UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC CENTRO DE ENGENHARIA, MODELAGEM E CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES (BC 1105)

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC CENTRO DE ENGENHARIA, MODELAGEM E CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES (BC 1105) ENSAIOS MECÂNICOS PARTE A ENSAIOS DE TRAÇÃO E FLEXÃO

2 2 1. INTRODUÇÃO Algumas das principais propriedades mecânicas comumente medidas nos materiais incluem: constantes elásticas (módulo de elasticidade ou de Young, coeficiente de Poisson), resistência mecânica (limite de escoamento, limite de resistência, resistência à fratura) e ductilidade (alongamento, redução em área). O tipo de equipamento mais usado para determinação destas propriedades é a máquina universal de ensaios mecânicos (o termo universal refere-se à variedade de estados de tensão que pode ser estudada). Estas máquinas são projetadas para aplicar força (tração ou compressão) com taxas (velocidades) controladas e ensaiar materiais usualmente em tração, compressão ou flexão. O tensionamento do corpo-de-prova (CP) pode ser por carregamento contínuo e monotônico ou em modo cíclico (fadiga). Os principais tipos de máquinas universais de ensaios mecânicos são eletromecânicos e servo-hidráulicos. O mecanismo de aplicação de carga (força) nos servo-hidráulicos pode ser com pistão e cilindro hidráulicos, tendo um sistema de fonte de potência hidráulica, e nos eletromecânicos pode ser transmitido por roscas precisas com movimento controlado por engrenagens, redutores e um motor elétrico. A Fig. 1 apresenta uma imagem da máquina universal do tipo eletromecânica e a Fig. 2 apresenta esquematicamente os principais componentes desta máquina (ambas em configuração vertical). Nos barramentos verticais estão contidas as roscas que movimentam a travessa (travessão) horizontal, que pode se movimentar para cima ou para baixo (em condições usuais de ensaios, resultam em carregamento em tração e compressão, respectivamente). O CP para ensaio de tração é posicionado de tal forma que seu eixo longitudinal fique alinhado na vertical e fixado em uma extremidade na garra presa à travessa horizontal móvel e na outra extremidade na garra presa à base horizontal inferior fixa da máquina. Dois acessórios importantes usados nas máquinas de ensaios mecânicos são a célula de carga, que mede com precisão a força aplicada no material, e o extensômetro, que mede com precisão a variação dimensional ou a deformação do material em decorrência da tensão aplicada. A Fig. 3 mostra um extensômetro de vídeo, do tipo sem contato com a amostra, que mede o comprimento de dois pontos pintados sobre o CP durante o ensaio. Com a máquina de ensaios mecânicos e estes acessórios, são obtidas as curvas tensão versus deformação do CP. As propriedades mecânicas (módulo de elasticidade, limite de escoamento, limite de resistência, alongamento e redução em área) de materiais com comportamento dúctil usualmente são determinadas em ensaio de tração. No caso de materiais com comportamento mecânico frágil, como as cerâmicas, usualmente determina-se a resistência à fratura em ensaio de flexão. Estas propriedades são determinadas em testes com velocidades de carregamento relativamente baixas (taxas de deformação usualmente na faixa de 10-5 a 10-1 s -1 ) e, por isso, são chamadas de testes em condições (quase-) estáticas.

3 3 Fig. 1 Imagem de uma máquina universal de ensaios mecânicos do tipo eletromecânica (Instron Inc.).

4 4 Fig. 2 Componentes de uma máquina universal de ensaios mecânicos com sistema de carregamento eletromecânico.

5 5 Fig. 3 Imagem mostrando o extensômetro de vídeo, do tipo sem contato (AVE Advanced Video Extensometer, Instron Inc.). A Fig. 4 apresenta esquematicamente as principais dimensões de um CP típico de tração, que pode ter seção transversal circular (cilíndrica) ou retangular (chapa). O CP apresenta extremidades com maior seção (dimensão C), uma região interna com seção reduzida (dimensões D e A) e uma região de transição (indicada com raio R) para evitar concentração de tensão entre estas duas seções; a dimensão G indica o comprimento útil da seção reduzida. Fig. 4 Principais dimensões de um CP de tração. A seção transversal pode ser circular (cilíndrica) ou retangular (chapa, com espessura t). A Fig. 5 apresenta esquematicamente a curva tensão-deformação de engenharia de um metal submetido ao ensaio de tração e algumas propriedades mecânicas determinadas nesta curva.

6 6 Fig. 5 Curva tensão-deformação de engenharia esquemática de um metal ensaiado em tração. A resistência mecânica dos materiais cerâmicos usualmente é avaliada por meio do ensaio de flexão (em três ou quatro pontos), devido ao seu comportamento frágil. Informações adicionais sobre ensaios de tração e de flexão devem ser obtidas nas apresentações de aula teórica e das referências indicadas no final deste roteiro. 2. OBJETIVOS Os objetivos desta aula prática são: i) Compreender o funcionamento de uma máquina universal de ensaios mecânicos; ii) Compreender os métodos de ensaios de tração de amostras de metais e polímeros e analisar as curvas tensão-deformação; iii) Compreender o método de ensaio de flexão de amostras de cerâmicas e determinar a resistência à fratura.

7 7 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1 Ensaio de tração Materiais Serão ensaiados quatro corpos-de-prova: dois poliméricos na forma de chapa (seção retangular) de polietileno preparado por moldagem por injeção em duas diferentes taxas de carregamento; um metálico com seção retangular preparado a partir de estampagem de chapa e outro metálico com seção circular preparado por usinagem a partir de uma barra, ambos de aço com baixo teor de carbono (1100) Metodologia de ensaio a) Meça as dimensões do CP com um paquímetro; em particular meça em pelo menos 5 posições diferentes da seção reduzida o diâmetro (para o CP cilíndrico) ou a largura e a espessura (para o CP na forma de chapa) e calcule os valores médios das dimensões e da área; b) Em um dos lados da seção reduzida do CP faça a marcação de dois pontos de referência com auxílio do gabarito e de caneta própria para a medição da deformação pelo extensômetro de vídeo; no lado oposto, introduza marcas com caneta com divisões de 5 mm ao longo da seção reduzida; c) Fixe o CP nas garras da máquina de ensaios mecânicos, mantendo alinhado o eixo longitudinal do CP com a vertical; d) Escolha o programa adequado para o ensaio, entre com os dados necessários e realize o ensaio até a fratura do CP; obtenha os dados de força e deslocamento ou deformação; e) Junte cuidadosamente as duas partes fraturadas e meça as distâncias entre os pontos de referência; f) Meça as dimensões da seção reduzida ao redor da região da fratura; g) Observe o aspecto do CP após ensaio, em particular as superfícies de topo e lateral da fratura; se for possível, registre uma foto do CP rompido Cálculos e determinações i) Trace as curvas tensão versus deformação de engenharia: a) Com detalhe da região elástica; e b) Curva total; ii) Determine nestas curvas: a) Módulo de elasticidade; b) Limite de proporcionalidade (limite elástico); c) Limite de escoamento em deformação de 0,1% e 0,2%; d) Limite de resistência; e) Tensão de ruptura; f) Deformação (alongamento) uniforme; e g) Deformação (alongamento) total; iii) Determine com base nas medidas experimentais: a) Deformação (alongamento) uniforme; b) Deformação (alongamento) total; e

8 8 c) Redução em área; iv) Determine a curva tensão versus deformação real, considerando que: a) Deformação real é dada por: ε R =ln(ε+1), onde ε é a deformação de engenharia; b) Tensão real é dada por: σ R =σ(ε+1), onde σ é a tensão de engenharia; e c) Trace as curvas real e de engenharia sobrepostas; v) Descreva o aspecto da fratura. 3.2 Ensaio de flexão Material Serão ensaiados corpos-de-prova de um revestimento cerâmico Metodologia de ensaio a) Apoie o CP sobre o dispositivo de flexão em 3-pontos e aproxime com cuidado o cutelo superior; b) Escolha o programa adequado e realize o ensaio até a fratura do CP; registre a força de ruptura; c) Meça as dimensões médias da seção do CP próximo à fratura; d) Observe o aspecto do CP após ensaio, em particular as superfícies de topo e lateral da fratura; se for possível, registre uma foto do CP rompido Cálculos e determinações i) Calcule a resistência à flexão em 3-pontos (média, desvio-padrão e coeficiente de variação); ii) Trace as curvas tensão-extensão de todos os CPs em um gráfico; iii) Descreva o aspecto da fratura. O relatório deverá ser elaborado conforme os itens indicados na Estrutura dos relatórios da Apresentação da disciplina. Analise criticamente os resultados obtidos comparando-os com dados reportados em literatura. Cada grupo deverá entregar o texto impresso e, também, a versão eletrônica em extensão pdf e a(s) planilha(s) de cálculo (e.g. Excel). Cite todas referências consultadas. REFERÊNCIAS [1] Callister, W. D. Jr, Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução; Editora LTC, 7ª. Edição [2] ASM Handbook, v. 8 Mechanical Testing and Evaluation. Ed. H. Khun e D. Medlin. Materials Park: ASM International, [3] ASTM E8/E8M 09, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, ASTM International, [4] ASTM D638 10, Standard Test Methods for Tensile Properties of Plastics, ASTM International, 2010.

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