Ensaio de Tração: Comportamento Mecânico dos Materiais

Ensaio de Tração Ensaios dos Materiais Prof Renan Magnol O comportamento mecânico de um material reflete o comportamento do material a uma carga ou força que está sendo aplicada A carga pode ser de tração compressão ou cisalhamento e sua magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então flutuar continuamente Introdução As propriedades mecânicas dos materiais são de grande interesse de fornecedores consumidores laboratórios de pesquisa e agências governamentais Desta maneira é imprescindível que haja consistência na maneira com a qual os ensaios são realizados e como seus resultados são interpretados Introdução Nesse contexto a consistência é obtida através de técnicas de ensaio padronizadas de acordo com as sociedades profissionais ASTM American Society for Testing and Materials Introdução Se uma carga é aplicada uniformemente sobre uma seção reta da superfície o comportamento mecânico pode ser verificado mediante um simples ensaio de tensãodeformação Como dito anteriormente podem ser aplicadas cargas de tração compressão e cisalhamento Conceito de tensão e deformação Conceito de tensão e deformação Estados de tensão Tração Compressão Cisalhamento Torção O ensaio mecânico mais comum é aquele de tração que nos fornece grande número de informações a respeito do comportamento mecânico do material Vantagens Grande facilidade de sua aplicação Extensa flexibilidade do método podendo ser utilizado desde tiras e arames ate tarugos e blocos Amplitude de informações fornecidas pelo ensaio quanto à caracterização dos materiais podendo ser usado em praticamente todos os materiais de aplicação em engenharia Conceito de tensão e deformação No ensaio de tração uma amostra é deformada até sua fratura mediante uma carga de tração crescente aplicada uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido do corpo de prova Conceito de tensão e deformação As dimensões dos corpos de prova são escolhidas de modo a padronizar os cálculos de determinação das propriedades mecânicas O corpo de prova é preso em suas extremidades pela máquina e imprime uma deformação sob taxa constante no material além de medir continua e simultaneamente a carga instantânea aplicada através de uma célula de carga e os alongamentos resultantes através de um extensômetro Conceito de tensão e deformação Conceito de tensão e deformação Figura 22 a Corpos de prova de mesmo material mas geometricamente diferentes b Esboço das curvas carga aplicada versus comprimento para a tração realizada nos diferentes corpos de prova O ensaio de tração dura alguns minutos e é geralmente destrutivo isto é a carga é aplicada continuamente até a ruptura do material O resultado obtido é um gráfico relacionando força aplicada com o alongamento Conceito de tensão e deformação Conceito de tensão e deformação Força Garra Seção Deformação Conceito de tensão e deformação Para minimizar fatores geométricos a carga e o alongamento são normalizados de acordo com seus respectivos parâmetros de tensão de engenharia e deformação de engenharia Conceito de tensão e deformação Na fórmula da tensão de engenharia a área a que se refere é a área inicial da seção transversal do corpo de prova antes da aplicação de qualquer carga A deformação de engenharia não possui unidades Pode ser expressa como metrometro Em alguns casos a deformação pode ser expressa como uma porcentagem Conceito de tensão e deformação Deformação elástica é toda deformação reversível decorrente da aplicação da carga Se o material sofre deformação elástica ele retorna ao seu tamanho original com a remoção da carga aplicada A parcela da curva tensãodeformação que corresponde ao campo elástico é uma reta evidenciando a relação linear entre deformação e tensão isto é as duas grandezas são proporcionais Deformação elástica Tensão e deformação são proporcionais no campo elástico de acordo com a lei de Hooke A constante de proporcionalidade é o Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young Deformação elástica E σ ε Quanto maior for o módulo de elasticidade mais difícil é deformar o material ou seja ele é mais rígido Esse parâmetro é de grande importância na seleção de materiais para projeto Deformação elástica O Módulo de Elasticidade é uma grandeza independente da microestrutura do material Tratase uma propriedade mecânica intimamente ligada a natureza da ligação atômica dos elementos que compõem um dado material Deformação elástica O Módulo de Elasticidade é uma grandeza independente da microestrutura do material Tratase uma propriedade mecânica intimamente ligada a natureza da ligação atômica dos elementos que compõem um dado material Deformação elástica Deformação elástica Deformação elástica Deformação elástica Metal Temperatura de fusão C Módulo de elasticidade MPa Deformação elástica Como resultado da carga de tração no corpo de prova existirão também constrições laterais nas direções laterais perpendiculares a tensão aplicada Se a tensão for uniaxial e o material for isotrópico podemos definir o coeficiente de Poisson como sendo a relação entre a deformação lateral e axial Propriedades elásticas dos materiais Propriedades elásticas dos materiais A resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e depois com o descarregamento ter essa energia recuperada A propriedade associada é o módulo de resiliência que representa a energia de deformação por unidade de volume exigida para tensionar o material de um estado com ausência de carga até o seu limite de escoamento Deformação elástica Deformação elástica DESAFIO 2 Explicar detalhadamente o procedimento para a determinação do módulo de elasticidade através da frequência natural de vibração de uma barra do material Não poupe detalhes no que se refere a como deve ser realizada essa medição Não deixe de explicar com detalhes também a base matemática por trás dessa medição Considere o caso de uma barra de seção transversal retangular e o caso de seção transversal circular Na maioria dos materiais o regime elástico persiste até deformações de 0002 À medida que o material é deformado além desse ponto a tensão não é mais proporcional a deformação ocorrendo uma deformação não permanente irreversível o que chamamos de deformação plástica Deformação plástica Deformação plástica Limite de escoamento A transição do regime elástico para o regime plástico é gradual para a maior parte dos materiais existe o surgimento de uma curvatura no ponto de ocorrência da deformação plástica a qual aumenta mais rapidamente com o aumento da tensão Deformação plástica Do ponto de vista das ligações atômicas a deformação plástica consiste na movimentação de discordâncias impossibilitando que se retorne ao estado anterior Deformação plástica É interessante para fins de projeto definir em qual tensão a deformação deixa de ser elástica e passa a ser plástica Essa tensão limitante é conhecida como a tensão limite de escoamento Deformação plástica Limite de escoamento Para metais que apresentam transição elastoplástica gradual o ponto de escoamento pode ser determinado como sendo o ponto onde ocorre o afastamento inicial da linearidade da curva tensãodeformação limite de proporcionalidade Deformação plástica Em alguns casos a localização desse ponto não pode ser determinada com precisão Devido a isso convencionouse que para determinar esse valor devemos traçar uma linha reta paralela a porção elástica da curva a partir de uma pré deformação específica igual a 0002 Deformação plástica A tensão que corresponde a interseção dessa linha com a curva é a tensão limite de escoamento do material Para materiais que não possuem curva linear a tensão limite de escoamento é aproximada pela tensão necessária para produzir uma determinada quantidade de deformação Deformação plástica Deformação plástica Em alguns materiais a transição elastoplástica ocorre de maneira abrupta no que é conhecido por fenômeno do pico de escoamento descontínuo Na tensão limite de escoamento superior a deformação plástica tem seu início com uma diminuição real na tensão A deformação que se segue flutua em torno de um valor de tensão constante limite de escoamento inferior e em seguida a tensão aumenta com o aumento da deformação Deformação plástica Deformação plástica Para esse tipo de caso a tensão limite de escoamento é aproximada pela tensão média que define o limite de escoamento inferior uma vez que esse ponto é bem definido e relativamente insensível ao procedimento de ensaio Desse modo não é necessário aplicar o método da linha paralela a porção elástica Deformação plástica Deformação plástica Ductilidade x Tenacidade AL Alongamento percentual If Comprimento na fratura I0 Comprimento original RA Redução de área percentual Af Área final A0 Área original A magnitude da tensão limite de escoamento para um material representa sua resistência a deformação plástica Essa propriedade é muitamente estudada e usada como referência de resistência mecânica para materiais de engenharia Deformação plástica Após o limite de escoamento a tensão atinge um valor máximo conhecido como o limite de resistência a tração É nesse ponto que se inicia o empescoçamento do material que eventualmente o levará a fratura Deformação plástica A ductilidade é outra propriedade importante Ela representa uma medida da quantidade de deformação plástica que um material sofre antes da fratura quando submetido a carga Um material que se deforma muito antes de fraturar é um material dúctil ao passo que um material que se deforma pouco é um material frágil Deformação plástica A ductilidade pode ser representada pelo alongamento percentual ou redução de área percentual Para muitos materiais a ductilidade é dependente da temperatura o que caracteriza o fenômeno chamado de transição dúctilfrágil Deformação plástica Deformação plástica Tratamentos Térmicos Aplicados Limite de Escoamento MPa Limite de Resistência MPa Alongamento Estricção Tenacidade é um termo mecânico que pode ser usado em vários contextos Livremente falando ela representa uma medida da habilidade do material absorver energia até sua fratura Para situações estáticas onde a taxa de deformação é pequena a tenacidade pode ser definida através do ensaio tensãodeformação Deformação plástica A tenacidade é a área sob a curva tensão deformação até o ponto da fratura Deformação plástica A diminuição da tensão necessária para continuar a deformação após o LRT parece indicar que o material está perdendo resistência quando na verdade ocorre o inverso A área na região do pescoço diminui rapidamente o que não é levado em consideração para plotar a curva uma vez que se considera a área inicial constante Tensão verdadeira e deformação verdadeira A tensão verdadeira e deformação verdadeira são calculadas levando em conta a área instantânea da seção transversal Em alguns casos é necessário calcular a tensão verdadeira e a deformação verdadeira Tensão verdadeira e deformação verdadeira Tensão verdadeira e deformação verdadeira Paralelo ao empescoçamento está a introdução de um estado de tensão complexo na região do pescoço Como consequência a tensão correta no pescoço é ligeiramente inferior a computada a partir da carga aplicada e da área de seção reta do pescoço Isso leva a curva corrigida Tensão verdadeira e deformação verdadeira Para alguns metais e ligas a região da curva tensão deformação verdadeira desde o inicio da deformação plástica ate o ponto onde tem inicio o pescoço pode ser aproximada pela relação Tensão verdadeira e deformação verdadeira Nessa expressão K e n são constantes cujos valores irão variar de uma liga para outra e que também dependerão da condição do material isto e se ele foi deformado plasticamente tratado termicamente etc O parâmetro n e denominado com frequência coeficiente de encruamento e possui um valor inferior a unidade Tensão verdadeira e deformação verdadeira Com a liberação da carga no ensaio tensão deformação uma parcela da deformação é recuperada na forma de deformação elástica A magnitude desta deformação elástica que é recuperada durante a descarga corresponde a recuperação da deformação Recuperação elástica Recuperação elástica Curva Tensão x Deformação ENSINO A DISTÂNCIA Em materiais cerâmicos muitas vezes o ensaio de tração não é adequado para obtenção de informações sobre o material visto que cerâmicos são notoriamente frágeis Nesses casos lançase mão de ensaios de compressão Cerâmicos e Polímeros Em materiais poliméricos existe o comportamento viscoelástico isto é a deformação é dependente do tempo Nesse caso a análise mais adequada das propriedades mecânicas é através de curvas de fluência Cerâmicos e Polímeros Cerâmicos e Polímeros A respeito do ensaio de tração julgue o item seguinte Resistência ao cisalhamento resistência à fluência dilatação transversal são propriedades medidas no ensaio de tração A respeito do ensaio de tração julgue o item seguinte Resistência ao cisalhamento resistência à fluência dilatação transversal são propriedades medidas no ensaio de tração A respeito do ensaio de tração julgue o item seguinte Módulo de resiliência módulo de tenacidade coeficiente de encruamento são propriedades medidas no ensaio de tração A respeito do ensaio de tração julgue o item seguinte Módulo de resiliência módulo de tenacidade coeficiente de encruamento são propriedades medidas no ensaio de tração Em um ensaio de tração um corpo de prova é submetido a um esforço que tende a alongálo até a ruptura Em um ensaio de tração a0 Em um ensaio de tração um corpo de prova é submetido a um esforço que tende a alongálo até a ruptura Em um ensaio de tração a0 Os ensaios mecánicos são classificados em ensaios de traçãocompressão ensaio de dureza ensaio de impacto ensaio de fadiga e ensaio de fluência A propriedade direta que pode ser obtida pelo ensaio de dureza é a resistência Os ensaios mecânicos são classificados em ensaios de traçãocompressão ensaio de dureza ensaio de impacto ensaio de fadiga e ensaio de fluência A propriedade direta que pode ser obtida pelo ensaio de dureza é a resistência A respeito do ensaio de tração julgue o item seguinte Temperatura e velocidade de deformação influenciam os resultados dos ensaios de tração A respeito do ensaio de tração julgue o item seguinte Temperatura e velocidade de deformação influenciam os resultados dos ensaios de tração No ensaio de tração a curva Tensão versus Deformação No ensaio de tração a curva Tensão versus Deformação Quanto a ensaio de tração escolha a alternativa CORRETA Quanto a ensaio de tração escolha a alternativa CORRETA A O limite de resistência à tração e à tensão obtida no final do ensaio de tração B A região plástica do material é caracterizada por ser uma região de deformação permanente C O escoamento indica o inicio da zona elástica D O limite de ruptura é a maior tensão que o material pode suportar E Na região elástica se a carga for retirada o material não volta às dimensões originais A respeito do ensaio de tração julgue o item seguinte Tipo de máquina e tamanho do corpo de prova influenciam os resultados dos ensaios de tração A respeito do ensaio de tração julgue o item seguinte Tipo de máquina e tamanho do corpo de prova influenciam os resultados dos ensaios de tração O ensaio de tração real é mais trabalhoso de se realizar e por isso nos ensaios industriais ou de rotina empregase o ensaio de tração convencional tendose em vista a rapidez e facilidade de obtenção de resultados A deformação real baseiase na mudança do comprimento inicial da amostra submetida ao ensaio DESAFIO 3 Uma barra de aço foi submetida a um ensaio de tração convencional apresentando os resultados da tabela ao lado Dados diâmetro do corpo de prova 19 mm comprimento de referência 200 mm carga máxima atingida no ensaio 201000 N comprimento final entre as marcas de referência 218 mm diâmetro da seção estrita 167 mm Determine a limite de escoamento b alongamento específico c LRT d rigidez e coeficiente de poisson f módulo de resiliência São propriedades mecânicas obtidas pelo ensaio de tração convencional para materiais metálicos A módulo de elasticidade limite de escoamento e estricção B limite de fadiga ponto eutetoide e orientação cristalográfica C índice de refração constante de Boltzmann e dureza Vickers D coeficiente de difusão viscosidade cinemática e estrutura cristalina O ensaio de tração real é mais trabalhoso de se realizar e por isso nos ensaios industriais ou de rotina empregase o ensaio de tração convencional tendose em vista a rapidez e facilidade de obtenção de resultados A deformação real baseiase na mudança do comprimento inicial da amostra submetida ao ensaio O que caracteriza um material frágil é o fato do ensaio de tração Exercícios QUAL DESSES PODE SER USADO PARA MEDIR AS DEFORMAÇÕES DO CORPO DE PROVA NO ENSAIO DE TRAÇÃO No ensaio de tração simples que propriedade mecânica é medida pela área total do diagrama tensãodeformação frágéis e dúcteis sem patamar de escoamento definido O ensaio de tração utilizado para caracterizar algumas das mais importantes propriedades dos materiais relaciona a tensão normal aplicada a um corpo de prova à deformação específica apresentada pelo corpo sujeito ao ensaio Da curva resultante desse ensaio determinase para o material ao suaseu A rigidez B massa específica C módulo de elasticidade D coeficiente de Poisson E coeficiente de expansão volumétrica Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios Exercícios FIM