Materiais em Engenharia. Aula Teórica 6. Ensaios mecânicos (continuação dos ensaios de tracção, ensaios de compressão e de dureza)

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1 Aula Teórica 6 Ensaios mecânicos (continuação dos ensaios de tracção, ensaios de compressão e de dureza) 1

2 ENSAIO DE TRACÇÃO A partir dos valores da força (F) e do alongamento ( I) do provete obtêm-se os correspondentes valores da tensão (σ = F/A0) e da extensão (ε = I /l0). Em que A0 é a área da secção inicial e l0 é o comprimento de prova inicial. 2

3 ENSAIO DE TRACÇÃO Curvas tensão-extensão nominal e real Tensão de tracção real = quociente entre a carga F e a área instantânea da secção transversal do provete. σ = F A l = l ε l No limite teremos: dl ε = l l l 0 l 0 = ln l l 0 3

4 ENSAIO DE TRACÇÃO Curvas tensão-extensão nominal e real Com alguma manipulação matemática, considerando que existe conservação de volume, consegue-se chegar às relações mais conhecidas entre tensão e extensões nominais e tensões e extensões reais σ = σ ε = ln 1 ( 1+ ε ) ( + ε ) Importa frisar que estas relações são penas válidas até ao início da estricção 4

5 ENSAIO DE TRACÇÃO Curvas tensão-extensão real Determinação gráfica (iterativa) do ponto de início de estricção 5

6 ENSAIO DE TRACÇÃO Curvas tensão-extensão real Determinação gráfica (não iterativa) do ponto de início de estricção 6

7 ENSAIO DE TRACÇÃO Curvas tensão-extensão de ligas metálicas 7

8 ENSAIO DE TRACÇÃO Curvas tensão-extensão de ligas metálicas 8

9 ENSAIO DE TRACÇÃO Curvas tensão-extensão de ligas metálicas 9

10 ENSAIO DE COMPRESSÃO (UNIAXIAL) Provete Cilíndrico 10

11 ENSAIO DE COMPRESSÃO (UNIAXIAL) Vantagens - Não tem problemas de instabilidade plástica. - Reproduz melhor as operações de processamento (laminagem, extrusão, forjagem, Dificuldades - Instabilidade Lateral (problema de Euler pode ocorrer para h/d > 1,5) provetes com secções de maior área maior capacidade das máquinas. - Atrito nas bases do provete embarrilamento lubrificação Cones de Atrito - Necessidade de perfeito alinhamento dos pratos. 11

12 ENSAIO DE COMPRESSÃO (UNIAXIAL) Aplicações - Materiais frágeis (cerâmicos). - Materiais celulares (madeira, cortiça). Provetes Norma ASTM (provetes cilíndricos). Provete curto h/d=0.9 Provete médio h/d=3 (melhor) Provete comprido h/d=8 a 10 Curva σ - ε - A linha elástica é uma extensão linear da curva de tracção. ε σ tracção ε compressão σ 12

13 ENSAIO DE COMPRESSÃO (UNIAXIAL) Curva σ - ε Comparação das curvas tensão-deformação para um material dúctil na zona Plástica, usando tensões e deformações convencionais e reais. 13

14 ENSAIO DE COMPRESSÃO (UNIAXIAL) Notas - Os seguintes parâmetros têm valores idênticos em tracção e compressão: -Módulo de Elasticidade -Coeficiente de Poisson -Tensão Limite de Proporcionalidade -Módulo de Resiliência - Os materiais com estrutura complexa (p. Ex. cerâmicos, betão, materiais fibrosos e celulares) apresentam diferentes comportamentos em tracção e compressão. 14

15 ENSAIO DE DUREZA DEFINIÇÃO - Há diferentes definições de dureza em função dos ensaios realizados: - Resistência que um material oferece à indentação plástica ensaio de penetração. - Energia absorvida pelo material ensaio de ressalto. - Resistência que o material oferece a ser riscado ensaio de risca. - Resistência à abrasão ensaio de desgaste. - Resistência ao corte e à furação ensaio de maquinabilidade 15

16 ENSAIO DE DUREZA OBJECTIVOS E APLICABILIDADE OBJECTIVOS e APLICABILIDADE É empregue em metais, em polímeros ou em cerâmicos, sendo vasto o seu campo de aplicação: -Agrupar materiais da mesma classe de acordo com a dureza, permitindo a escolhida para determinada aplicação em função do valor obtido; -Confirmar o nível de qualidade de materiais ou produtos. -Determinar a uniformidade de vários provetes de um dado lote de material ou ainda determinar a uniformidade de tratamentos térmicos ou mecânicos. -Detectar heterogeneidades em juntas soldadas, devidas às transformações metalúrgicas associadas aos ciclos térmicos de soldadura. -Estabelecendo-se relações entre a dureza e outra qualquer propriedade como é o caso da tensão de rotura, podemos obter facilmente o valor aproximado desta. -Por serem simples de realizar, não requerem, em geral, pessoal muito especializado. -Muitos podem ser considerados não destrutivos, e consequentemente podem ser aplicados numa inspecção a 100% em peças acabadas. 16

17 ENSAIO DE DUREZA TIPOS DE ENSAIOS - De acordo com os seus princípios e modo de execução: - Dureza por penetração (ensaio de penetração) - Dureza por choque (ensaio de ressalto) - Dureza por risca (ensaio de risca) - Os 2 primeiros são os mais usados nas áreas da Metalurgia e da Mecânica. - A dureza por penetração é a mais largamente utilizada e citada nas especificações técnicas. 17

18 ENSAIO DE DUREZA POR PENETRAÇÃO DEFINIÇÃO Ensaios de Penetração Resistência que um material oferece à indentação ou penetração Permite avaliar, de modo aproximado, o valor da tensão de rotura. -Ensaio Brinell indentador esférico e cálculo da dureza com base na medição da área da superfície indentada - Ensaio Meyer - indentador esférico e cálculo da dureza com base na medição da área projectada da indentação -Ensaio Vickers indentador piramidal e cálculo da dureza com base na medição da área da superfície indentada -Ensaio Rockwell indentador cónico ou esférico e o cálculo da dureza com base na medição da profundidade da indentação -Ensaios de micro dureza (baixa carga 1gf a 1000 gf) -Micro-Vickers pirâmide quadrangular em diamante -Knoop - diamante de base rômbica 18

19 ENSAIO DE DUREZA Selecção do ensaio Depende de: objectivo do ensaio dureza estimada do material a ensaiar forma e dimensão da peça planicidade e estado da superfície da peça a ensaiar homogeneidade do material efeito das impressões no posterior funcionamento da peça em serviço automatização para inserção numa posição na cadeia de produção em série. Instrumentos São basicamente: sistema de selecção e aplicação da carga Indentador sistema óptico de focagem e leitura. 19

20 ENSAIO DE DUREZA - DURÓMETROS Durómetro Vickers Durómetro Brinell Escleroscópio Shore 20

21 ENSAIO DE DUREZA 21

22 ENSAIO BRINELL Processo Premir contra a superfície do material a ensaiar, um penetrador (esfera em aço cementado e temperado ou em carboneto de tungsténio sinterizado) de diâmetro D, sob a acção de uma força F, durante um intervalo de tempo t. Após remoção da força, é medido o diâmetro d da calote esférica, resultante da impressão, através de um microscópio óptico equipado com uma escala apropriada. 22

23 ENSAIO BRINELL Geometria da Indentação 23

24 ENSAIO BRINELL Geometria da Indentação Número de Dureza Brinell 24

25 ENSAIO BRINELL Relação F/D 2 recomendada para diversos metais (ISO-6506) MATERIAL HB (kgf/mm 2 ) F /D 2 (kgf/mm 2 ) Aço - 30 Ferro Fundido < 140 >=140 Cobre e suas Ligas < a 200 >= 200 Metais Leves e suas Ligas < a 80 >= Chumbo, Estanho

26 ENSAIO BRINELL Tempos de Aplicação da força em função do Material: MATERIAL TEMPO (s) Aços e Ferros Fundidos 10 a 20 Cobre, Bronze e Latão 30 Ligas Leves 60 a 120 Chumbo e Estanho 120 Relação entre a dureza Brinell e a tensão de rotura do material (valores empíricos) σ R = c. HB MATERIAL c MATERIAL c Aço carbono de baixo teor 0.36 Cobre recozido 0.52 Aço carbono de médio teor 0.34 Latão recozido 0.55 Aços micro-ligados 0.33 Alumínio e suas Ligas 0.40 Níquel recozido 0.49 Níquel e suas Ligas

27 ENSAIO BRINELL Durezas de alguns materiais Aço carbono de baixo teor Aço carbono de 0.4 % (após normalização) Aço carbono de 0.8 % (após recozimento) Bronze (90 % Cu 10 % Sn) Bronze (84 % Cu 16 % S ) Bronze alumínio (90 % Cu - 10 % AI) Latão (90 % Cu 10 % Zn) 120 HB 170 HB 210 HB 80 HB 117 HB 120 HB 120 HB Material da esfera S - Aço para materiais com HB <= 450 W - Metal duro (carboneto de tungsténio) para HB <=

28 ENSAIO BRINELL Condições Experimentais - Temperatura de ensaio 10 a 35 0 C - Espessura do provete e > 8 h - Superfície do provete lisa e plana, sem óxidos - Diâmetro da esfera : ensaio normal - 10mm Outros 1, 2.5, 5, 7.5 mm (± 0.01mm) - Força ( várias f=3000 kgf para o aço ensaio normal - Tempo de aplicação da carga 15 s - Posicionamento das indentações: h >=2,5 a 3d >=4d d VANTAGENS -Ensaio simples e de baixo custo dos equipamentos. -Pouco sensível ao estado da superfície (quando comparado com outros). -Rápido de efectuar (reduzido tempo de preparação da amostra). -Impressão de grandes dimensões (vantajoso em materiais pouco homogéneos como é o caso do ferro fundido cinzento) -Existe um grande numero de relações empíricas entre o número de dureza e propriedades mecânicas (p.ex. tensão de rotura). 28

29 ENSAIO BRINELL Limitações LIMITAÇÕES -Tamanho elevado das indentações o que pode prejudicar o funcionamento posterior da peça em serviço. -Não serve para peças que sofreram tratamentos superficiais (cementação, nitruração). -Requer que a superfície seja plana. -Impossível cobrir toda a gama de durezas dos materiais. -Não permite, geralmente, determinar durezas elevadas (acima de 500 HB ) com a precisão requerida. -É necessário conhecer à priori o tipo de material em estudo por forma a escolher a relação F/D 2 adequada e a não danificar a esfera. 29

30 ENSAIO BRINELL Apresentação dos resultados ENSAIO NORMAL p. ex.: 120 HB ENSAIO não NORMAL p. ex.: 350 HBS 5/750/35 Tempo(s) Força (kgf) Diâmetro da esfera Tipo de esfera (S - de aço, W - de metal duro) Dureza (kgf/mm2) 30

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