força de escoamento = 11.500 kgf Diâmetro final (Øf) = 12,2mm Comprimento final = 377mm Taxa de deformação () = 18% [a] Tensão convencional = 138,10 N/mm² [a]
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Analisando o Aço ABNT: 1070 obtivemos os seguintes resultados: Força máxima de ruptura = 21.600 kgf Força máxima de tração = 25.600 kgf Força de escoamento = 12.200 kgf Diâmetro final (Øf) = 16mm Comprimento final = 369,2mm Taxa de deformação () = 12,8% [a] Tensão convencional = 199,75 N/mm² [a]
IV – a – Discussão Comparando os dados, chegamos a conclusão que o aço 1070 é mais resistente, como ele tem maior teor de carbono em sua estrutura do que o aço 1020, o grau de carbono está diretamente proporcional a resistência, quanto maior o teor de carbono maior a resistência do aço.
II – b – Polímeros Material Corpo de prova em: Polipropileno (PP) Poliestireno (PS) Comprimento total =63,3mm Comprimento útil = 25,4mm Largura = 3,1mm Espessura = 3,1mm
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Corpo de prova feito no próprio laboratório onde é feito o ensaio de tração. A máquina é uma micro injetora que faz moldes ASTM D638. Geralmente o ensaio é realizado num corpo de prova de formas e dimensões padronizadas, para que os resultados obtidos possam ser comparados ou reproduzidos. Temperatura de injeção = 220°C Temperatura do molde = 60°C
Utilizando a máquina universal de ensaio, foram feitos os seguintes procedimentos:
Coloca-se o corpo de prova na garra superior A garra inferior sobe e encaixa-se no corpo Inicio do esforço Visualização da estricção e empescosamento Quebra do corpo de prova Força máxima
III – b – Resultados Analisando a amostra de Polipropileno (PP) obtivemos os seguintes resultados: Força máxima = 388 N Espessura final (Øf) = 1,45 mm Velocidade de tração = 10 mm/m Alongamento = 102 mm
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Analisando a amostra de Poliestireno (PS) obtivemos os seguintes resultados: Força máxima = 31 N Espessura final (Øf) = 3,2 mm Velocidade de tração = 1 mm/m Alongamento = 12,2 mm
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V – Discussão Os materiais usados nesse trabalho apresentam inicialmente um comportamento elástico quando estão sob efeito de cargas de tração. Na região elástica ocorre alongamento do corpo de prova de tração, e se retirado, retoma suas dimensões originais. Se a carga de tração passar de um determinado limite, limite elástico ou de escoamento, começa a deformar permanentemente, chamado comportamento plástico, não recuperando mais as suas dimensões originais se a carga for retirada. Na deformação plástica ocorre a ruptura de ligações interatômicas e formação de novas ligações, devido à grande mobilidade de átomos em relação aos seus vizinhos. O mecanismo de deformação plástica em materiais policristalinos é caracterizado por um processo de escorregamento, que é a movimentação de discordâncias em direções e planos de maior densidade atômica da estrutura cristalina do material. As discordâncias são bloqueadas nos contornos de grão, estes grãos deformam-se e orientam-se segundo uma direção específica, conhecido como encruamento do metal. O encruamento representa o endurecimento do material por deformação a frio. Nos polímeros vimos que quanto mais cristalina é a amostra, maior é seu modulo de elasticidade e escoamento. O local de empescosamento do corpo de prova depende da injeção, da uniformidade. O rompimento do material ocorre no ponto menos resistente, o esforço tende a atuar no centro de massa.
VI – Conclusão Através deste experimento foi possível estudar com precisão a resistência de um material quando submetido a um esforço, que nesse caso foi de tração. Já sabíamos que uma barra de aço agüenta bastante força, mas não sabíamos que era tanta.
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A partir deste, pudemos associar com nosso dia-a-dia e ver como são feitos os cálculos na hora de fabricar um ponte ou um simples balanço para crianças. Deixando com uma grande folga no limite de segurança, evitando que haja um rompimento no mesmo.
VII – Referencias ¹MSPC - Informações Técnicas; http://www.mspc.eng.br/ciemat/ensaio110.shtml ²Garcia A., Alvares S. J. e Santos C. A.; Ensaios dos materiais; Editora LTC; capitulo 2 ³Instituto Federal Santa Catarina; Apostila ciências dos materiais, Joinville, 2010, págs 3-8.
VIII – Apêndice [a] O ensaio de tração é muito utilizado como teste para o controle de qualidade de matéria-prima para diferentes processos. Este teste fornece como resultado a curva tensão de tração versus deformação sofrida pelo corpo de prova. O conceito de tensão mecânica (σ ) considerada no ensaio é fundamental, pois representa a medida da resistência mecânica dada dividida pela área da seção transversal do corpo de prova em sua porção útil. No ensaio convencional (também denominado ensaio de engenharia) a tensão de tração é dada por: σ = F / Ao
σ = tensão convencional (ou de engenharia) [N/mm2]; onde: Ao = área da seção transversal do corpo de prova [mm2]; F = carga aplicada [N].
A deformação convencional ε é definida pela razão entre o alongamento em dado instante e o comprimento inicial do corpo de prova: ε = (Lf – Lo) / Lo = l / Lo
[mm/mm] ou % (x100)
IX – Agradecimentos Agradecemos ao Prof. Dr. Paulo Jorge Brazão por toda base e suporte fornecidos.
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