·
Engenharia Mecatrônica ·
Ensaio de Materiais
Send your question to AI and receive an answer instantly
Preview text
Ensaio de Impacto Ensaios dos Materiais Prof Renan Magnol ENSAIO DE IMPACTO o Ensaios dos Materiais Amauri Garcia 2ª ed CAP 9 O comportamento dúctilfrágil dos materiais pode ser mais amplamente caracterizado por ensaios de impacto A carga nesses ensaios é aplicada na forma de esforços por choque dinâmicos e o impacto é obtido por meio da queda de um martelo ou pêndulo de uma altura determinada sobre a peça a se examinar Ensaio de Impacto Os ensaios mais conhecidos são denominados Charpy e Izod dependendo da configuração geométrica do entalhe e do modo de fixação do corpo de prova na máquina O ensaio Charpy é mais popular nos EUA o Izod na Europa Como resultado do ensaio obtémse a energia absorvida pelo material até a fratura ou seja a tenacidade ao impacto além da resistência ao impacto relacionandose a energia absorvida com a área da seção resistente Ensaio de Impacto A principal aplicação desse ensaio referese à caracterização do comportamento dos materiais na transição da propriedade dúctil para a frágil como função da temperatura possibilitando a determinação da faixa de temperaturas na qual um material muda de dúctil para frágil O ensaio de impacto é amplamente utilizado nas indústrias naval e bélica e em particular nas construções que deverão suportar baixas temperaturas Atualmente também são bastante aplicados a materiais poliméricos e cerâmicos Ensaio de Impacto Ensaio de Impacto Martelo pendular Charpy Izod Pêndulo Escala de leitura Altura de queda Altura de queda Altura de rebote Corpo de prova 89 160 a Equipamento para o ensaio de impacto Ensaio de Impacto Energia de impacto J Região de fratura frágil baixas temperaturas Região de transição dúctilfrágil Região de fratura dúctil altas temperaturas Temperatura C b Curva resposta do ensaio de impacto Durante a Segunda Guerra Mundial o fenômeno da fratura frágil despertou a atenção de projetistas e engenheiros devido à alta incidência desse tipo de fratura em estruturas soldadas de aço de navios e tanques de guerra Alguns navios simplesmente partiamse ao meio mesmo aqueles construídos de açosliga que apresentavam razoável ductilidade especialmente nos meses de inverno Esse fenômeno também ocorria em tubulações vasos de pressão e estruturas metálicas Ensaio de Impacto Tudo isso motivou a implantação de programas de pesquisas que determinassem as causas dessas rupturas em serviço e indicassem providências para impedir futuras ocorrências desse tipo de problema Três fatores principais contribuem para o surgimento de fratura frágil 1 existência de estado triaxial de tensões 2 baixas temperaturas e 3 taxa ou velocidade de deformação elevada Esses três fatores não precisam necessariamente atuar ao mesmo tempo para produzir fratura frágil Ensaio de Impacto Estados triaxiais de tensão que ocorrem em entalhes juntamente com baixas temperaturas foram responsáveis por muitas situações de fratura frágil em serviço Inicialmente a fratura frágil em navios era associada a juntas soldadas Mais tarde descobriuse que a junta soldada não era inferior a junta rebitada ou parafusada Todavia o processo de soldagem exige controle rigoroso dos defeitos de soldagem que podem atuar como concentradores de tensão Ensaio de Impacto Ensaio de Impacto O ensaio de impacto é um ensaio dinâmico empregado para análise da fratura frágil de materiais O resultado é simplesmente representado por uma medida da energia absorvida pelo corpo de prova não fornecendo indicações seguras sobre o comportamento de toda uma estrutura em condições de serviço Entretanto permite a observação de diferenças de comportamento entre materiais que não são observadas em um ensaio de tração Tipos de Ensaio de Impacto Dois tipos padronizados de ensaios de impacto são mais amplamente utilizados Charpy e Izod Em ambos os casos o corpo de prova tem o formato de uma barra de seção transversal quadrada na qual é usinado um entalhe em formato específico Tipos de Ensaio de Impacto Tipos de Ensaio de Impacto Tipos de Ensaio de Impacto Figura 93 Representação esquemática a equipamento de ensaios corpos de prova b Charpy e c Izod Segundo ASTM E2394a A carga é aplicada pelo impacto de um martelo pendular que é liberado a partir de uma posição padronizada e de uma altura fixada Após o pêndulo ser liberado sua ponta chocase e fratura o corpo de prova no entalhe que atua como um concentrador de tensões O pêndulo continua seu movimento após o choque até uma altura menor que a altura de liberação do pêndulo A energia absorvida no impacto é determinada a partir da diferença entre e ambas medidas na escala do equipamento Tipos de Ensaio de Impacto Os requisitos essenciais para a realização do ensaio são corpo de prova padronizado suporte rígido no qual o corpo de prova é apoiado ou engastado pêndulo com massa conhecida solto de uma altura suficiente para fraturar totalmente o material e um dispositivo de escala para medir as alturas antes e depois do impacto do pêndulo Tipos de Ensaio de Impacto As diferenças fundamentais entre os ensaios Charpy e Izod residem na forma em que o corpo de prova é montado horizontal e vertical e na face do entalhe localizada ou não na região do impacto Variáveis como tamanho e forma do corpo de prova e a profundidade e a configuração do entalhe influenciam os resultados dos testes As energias de impacto são de interesse no aspecto comparativo entre diferentes materiais Entretanto seus valores absolutos isoladamente não representam informação quantitativa das características dos materiais Tipos de Ensaio de Impacto A principal função dos ensaios Charpy e Izod consiste em determinar se um material apresenta ou não uma transição dúctilfrágil com o decréscimo de temperatura e caso apresente em que faixa de temperaturas ocorre o fenômeno Transição dúctilfrágil Transição dúctilfrágil Figura 94 Resultados do ensaio Charpy a para duas amostras aço inoxidável 304 e aço 06 carbono adaptado de Askeland 1996 b aços com 040C com diferentes elementos de liga temperados e revenidos a 35 HRC adaptado de Ralls Courtney e Wulff 1976 Nem todos os metais apresentam uma transição dúctilfrágil acentuada ou perceptível mas observa se que na redução da temperatura os níveis de tenacidade tendem a cair Os metais que apresentam estrutura CFC como ligas de Al e de Cu permanecem dúcteis mesmo a temperaturas extremamente baixas Entretanto metais com estrutura CCC e HC apresentam transição dúctil frágil Transição dúctilfrágil Isso ocorre em função dos diferentes sistemas de escorregamento vinculados a cada uma dessas estruturas cristalinas associados às atividades das discordâncias Transição dúctilfrágil Transição dúctilfrágil Figura 95 Resultados de um ensaio Charpy mostrando a transição dúctilfrágil relacionada com a temperatura a energia de impacto e a porcentagem de fratura dúctil amostra de aço A283 Transição dúctilfrágil Figura 96 Comportamento de vários materiais metálicos ao ensaio de impacto Adaptado de Hertzberg 1995 A aparência da superfície de fratura é um indicativo da natureza da fratura e pode ser usada na determinação da temperatura de transição Assim para a fratura dúctil a superfície apresenta uma aparência fibrosa grosseira Ao contrário superfícies frágeis apresentam uma textura granular e de aspecto mais plano Transição dúctilfrágil Quando o interesse do ensaio reside na determinação das transformações sofridas pelo material em função da variação de temperatura o ensaio Charpy mostrase mais apropriado e versátil devido à facilidade de posicionamento do corpo de prova na máquina Resultados obtidos Para esse procedimento de ensaio o corpo de prova deve ser mantido na temperatura desejada por pelo menos 10 minutos NBR 6157 no caso de meios de aquecimento líquidos e 30 minutos para o caso de meios gasos com o ensaio realizado em tempos inferiores a 5s desde a retirada do corpo de prova e sua colocação na máquina ASTM E23 94A Resultados obtidos O dispositivo empregado para manusear os corpos de prova não deve alterar a temperatura do mesmo e são recomendadas tenazes pinças e outros dispositivos com pequenas áreas de contato Resultados obtidos Resultados obtidos Figura 97 Configurações do equipamento de ensaio necessárias para os cálculos quantitativos Resultados obtidos Hq S 1 cosβ m em função do ângulo de queda 91 e hr S 1 cosα m em função do ângulo de rebote 92 em que S distância do centro do peso até a extremidade do pêndulo m β ângulo de queda rad α ângulo de rebote rad Resultados obtidos Para determinar a velocidade de impacto desprezandose o atrito do peso com o ar utilizase a seguinte relação de energia no instante de impacto Epotencial Ecinetica 93 ou M g Hq M V22 94 ou V 2 g S 1 cosβ 2 g Hq 95 em que E energia J V velocidade do pêndulo no instante do impacto ms M massa do pêndulo kg g aceleração da gravidade 981 ms2 A energia absorvida no impacto corresponde à diferença entre a energia potencial do pêndulo na altura de queda e a energia potencial do pêndulo na altura de rebote dada por Eimpacto M g Hq hr 96 Em relação às informações que podem ser obtidas do ensaio de impacto temse Energia absorvida medida diretamente pela máquina Contração lateral quantidade de contração em cada lado do corpo de prova fraturado Aparência da fratura determinação da porcentagem de fratura frágil ocorrida durante o processo de ruptura por métodos como medida direta em função do aspecto da superfície de fratura comparação com resultados de outros ensaios ou ensaiospadrão ou através de fotografias da superfície e interpretação adequada Resultados obtidos Resultados obtidos Figura 98 Superfícies de fratura de corpos de prova Charpy testados em diferentes temperaturas aço ABNTSAE 1020 a 170 ºC b 25 ºC c 40 ºC a SAE 1020 Charpy b SAE 1045 Charpy c SAE 1200 Izod Figura 99 Superfícies de fratura de corpos de prova testados em diferentes condições a ABNTSAE 1020 Normalizado b ABNTSAE 1040 Normalizado e Temperado e Revenido e c ABNTSAE 1020 Normalizado vista de topo Informações adicionais Tabela 91 Configurações dos corpos de prova segundo a NBR 6157 Dimensões e tolerâncias mm Tipo Sigla Altura b Seção resistente c a b Largura do entalhe c a Profundidade do entalhe a Raio de curvatura r Comprimento l Largura c Padrão V210 10 005 8 10 8 005 2 005 025 0025 U310 7 10 7 005 3 005 10 007 U510 5 10 5 005 5 005 V225 25 005 8 25 V250 50 005 8 50 8 005 2 005 025 0025 V275 75 005 8 75 55 06 10 005 U325 25 005 7 25 Reduzido U350 50 005 7 50 7 005 3 005 U375 75 005 7 75 10 007 U525 25 005 5 25 U530 50 005 5 50 5 005 5 005 U575 75 005 5 75 Informações adicionais Figura 910 Corpos de prova a Charpy b Izod Segundo ASTM E2394a Figura 911 Resultados do ensaio de impacto em três diferentes representações a energia absorvida b aparência da fratura e c contração lateral Adaptado de Dieter 1988 Figura 912 a Efeito da orientação do corpo de prova nas curvas de temperatura de transição Charpy Adaptado de Hertzberg 1995 b Curva de transição para um aço ABNTSAE 1020 trefilado a frio Figura 913 Efeito do teor de carbono nas curvas energiatemperatura de transição para aços Adaptado de Honeycombe 1981 Figura 915 Relação entre durezas e energias de impacto do aço ABNTSAE 1020 recozido em função do tempo e da dureza Pandolfo 2009 Figure 916 Superfícies de fratura a Al12Si b Latão 7030 e c MgZnAlCaLa Tabela 93 Resistência ao impacto em ligas não ferrosas fundidas Material Energia absorvida J 68 C 25 C 100 C Al12Si Fundido 20 22 22 Latão 7030 Fundido 62 70 75 MgZnAlCaLa Fundido 24 36 35 Desafio 11 Os dados apresentados a seguir referemse a resultados de ensaios Charpy realizados com um aço de baixo carbono Temperatura C Energia absorvida J 50 76 40 76 30 71 20 58 10 38 0 23 10 14 20 9 30 5 40 15 Pedese a Monte um gráfico energia de impacto versus temperatura b Determine a temperatura de transição dúctilfrágil tomando como referência a média das energias de impacto máxima e mínima FIM INSTITUTO FEDERAL Espírito Santo Campus Aracruz
Send your question to AI and receive an answer instantly
Preview text
Ensaio de Impacto Ensaios dos Materiais Prof Renan Magnol ENSAIO DE IMPACTO o Ensaios dos Materiais Amauri Garcia 2ª ed CAP 9 O comportamento dúctilfrágil dos materiais pode ser mais amplamente caracterizado por ensaios de impacto A carga nesses ensaios é aplicada na forma de esforços por choque dinâmicos e o impacto é obtido por meio da queda de um martelo ou pêndulo de uma altura determinada sobre a peça a se examinar Ensaio de Impacto Os ensaios mais conhecidos são denominados Charpy e Izod dependendo da configuração geométrica do entalhe e do modo de fixação do corpo de prova na máquina O ensaio Charpy é mais popular nos EUA o Izod na Europa Como resultado do ensaio obtémse a energia absorvida pelo material até a fratura ou seja a tenacidade ao impacto além da resistência ao impacto relacionandose a energia absorvida com a área da seção resistente Ensaio de Impacto A principal aplicação desse ensaio referese à caracterização do comportamento dos materiais na transição da propriedade dúctil para a frágil como função da temperatura possibilitando a determinação da faixa de temperaturas na qual um material muda de dúctil para frágil O ensaio de impacto é amplamente utilizado nas indústrias naval e bélica e em particular nas construções que deverão suportar baixas temperaturas Atualmente também são bastante aplicados a materiais poliméricos e cerâmicos Ensaio de Impacto Ensaio de Impacto Martelo pendular Charpy Izod Pêndulo Escala de leitura Altura de queda Altura de queda Altura de rebote Corpo de prova 89 160 a Equipamento para o ensaio de impacto Ensaio de Impacto Energia de impacto J Região de fratura frágil baixas temperaturas Região de transição dúctilfrágil Região de fratura dúctil altas temperaturas Temperatura C b Curva resposta do ensaio de impacto Durante a Segunda Guerra Mundial o fenômeno da fratura frágil despertou a atenção de projetistas e engenheiros devido à alta incidência desse tipo de fratura em estruturas soldadas de aço de navios e tanques de guerra Alguns navios simplesmente partiamse ao meio mesmo aqueles construídos de açosliga que apresentavam razoável ductilidade especialmente nos meses de inverno Esse fenômeno também ocorria em tubulações vasos de pressão e estruturas metálicas Ensaio de Impacto Tudo isso motivou a implantação de programas de pesquisas que determinassem as causas dessas rupturas em serviço e indicassem providências para impedir futuras ocorrências desse tipo de problema Três fatores principais contribuem para o surgimento de fratura frágil 1 existência de estado triaxial de tensões 2 baixas temperaturas e 3 taxa ou velocidade de deformação elevada Esses três fatores não precisam necessariamente atuar ao mesmo tempo para produzir fratura frágil Ensaio de Impacto Estados triaxiais de tensão que ocorrem em entalhes juntamente com baixas temperaturas foram responsáveis por muitas situações de fratura frágil em serviço Inicialmente a fratura frágil em navios era associada a juntas soldadas Mais tarde descobriuse que a junta soldada não era inferior a junta rebitada ou parafusada Todavia o processo de soldagem exige controle rigoroso dos defeitos de soldagem que podem atuar como concentradores de tensão Ensaio de Impacto Ensaio de Impacto O ensaio de impacto é um ensaio dinâmico empregado para análise da fratura frágil de materiais O resultado é simplesmente representado por uma medida da energia absorvida pelo corpo de prova não fornecendo indicações seguras sobre o comportamento de toda uma estrutura em condições de serviço Entretanto permite a observação de diferenças de comportamento entre materiais que não são observadas em um ensaio de tração Tipos de Ensaio de Impacto Dois tipos padronizados de ensaios de impacto são mais amplamente utilizados Charpy e Izod Em ambos os casos o corpo de prova tem o formato de uma barra de seção transversal quadrada na qual é usinado um entalhe em formato específico Tipos de Ensaio de Impacto Tipos de Ensaio de Impacto Tipos de Ensaio de Impacto Figura 93 Representação esquemática a equipamento de ensaios corpos de prova b Charpy e c Izod Segundo ASTM E2394a A carga é aplicada pelo impacto de um martelo pendular que é liberado a partir de uma posição padronizada e de uma altura fixada Após o pêndulo ser liberado sua ponta chocase e fratura o corpo de prova no entalhe que atua como um concentrador de tensões O pêndulo continua seu movimento após o choque até uma altura menor que a altura de liberação do pêndulo A energia absorvida no impacto é determinada a partir da diferença entre e ambas medidas na escala do equipamento Tipos de Ensaio de Impacto Os requisitos essenciais para a realização do ensaio são corpo de prova padronizado suporte rígido no qual o corpo de prova é apoiado ou engastado pêndulo com massa conhecida solto de uma altura suficiente para fraturar totalmente o material e um dispositivo de escala para medir as alturas antes e depois do impacto do pêndulo Tipos de Ensaio de Impacto As diferenças fundamentais entre os ensaios Charpy e Izod residem na forma em que o corpo de prova é montado horizontal e vertical e na face do entalhe localizada ou não na região do impacto Variáveis como tamanho e forma do corpo de prova e a profundidade e a configuração do entalhe influenciam os resultados dos testes As energias de impacto são de interesse no aspecto comparativo entre diferentes materiais Entretanto seus valores absolutos isoladamente não representam informação quantitativa das características dos materiais Tipos de Ensaio de Impacto A principal função dos ensaios Charpy e Izod consiste em determinar se um material apresenta ou não uma transição dúctilfrágil com o decréscimo de temperatura e caso apresente em que faixa de temperaturas ocorre o fenômeno Transição dúctilfrágil Transição dúctilfrágil Figura 94 Resultados do ensaio Charpy a para duas amostras aço inoxidável 304 e aço 06 carbono adaptado de Askeland 1996 b aços com 040C com diferentes elementos de liga temperados e revenidos a 35 HRC adaptado de Ralls Courtney e Wulff 1976 Nem todos os metais apresentam uma transição dúctilfrágil acentuada ou perceptível mas observa se que na redução da temperatura os níveis de tenacidade tendem a cair Os metais que apresentam estrutura CFC como ligas de Al e de Cu permanecem dúcteis mesmo a temperaturas extremamente baixas Entretanto metais com estrutura CCC e HC apresentam transição dúctil frágil Transição dúctilfrágil Isso ocorre em função dos diferentes sistemas de escorregamento vinculados a cada uma dessas estruturas cristalinas associados às atividades das discordâncias Transição dúctilfrágil Transição dúctilfrágil Figura 95 Resultados de um ensaio Charpy mostrando a transição dúctilfrágil relacionada com a temperatura a energia de impacto e a porcentagem de fratura dúctil amostra de aço A283 Transição dúctilfrágil Figura 96 Comportamento de vários materiais metálicos ao ensaio de impacto Adaptado de Hertzberg 1995 A aparência da superfície de fratura é um indicativo da natureza da fratura e pode ser usada na determinação da temperatura de transição Assim para a fratura dúctil a superfície apresenta uma aparência fibrosa grosseira Ao contrário superfícies frágeis apresentam uma textura granular e de aspecto mais plano Transição dúctilfrágil Quando o interesse do ensaio reside na determinação das transformações sofridas pelo material em função da variação de temperatura o ensaio Charpy mostrase mais apropriado e versátil devido à facilidade de posicionamento do corpo de prova na máquina Resultados obtidos Para esse procedimento de ensaio o corpo de prova deve ser mantido na temperatura desejada por pelo menos 10 minutos NBR 6157 no caso de meios de aquecimento líquidos e 30 minutos para o caso de meios gasos com o ensaio realizado em tempos inferiores a 5s desde a retirada do corpo de prova e sua colocação na máquina ASTM E23 94A Resultados obtidos O dispositivo empregado para manusear os corpos de prova não deve alterar a temperatura do mesmo e são recomendadas tenazes pinças e outros dispositivos com pequenas áreas de contato Resultados obtidos Resultados obtidos Figura 97 Configurações do equipamento de ensaio necessárias para os cálculos quantitativos Resultados obtidos Hq S 1 cosβ m em função do ângulo de queda 91 e hr S 1 cosα m em função do ângulo de rebote 92 em que S distância do centro do peso até a extremidade do pêndulo m β ângulo de queda rad α ângulo de rebote rad Resultados obtidos Para determinar a velocidade de impacto desprezandose o atrito do peso com o ar utilizase a seguinte relação de energia no instante de impacto Epotencial Ecinetica 93 ou M g Hq M V22 94 ou V 2 g S 1 cosβ 2 g Hq 95 em que E energia J V velocidade do pêndulo no instante do impacto ms M massa do pêndulo kg g aceleração da gravidade 981 ms2 A energia absorvida no impacto corresponde à diferença entre a energia potencial do pêndulo na altura de queda e a energia potencial do pêndulo na altura de rebote dada por Eimpacto M g Hq hr 96 Em relação às informações que podem ser obtidas do ensaio de impacto temse Energia absorvida medida diretamente pela máquina Contração lateral quantidade de contração em cada lado do corpo de prova fraturado Aparência da fratura determinação da porcentagem de fratura frágil ocorrida durante o processo de ruptura por métodos como medida direta em função do aspecto da superfície de fratura comparação com resultados de outros ensaios ou ensaiospadrão ou através de fotografias da superfície e interpretação adequada Resultados obtidos Resultados obtidos Figura 98 Superfícies de fratura de corpos de prova Charpy testados em diferentes temperaturas aço ABNTSAE 1020 a 170 ºC b 25 ºC c 40 ºC a SAE 1020 Charpy b SAE 1045 Charpy c SAE 1200 Izod Figura 99 Superfícies de fratura de corpos de prova testados em diferentes condições a ABNTSAE 1020 Normalizado b ABNTSAE 1040 Normalizado e Temperado e Revenido e c ABNTSAE 1020 Normalizado vista de topo Informações adicionais Tabela 91 Configurações dos corpos de prova segundo a NBR 6157 Dimensões e tolerâncias mm Tipo Sigla Altura b Seção resistente c a b Largura do entalhe c a Profundidade do entalhe a Raio de curvatura r Comprimento l Largura c Padrão V210 10 005 8 10 8 005 2 005 025 0025 U310 7 10 7 005 3 005 10 007 U510 5 10 5 005 5 005 V225 25 005 8 25 V250 50 005 8 50 8 005 2 005 025 0025 V275 75 005 8 75 55 06 10 005 U325 25 005 7 25 Reduzido U350 50 005 7 50 7 005 3 005 U375 75 005 7 75 10 007 U525 25 005 5 25 U530 50 005 5 50 5 005 5 005 U575 75 005 5 75 Informações adicionais Figura 910 Corpos de prova a Charpy b Izod Segundo ASTM E2394a Figura 911 Resultados do ensaio de impacto em três diferentes representações a energia absorvida b aparência da fratura e c contração lateral Adaptado de Dieter 1988 Figura 912 a Efeito da orientação do corpo de prova nas curvas de temperatura de transição Charpy Adaptado de Hertzberg 1995 b Curva de transição para um aço ABNTSAE 1020 trefilado a frio Figura 913 Efeito do teor de carbono nas curvas energiatemperatura de transição para aços Adaptado de Honeycombe 1981 Figura 915 Relação entre durezas e energias de impacto do aço ABNTSAE 1020 recozido em função do tempo e da dureza Pandolfo 2009 Figure 916 Superfícies de fratura a Al12Si b Latão 7030 e c MgZnAlCaLa Tabela 93 Resistência ao impacto em ligas não ferrosas fundidas Material Energia absorvida J 68 C 25 C 100 C Al12Si Fundido 20 22 22 Latão 7030 Fundido 62 70 75 MgZnAlCaLa Fundido 24 36 35 Desafio 11 Os dados apresentados a seguir referemse a resultados de ensaios Charpy realizados com um aço de baixo carbono Temperatura C Energia absorvida J 50 76 40 76 30 71 20 58 10 38 0 23 10 14 20 9 30 5 40 15 Pedese a Monte um gráfico energia de impacto versus temperatura b Determine a temperatura de transição dúctilfrágil tomando como referência a média das energias de impacto máxima e mínima FIM INSTITUTO FEDERAL Espírito Santo Campus Aracruz