ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA

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1 Universidade Estadual de Campinas Relatório Experimental Ensaio de Tração / Compressão, Microscopia EM423 Resistência dos Materiais ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA Grupo Integrante RA Gabriel Sabença Gusmão Lara Nagafuti dos Santos Lucas de Matos Vilas Boas Marco Nagaóka Lopes ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 1

2 Índice 1. Introdução Conceitos Objetivo Materiais e Métodos Ensaio de Tração Microscopia Eletrônica de Varredura - MEV Resultados e Discussão Ensaios de Tração - Aço Ensaios de Tração Aço Ensaios de Tração Aço Ensaios de Tração Aço Ensaios de Tração Aço Ensaios de Tração Aço Ensaios de Tração Alumínio Ensaios de Tração Alumínio Resultados e Comparações Resultados - MEV Conclusão Bibliografia ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 2

3 1. Introdução 1.1 Conceitos Os conceitos envolvidos neste experimento são os relacionados as propriedades mecânicas intrínsecas dos materiais. Dentre elas, o módulo de elasticidade axial (Módulo de Young) proveniente de experimentos envolvendo a aplicação de cargas a materiais. Ainda neste experimento serão abordados princípios envolvidos em técnicas de análise microscópica relativos a técnica de Microscopia Eletrônica de Varredura. 1.2 Objetivo Os experimentos envolvidos neste trabalho foram realizados com o objetivo de analisar e caracterizar determinados materiais, como o aço e o alumínio, quanto suas propriedades físicas e comportamento quando sujeitos a determinadas cargas e compará-las com os dados disponíveis na literatura. Dentre tais propriedades pode-se citar o Módulo de Elasticidade (Módulo de Young), a Tensão de Ruptura e a faixa de carga na qual se encontra o Regime Elástico e Dureza. Ainda neste experimento, procurou-se diferenciar, em termos de composição, impurezas presentes e morfologia, os materiais dos ensaios de tração e, a partir das partes rompidas do ensaio, analisar o tipo de fatura relacionando o mesmo as características dos materiais. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 3

4 2. Materiais e Métodos O experimento consistiu em duas etapas distintas. A primeira, de um ensaio de tração de amostras de aço e alumínio. Já a segunda, de estudo, por microscopia de varredura eletrônica, das regiões dos metais que se partiram durante o ensaio de tração. Uma amostra de jornal também foi recoberta com partículas de ouro de maneira que sua estrutura pudesse ser observada e comparada com as dos metais. 2.1 Ensaio de Tração O ensaio de tração é um dos métodos mais utilizados para caracterização de um material em termos de suas propriedades mecânicas. Trata-se de um método relativamente barato e que gera resultados e dados que podem ser aplicados aos mesmos materiais em situações cotidianas nas quais há forças envolvidas. Podendo-se determinar então o alongamento do material dada uma carga hipotética aplicada. Os aparelhos utilizados para realização dos ensaios de tração são geralmente as chamadas máquinas universais de ensaios. Servem tanto para execução de ensaios de tração quanto outros ensaios, como compressão, flexão, dobramento (deflexão) entre outros testes que não serão abordados neste experimento. Figura 2.1 Máquina Universal de Ensaios ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 4

5 A partir dos dados advindos dos ensaios de tração, são construídos gráficos de tensão e deformação que mostram como o material reage para uma determinada carga. Os materiais possuem um padrão de comportamento para baixas tensões e para tensões mais elevadas, até o ponto de ruptura. Para regiões de baixas tensões aplicadas, a lei de Hooke pode ser relacionada. Sendo regiões em que ao cessar a tensão o material recupera a forma inicial. Trata-se de comportamento elástico, em que a deformação do material varia linearmente com a tensão aplicada e a constante de proporcionalidade se chama módulo de elasticidade ou módulo de Young. dddd = EEEEEE Em que σσ é a tensão aplicada, EE o módulo de Young e εε a variação de comprimento do material. Como εε não tem unidade relacionada, o módulo de Young tem as mesmas unidades da tensão aplicada. Gráficos de tensão e deformação para as amostras de metais que foram utilizadas para os ensaios de tração serão explorados mais adiante com o intuito de se obter o módulo de Young a partir dos dados experimentais. No entanto, a região de deformação elástica, a qual a lei de Hooke pode ser aplicada, quase sempre é estreita. A partir do momento em que se cessa a relação de linearidade entre força aplicada e variação de comprimento do material, tem-se o inicio do escoamento e ocorre deformações plásticas. Esta faixa de tensão tem como principal característica a de que o material não retoma sua forma original depois de retirada a carga. 2.2 Microscopia Eletrônica de Varredura - MEV A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é ferramenta útil na caracterização morfológica, topológica e estrutural de materiais em geral. Seu princípio de funcionamento principal está na excitação eletrônica de uma amostra pela passagem de corrente elétrica e quantificação dos elétrons emitidos como resposta, em que o aparelho opera no chamado modo elétron secundário. O microscópio de varredura eletrônica é formado por alguns elementos principais, dentre eles uma coluna eletro-óptica que gera o feixe de elétrons, um compartimento onde ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 5

6 fica a amostra a pressões baixas e o sistema de detecção dos sinais, processamento e geração de dados. Figura 2.2 Microscópio Eletrônico de Varredura Outro modo de operação do microscópio eletrônico de varredura é o Raio X. Modo que geralmente é utilizado para se fazer análises elementares. Trata-se de detecção de ondas de freqüência e energia características, de forma que, a partir da intensidade e da posição da detecção na amostra, pode-se determinar quantitativamente as proporções dos elementos componentes da amostra. Os raios-x penetram mais profundamente a amostra, diferentemente do método de elétrons secundários. Dessa forma, este método é mais utilizado para caracterização topológica e morfológica da amostra, enquanto aquele empregado geralmente para caracterização da amostra em termos composicionais. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 6

7 3. Resultados e Discussão 3.1 Ensaios de Tração - Aço Foram realizados cinco ensaios de tração para amostras de aço. Todas eram constituídas por barras cilíndricas com 5mm de diâmetro. Os testes se sucederam com sensor de posição fixo nos quatro primeiro testes e com ele escorregando no último, onde não é possível a observação qualitativa de onde se dá os pontos de início de escoamento e a tensão limite deste. Mais adiante, após análise dos gráficos resultantes dos ensaios de tração e inferência dos valores de certas propriedades mecânicas dos materiais, serão utilizados como meio de comparação dados da literatura referentes as mesmas propriedades Ensaios de Tração Aço 1 Abaixo encontram-se os gráficos referentes ao ensaio de tração e compressão para a primeira amostra de aço. No Gráfico 3.1, é possível analisar todo comportamento do material quando sujeito a determinadas cargas tracionantes. x % 5% 1% 15% 2% 25% 3% 35% Gráfico 3.1 Ensaio de Tração Aço 1 ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 7

8 É notável a pequena faixa de deformação em que está compreendido o regime elástico, inferior a 1%, e a grande região de deformação elástica que segue até próximo de 33% onde está situado o ponto de ruptura em que a resistência a tração é portanto, próxima a 32MPa. No Gráfico 3.2 está delimitada somente a região de regime elástico, onde foi ajustada a reta cujo valor do coeficiente, conforme a Lei de Hooke, é o valor do módulo de Young aproximado para a barra. x y = 2,1494E+11x R² = 9,9618E-1 5,%,2%,4%,6%,8%,1%,12%,14% Gráfico 3.2 Elástica Aço 1 Para tal amostra foi obtido, conforme consta no gráfico, um módulo de Young de aproximadamente 215GPa Ensaios de Tração Aço 2 A seguir, nos Gráficos 3.3 e 3.4 encontram-se os dados referentes ao segundo ensaio de tração e compressão realizado, de maneira que no segundo está relacionada somente a parte de deformação elástica. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 8

9 x % 5% 1% 15% 2% 25% 3% 35% 4% Gráfico 3.3 Ensaio de Tração Aço 2 Como é possível observar, ponto de ruptura para aproximadamente 35% de deformação e limite de resistência a tração próximo de 32MPa. O módulo de Young é dado pelo ajuste linear para o Gráfico abaixo para aprox. 24GPa. x y = 2,3832E+11x R² = 9,9171E-1,%,2%,4%,6%,8%,1%,12%,14%,16% Gráfico 3.4 Elástica Aço 2 ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 9

10 3.1.3 Ensaios de Tração Aço 3 Adiante estão dispostos os gráficos referentes ao ensaio de tração e deformação para terceira amostra de metal e a parcela de deformação elástica do mesmo. x % 5% 1% 15% 2% 25% 3% 35% 4% Gráfico 3.5 Ensaio de Tração Aço 3 Do gráfico anterior referente a terceira amostra, pode-se concluir que o material analisado possuía tensão de ruptura próxima de 32MPa para um deformação de aproximadamente 33,5%. Já o próximo gráfico, a partir do ajuste linear dos dados referentes a faixa de tensão e deformação em que esta é elástica, estima o módulo de Young desta amostra em valor de aprox. 24GPa. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 1

11 x y = 2,3916E+11x R² = 9,9611E ,%,2%,4%,6%,8%,1%,12%,14%,16% Gráfico 3.6 Elástica Aço Ensaios de Tração Aço 4 Abaixo estão estabelecidos os gráficos referentes ao ensaio de tração e deformação da quarta amostra. x % 5% 1% 15% 2% 25% 3% 35% Gráfico 3.7 Ensaio de Tração Aço 4 ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 11

12 Em que os valores de deformação e tensão no ponto de ruptura são de aproximadamente 29% e 3,5MPa, respectivamente. x y = 1,7489E+11x R² = 9,9255E-1,%,2%,4%,6%,8%,1%,12% Gráfico 3.8 Elástica Aço 4 Estranhamente, esta amostra apresentou valor de módulo de Young determinado pela reta ajustada inferior a média das amostras anteriores. Valor este que foi de aproximadamente 175GPa Ensaios de Tração Aço 5 Para esta última amostra de aço ao sensor de posição foi permitido seu deslize pela amostra de forma que aparentemente o ponto limite de proporcionalidade, ou seja, aquele em que começa a deformação plástica ficou bem definido. O Gráfico 3.9 revela tal fato. Do mesmo gráfico se infere que, no ponto de ruptura, a deformação foi de aprox. 17,5% e tensão no ponto de ruptura de aproximados 32%. Já no Gráfico 3.1 encontram-se os dados pautados na faixa de deformação linear do material e onde, conforme feito anteriormente, foi definido o valor de módulo de Young com base no coeficiente angular da reta ajustada. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 12

13 x % 5% 1% 15% 2% Gráfico 3.9 Ensaio de Tração Aço 5 Aparentemente, o fato de o sensor poder deslizar influenciou no valor de deformação máxima no ponto de ruptura assim como no valor de módulo de Young que ficou de aprox. 163GPa. Os valores de tensão de ruptura e os outros valores de propriedades mecânicas inferidos serão comparados com os da literatura. x y = 1,6264E+11x R² = 9,9294E-1,%,5%,1%,15%,2%,25%,3% Gráfico 3.1 Elástica Aço 5 ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 13

14 3.2 Ensaios de Tração Alumínio Foram realizados quatro ensaios de tração para amostras de alumínio. Todas estas tinha diâmetro de 5mm com exceção da primeira que possuía 4,9mm. A seguir estão relacionados os dados referentes aos experimentos Ensaios de Tração Alumínio 1 Dados referentes ao ensaio de tração e deformação e a parte elástica do mesmo encontram-se nos gráficos abaixo, respectivamente. x % 2% 4% 6% 8% 1% 12% 14% 16% Gráfico 3.11 Ensaio de Tração Alumínio 1 A partir do gráfico pode-se observar que o alumínio possui região linear de deformação elástica mais extensa que a do aço em termos de deformação alcançada para uma menor tensão aplicada. Já o ponto de ruptura está próximo de 12,8% para uma tensão aplicada de aprox. 17MPa. Já do Gráfico 3.12 abaixo pode-se concluir que o material tem um módulo de Young menor, de aproximadamente 66GPa. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 14

15 x y = 6,5695E+1x R² = 9,9521E ,%,5%,1%,15%,2%,25%,3%,35% Gráfico 3.12 Elástica Alumínio Ensaios de Tração Alumínio 2 Abaixo encontram-se os dados expostos em gráficos para a segunda amostra de alumínio, de onde pode-se inferir, a partir do Gráfico 3.13, que a tensão e a deformação no ponto de ruptura são de aprox. 17,5MPa e 14,8%, respectivamente. x % 5% 1% 15% 2% Gráfico 3.13 Ensaio de Tração Alumínio 2 ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 15

16 Já do Gráfico 3.14 pode-se estimar o módulo de Young para a amostra de aprox 67,5GPa, dado pelo ajuste linear dos dados. x y = 6,7477E+1x + 7,2161E+6 R² = 9,9833E ,%,5%,1%,15%,2%,25%,3%,35% Gráfico 3.14 Elástica Alumínio Ensaios de Tração Alumínio 3 Para terceira amostra de alumínio foram feitos os gráficos a seguir que, ao serem analisados, pode-se inferir, a partir do Gráfico 3.15, a tensão e deformação no ponto de ruptura em aprox. 17,5MPa e 15%, respectivamente. O Gráfico 3.16 por outro lado revela o valor do Módulo de Young dado pelo ajuste da parte linear dos dados em aprox. 66GPa. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 16

17 x % 5% 1% 15% 2% Gráfico 3.15 Ensaio de Tração Alumínio 3 x y = 6,5732E+1x R² = 9,9513E ,%,5%,1%,15%,2%,25%,3%,35% Gráfico 3.16 Elástica Alumínio Ensaios de Tração Alumínio 4 Os gráficos a seguir refletem os dados deste último ensaio de tração. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 17

18 x % 2% 4% 6% 8% 1% 12% 14% 16% Gráfico 3.17 Ensaio de Tração Alumínio 4 Do gráfico anterior temos que no ponto de ruptura os valores de tensão e de deformação foram de aprox. 18MPa e 13%, respectivamente. Já do próximo gráfico, o módulo de Young obtido foi de aprox. 65GPa x y = 6,5188E+1x R² = 9,9815E-1,%,5%,1%,15%,2%,25%,3% Gráfico 3.18 Elástica Alumínio 4 ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 18

19 3.3 Resultados e Comparações Abaixo está a tabela comparativa entre os dados obtidos e os dados que constam na literatura. Modulo de Tensão de Ruptura Alongamento / Elasticidade (Young) [MPa] [%] [GPa] Amostras Aço Alumínio Aço Alumínio Aço Alumínio 1 214,9 65,7 322,7 177,6 32,7 12, ,3 67,5 321, 178, 35,5 14, ,2 65,7 315,9 177,2 33,3 15, ,9 65,2 329, 184,3 29,5 12, ,6-323,8-18,1 - Literatura 26,2 69, Tabela 3.1 Resultados e Comparações 3 Aparentemente os dados da literatura estão de acordo com os dados experimentais. Contudo, para as amostras 4 e 5 de aço, o fato de ao sensor de posição ter sido permitido o seu livre escorregamento pode ter levado a grande discrepância em relação ao valor tabelado. O alongamento do Alumínio varia muito de acordo com os elementos componentes de sua liga. Dessa forma, o alumínio foi tratado como se a amostra fosse semelhante aos dados da nota de rodapé. Já os dados da literatura para o alongamento do aço foram buscados de forma a coincidir com o alongamento médio experimental. Portanto, os valores foram retirados para ligas de aço carbono forjadas padrões. 1 (Perry, 1999) Liga de Aço Carbono 45 (11,5-14,5% Cr;,8% C; 1,% Mn; 1,% Si;,4% P e,3% S) 2 (Perry, 1999) Alumínio (,25% Cu; 9,5-1,6% Mg;,15% Mn;,25% Si) 3 (Perry, 1999) 7 F/21 C, Aço carbono com mais de 3% de carbono e Ligas de Alumínio em Geral ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 19

20 A tensão de ruptura possui variação muito grande de acordo com o tratamento que foi dado ao material. Há ligas de aço que são tratadas para utilização em situações especificas que podem ter resistência a tração quase 3 vezes maior que aços comuns. 3.4 Resultados - MEV Dados referentes a dureza são relativos, ou seja, não são propriedades intrínsecas dos materiais e sim, critérios de medidas adotados com as mais diversas unidades e relacionados empiricamente sem nenhuma base teórica. Contudo, de forma geral, a dureza é uma medida que estima a capacidade do material a resistir determinada carga sem sofrer deformações permanentes que, para o aço, pode variar geralmente em torno de 13 e 16 HB e para o alumínio entre 19 e 6 HB. Assim, podemos relacionar os dados de dureza pelas fotos de MEV. Sendo a dureza uma medida da intensidade das interações intermoleculares, o aço, por ser mais duro, ao fraturar exibe menor deformação por alongamento plástico de suas cadeias como é possível observar pela Figura 3.1 abaixo. Figura 3.1 MEV- Ruptura Aço A figura também revela os grandes grãos que constituem a liga de aço. Grãos estes que não possuem grande mobilidade. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 2

21 Já no Alumínio, por ser menos duro, seus átomos possuem menor intensidade de interação e dessa forma podem se deformar e deslocar uns sobre outros formando na ruptura como uma colméia. A Figura 3.2 a seguir torna claro o que foi explicitado. Figura 3.2 MEV- Ruptura Alumínio Através de método de análise quantitativa do aparelho de Microscopia Eletrônica de Varredura no modo raios-x, pode-se fazer análise da composição da liga de alumínio pela contagem de pontos que emitiam a energia específica da análise em comparação com os que não como na Figura 3.3. Figura 3.3 MEV- Raio-X AlNb ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 21

22 Dessa maneira, pela análise da intensidade de emissão determinou-se que a liga era praticamente 5% de cada elemento (Al e Nb) em termos atômicos e 78,1% de Nb 21,9% de Al em massa. Ainda se tratando de MEV, para demonstrar a versatilidade do aparelho e do método como um todo um pedaço de jornal foi recoberto com partículas de ouro e foi introduzido no compartimento de amostras do aparelho. Tais partículas serviram como contraste para que o bombardeamento com elétrons fosse ajustado para sinalizar a posição das partículas de ouro sobre o material. Portanto, conseguiu-se uma visão geral da morfologia e amorfidade do material celulósico conforme a Figura 3.3. Figura 3.4 MEV- Jornal recoberto com Ouro ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 22

23 4. Conclusão O experimento serviu como base de comparação entre propriedades mecânicas contidas na literatura e as calculadas empiricamente. Alguns dos ensaios resultaram em valores discrepantes para o módulo de Young como as amostras 4 e 5. A amostra 5, em particular, talvez pelo fato de o sensor de posição poder se deslocar, também acarretou numa deformação de ruptura muito distante do valor diferente. Por outro lado, os dados para as três primeiras amostras de aço e de todas as amostras de alumínio revelaram propriedades mecânicas semelhantes as encontradas na literatura tanto em termos de alongamento quanto de módulo de Young e tensão de ruptura. A MEV serviu para comparação em termos de dureza e sua explicação teórica relacionada as interações entre os átomos de cada liga. Mais além, o mesmo método utilizado para o jornal que é composto de celulose revelou a característica amorfa de sua estrutura. Portanto, com objetivo de introdução as propriedades dos materiais e caracterização morfológica e topológica, o experimento obteve sucesso. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 23

24 5. Bibliografia Perry. (1999). Perry's Chemica Engineers' Handbook. In R. H. Perry, & D. W. Green, Robert H. Perry (pp. 12, ). McGraw-Hill. ENSAIO DE TRAÇÃO/COMPRESSÃO, MICROSCOPIA p. 24