Transcript
Universidade de Caxias do Sul Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Departamento de Engenharia Mecânica Laboratório de Materiais e Metalografia Prof. Gilmar Tonietto
Ensaio de Tração com Extensômetro SAE – 4340 com 40 HRC
Trabalho de Ensaio de Tração Laboratório de Materiais e Metalografia – MAM0417AA
Leonardo Dornelles dos Santos
Caxias do Sul, 10 de Abril de 2012 2012/02
ÍNDICE 1. Objetivo Geral ..................................................................................................................pg. 03 2. Introdução.........................................................................................................................pg. 04 3. Revisão Bibliográfica ........................................................................................... .............pg. 05 4. Propriedades Mecânicas do SAE 4340 ..........................................................................pg. 07 4.1Características Principais e Aplicações............................................................pg. 07 4.2 Composição Química.....................................................................................pg. 07 5. Normas Adotadas ......................................................................................................pg. 08 6. Material Utilizado.................................................................................................. .....pg. 09 7. Descrição do Ensaio....................................................................................................pg. 09 8. Cálculos, Gráficos e Resultados Obtidos......................................................................pg. 10 8.1 Cálculos........................................................................................................pg. 10 8.1.1 Área do Corpo de Prova (Seção).......................................................pg. 10 8.1.2. Tensão..............................................................................................pg. 10 8.1.3. Comprimento Inicial do Corpo de Prova (L0)..................................pg. 11 8.1.4. Alongamento................................................................................pg. 11 8.1.5. Deformação (ε).............................................................................pg. 11 8.1.6. Área da Seção Final (Sf).................................................................pg. 12 8.1.7. Estricção.......................................................................................pg. 12 9. Dados coletados..............................................................................................................pg. 13 10. Dados calculados.......................................................................................................pg. 14 11. Análise do gráfico e equação da reta.........................................................................pg. 15 Gráfico Tensão x Deformação.............................................................................pg. 15 Gráfico de Tensão x Deformação de um Segmento da Região Linear do gráfico com a linha de Tendência.........................................................................................................pg. 16 12.Correção da origem do Gráfico...................................................................................pg. 16 12.1 Tabela de Correções.......................................................................pg. 17 12.2 Gráfico Final para obter a Tensão de escoamento a (0,2%)................pg. 18 13. Conclusão............................................................................................................... ....pg. 19 14. Bibliografia........................................................................................................... .....pg. 20
2
1. OBJETIVO GERAL Determinar através do Ensaio de Tração com Extensômetro o Módulo de Elasticidade e a Tensão de Escoamento do Aço SAE 4340 com dureza de 40 HBC, seguindo a norma NBR 6892.
3
2. INTRODUÇÃO Neste trabalho, será apresentado detalhadamente a realização do ensaio de tração, bem como os equipamentos necessários para a realização do mesmo, juntamente da interpretação dos dados por ele fornecidos. Também serão relacionadas as características mecânicas do material SAE 4340 com dureza de 40 HRC e o seu comportamento durante o ensaio de tração. Será construído também um paralelo entre os valores reais de módulo de elasticidade e a tensão de escoamento obtida no ensaio com os valores encontrados na bibliografia.
4
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O ensaio de tração consiste em submeter o material a um esforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de ensaio. No ensaio de tração o corpo é deformado por alongamento, até o momento em que se rompe, com a diminuição da estricção do corpo de prova. A estricção determina a ductilidade do material. Quanto maior for à porcentagem de estricção, mais dúctil será o material. Há dois tipos de deformação, que se sucedem quando o material é submetido a uma força de tração: a elástica e a plástica: Deformação elástica: não é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material volta à sua forma original. Deformação plástica: é permanente. Uma vez cessados os esforços, o material recupera a deformação elástica, mas fica com uma deformação residual plástica, não voltando mais à sua forma original. Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio de tração, a máquina de ensaio fornece um gráfico que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o ensaio, conhecido por diagrama tensão deformação. Analisando o diagrama tensão - deformação podemos identificar: - O limite elástico, que recebe este nome porque, se o ensaio for interrompido antes deste ponto e a força de tração for retirada, o corpo volta à sua forma original, semelhante a atividade de um elástico. Na fase elástica, se dividirmos a tensão pela deformação, em qualquer ponto, obteremos sempre um valor constante. Este valor constante é chamado módulo de elasticidade, que corresponde a 0,2% da deformação do material. O módulo de elasticidade é a medida da rigidez do material. Quanto maior for o módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão e mais rígido será o material. Porém, a lei de Hooke só vale até um determinado valor de tensão, denominado limite de proporcionalidade, que é o ponto representado no gráfico a seguir por A, a partir do qual a deformação deixa de ser proporcional à carga aplicada. Terminada a fase elástica, tem início a fase plástica, na qual ocorre uma deformação permanente no material, mesmo que se retire a força de tração. No início da fase plástica ocorre um fenômeno chamado escoamento. O escoamento caracteriza-se por uma deformação permanente do material sem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade de deformação. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito próximos uns dos outros. Após o escoamento ocorre o encruamento, que é um endurecimento causado pela quebra dos grãos que compõem o material quando deformados a frio. O material resiste cada vez mais à tração externa, exigindo uma tensão cada vez maior para se deformar. Nessa fase, a tensão recomeça a subir, até atingir um valor máximo num ponto chamado de limite de resistência. Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, que ocorre num ponto chamado limite de ruptura. Observamos que a tensão no limite de ruptura é menor que no limite de resistência, devido à diminuição da área que ocorre no corpo de prova depois que se atinge a carga máxima. 5
6
4. PROPRIEDADES MECÂNICAS DO SAE 4340 com Dureza de 40 HRC. 4.1 Características Principais e Aplicações 4340 tem uma resposta favorável ao tratamento térmico e exibe uma boa combinação de ductilidade e força. Os usos incluem pinos de pistão, rolamentos, munições, engrenagens, matrizes e vasos de pressão.
4.2 Composição Química
7
5. Normas Adotadas
8
6. MATERIAL UTILIZADO
SAE 4340 com dureza de 40 HRC
Corpo de Prova;
Paquímetro;
Tinta Demarcadora;
Pincel;
Máquina Universal de Ensaio de Tração;
Extensômetro;
7. DESCRIÇÃO DO ENSAIO Com o auxilio de um pincel, foi demarcado com tinta o comprimento útil do corpo de prova a cada 5 mm. Com o auxílio de um paquímetro foi medido o diâmetro do corpo de prova em três posições diferentes (no começo, no meio e no final da área útil), assim como foi também medido essas mesmas posições citadas anteriormente girando 90° o corpo de prova, obtendo assim seis medidas. A menor medida encontrada foi de 9,97 mm, sendo esta utilizada como o diâmetro. Arredondando o valor do diâmetro obtemos 10 mm, este multiplicado por 5 mm (distâncias entre as medidas realizadas no corpo de prova) obtemos um resultado igual a 50mm, valor este que será utilizado como comprimento útil do corpo de prova. Fixado o extensômetro ao corpo de prova, tendo o cuidado de posicioná-lo fora da área de marcação (área com tinta), para evitar a perda de atrito, evitando falhas na leitura do ensaio. Fixa-se o conjunto (corpo de prova e extensômetro) à Máquina Universal de Ensaio de Tração, que exercerá forças axiais no corpo de prova. Ao submetermos o corpo de prova a força de tração, a máquina utilizada no teste informa o alongamento (variação de comprimento) sofrido pelo material. Com isso conseguimos construir o Gráfico Tensão X Deformação, até ocorrer à ruptura total do corpo de prova, finalizando assim, o ensaio de Tração.
9
8. CÁLCULOS, GRÁFICOS E RESULTADOS OBTIDOS
8.1 CÁLCULOS
8.1.1 ÁREA DO CORPO DE PROVA (SEÇÃO)
A= ¶.d2 4
Onde: d= diâmetro do corpo de prova (mm); A= área (mm 2);
8.1.2. TENSÃO
T= F. g A
Onde:
T= tensão (MPa);
F= força (Kgf);
A= área do corpo de prova (mm 2);
g = gravidade terrestre;
10
8.1.3. COMPRIMENTO INICIAL DO CORPO DE PROVA (L0)
L0 = 5.d Onde:
d= diâmetro do corpo de prova (mm);
8.1.4. ALONGAMENTO
a= Lf-Lo . 100 Lo
Onde:
a = alongamento (%);
Lf= comprimento final (mm);
Lo= comprimento inicial (mm);
8.1.5. DEFORMAÇÃO (ε)
ε = ΔL . 100 Lo Onde:
ε = Deformação do Corpo de Prova (%);
ΔL= Variação do Comprimento do Corpo de Prova (mm);
Lo= Comprimento Inicial do Corpo de Prova (mm);
11
8.1.6. ÁREA DA SEÇÃO FINAL (SF)
Sf = ¶ . Df 2 4 Onde:
Sf= área da seção final (mm 2);
Df= diâmetro final do corpo de prova (mm);
8.1.7. ESTRICÇÃO
Z = So – Sf . 100 So Onde:
Z= Estricção (%);
So= Área de seção transversal (mm 2);
Sf= Área de seção final (mm 2);
12
9. DADOS COLETADOS
Força (Kgf)
Deslocamento (10-3µm)
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7100 7200 7300 7400 7500 7600
0 0,012 0,031 0,051 0,071 0,092 0,112 0,134 0,155 0,178 0,200 0,223 0,244 0,267 0,296 0,307 0,324 0,405 0,466 0,511 0,561
13
10. DADOS CALCULADOS:
Comprimento final
Área Inicial (mm²)
43,88
(mm)
Força máxima (kgf)
8046
Diâmetro final (mm)
5,69
Tensão máxima (Mpa) Área final (mm²)
Alongamento (%)
9,7%
Comprimento inicial (mm)
40
Diâmetro Inicial (mm)
7,91
Estricção (%)
48
Tensão de Escoamento (Mpa)
1457,32
Módulo de Elasticidade (Mpa)
189007,94
Tensão (MPa)
Deformação mm/mm
0
0
99,81
0,0003
199,63
0,000775
299,45
0,001275
399,26
0,001775
499,08
0,0023
598,90
0,0028
698,71
0,00335
798,53
0,003875
49,14
1606,25
25,42
14
898,35
0,00445
998,16
0,005
1097,98
0,005575
1197,80
0,0061
1297,61
0,006675
1397,43
0,0074
1417,39
0,007675
1437,36
0,0081
1457,32
0,010125
1477,28
0,01165
1497,25
0,012775
1517,21
0,014025
11. ANÁLISE DO GRÁFICO E EQUAÇÃO DA RETA
Deformação Gráfico Tensão x Deformação
15
Gráfico de Tensão x Deformação de um Segmento da Região Linear do gráfico com a Linha de Tendência
12. Correção da origem do Gráfico Equação da reta obtida: Y = 189.007,94x + 58,08 Os valores da equação da reta dependem diretamente dos pontos escolhidos. y=0 -189.007,94x = 58,08 Logo x = - 0,000307289 x2 = (x1 + |x|) x 100 x3 = (Tensão/189007,94) x 100 x4 = x3 + 0,2 16
12.1 Tabela das Correções (X1) Deformação
(X2) Deformação Corrigida
(X3) Deformação Calculada
(X4) Deformação Calculada (0,2%)
-0,000307289
0
0
0,2
0,0003
0,060728868
0,052807305
0,252807305
0,000775
0,108228868
0,105619901
0,305619901
0,001275
0,158228868
0,158432498
0,358432498
0,001775
0,208228868
0,211239803
0,411239803
0,0023
0,260728868
0,264052399
0,464052399
0,0028
0,310728868
0,316864995
0,516864995
0,00335
0,365728868
0,369672301
0,569672301
0,003875
0,418228868
0,422484897
0,622484897
0,00445
0,475728868
0,475297493
0,675297493
0,005
0,530728868
0,528104798
0,728104798
0,005575
0,588228868
0,580917394
0,780917394
0,0061
0,640728868
0,63372999
0,83372999
0,006675
0,698228868
0,686537296
0,886537296
0,0074
0,770728868
0,739349892
0,939349892
0,007675
0,798228868
0,749910295
0,949910295
0,0081
0,840728868
0,760475988
0,960475988
0,010125
1,043228868
0,771036391
0,971036391
0,01165
1,195728868
0,781596794
0,981596794
0,012775
1,308228868
0,792162488
0,992162488
0,014025
1,433228868
0,802722891
1,002722891
17
12.2. Gráfico Final para obter a Tensão de escoamento a (0,2%)
Deformação Corrigida (0,2%)
18
13. CONCLUSÃO Conclui-se que as propriedades mecânicas dos materiais constituem-se em uma das características mais importantes dos metais em suas mais variadas aplicações na engenharia, visto que o projeto e a fabricação de produtos se baseiam principalmente no comportamento destas propriedades. A determinação destas propriedades mecânicas é obtida através de ensaios mecânicos, entre eles, o Ensaio de Tração, que nos fornece informações como Módulo de Elasticidade e Tensão de Escoamento de um determinado material. Verifica-se que o módulo de elasticidade e a tensão de escoamento encontrado ao realizar o ensaio foram ligeiramente diferentes dos valores encontrados na bibliografia para o material SAE 4340 com dureza de 40 HRC. Esta diferença é aceitável, referentes a possíveis erros de leitura por parte do funcionário que informou os valores do deslocamento sofridos pelo corpo de prova. Ocorre também a existência de atrito no conjunto composto por máquina de ensaio, corpo de prova e extensômetro, além do fato de que a força axial impressa pela máquina atua primeiramente no extensômetro e depois no corpo de prova, consequentemente, causando erros nos valores lidos.
19
14. BIBLIOGRAFIA CALLISTER, William D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. ASM INTERNATIONAL HANDBOOK COMMITTEE. Metals Handbook. 10.ed. United States of American: American Society for Metals, 1990 - 1993. 7 v. http://www.abnt.org.br/ http://www.matweb.com/
20
