CAPTURA SIMULTÂNEA DOS SINAIS OBTIDOS DO MARTELO E DO CORPO-DE-PROVA DURANTE CARREGAMENTO POR IMPACTO EM UM ENSAIO CHARPY INSTRUMENTADO

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1 XIV ONGRESSO NAIONAL DE ESTUDANTES DE ENGENHARIA MEÂNIA Universidade Federal de Uberlândia Faculdade de Engenharia Mecânica APTURA SIMULTÂNEA DOS SINAIS OBTIDOS DO MARTELO E DO ORPO-DE-PROVA DURANTE ARREGAMENTO POR IMPATO EM UM ENSAIO HARPY INSTRUMENTADO Luís Alexandre atussi Paschoalotto Brasil, 56 entro Ilha Solteira SP luisalexandrecp@hotmail.com Ruddy Fernandes Moreira Brasil, 56 entro Ilha Solteira SP ruddymaster@hotmail.com Ruís amargo Tokimatsu Brasil, 56 entro Ilha Solteira SP ruis@dem.feis.unesp.br Resumo: O ensaio de impacto harpy é um ensaio bastante utilizado no meio mecânico para determinação de, por exemplo, resistência à fratura dinâmica nos materiais através da energia local absorvida para que aconteça a fratura completa do corpo de prova. Atualmente essa energia global não é muito utilizada quantitativamente pelo fato de não se considerar vários fatores que interferem na resposta do ensaio harpy clássico. Esse é o motivo da instrumentação desse ensaio, pois assim pode-se contar com uma gama maior de informações com respeito ao rompimento do corpo de prova. No presente trabalho, pretende-se instrumentar corpos-de-prova harpy-v padronizados segundo a norma ASTM E-23 e o martelo pendular e confrontar os sinais forçatempo obtidos pelas duas células de carga no ensaio de impacto. Vale ressaltar que o sinal e a curva obtidos pelo martelo são reações ao rompimento do corpo de prova, por isso os corpos de prova serão também instrumentados para que se possa comparar os sinais e curvas obtidas. O martelo harpy será instrumentado segundo os procedimentos estabelecidos pela norma ISO (2000). A instrumentação do martelo e do corpo-de-prova harpy se dará pelo seguinte arranjo: célula de carga (transdutor), sistema de condicionamento e aquisição de sinais e um microcomputador, para tratamento do sinal. omo resultado, as curvas força-tempo serão analisadas e delas serão extraídas propriedades mecânicas como força para início de fratura e também a tenacidade à fratura dinâmica. Palavras-chave: harpy Instrumentado, tenacidade à fratura dinâmica, propriedades dos materiais, comportamento dinâmico. 1. INTRODUÇÃO 1.1. Ensaio harpy Instrumentado Há algum tempo vários pesquisadores têm estudado métodos e técnicas para se determinar a tenacidade à fratura dinâmica a partir do ensaio de impacto, Rodrigues et al. (2001). Entre estes estudos e propostas, uma modificação do ensaio de impacto harpy clássico vem recebendo grande atenção. Este novo ensaio, conhecido como ensaio de impacto harpy Instrumentado, Yamamoto et al. (1993), surgiu como uma alternativa promissora, pois objetiva a

2 caracterização precisa de um processo dinâmico de fratura, a despeito das inúmeras complicações relacionadas à instrumentação. Esta modificação normalmente compreende a instrumentação do martelo, transformando em uma célula de carga, do pêndulo harpy, por meio de extensômetros elétricos, de modo a se obter mais informações a cerca do ensaio. A Figura ilustra esquematicamente o comportamento da curva força-tempo como função da temperatura para um aço de média resistência. A instrumentação permite identificar os vários estágios no processo de fratura. O valor da energia é associado à área sob a curva força vs tempo até o carregamento máximo P M. Este valor de impulso é convertido em energia aplicando a lei do movimento de Newton, que considera a velocidade do pêndulo decrescente durante o processo de deformação e fratura. Esta velocidade decrescente é proporcional à força instantânea aplicada no corpo de prova em qualquer tempo particular, Hertzberg, (1995). P M= PF P M= PF P M P M= PF P A 2780 N 60 µ s P A= 0 P A= 0 P A= o -93 o -79 o -46 o P M P F P M P M P A 2780 N 120 µ s sem e P F P A sem e P F P A -32 o Figura Resposta força vs tempo para um aço de média resistência mecânica (Fonte: Shockey, 1995). O ensaio consiste em se registrar, os sinais da força de impacto do martelo no corpo-de-prova, e plotá-los na forma de gráficos de Força vs Tempo e de Força vs Deslocamento. No sistema instrumentado e informatizado harpy, o deslocamento na linha de carga é obtido, e a partir das curvas P vs t e P vs S obtém-se informações sobre a carga (força) de escoamento, P e, carga máxima, P m. Este último parâmetro é de especial importância no cálculo da tenacidade à fratura dinâmica, K Id. É medida a carga de inicio da instabilidade da trinca e a carga de termino da instabilidade da trinca, bem como os seus desvios tempos de deslocamentos de escoamento, respectivamente, e Se, Máximo, t m e S m e total, t t e S t. Da curva Força vs Deslocamento é possível determinar as energias relativas aos processos de nucleação e iniciação (Ei) e de propagação (Ep) da trinca assumida numa análise simples, como, respectivamente, a energia até a força máxima e após a força máxima, que não são possíveis de serem distinguidas nos ensaios clássicos. A energia total absorvida no impacto também pode ser obtida pela integração numérica da curva, como mostrado na Figura o 21 o 2

3 E E t = Fvdt = E + E i p Figura urva Força vs Deslocamento durante um ensaio de impacto harpy instrumentado (Fonte Fernandez et al. 2002) Determinação da tenacidade à fratura dinâmica utilizando o ensaio harpy instrumentado Procedimentos aplicados na avaliação da tenacidade à fratura dependem fortemente do mecanismo de fratura do material. No caso de materiais ferríticos, a tenacidade à fratura geralmente apresenta uma dependência à temperatura. Na Figura 1.2.1, a fratura por clivagem predominantemente ocorre na região I, e a fratura alveolar na região III. Uma mistura de mecanismos de fratura é observada na região II. Na região I e parcialmente na região II, embora não existam normas para testes dinâmicos de fratura, aplicam-se normas da mecânica da fratura elástica linear (ASTM E 399) ou da mecânica da fratura elasto-plástica (ASTM E 813) para avaliar o fator de intensidade de tensão crítico, K I, ou Integral-J, respectivamente. Figura Representação esquemática da curva da tenacidade à fratura de transição dúctilfrágil e áreas de aplicabilidade dos conceitos como urva de Resposta ao Impacto (Kalthoff, 1985) e o Método DDR - ASTM/EPRI (Ireland 1980, Server et al. 1975). Fonte: Technical Research entre of Finland, (1993). Segundo Angamuthu et al. citado por Toti (2004), os valores de tenacidade à fratura dinâmica, representada pelos parâmetros K Id (MFEL), ou J Id (MFEP) podem ser medidos utilizando-se corposde-prova pré-trincados. A tenacidade à fratura dinâmica pode ser definida como a resistência ao inicio de crescimento ou propagação de um defeito tipo trinca pré-existente na estrutura ou de um corpo-de-prova submetido à carga de impacto. O ensaio de impacto harpy instrumentado é 3

4 utilizado nos dias atuais para se validar a tenacidade à fratura dinâmica, devido a sua relativa simplicidade. 2. OBJETIVOS A principal meta do trabalho é instrumentar uma máquina de ensaio harpy convencional visando minimizar os custos envolvidos e maximizar a quantidade e qualidade das informações obtidas durante o processo de fratura por impacto. Para tanto, pretende-se cumprir os seguintes objetivos específicos: implementar a instrumentação do ensaio harpy convencional respeitando-se os recentes procedimentos estabelecidos pela norma ISO ; avaliar resultados decorrentes da instrumentação obtidos na própria máquina (martelo) e de corpos-de-prova harpy instrumentados com extensômetros elétricos; medir com a maior precisão possível as seguintes variáveis envolvidas no fenômeno do impacto e fratura: força de escoamento generalizado, força máxima, força de início da propagação instável da trinca, força de freamento da trinca, tempos e a tenacidade à fratura dinâmica dos materiais. O material que será utilizado é o aço ABNT 4340 devido à grande gama de informações já existentes a respeito desse material. Os corpos-de-prova harpy serão confeccionados com entalhe arredondado (0.25mm) e serão submetidos a dois tipos de tratamentos térmicos: temperados, temperados e revenidos. O martelo pendular e os corpos-de-prova serão transformados em células de carga, e assim, será medida a força. O ensaio harpy Instrumentado será realizado à temperatura ambiente nas condições ditas acima.. 3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1. Materiais omo já dito anteriormente, o material utilizado no trabalho foi o aço ABNT 4340 devido à grande quantidade de informações a respeito deste material e também pela versatilidade do material com relação à grande variação de sua resistência mecânica através de tratamentos térmicos. A composição química em peso do aço utilizado (balanço com Fe) encontra-se na tabela Tabela Faixa de composição química (% em peso) de aços de baixa liga e utra-alta resistência, normalmente utilizado na fabricação de componentes de aeronaves. AÇO Si Mn P,S* r Mo Ni V ,38-0,43 0,20-0,35 0,60-0,90 0,010 0,70-0,90 0,20-0,30 1,50-2, Os corpos de prova harpy-v foram confeccionados com entalhe arredondado de acordo com a norma ASTM E23 e as dimensões foram acompanhadas com o projetor de perfil. Após serem confeccionados, os corpos-de-prova foram submetidos a um tratamento térmico com rigoroso sistema de controle; forno com atmosfera e crescimento de temperatura controlados. Austenitizou-se os corpos-de-prova a 1143K e foi feita a têmpera. Em seguida, os corpos-de-prova foram revenidos e agrupados de acordo com as temperaturas de revenido: 473K, 573K, 673K e 773K. Os extensômetros utilizados foram strain-gages do tipo roseta dupla 90º e a máquina harpy convencional utilizada era da marca Heckert, modelo 423/18 com capacidade para 300J e precisão de 0.5J no dial de leitura Metodologia para instrumentação do ensaio harpy 4

5 A instrumentação do martelo pendular da máquina harpy foi feita de acordo com a norma ISO (2000), em que a medida da força será obtida utilizando-se dois extensômetros elétricos de resistência, posicionados no martelo pendular para formar o transdutor de força, ou seja, este martelo foi transformado numa célula de carga, e mais dois extensômetros colocados em uma peça inerte às vibrações originarias do ensaio e de mesmo material do cutelo do martelo (compensador) para que seja formada a ponte de Wheatstone. Do mesmo modo, foi afixado um extensômetro roseta dupla no corpo-de-prova de acordo com a figura e outro corpo-de-prova igualmente instrumentado foi utilizado como compensador. A cadeia de medição composta por transdutores, amplificador dinâmico e sistema de gravação de sinais deverá ter freqüência de resposta de no mínimo 100kHz e tempo de subida de no máximo 3,5µs. Figura 3.2.1: Posicionamento do extensômetro roseta dupla no corpo-de-prova harpy A calibração foi realizada de forma estática através de forças já conhecidas e com um sistema que reproduzia as condições dinâmicas do ensaio. A figura representa esquematicamente um sistema de aquisição de sinais, mas é válido ressaltar que na representação do corpo-de-prova instrumentado deve-se observar que os dois extensômetros representados na figura foram substituídos por um strain-gage roseta dupla 90º. Figura 3.2.2: Arquitetura do sistema que será empregada na instrumentação (Norma ISO ). O software utilizado para captura de sinais do osciloscópio digital (canal 1 direcionado para o sinal proveniente do martelo e canal 2 para o corpo-de-prova) foi o Wavestar e, visto que, o condicionador de sinais utilizado possuía dois canais, os sinais provenientes dos dois canais foram capturados simultaneamente. 4. RESULTADOS E DISUSSÕES 4.1. Martelo pendular instrumentado A Figura representa um dos ensaios dinâmicos realizados - sinal com ruído, curva forçatempo, curva força-deslocamento e energia líquida com o martelo pendular. O processo de fratura dos corpos-de-prova ocorreu nos primeiros 0,5ms do sinal capturado. O osciloscópio neste ensaio 5

6 foi setado para capturar o sinal no tempo total de 0,5ms e a discretização em 2500 pontos. Apesar de o sinal apresentar certo nível de ruído, foi possível realizar a integração numérica e obter a energia líquida, através da rotina computacional G3M desenvolvida especificamente para o ensaio harpy instrumentado. Este método de integração numérica foi utilizado em todos os ensaios de impacto. Figura Ensaio martelo e corpo-de-prova instrumentado P Temperado instrumentado sinal do martelo em azul curvas força-tempo e força-deslocamento obtidas pelo tratamento do sinal pela rotina G3M e em verde as curvas de energia líquida x tempo e energia líquida x deslocamento obtidas pela mesma rotina. Nota-se que com a rotina computacional foi possível determinar a energia líquida de fratura do corpo-de-prova. Um dos grande problemas do ensaio harpy convencional é o fato de que a energia obtida no dial é uma energia global que é utilizada apenas qualitativamente. Através da instrumentação foi possível transformar a energia global em energia líquida de fratura orpos-de-prova instrumentados As dificuldades encontradas nessa etapa do experimento foram muitas devido, basicamente, ao nível de ruído presente e ao número pequeno de corpos-de-prova instrumentados utilizados, sendo que várias destas células de carga foram perdidas para entendimento do sinal a ser obtido e ajustes do osciloscópio por exemplo. O melhor resultado obtido é o representado na figura 4.2.1, no qual podemos observar grande semelhança entre o sinal obtido no martelo (canal 2) e o sinal obtido no corpo-de-prova (canal 1). 6

7 Figura urvas obtidas para o P Temperado anal 2 para o martelo e anal 1 para o P. O sinal capturado foi submetido à rotina computacional G3M com a qual obteve-se a energia líquida de fratura com dados capturados no corpo-de-prova instrumentado. Figura 4.2.2: Sinal capturado no ensaio do corpo-de-prova instrumentado P Temperado em azul curvas força-tempo e força-deslocamento obtidas pelo tratamento do sinal pela rotina G3M e em verde as curvas de energia líquida x tempo e energia líquida x deslocamento obtidas pela mesma rotina. Observa-se com essa rotina computacional, a boa repetibilidade dos resultados gerados para a condição temperada dos corpos-de-prova, comparando as curvas de energia líquida obtidas para o martelo e o corpo-de-prova. Nota-se que há muito a ser aprimorado ainda, mas nos resultados apresentados acima podemos observar que foi possível a captura simultânea dos sinais do martelo e corpo-de-prova e que os valores observados no tratamento com a rotina computacional G3M são parecidos e coerentes. Apesar de tudo, a qualidade do sinal proveniente do corpo-de-prova ainda é muito inferior àquela obtida nos ensaios com martelo instrumentado. 7

8 Tais problemas se devem ao nível de ruído ainda existente nos sinais capturados e ao fato de que ainda não foram realizados ensaios suficientes para total aprimoramento da captura destes sinais. Finalmente, é necessário enfatizar que a busca da captura do sinal proveniente do corpo-deprova instrumentado tem como incentivo o fato de que os resultados obtidos trariam informações muito mais significativas do que aquelas provenientes do martelo pendular que já são obtidos com certa facilidade, pois, com o martelo instrumentado o resultado obtido é a reação deste ao rompimento do corpo-de-prova enquanto que no corpo-de-prova trata-se do próprio rompimento causado pelo impacto do martelo. Isso nos leva a crer que um sinal com muito mais informações pode ser obtido no ensaio com corpos-de-prova instrumentados. 5. ONLUSÕES Este trabalho apresentou um método alternativo de instrumentação do ensaio harpy segundo a norma ISO (2000) que além da presença de extensômetros no martelo pendular, inclui extensômetros colados nos corpos-de-prova. Foram utilizados um método de calibração para o martelo e para o corpo-de-prova e uma rotina computacional desenvolvidos no próprio G3M (Grupo de aracterização Mecânica e Microestrutural dos Materiais) na Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira/UNESP que se mostraram muito eficientes e otimizaram a captura dos sinais provenientes das células de carga envolvidas no ensaio. Assim, podemos concluir que um grande passo foi dado na direção da sair de uma máquina harpy lássica e chegarmos a uma máquina harpy Instrumentada, pois a rotina computacional para tratamento dos sinais foi implementada, o sistema de calibração foi otimizado e com os ensaios realizados e as dificuldades encontradas pode-se entender melhor os procedimentos a serem adotados para uma captura adequada dos sinais provenientes principalmente dos corpos-deprova, e assim, compreender melhor a curva harpy Instrumentado. 6. AGRADEIMENTOS O presente artigo é o resultado do trabalho de não apenas uma pessoa, mas do Grupo de aracterização Mecânica e Microestrutural dos Materiais (G3M) que há cerca de 10 anos vem trabalhando na instrumentação da máquina harpy do Laboratório de Ensaios Mecânicos do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira/UNESP. Agradeço a todos que disponibilizaram suas experiências anteriores para que a cada dia mais se aprimorasse esse trabalho. Agradeço também aos técnicos de laboratório e professores que auxiliaram nos ensaios. 7. REFERÊNIAS Rubio, L., Fernández-Sáez, J.and Navarro,., Determination of Dynamic Fracture-initiation Toughness using Three-point Bending Tests in a Modified Hopkinson Pressure Bar. Society for Experimental Mechanics, Vol. 43, nº4, pp Rodrigues, A. R., harpy Instrumentado Determinação da tenacidade à fratura dinâmica de materiais metálicos. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, Universidade Estadual Paulista Ilha Solteira, pp Bohme, W. and Kalthoff, J. F., On the quantification of dynamic effects in impact loading and the practical application for KId determination. Journal de Physique, olloque 5, nº8, t.46, pp Tokimatsu, R.., Influência de parâmetros microestruturais e procedimentos de ensaios no comportamento mecânico de um aço de ultra-resistência e baixa liga., Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade de ampinas, pp

9 Kobayashi, T., Yamamoto, I. and Ninomi, M. Evaluation of dynamic fracture toughness parameters by instrumented harpy impact test. Engineering Fracture Mechanics, v.24, nº5, p , Hertzberg, R. W. Transition temperature approach to fracture control. In: Deformation and fracture mechanics of engineering materials., 4.ed. New York: J. Wiley, p , SIMULTANEOUS APTURE OF DERIVED SIGNALS OF THE HAMMER AND SPIEMEN DURING THE IMPAT SHIPMENT ON A INSTRUMENTED HARPY TEST Luís Alexandre atussi Paschoalotto Brasil, 56 entro Ilha Solteira SP luisalexandrecp@hotmail.com Ruddy Fernandes Moreira Brasil, 56 entro Ilha Solteira SP ruddymaster@hotmail.com Ruís amargo Tokimatsu Brasil, 56 entro Ilha Solteira SP ruis@dem.feis.unesp.br Abstract: The harpy impact test is a very used test in the mechanics way for specifying, for exemple, resistence of dynamic fracture of the materials through the local energy absorbed during the complete fracture of the spicemen. Actually, this global energy isn t well used quantitatively because it doesn t consider lots of factors that really interfere on the classic harpy test results.this is the reason of the instumentation in this test, because with this is possible counting with a bigger amount of informations related to the spicemen rupture. This present work is intending to instrument hapy-v spicemen and the pendular hammer appealing to ASTM E-23 norm and confront the signals force-time gotten by both the transducers on the impact test. It s good to emphasize that the signal and curve gotten by the hammer are reactions to the spiceman rupture, thereupon the spicemen will be instrumented too and then the signals and curves captured been confronted. The harpy hammer will be instrumented appealing to the procedures established for norm ISO (2000). The instrumentation of harpy hammer and spiceman will appeal to the following arrangement: load cell (transducer) conditioning system and acquisition of signals and a microcomputer, for treatment of the signal. As result, the curves force-time will be analyzed and with then the mechanical properties like force of beginning of gotten breaking and toughness to the dynamic fracture will be determined. Keywords: Instrumented harpy, toughness to the dynamic fracture, material properties, dynamic behavior. 9