II
RAFAEL BRUNO DE SOUZA
Trabalho referente a Ensaios Mecânicos
da disciplina de Ensaios Metalúrgicos.
Escola e Faculdade de Tecnologia
SENAI “Nadir Dias de Figueiredo”
Professor Reginaldo Rodrigues
Osasco
2019
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Ensaios de: dobramento, compressão, embutimeto, torção, cisalhamento, impacto e fratura., Trabalhos de Engenharia Metalúrgica
Neste artigo vamos discutir e observar métodos e tipos de ensaios mecânicos. Muito embora a maioria deles possam ser realizados por meio de uma máquina universal de ensaios e alguns deles requerem adaptações e dispositivos próprios. Já outros testes necessitam de um maquinário específico.
Tipologia: Trabalhos
2020
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Baixe Ensaios de: dobramento, compressão, embutimeto, torção, cisalhamento, impacto e fratura. e outras Trabalhos em PDF para Engenharia Metalúrgica, somente na Docsity!
II
RAFAEL BRUNO DE SOUZA
Trabalho referente a Ensaios Mecânicos
da disciplina de Ensaios Metalúrgicos.
Escola e Faculdade de Tecnologia
SENAI “Nadir Dias de Figueiredo”
Professor Reginaldo Rodrigues
Osasco
III
1. INTRODUÇÃO
Neste artigo vamos discutir e observar métodos e tipos de ensaios mecânicos. Muito embora a maioria deles possam ser realizados por meio de uma máquina universal de ensaios e alguns deles requerem adaptações e dispositivos próprios. Já outros testes necessitam de um maquinário específico. É através destes ensaios é possível examinar o comportamento, resistência, falhas, e propriedades de um material afim de que seja possível a melhora de sua qualidade. Embora haja certa semelhança entre eles, os testes tem suas distinções como ensaio destrutivos e não destrutivos, ou mesmo mais de um método de teste para um mesmo ensaio mecânico. O corpo de prova é fundamental e pode variar de acordo com o teste a ser realizado. Os parâmetros entre maquina e corpo de prova têm de estar precisamente adequados para os testes, qualquer ato falho implica no resultado e avaliação. A ação humana muitas vezes influência certos ensaios, erros por desatenção ou erro de cálculos. Existem ainda fatores extras que podem afetar os testes, como a força aplicada, o tempo, a velocidade e até mesmo a temperatura, por isso é de extrema importância que tudo esteja dentro de toda conformidade os testes. Existem inúmeros ensaios mecânicos para diversos materiais, mas vamos conhecer os maios importantes dentro da metalurgia.
2. ENSAIO DE DOBRAMENTO
2.1. Conceito de Ensaio de Dobramento
O ensaio de dobramento consiste em dobrar o corpo de prova, assentado em dois apoios. Com o uso de um cutelo, aplica-se um esforço perpendicular ao eixo do corpo de prova até atingir o ângulo de dobramento especificado. O ângulo determina a severidade do ensaio, e é geralmente de 90º, 120º ou 180º. Atingido o ângulo especificado, examina-se a olho nu a zona tracionada, que não deve haver trincas, fissuras ou fendas. O ensaio nos fornece somente uma indicação qualitativa quanto à ductilidade do material, quanto maior o dobramento, maior a ductilidade.
2.2. Tipos e Métodos Ensaio de Dobramento
Existem três meios para realizar o ensaio: dobramento livre, dobramento semiguiado e dobramento guiado. No dobramento livre a força é aplicada nas duas extremidades do corpo de prova, sem aplicação no centro ou na zona de dobramento. No dobramento semiguiado, uma das extremidades do corpo de prova é engastada e a tensão é aplicada em outro ponto da barra, além disso, os apoios nesse caso têm apenas a função de sustentar a barra e não de guiar o dobramento, conforme ocorre no dobramento guiado. No dobramento guiado, o corpo de prova é sustentado por dois outros cutelos, a uma distância especificada de acordo com as condições do ensaio, além de apoiar, eles sustentam os braços do corpo de prova à medida que ele é dobrado, por isso, esses cutelos de apoio são devidamente lubrificados para minimizar ao máximo os efeitos do atrito no ensaio. Figura 1: Esquema de dobramento Figura 2: Zona tracionada Figura 3: Ângulo de dobramento Fonte: biopdi.com.br Fonte: biopdi.com.br Fonte: biopdi.com.br
ser lubrificada. Também é fundamental a perfeita centralização do eixo do corpo de prova e o eixo da mesa que aplica a força compressiva, além disso, para garantir que as tensões atuem somente axialmente, as mesas devem ser completamente paralelas. Ademais, para metais, são utilizadas placas de aço finas entre a amostra e a mesa, protegendo e evitando danos às mesas. Figura 5: Ensaio de compressão material dúctil Figura 6: Ensaio de compressão material frágil Fonte: biopdi.com.br Fonte: biopdi.com.br
3.3. Aplicações do Ensaio de Compressão
O ensaio de compressão é amplamente utilizado na indústria de construção civil, para analisar madeira, concreto armado e ferro fundido e de materiais cerâmico. Costumeiramente o método não é usado para metais, pois existem dificuldades à determinação das propriedades mecânicas, existe atrito entre a matriz e o corpo de prova, dificuldade de medida dos valores numéricos dos ensaios, os metais dúcteis podem se deformar continuadamente sem apresentar fratura. Este processo é mais utilizado para materiais frágeis, uma vez que nesses materiais a fase elástica é muito pequena, não é possível determinar com precisão as propriedades relativas. A única propriedade mecânica que é avaliada nos ensaios de compressão de materiais frágeis é o seu limite de resistência à compressão.
4. ENSAIO DE EMBUTIMENTO
4.1. Conceito do Ensaio de Embutimento
O ensaio de embutimento avalia a estampabilidade dos materiais e consiste em forçar uma esfera sobre uma chapa metálica. Neste ensaio, estudam-se a deformação máxima até o surgimento de fissuras, o enrugamento devido ao atrito, a distorção e a baixa qualidade superficial. O processo de estampagem envolve dois tipos de deformação: o estiramento da chapa e o arrastamento da chapa pra dentro da cavidade da matriz. O índice de estampabilidade é dado pela altura da calota deformada, quanto maior a altura, maior estampabilidade.
4.2. Tipos e Métodos de Ensaios de Embutimento
Por apresentar diferentes comportamentos durante a deformação em função da carga aplicada, o ensaio pode ser realizado seguindo quatro procedimentos diferentes, denominados Erichsen, Olsen, Swift e Fukui. Apesar de algumas diferenças dentre os ensaios, o ferramental é semelhante entre os ensaios. Para os ensaios Erichsen e Olsen, que são os mais utilizados, utiliza-se um ferramental semelhante, as diferenças são às dimensões do ferramental e o Erichsen não leva em consideração a carga de ruptura, ambos consistem na deformação de um disco ou tira metálica fixada em uma matriz com um punção de cabeça esférica, são medidas as máximas deformações até a ruptura.
As forças podem ser transmitidas através de mecanismos hidráulicos ou eletromecânicos, a máquina pode ser utilizada para os ensaios de embutimentos, desde que sejam acoplados equipamentos específicos. Em todos os ensaios os resultados são predominantemente qualitativos, possibilitando um estudo da estampabilidade dos metais de acordo com as variáveis do ensaio, mas também é possível se estabelecer uma relação entre a profundidade deformada máxima que precede a ruptura. Para evitar o atrito utiliza-se graxa grafitada ou vaselina, seguindo as normas técnicas, para garantir sempre a mesma lubrificação e minimizar o atrito entre as interfaces da punção, da matriz e da chapa. Figura 10: Máquina própria de ensaio de embutimento Fonte: docsity.com
5. Ensaio de Torção
5.1. Conceito do Ensaio de Torção
O ensaio de torção consiste em aplicar uma força no sentido de rotação, ou seja, uma extremidade do material fica presa e a outra gira no seu próprio eixo. É preciso cálculos matemáticos complexos para se obter as propriedades do material, a partir do momento torsor e o ângulo de torção, permitindo analisar: momento máximo, momento de ruptura, escoamento e limite de proporcionalidade.
5.2. Rotação, Torção e Métodos
Pelo corpo estar preso por uma de suas extremidades, ele passa a sofrer a ação de uma força no sentido de rotação aplicada na extremidade solta do corpo. Figura 11: Corpo de prova preso a uma das extremidades Fonte: essel.com.br Se um certo limite de torção for ultrapassado, o corpo se romperá. Como uma ponta do eixo está ligada à roda, por meio do diferencial traseiro e a outra ponta está ligada ao motor, por intermédio da caixa de câmbio. O motor transmite uma força de rotação a uma extremidade do eixo. Na outra extremidade, as rodas oferecem resistência ao movimento. Esse esforço provoca uma deformação elástica no eixo. Figura 12: Motor torsor Fonte: essel.com.br
5.3. Momento Torsor
Momento torsor, ou torque, de uma força é o produto da intensidade da força (F) pela distância do ponto de aplicação ao eixo do corpo sobre o qual a força está sendo aplicada (C).
objetivo é forçar as camadas em direções opostas, a fim de deslizá-las umas sobre as outras, dessa forma é possível testar a resistência ao cisalhamento das camadas laminadas e juntas.
6.2 O Como o Corre O Cisalhamento
Cisalhamento é o ato de cisalhar, isso significa cortar ou causar deformação numa superfície a partir da tensão provocada por forças que atuam em sentidos iguais ou contrários, mas seguindo uma mesma direção. No âmbito da Física, a chamada força de cisalhamento ou tensão de cisalhamento consiste em toda a tensão gerada a partir de forças que agem em direções semelhantes. A tesoura é o objeto mais popular para representar a tensão de cisalhamento. Durante o ensaio é necessário garantir que a força de tração seja aplicada perpendicularmente a união ao longo de todo o ensaio, ou seja, a posição da junta sobreposta não deve variar, e também, deve-se garantir que não haja escorregamento da fixação da chapa na máquina. Para compósitos, laminados são fixados entre barras de fixação, que quando tracionadas, distribuem uma tensão cisalhante nos laminados.
6.3 Equipamentos Utilizados
O ensaio pode ser realizado na máquina universal de ensaios adaptados com dispositivos, mas há também outros meios, a figura 14 a seguir, é um exemplo dos equipamentos que podem ser utilizados, bastante aplicado para matrizes poliméricas, com fibras orientadas paralela ou perpendicularmente em relação às barras de fixação. Um extensômetro fixado estrategicamente no CP faz as medições das deformações sofridas durante o ensaio, assim é possível determinar a curva tensão- deformação do laminado. Os resultados do ensaio fornecem informações comparativas sobre, a qualidade da preparação do laminado, o empilhamento das camadas, a porosidade e defeitos do compósito e parâmetros externos em geral.
Figura 14: dispositivo de ensaio de cisalhamento de um eixo Fonte: biopdi.com.br 6.4 Força de Cisalhamento No caso do cisalhamento, a força é aplicada ao corpo na direção perpendicular ao seu eixo longitudinal. Esta força cortante, aplicada no plano da seção transversal (plano de tensão), provoca o cisalhamento. Como resposta ao esforço cortante, o material desenvolve em cada um dos pontos de sua seção transversal uma reação chamada resistência ao cisalhamento. A resistência de um material ao cisalhamento, dentro de uma determinada situação de uso, pode ser determinada por meio do ensaio de cisalhamento. Esta força cortante, aplicada no plano da seção transversal (plano de tensão), provoca o cisalhamento.
6.5 Adesivos e Compósitos
Adesivos: O ensaio de cisalhamento é amplamente utilizado para medir a força de ligação de adesivos quando forçados a deslizar duas chapas coladas uma sobre a outra. Em geral, o ensaio é conduzido em duas chapas sobrepostas unidas pelo adesivo, que são tracionadas causando uma tensão cisalhamento na junta. A força aplicada para tracionar os corpos aumenta linearmente durante o ensaio até a ruptura da união, os dados de carga e de deslocamento são medidos para construção de um gráfico. Durante o ensaio é
O teste de impacto é um método de avaliação da resistência e sensibilidade ao entalhe de materiais. O ensaio se dá por submeter um corpo de prova com entalhe a uma carga praticamente instantânea, provocando a fratura. Esta ação ocorre pelo impacto de um pêndulo ou martelo pesado, que cai de uma distância fixa (energia potencial constante) numa velocidade pré-determinada (energia cinética constante). A energia absorvida no impacto é o parâmetro de avaliação da propriedade, medindo a ação de um esforço de choque. O choque ou impacto representa um esforço de natureza dinâmica, porque a carga aplicada é repentina e bruscamente.
7.2 Equipamentos e Procedimentos do Ensaio de Impacto
As máquinas usadas nos testes se dividem em dois grupos: os pêndulos e os aparatos de queda de peso. A máquina correspondente ao martelo pendular, quando ele cair, e encontro no percurso o corpo de prova, que rompe. A diferença entre as energias inicial e final corresponde à energia absorvida pelo material. A máquina de aparato de queda de peso pode ser também de piso ou de bancada, dependendo de sua capacidade e aplicação. As alturas de queda podem variar de 50 cm até alguns metros, dependendo do equipamento, com velocidades no impacto que podem chegar a 11m/s. Tipos de pêndulos: Figura 16 exemplos de pêndulos: a) para metais, b) para plásticos, c) para cerâmicos e compostos Fonte: instron.com
7.2.1 Fraturas Por Impacto e Métodos de Ensaio
Há dois tipos de fraturas:
Fatura dúctil : o material se deforma substancialmente antes de fraturar e tem menor resistência Fratura frágil: o material pouco se deforma ante se fraturar e tem deformação plástica Também há dois métodos de ensaio: Charpy e Izod, ambos usam o pêndulo: Teste Charpy : é realizado em pêndulo de impacto. O corpo de prova é fixado num suporte na base da máquina. O martelo é liberado de uma altura pré- definida, causando a ruptura pelo efeito de carga instantânea. Teste Izod ; é em um pêndulo semelhante ao teste Charpy, no entanto a posição do corpo de prova são específicas do teste. O corpo de prova é fixado por um par de garras na vertical. O braço de pêndulo continua seu movimento com redução do momento devido à energia absorvida pelo corpo de prova.
7.2.2 Outros Dispositivos
Outros dispositivos para trabalho com teste de impacto. No caso de aplicações específicas, existem outros dispositivos que são utilizados para o teste de impacto, na maior parte das vezes estes equipamentos são assistidos por sistemas auxiliares para produzir a carga. Esta é uma característica da máquina de impacto servo-hidráulica (figura 18), capaz de produzir velocidades de até 5m/s. Este equipamento é utilizado para teste de desempenho de sistemas adesivos, materiais compostos e impacto em painéis. Outro equipamento de queda de peso (figura 17) é o da queda do dardo. Neste equipamento um peso, tipo projétil é liberado e cai em queda livre sobre o corpo de prova. O sistema é indicado para plásticos, figura 17
Figura 19: Sistema instrumentalizado Fonte: instron.com
7.3 Influência da Temperatura
A enérgica absorvida num corpo de prova de um metal de baixa resistência acusada numa máquina de ensaio de impacto varia sensivelmente com a temperatura do ensaio. A temperatura influencia muito a resistência de alguns materiais ao choque, ao contrário do que ocorre na resistência à tração, que não é afetada por essa característica. Pesquisadores ingleses, franceses e alemães foram os primeiros a observar esse fato e a desenvolver ensaios que permitissem avaliar o comportamento dos materiais a baixas temperaturas.
8. ENSAIO DE FRATURA
8.1 Conceito do Ensaio de Fratura
O ensaio de fratura é geralmente previsto para qualificação de procedimento de soldagem para solda em ângulo. Nesse caso, o ensaio é realizado pelo dobramento de uma parte do corpo de prova sobre a outra, de maneira que a raiz da solda seja tracionada. O ensaio de fratura tem como finalidade detectar possíveis
descontinuidades associadas à soldagem, tais como trincas, fusão incompleta na raiz de solda, inclusões e porosidades. O teste deve ser considerado como inválido se não se desenvolver qualquer trinca visível no cordão de solda ou se não houver evidência de que o corpo de prova encostou-se ao batente.
8.2 Equipamentos de Ensaio
O ensaio de fratura, da mesma forma que o ensaio de dobramento, pode ser realizado em uma prensa com capacidade relacionada às dimensões do corpo de prova e que permita adaptações de dispositivos adequados ao tipo de corpo de prova utilizado no ensaio; é comum também, a utilização das máquinas de ensaio do tipo universal.
8.3 Método de Ensaio
A carga deve ser aplicada de lado de tal forma que a raiz da solda fique sob tensão, veja a seta da figura acima indicando “ direction of bending “. A carga deve ser aumentada gradualmente até a quebra da solda ou das duas chapas se encontrarem.
8.4 Corpos de Prova
Os corpos de prova para o ensaio de fratura são variados e seguem normas; alguns são confeccionados conforme norma ASM E, secção IX, e podem ser soldados em junta de ângulo entre duas chapas, entre tubo e chapa ou entre tubos. Nos corpos de prova ASME, a região a ser fraturada deve conter o início e o final do cordão de solda.