O procedimento de cada ensaio em geral está normalizado.

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1 ENSAIOS MECÂNICOS Permitem perceber como os materiais se comportam quando lhes são aplicados esforços Tipos Ensaios Destrutivos Ensaios Não Destrutivos provocam a inutilização do material ensaiado 1 Objectivo dos ensaios Na indústria Na investigação Para controlar a qualidade de produção Para comparar e seleccionar materiais O procedimento de cada ensaio em geral está normalizado. A norma de ensaio especifica o método correcto que torna os resultados obtidos, para o mesmo material, reprodutíveis onde quer que se faça o ensaio NP Norma Portuguesa NP EN European Norm ASTM American Society for Testing Materials DIN Deutches Institut für Norming AFNOR Association Francaise de Normalisation ISO International Organization for Standadization 2 BSI British Standards Institution

2 Ensaios mecânicos Ensaio de tracção Ensaio de dobragem Ensaio de dureza Ensaio de choque Ensaio de fadiga (solicitações cíclicas) Ensaio de fluência 3 Ensaio de tracção MPa 6 5 F F, L L,5,1,15,2,25,3 extensão adimensional 4

3 23 Ensaio de tracção extensómetro célula de carga provete NP EN (26) - Materiais metálicos: Ensaio de tracção. Parte 1: Método de ensaio (à temperatura ambiente) solicitar provete com uma força de tracção uniaxial, continuamente crescente até à rotura. deformação no provete Máquina de tracção Registo: força e alongamento com instrumentação apropriada 5 Ensaio de tracção Extensómetro 6

4 Medicão de extensões célula de carga = L/L e extensómetro provete F L e L extensómetros medem a variação de comprimento L (deformação) entre dois pontos distanciados inicialmente dum valor, designado por base de medida L e 1 F Medição de extensões L célula de carga extensómetro provete extensómetros de pequena base de grande base base 1 cm (laboratório) de base até alguns metros; principalmente nas obras L extensómetros mecânicos extensómetros acústicos ou de corda vibrante extensómetros eléctricos de resistência extensómetros ópticos 11

5 extensómetros ampliação relação entre a distância percorrida pela agulha indicadora na escala do aparelho e a grandeza a medir equivalente; campo de medida maior valor da grandeza a medir que se consegue avaliar, com o aparelho sensibilidade menor valor da grandeza a medir que se pode detectar com o aparelho. 12 extensómetro célula de carga provete Diagrama NP EN 12-1:26 tensão/extensão F L e S σ = R = F S ε = L L e área da secção inicial deformação L L e comp to de base do extensómetro 13

6 célula de carga extensómetro provete σ = F S L ε = L e F L e Por ex. (Força convencional Unitária) B B A C D L OO' 14 extensómetro célula de carga provete σ = F S L ε = L e forma e amplitude depende composição, tratamento térmico, história anterior de deformação plástica, velocidade de deformação, temperatura e estado de tensão. (Força Unitária) B B A C D 15 OO'

7 zona inicial OA proporcionalidade entre as tensões e as extensões σ = Eε lei de Hooke módulo de elasticidade ou módulo de Young (Força Unitária) B B A C D OO' 16 C módulo de elasticidade ou módulo de Young a) B B A D constante para cada metal ou liga metálica, OO' medida da rigidez do material, quanto maior for o módulo de elasticidade, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma determinada tensão E depende das forças inter-atómicas Se num determinado tipo de aço, por exemplo, as resistências mecânicas puderem aumentar apreciavelmente através de factores que afectem a sua estrutura (tratamentos térmicos, pequenas adições de elementos de liga, etc.), esses factores praticamente 17 não influem no módulo de elasticidade do material.

8 Metais Ferro, Níquel Molibdénio Cobre Alumínio Magnésio Zinco Zircónio Estanho Berílio Ósmio Titânio Chumbo Ródio Nióbio Ouro, Prata Platina Módulo elasticidade (MPa) Ligas Metálicas Aços-carbono e aços-ligados Aços inoxidáveis austeníticos Ferro fundido nodular Bronzes e Latões Bronzes de Manganês Bronzes de Alumínio Ligas de Alumínio Monel (liga de Níquel) Hastelloy (liga de Níquel) Invar (liga de Níquel-ferro) Inconel (liga de Níquel) Illium (liga de Níquel) Ligas de Titânio Ligas de Magnésio Ligas de Estanho Ligas de Chumbo Módulo de elasticidade (MPa) lei de Hooke só é válida até ao ponto A tensão limite de proporcionalidade tensão para a qual a extensão deixa de ser proporcional ao esforço aplicado Em OA comportamento elástico (Força Unitária) B B A C D deformação reversível, sempre que se efectue uma descarga A curva de descarga segue a curva de carga OO' sem deformação residual, ou seja, o provete volta à forma e dimensões originais 19

9 tensão limite de elasticidade máxima tensão que o material pode suportar sem sofrer deformação permanente A linearidade termina em A mas até B o material ainda tem comportamento elástico. (Força Unitária) B B A C D Em geral, (Carbono baixo e médio) A B OO' B acima de A ou ao contrário 2 Depois de B, o aço entra no domínio plástico Curva de descarga passa a não coincidir com a curva de carga (Força Unitária) B B A C D deformação residual permanente OO' 21

10 Deformação/ OO TOTAL = elástica+plástica (Força Unitária) B B A C D Deformação/ OO plástica residual permanente OO' def. plástica def. elástica def. total 22 comportamento elástico transição variável comportamento plástico alguns metais em particular aços <<C Exibem efeito de cedência ocorre uma deformação plástica sem aumento da força Zona instável deformação heterogénea 23

11 Durante esta instabilidade alterações superficiais visíveis a olho nu linhas inclinadas de cerca de 45º em relação ao eixo de tracção, conhecidas como bandas de Lüders ferro impuro aços de baixo teor de carbono, cádmio, zinco, alumínio e suas ligas, molibdénio e titânio. aços ligados com níquel e crómio. (cedência praticamente sob tensão constante) 24 comportamento plástico Deformação permanente 25

12 R eh R el Efeito transitório inicial R eh ReL Efeito transitório inicial R eh ReL R el 26 tensão de cedência superior (R eh ) valor da tensão convencional no instante, em que se observa a primeira queda da força; tensão de cedência inferior (R el ) menor valor da tensão convencional durante a cedência, desprezando eventuais fenómenos transitórios. 27

13 metais e ligas metálicas em que não aparece nitidamente o fenómeno da cedência o ponto de separação das zonas elástica e plástica???? se interromper o ensaio de tracção na fase plástica A R pη deformação permanente residual ou plástica % 28 o ponto de separação das zonas elástica e plástica método gráfico depois do ensaio limite convencional de proporcionalidade R pŋ descarga? A Procede-se à descarga a partir de uma tensão até à obtenção de uma R pη extensão permanente especificada, determinando-se o limite convencional de elasticidade R rŋ % 29

14 descarga limite convencional de elasticidade R rŋ Procede-se à descarga a partir de uma tensão até à obtenção de uma extensão permanente especificada η η 3 Em geral η =,2% (,2 por unidade de comprimento) ligas metálicas que se deformam relativamente pouco, de médio e alto teor de carbono ou ligas não ferrosas duras aços para molas η =,1% (,1 por unidade de comprimento) η =,1% (,1 por unidade de comprimento) 31

15 tensão de rotura à tracção R m F R m = S m força máxima área secção inicial da zona útil do provete estricção Na estricção a secção real vai diminuindo 32 e r a l σ = F S B' B' convencional 33

16 Aço o macio é um aço cujo diagrama tensão/extensão apresenta patamar de cedência. 34 T.de rotura T.de cedência R m R e ,5,1,15,2,25,3 extensão total na força máxima A gt Indicadores da resistência Indicador da ductilidade 35

17 Rm - tensão de rotura R m Ag - extensão permanente na força máxima Agt - extensão total na força máxima A g A gt (ε max ) A A - extensão após rotura At - extensão total na rotura A t 36 Ductilidade Capacidade de um aço se deformar plasticamente sem romper, depois de ultrapassado o limite elástico Pode ser caracterizado por vários parâmetros: 1. A gt total na força máxima 2. R m /R e relação entre a tensão de rotura e tensão de cedência 3. A após rotura 4. Z Coeficiente de estricção 5. ET Tenacidade corresponde à capacidade do material de se deformar plasticamente e absorver energia antes da rotura 6. Índice de tenacidade I d 37

18 1. A gt total na força máxima 2. R m /R e relação entre a tensão de rotura e tensão de cedência T.de rotura T.de cedência R m R e ,5,1,15,2,25,3 extensão A gt total na força máxima A após rotura 4. Z Coeficiente de estricção extensão após rotura coeficiente de estricção A Z (2 dos) indicadores da ductilidade comportamento dúctil rotura é precedida de uma deformação plástica bastante intensa Exs. Os aços com C <<<, o cobre, o alumínio, o chumbo e o ouro comportamento frágil apresenta pequena deformação plástica antes da rotura isto é, a rotura dá-se muito próximo do limite de elasticidade Exs. aços de médio e alto teores de carbono e alguns tipos de ferros fundidos. 39

19 3. após rotura A A = (L u L L ) 1 L u L comprimento final entre referências : comprimento inicial entre referências frágil dúctil 1 Como considerar L?? 4 NP EN 1 2 Se circular L =5Ø Provetes maquinados ou não maquinados proporcionais não proporcionais L = k S k = 5,65 Lo > 2mm Se S <<< k=11,3 41

20 4. coeficiente de estricção Z Z = (S o S S u ) 1 Frágil Z < S S u área da secção inicial do provete área da secção final do provete Dúctil Z > Dúctil Z > Frágil Z < ET I d Tenacidade corresponde à capacidade do material se deformar plasticamente e absorver energia antes da rotura Índice de tenacidade Tenacidade (ET) corresponde à capacidade do material de se deformar plasticamente e absorver energia antes da rotura ET=EE+EP resiliência (ou energia elástica) EE EE 45

21 resiliência (ou energia elástica) capacidade de um metal absorver energia quando se deforma elasticamente, devolvendo essa energia após a descarga do esforço que provocou a deformação (EE) R R - de cedência superior ou tensão limite convencional de proporcionalidade EE 46 tenacidade (ET) corresponde à capacidade do material de se deformar plasticamente e absorver energia antes da rotura. Módulo de tenacidade (ou simplesmente tenacidade) energia absorvida até à rotura,, por unidade de volume do material (U r ) Módulo de tenacidade (ou simplesmente tenacidade) energia absorvida até à carga máximam xima,, por unidade de volume do material (ET) (ET=EE+EP) 47

22 Módulo de tenacidade (ou simplesmente tenacidade) energia absorvida até à rotura,, por unidade de volume do material (U r ) Aço (,13%C) Aço (,25%C) Aço (,53%C) Aço (1,2%C) R e MPa R m MPa A gt % U r mm N/mm Módulo de tenacidade (ou simplesmente tenacidade) energia absorvida até à carga máximam xima, por unidade de volume do material (ET) 1%C,7%C,55%C,23%C,11%C 48 Variação com o teor em C 1%C,7%C,55%C,23%C,11%C 49

23 Módulo de tenacidade (ou simplesmente tenacidade) energia absorvida até à rotura,, por unidade de volume do material (U r ) Ur mm N/mm 3 Unidades??? (área no diagrama) tensão extensão MPa sem unidades=mpa Módulo de tenacidade (ou simplesmente tenacidade) energia absorvida até à carga máximam xima, por unidade de volume do material (ET) N mm mm mm N 2 = mm 3 mm mm 2 2 = 3 mm MPa mm = 3 mm MPa 5 Tenacidade corresponde a um modo de avaliar a ductilidade importante para projecto de peças que podem estar sujeitas a tensões na zona plástica sem atingir a rotura Exs: : engrenagens, engates, molas, correntes, e também m armaduras de betão. Índice de tenacidade Variável adimensional I d = ET EE = EE + EP EE pg44 Sergio Souza Tenacidade pode ser determinada pela energia absorvida num ensaio de choque 51

24 > resiliência < resiliência 52 < tenacidade > tenacidade material frágil tem uma maior resiliência e menor tenacidade que o material dúctil. 53

25 Variação com o tratamento térmico Varões de aço para betão armado ARMADURAS ORDINÁRIAS REBAP Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-esforçado, Decreto-Lei 349-C/83 Especifica os tipos de armaduras Especifica as principais características de cada tipo de armadura Estipula a obrigatoriedade da sua prévia CLASSIFICAÇÃO pelo LNEC 59

26 REBAP Quadro V - Tipos correntes de varões Designação Processo de fabrico Configur ação da superfície Caracterí sticas de aderência de cedência ou t. limite convencional de proporcionalidade a,2% f syk ou f s,2k MPa Tracção (1) de rotura f suk MPa Características mecânicas após rotura (3) ε suk % Dobra gem simpl es (4) Dobragem-desdobragem (5) 12<Ø 18 Dobragem (2) 18<Ø 25 25<Ø 32 32<Ø 4 A235NL A235NR Laminado a quente Lisa Rugosa Normal Alta φ 2φ (6) - 5φ - 7φ - 8φ - 1φ A4NR Laminado a quente Rugosa Alta φ (6) 6φ 8φ 1φ 12φ A4ER Endurecido a frio Rugosa Alta φ (6) 6φ 8φ 1φ 12φ A4EL Endurecido a frio c/ torção Lisa Normal A5NR Laminado a quente Rugosa Alta φ (6) 8φ 1φ 12φ 14φ A5ER A5EL (7) Endurecido a frio Rugosa Lisa Alta Normal φ (6) 4φ 8φ - 1φ - 12φ - 14φ - 6 Agora NP EN 12-1 (1)Ensaio segundo a Norma Portuguesa NP 15. Para os aços endurecidos, estas características devem ser determinadas após envelhecimento artificial (3 min a 25 o C e arrefecimento à temperatura ambiente). (2)Os valores indicados no quadro designam os diâmetros dos mandris, sendo φ o diâmetro dos varões. (3)Comprimento de referência inicial igual a 5φ. (4)Ensaio segundo a Norma Portuguesa NP 173, com ângulo de dobragem de 18º. (5)Dobragem a 9º segundo a Norma Portuguesa NP 173, seguida de aquecimento durante 3 min a 1 o C, arrefecimento à temperatura ambiente e posterior desdobragem de 2º. (6)Somente exigido para varões com diâmetro igual ou menor que 12 mm. (7)Somente sob a forma de redes electrossoldadas. 61

27 REBAP Regulamento de Estruturas de Betão Armado e Pré-esforçado, Decreto-Lei 349-C/83 MAS: Devido à evolução da normalização internacional incluindo o Eurocódigo 2 o LNEC publicou uma série de especificações em que se apresentam as condições a que os varões devem obedecer com vista à classificação pelo LNEC. ESPECIFICAÇÃO DO LNEC E 449 VARÕES DE AÇO A4NR PARA ARMADURAS DE BETÃO ARMADO. Características, ensaios e marcação ESPECIFICAÇÃO DO LNEC E 45 VARÕES DE AÇO A5NR PARA ARMADURAS DE BETÃO ARMADO. Características, ensaios e marcação ESPECIFICAÇÃO DO LNEC E 455 VARÕES DE AÇO A4NR DE DUCTILIDADE ESPECIAL PARA ARMADURAS DE BETÃO ARMADO. Características, ensaios e marcação. 22 ESPECIFICAÇÃO DO LNEC E 46 VARÕES DE AÇO A5NR DE DUCTILIDADE ESPECIAL PARA ARMADURAS DE BETÃO ARMADO. Características, ensaios e marcação. 22 ESPECIFICAÇÃO DO LNEC E 456 VARÕES DE AÇO A5ER PARA ARMADURAS DE BETÃO ARMADO. Características, ensaios e marcação Textos de apoio ESPECIFICAÇÃO DO LNEC E 46 VARÕES DE AÇO A5NR DE DUCTILIDADE ESPECIAL PARA ARMADURAS DE BETÃO ARMADO. Características, ensaios e marcação

28 conteúdos A4 NR Alta ductilidade Varões para betão armado (mais usados) A4 NR SD A5 NR Ductilidade especial Alta ductilidade A5 NR SD Ductilidade especial A5 ER Ductilidade normal (A5 EL só para redes) LNEC E LNEC E LNEC E LNEC E LNEC E Re mínimo; k (5%) 4 MPa 4 MPa Re/4 1,2 (9%) Rm mínimo, k (5%) Rm/Re Mínimo; k (1%) 5 MPa 5 MPa Re/5 1,2 (9%) 46MPa 46MPa 55MPa 55MPa 55MPa 1,8 1,15 1,8 1,15 5 MPa (Rp,2%) 1,5 Máximo; k (9%) - 1,35-1,35 - Agt total na força 5% 8% 5% 8% 2,5% máxima; mínimo; k (1%) soldabilidade Sim pois Ceq <,52 * Sim pois Ceq <,52 * Sim pois Ceq <,52 * Sim pois Ceq <,52 * Sim pois Ceq <,45 * Diâmetros (mm) e outros para redes Superfície rugosa de alta aderência 2 séries de nervuras transversais Com diferentes afastamentos nos dois lados do varão. Na mesma série as nervuras têm a mesma inclinação. 2 séries de nervuras transversais Com afastamentos iguais e a mesma inclinação nos dois lados 2 séries de nervuras transversais Uma série com nervuras com a mesma inclinação e afastamento A outra série contêm duas subséries de nervuras com o mesmo afastamento mas de inclinações diferentes 2 séries semelhantes de nervuras transversais cada uma constituída por duas subséries de inclinações diferentes e uniformemente espaçadas 3 séries de nervuras transversais 64 Aptidão à dobragem A4 NR Alta ductilidade Dobragem simples até Φ12mm Dobragem-desdobragem para Φ>12mm A4 NR SD Ductilidade especial Dobragem simples até Φ12mm Dobragem-desdobragem para Φ>12mm A5 NR Alta ductilidade Dobragem simples até Φ12mm Dobragem-desdobragem para Φ>12mm A5 NR SD Ductilidade especial Dobragem simples até Φ12mm Dobragem-desdobragem para Φ>12mm A5 ER Ductilidade normal (A5 EL só para redes) Dobragem simples Matéria prima Processo de produção Fadiga A partir de biletes procedentes de A partir de biletes procedentes de A partir de biletes procedentes de A partir de biletes procedentes de A partir de varão liso laminado a lingotes ou por vazamento lingotes ou por vazamento lingotes ou por vazamento lingotes ou por vazamento quente de aço macio contínuo contínuo contínuo contínuo laminagem a quente laminagem a quente laminagem a quente laminagem a quente endurecimento a frio em geral por laminagem a quente e tratamento laminagem a quente e tratamento laminagem a quente e tratamento laminagem a quente e tratamento laminagem a frio com impressão superficial através de água, na superficial através de água, na superficial através de água, na superficial através de água, na do perfil nervurado combinada ou linha de laminagem linha de laminagem linha de laminagem linha de laminagem não com estiragem ou trefilagem. laminagem a quente e laminagem a quente e deformação a frio posterior com deformação a frio posterior com diminuição da secção inferior a diminuição da secção inferior a 1% 1% É aplicada força de tracção cíclica É aplicada força de tracção cíclica É aplicada força de tracção cíclica É aplicada força de tracção cíclica É aplicada força de tracção cíclica entre um valor max. e um min. até entre um valor max e um min. até entre um valor max. e um min. até entre um valor max e um min. até entre um valor max. e um min. até romper ou até alcançar romper ou até alcançar romper ou até alcançar romper ou até alcançar romper ou até alcançar ciclos ciclos ciclos ciclos ciclos σ max = 24MPa σ max = 24MPa σ max = 3MPa σ max = 3MPa σ max = 3MPa σ min = 9MPa σ min = 9MPa σ min = 15MPa σ min = 15MPa σ min = 15MPa freq. = 1 a 2Hz. freq. = 1 a 2Hz. freq. = 1 a 2Hz. freq. = 2Hz. freq. = 2Hz. Ensaios cíclicos O provete de varão terá de O provete de varão terá de alternados resistir a 1 ciclos de histerese resistir a 1 ciclos de histerese tracção compressão com: tracção compressão com: Deformação max.= ± 2,5% Deformação max.= ± 2,5% Frequência < 3Hz. Frequência < 3Hz. Comprtº livre do provete: 1Φ Comprtº livre do provete: 1Φ Marcas de identificação Código que consiste no engrossamento de certas nervuras transversais. O início da identificação e o sentido de leitura é assinalado por uma nervura normal entre duas engrossadas à esquerda do observador. Depois da 2ª nervura engrossada há um conjunto de nervuras normais que identifica o país (7 Portugal). Segue-se outra nervura engrossada. A seguir aparece a identificação do fabricante através de uma ou duas séries de nervuras normais entre uma ou duas nervuras engrossadas. Este código é repetido uniformemente ao longo do varão 65