TM229 Introdução aos Materiais ENSAIOS MECÂNICOS Prof. Adriano Scheid Capítulos 6 e 8 - Callister

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1 TM229 Introdução aos Materiais ENSAIOS MECÂNICOS Prof. Adriano Scheid Capítulos 6 e 8 - Callister

2 Introdução: Propriedades mecânicas indicam o comportamento dos materiais quando sujeitos a esforços de natureza mecânica, representando a capacidade de resistir ou transmitir esforços sem romper ou deformar além do previsto. Estas propriedades são determinadas a partir de ensaios mecânicos padronizados, os quais podem ser utilizados para diversos fins, tais como: Ensaio Qualificação de metal de adição Atividades de Soldagem Qualificação de procedimento de soldagem Qualificação de soldadores Tração Uniaxial X X --- Dobramento --- X X Fratura --- X X Dureza --- X --- Impacto Charpy X X --- Impacto Drop- --- X ---

3 Ensaios Mecânicos

4 Ensaio de Tração Uniaxial Conceito: O ensaio de tração consiste em submeter um corpo de prova padronizado a força de tração uniaxial crescente até a sua ruptura. Máquinas Universais de Ensaios: O ensaio é realizado em máquinas universais de ensaios (MUE), que podem ser hidráulicas ou mecânicas (fuso). As máquinas hidráulicas (mais antigas) apresentam limitação de controle da velocidade de ensaio. Atualmente, máquinas com acionamento servo-hidráulico podem controlar adequadamente a velocidade; As máquinas mecânicas (com fuso) apresentam controle de velocidade e apresentam menor investimento quando a finalidade é a realização de ensaio de tração uniaxial.

5 Ensaio de Tração Uniaxial Procedimento de ensaio Máquina Universal de Ensaios

6 Propriedades Mecânicas em Tração - Normas Outras Normas: NBR Materiais metálicos Ensaio de tração à temperatura ambiente. ASTM E8 - Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials ISO 6892 Metallic materials -Tensile testing at ambient temperature DIN Testing of metallic materials - Tensile test pieces (Foreign Standard)

7 Propriedades Mecânicas em Tração Corpos de Prova: 1- Os corpos de prova para ensaio de tração uniaxial deverão seguir uma norma de referência; 2- As dimensões deverão ser adotadas respeitando a capacidade da máquina universal de ensaios. 3- Os corpos de prova apresentam seções normalmente circulares ou retangulares, podendo ser semi-coroa circular quando forem preparados a partir de tubos. 4- Os corpos de prova usados no ensaio de tração uniaxial apresentam três regiões distintas: região de agarre (cabeça), raio de concordância e região útil.

8 Propriedades Mecânicas em Tração

9 Propriedades Mecânicas em Tração Ensaio em seções tubulares

10 Propriedades Mecânicas em Tração Fixação dos Corpos de Prova na MUE a- por cunha, b por rosca, c por flange e d por assentamento esférico.

11 Propriedades Mecânicas em Tração ASTM A 370

12 Propriedades Mecânicas em Tração

13 Propriedades Mecânicas em Tração A padronização dos corpos de prova permite: 1- a fácil adaptação do corpo de prova à MUE; 2- evitar sobredimensionamento e inviabilização do ensaio; 3- facilitar a determinação das propriedades em tração; 4- comparar valores de propriedades com outros ensaios; 5- eliminar falhas na fabricação dos corpos de prova que interferem no ensaio.

14 Tensão Propriedades Mecânicas em Tração Limite de Escoamento ou resistência ao escoamento A resistência ao escoamento poderá ser determinada pela divisão da força de escoamento pela área da seção transversal inicial da região útil do corpo de prova. Neste caso, é dito Limite de Escoamento Nítido e poderá ser calculado como superior ou inferior. Tensão de Escoamento Superior R e = F e / A 0 Tensão de Escoamento R e Tensão de Escoamento Inferior Deformação

15 Tensão Propriedades Mecânicas em Tração Limite de Escoamento ou resistência ao escoamento A resistência ao escoamento poderá ser determinada pela divisão da força atingida em um percentual de deformação plástica pela área da seção transversal inicial da região útil do corpo de prova e será chamado de Limite de Escoamento de Engenharia ou convencional. Tensão de Escoamento R 0,002 Elástica Plástica R 0,002 = F 0,002 / A 0 Deformação 0,002

16 Tensão Propriedades Mecânicas em Tração Limite de Resistência à Tração ou resistência mecânica A tensão máxima ou limite de Resistência à tração é a máxima tensão suportada pelo material submetido a ensaio de tração. A partir do escoamento, o material: a- se deforma plasticamente até o máximo M da curva (deformação uniforme) com encruamento associado. R m F m M F F r b- Entre M e F, a tensão cai, como resultado do coaslescimento de microcavidades, o que resulta na estrição do corpo de prova. R m = F m / A 0 R r = F r / A 0 (menos usual) Deformação

17 Propriedades Mecânicas em Tração A ductilidade é uma medida do grau de deformação plástica até a fratura. A ductilidade pode ser medida pelo aumento de comprimento a partir da marcação do corpo de prova ou por extensômetros. Alongamento (A%): A%

18 Propriedades Mecânicas em Tração A ductilidade pode ser medida pela Estricção ou Redução de Área (Z%): Estricção (Z%): Z%

19 Propriedades Mecânicas em Tração Uniões Soldadas Corpos de Prova Soldados Para ensaio de tração em soldas, os corpos de prova poderão ser retirados na direção do cordão, conforme segue:

20 Propriedades Mecânicas em Tração Uniões Soldadas Corpos de Prova Soldados Os corpos de prova poderão ser retirados com o cordão no seu centro, em referência à norma API 1104/1994: As bordas deverão ser lisas e paralelas O reforço da solda não deverá ser removido, conforme norma API 1104/94.

21 Propriedades Mecânicas em Tração Uniões Soldadas Critérios de Avaliação conforme API 1104 / 1994: A resistência à tração da solda, incluindo a zona de fusão de cada CP, deverá ser maior ou igual à resistência à tração especificada para o material da tubulação, mas não necessáriamente superior à resistência do material usado. 1- Para ruptura fora do cordão (fora da zona de fusão): Quando a resistência é igual ou superior à mínima tensão de tração especificada para a tubulação, a solda deverá ser aceita e considerada conforme os requisitos. 2- Para ruptura no cordão de solda (na zona de fusão): Quando a resistência à tração é maior ou igual à especificação da tubulação e são atendidos requisitos de penetração, fusão, porosidade e inclusões (em nickbreak), a solda deverá ser aceita. 3- Para ruptura abaixo da resistência mínima especificada para o material da tubulação, a solda deverá ser rejeitada e outro teste deverá ser preparado.

22 Ensaio de Impacto

23 Ensaio de Impacto Charpy-Izod (ASTM A 370) Conceito: O ensaio de impacto consiste em submeter um corpo de prova pré-entalhado e apoiado a uma carga dinâmica aplicada por meio de um pêndulo (martelo), liberado a partir de uma altura pré-determinada. O pêndulo atinge o centro do corpo de prova no lado oposto do entalhe (charpy) ou no lado do entalhe (Izod), vindo a fraturá-lo.

24 Ensaio de Impacto Charpy-Izod (ASTM A 370) Tipos de ensaio de impacto:

25 Tenacidade em Impacto Charpy (ASTM A 370) Escala Ponteiro Posição Inicial Martelo de Impacto Posição Final CP Apoio

26 Tenacidade em Impacto Charpy (ASTM A 370) Cutelo de Impacto CP Entalhe V

27 Tenacidade em Impacto Charpy (ASTM A 370) Aspectos Importantes: 1- Padronização de Corpos de Prova, 2- Acabamento superficial dos Corpos de Prova / Entalhe, 3- Tipo de Cutelo de Impacto, 4- Calibração dos Equipamentos (Comprimento do eixo de rotação ao centro de impacto, Massa do pêndulo, Perdas por atrito, Termopares / Termômetros).

28 Corpos de Prova para Impacto Charpy (ASTM A 370)

29 Corpo de Prova para Impacto Izod (ASTM A 370)

30 Tenacidade em Impacto Char Ensaio Charpy Detalhes Máquina

31 Corpo de Prova padrão para Impacto Charpy (ASTM A 370)

32 Corpos de Prova Sub-size - Impacto Charpy (ASTM A 370)

33 Avaliações do Ensaio de Impacto Energia Absorvida em Corpo de Prova Padronizado Aspecto da Superfície de Fratura Contração Lateral (medida da ductilidade) Temperatura de Transição Dúctil-Frágil Ensaio usado para: - Avaliar a influência de elementos de liga - Avaliar diferentes tratamentos térmicos - Controle de Qualidade e testes de aceitação de materiais.

34 Energia de Impacto (J) Fratura por Cisalhamento (%) Transição Dúctil-Frágil Temperatura ( 0 F) Energia de Impacto Fratura por Cisalhamento Temperatura ( 0 C)

35 Energia de Impacto (J) Transição Dúctil-Frágil Alguns fatores que afetam a transição Dúctil-Frágil Estrutura cristalina Metais de Baixa Resistência CFC e HC Metais de Baixa Resistência - CCC Materiais de Elevada Resistência Temperatura ( 0 C)

36 Transição Dúctil-Frágil Alguns fatores que afetam a transição Dúctil-Frágil em aços. Teor de Carbono Eleva a temperatura de transição dúctil-frágil.

37 Transição Dúctil-Frágil Alguns fatores que afetam a transição Dúctil-Frágil em aços. Direção de Conformação

38 Ensaio de Impacto Charpy Procedimento de Ensaio em temperatura ambiente 1- Posicionar o corpo de prova pré-entalhado na posição de impacto, centralizando o mesmo a partir do entalhe 2- Zerar o ponteiro de arraste na escala do equipamento 3- Liberar o pêndulo de impacto e fraturar o corpo de prova 4- Realizar a leitura da energia absorvida na escala lateral 5- Medir a contração lateral com auxílio de paquímetro

39 Ensaio de Impacto Charpy Procedimento de Ensaio em baixa temperatura 1- Preparar a solução criogênica (Nitrogênio líquido, gelo seco + álcool, Gelo seco + metil-etil-cetona, outros) e ajustar a temperatura com auxílio de termômetro ou termopar. 2- Mergulhar os corpos de prova pré-entalhados na mistura criogênica e mantê-los mergulhados por 5 minutos, mantendo na temperatura de interesse. 3- Zerar o ponteiro de arraste na escala do equipamento 4- Em tempo máximo de 5 segundos: colocar o corpo de prova pré-entalhado na posição de impacto, centralizá-lo a partir do entalhe, liberar o pêndulo e fraturar o corpo de prova. 5- Realizar a leitura da energia absorvida na escala lateral

40 Ensaio de Impacto Charpy Procedimento de Ensaio em Soldas 1- Definir a região da solda que será avaliada, podendo ser: Metal base, ZAC ou Cordão de solda. 2- Usinar corpos de prova com comprimento maior que o CP padrão de 55mm. 3- Realizar macroataque químico, visando revelar as três regiões da solda. 4- Entalhar com brochadeira ou fresa a região de interesse que será avaliada no ensaio. 5- Cortar os corpos de prova na dimensão de 55mm a partir da posição do entalhe. 6- Realizar ensaio conforme procedimentos anteriormente mostrados.

41 Propriedades Mecânicas Ensaios de Dureza Dureza - Conceito: Resistência à deformação plástica localizada causada por um indentador Principais Métodos: - Brinell - Rockwell - Vickers - Knoop

42 Aspectos Importantes: Ensaio de Dureza 1- Preparação de Corpos de Prova: Superfície isenta de óxidos, graxas, óleos, sujeiras. Superfície Plana e perpendicular ao Penetrador 2- Seleção do método de Dureza em função da operacionalização, homogeneidade do material, espessura, objetivo do controle, entre outros. 3- Cuidado com o manuseio dos indentadores (instalação e desinstalação), 4- Calibração dos Equipamentos (Direta: força, dimensional do penetrador e sistema ótico (escala) ou relógio comparador. Indireta: Uso de blocos padrão de dureza certificados em cada escala a ser usada). 5- Verificação de funcionamento (blocos padrão).

43 Dureza Brinell J. A Brinell, 1900, primeiro método aceito e padronizado. O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço, de diâmetro D, sobre uma superfície através de uma força F, durante um tempo t. A compressão da esfera produz uma impressão permanente em forma de calota esférica de diâmetro d, que é medida por meio de um micrômetro ótico (microscópio ou lupa graduada), depois de removida a força. A medida d é a média de duas medições a 90º uma da outra.

44 Dureza Brinell Representação do Princípio:

45 Dureza Brinell Escalas: A dureza Brinell é representada pelos seguintes símbolos: 1- HB ou HBS, quando o penetrador é uma esfera de aço; utilizada em materiais que não excedam a dureza Brinell de HBW, quando o penetrador é uma esfera de metal duro, utilizada em materiais que não excedam a dureza Brinell de 650.

46 Dureza Brinell Representação dos resultados: O número de dureza Brinell deve ser seguido pelo símbolo HB, seguido pelo diâmetro da esfera, força e tempo de penetração. Exemplo: 350 HBS 5/750 Dureza Brinell de 350, determinado com esfera de aço com 5mm de diâmetro e força de ensaio de 7355 N, durante 10 a 15 segundos. Forças de Ensaio - Restrições 1- O diâmetro da impressão (d) deve estar entre 0,24 e 0,60D 2- A relação F/D² deve ser constante: F/D² = 30 para durezas entre 95 e 415 kgf/mm² F/D² = 10 para durezas entre 30 e 140 kgf/mm² F/D² = 5 para durezas entre 15 e 70 kgf/mm² F/D² = 2,5 para durezas até 30kgf/mm²

47 Dureza Rockwell Stanley P. Rockwell, 1919, método de dureza que utiliza uma pré-carga. Alia a rapidez, a facilidade de execução e o pequeno tamanho de impressão. O ensaio de dureza Rockwell está baseado na profundidade de penetração de uma ponta, subtraída da recuperação elástica decorrente da retirada da carga principal. A pré-carga serve para garantir o contato firme do penetrador com a superfície da peça cuja dureza será medida.

48 Dureza Rockwell Representação do Princípio: Rockwell Normal: Pré-carga de 10 kgf Rockwell Superficial: Pré-carga de 3 kgf Uma unidade Rockwell normal equivale a 2 m de profundidade de penetração. Uma unidade Rockwell superficial equivale a 1 m de profundidade de penetração.

49 Dureza Rockwell Escalas: A dureza Rockwell é representada pelos seguintes símbolos: 1- HR, que significa Hardness Rockwell, 2- Letras A, B, C, D e assim por diante, representam a escala de dureza utilizada para o ensaio. Exemplo: 59 HRC Dureza Rockwell de 59, medida na escala C.

50 Dureza Vickers Smith e Sandland, 1925, levando o nome da Companhia Vickers-Armstrong Ltda, pioneira na fabricação deste tipo de máquina de ensaio de dureza. O ensaio de dureza Vickers está baseado na resistência à penetração de uma pirâmide de diamante com base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob determinada força. Uma vez que o penetrador é de diamante e que as impressões de dureza tem o mesmo formato independentemente da carga usada, diz-se que o número de dureza é o mesmo quaisquer que sejam as formas usadas no ensaio, desde que os materiais sejam homogêneos.

51 Dureza Vickers Representação do Princípio:

52 Dureza Vickers Escalas: A dureza Vickers é representada pelos seguintes símbolos: 1- HV, que significa Hardness Vickers, 2- A carga utilizada no ensaio em kgf. Exemplo: 500 HV10 Dureza Vickers de 500, medida com carga de 10 kgf.

53 Dureza Knoop Frederick Knoop, National Bureau of Standards (agora NIST USA), O ensaio de dureza Knoop está baseado na resistência à penetração de uma pirâmide de diamante com base rômbica e ângulo entre faces de 130º e 172º30, sob determinada força. A profundidade de penetração é de cerca de 1/30 do seu comprimento.

54 Dureza Knoop Representação do Princípio:

55 Dureza Knoop Escalas: A dureza Knoop é representada pelos seguintes símbolos: 1- HK, que significa Hardness Knoop, 2- A carga utilizada no ensaio em kgf. Exemplo: 500 HK1 Dureza Knoop de 500, medida com carga de 1kgf.