- SEPesq Caracterização das Propriedades Mecânicas de Materiais Metálicos: A Influência da velocidade da máquina sobre a tensão obtida no ensaio de tração 1 Rogério Alves Oliveira 2 Uilian Boff 3 Jaison Brauner Prestes 4 1. Introdução A caracterização microestrutural e a determinação das propriedades mecânicas de um material são importantes ferramentas na geração de conhecimento a respeito do comportamento dos materiais em serviço bem como indicações relevantes das causas fundamentais de danos ocorridos nestes materiais nas mesmas condições. O principal objetivo deste projeto é desenvolver procedimentos técnicos aplicáveis aos laboratórios disponíveis no Uniritter que permitam a caracterização microestrutural de materiais metálicos com auxílio de microscopia óptica e a determinação de propriedades mecânicas com o uso de máquinas de ensaio de tração convencionais. Em todos os projetos de pesquisa que envolvem o uso de materiais metálicos se faz necessário um conhecimento prévio da sua microestrutura e de suas propriedades mecânicas. Os programas de análise por elementos finitos, por exemplo, necessitam na configuração do pré-processamento das informações oriundas dos ensaios de propriedade mecânicas permitindo que a análise de forma virtual seja feita com base no material empregado na situação real. Como parte do escopo deste projeto está em estudo a qualidade do ensaio de tração como parte da caracterização das propriedades mecânicas dos materiais metálicos através da influência das velocidades permitidas pelas máquinas de ensaio em consonância com as recomendações das normas pertinentes e os fenômenos físicos que ocorrem na prática do processo industrial que envolve a conformação mecânica dos materiais metálicos. 1 Trabalho apresentado no XI COLÓQUIO DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO da XI SEMANA DE EXTENSÃO, PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO - SEPesq, de 19 a 23 de outubro de 2015 no Centro Universitário Ritter do Reis em Porto Alegre, RS, Brasil. 2 Prof. Me. Eng. Mecânico,, rogerio_oliveira@uniritter.edu.br 3 Prof. Me. Eng. Mecânico,, uilian_boff@uniritter.edu.br 4 Bolsista de Iniciação Científica,, jaisonprestes@hotmail.com
2. Metodologia - SEPesq A caracterização microestrutural e os ensaios de propriedades mecânicas são ferramentas importantes para o conhecimento do comportamento dos materiais em serviço. Tanto na caracterização microestrutural como na determinação das propriedades mecânicas são adotadas normas e procedimentos técnicos com base em normas brasileiras em consonância com normas de âmbito internacional cujos procedimentos quando seguidos são aceitos por toda comunidade científica atuante. O procedimento adotado para obtenção da curva TENSÃO x DEFORMAÇÃO, representada pelos símbolos σ e ε, respectivamente, pode seguir normas nacionais (NBR ISO 6892-1: 2013) ou normas internacionais (ASTM E8/E8M 15a), conforme critério do pesquisador. A figura 1 mostra um exemplo de um gráfico obtido em um ensaio de tração de um material com comportamento dúctil. Figura 1 Curva Tensão x Deformação. Fonte: HIBBELER (2004). Os valores de tensão obtidos ao longo do ensaio são calculados pela expressão σ = P/S 0, onde P = força exercida em N (newtons) pela máquina e a S 0 = área inicial do corpo de prova em mm 2, medida antes do início do ensaio. A força P exercida pela máquina é medida através de uma célula de carga cujo valor é registrado no programa de controle do ensaio. Adicionalmente, calcula-se também a deformação convencional através da expressão ε = (L L 0 )/L 0, onde o valor de L é obtido de forma instantânea através de um sensor de deslocamento (clip-gage) da máquina. Finalmente após a ruptura do corpo de prova é possível calcular dois resultados importantes do ensaio de tração, a saber: o Alongamento dado por AL = (Lf L 0 )/L 0 e a Redução de Área dado por RA = (A 0 A f )/A 0, medindo L f e A f na recomposição da amostra fratura.
- SEPesq Os valores de Alongamento e Redução de Área nos fornecem informações importantes sobre o comportamento do material (frágil x dúctil) e são adotados critérios sobre a deformabilidade dos materiais com base nestes resultados obtidos no ensaio de tração. Os materiais de comportamento frágil apresentam valores pequenos de alongamento e redução de área, pois rompem antes de apresentar a estricção típica de materiais de comportamento dúctil. Alguns autores apresentam dados importantes que evidenciam a influência da velocidade de deformação nos valores obtidos de Limite de Escoamento (LE) e Limite de Resistência (LR). A velocidade de deformação é definida pela expressão = ou de modo prático com base na velocidade da máquina V em mm/min e o comprimento inicial do corpo de prova L 0 em mm. A figura 2 mostra a influência da variação da velocidade de deformação na tensão do ensaio de tração para alguns materiais em aço de alta resistência Figura 2 Influência da velocidade de deformação. Fonte: HUANG (2011). Tanto na NBR ISO 6298-1 quanto na ASTM E8/E8M há uma preocupação importante com respeito à influência da velocidade de ensaio no resultado da tensão obtida, de forma que os fabricantes de máquinas de ensaio de tração buscaram adequar seu produto às exigências da norma sem perder a eficiência do mesmo com respeito ao tempo despendido nos ensaios. Nestes termos, com efeito, serão realizados ensaios de tração com cinco velocidades de deslocamento: 5; 10; 100; 200 e 500 mm/min, com as velocidades de 5 mm/min e 200 mm/min sendo respectivamente referentes às faixas 3 e 4 estabelecidos pela NBR ISO 6892-1:2013. Serão preparados e ensaiados cinco corpos de prova em chapas de aço à definir nas medidas de 250 mm de comprimento e 20 mm de largura seguindo a norma, para cada velocidade. Os dados serão coletados pelo software do equipamento universal de ensaios mecânicos da marca EMIC modelo DL10000 com capacidade para 100 kn. Para avaliar a significância dos valores de tensão obtidos, será utilizada a ferramenta de análise estatística de teste de significância da diferença entre médias de observações emparelhadas.
- SEPesq 3. Resultados e Discussão Foram realizados ensaios no laboratório, mas com resultados não satisfatórios devido à variação de espessura das amostras, entretanto com base na literatura pesquisada com experimentos conduzidos por Lemos et al (2013) existe uma variação significativa na tensão de escoamento e limite de resistência em velocidades superiores a 100 mm/min em material SAE 4340. Neste artigo o autor comenta que Segundo Kvackaj, este efeito pode ser explicado devido a um aumento da quantidade de empilhamento de discordâncias que, em altas velocidades de movimento (relacionadas a altas taxas de deformação), provoca um maior encruamento o que explica o significante aumento das tensões a partir de determinada velocidade de deformação. Analisando a significância da diferença entre as médias de tensão de escoamento nas velocidades de 100 e 500 mm/min dos dados apresentados no artigo, conclui-se pela confirmação da hipótese ao nível de 95% de confidência, permitindo considerar pelos autores que a influência é um fato concreto. 4. Conclusões A execução de ensaios contemplando os procedimentos técnicos desenvolvidos e adequados à estrutura atual dos laboratórios é parte do projeto de Caracterização de Materiais Metálicos com vista à qualificação dos laboratórios da instituição. O Uniritter possui equipamentos qualificados e de capacidade suficiente que permitem atingir a grande gama de ensaios quanto as propriedade mecânicas dos materiais metálicos, entretanto faz-se necessário a qualificação dos procedimentos de ensaios para que atendam as normas nacionais e internacionais atualizadas e apresentem a confiabilidade necessária aos experimentos praticados na instituição. Quanto aos próximos passos está a realização dos ensaios planejados e a definição dos procedimentos técnicos específicos do laboratório para a realização confiável dos ensaios de tração dentro de uma perspectiva de eficiência do uso dos recursos da instituição.
5. Palavras-chave - SEPesq Propriedades Mecânicas, Materiais Metálicos, Ensaio de Tração. 6. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio institucional e de recursos do Centro Universitário Ritter dos Reis (UNIRITTER) e o apoio na forma de bolsas de iniciação científica da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS). Referências bibliográficas ABNT. ABNT NBR ISO 6892-1:2013 - Materiais metálicos Ensaio de Tração Parte 1: Método de ensaio à temperatura ambiente. Rio de Janeiro: ABNT, 2013. ASTM. E8/E8M 15a. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. Pennsylvania: ASTM, 2015. GARCIA, A.; SPIM, J. A.; SANTOS, C. A. Ensaios dos materiais. Rio de Janeiro: LTC, 2000. HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais. 5ª edição. São Paulo: Pearson, 2004. HUANG G. et all. The Strain Rate Effect on Tensile Properties and Fracture Strain of Advanced High Strength Steels. In: Materials Science & Technology 2011 Conference and Exhibition, Columbus, Ohio, USA. Proceedings of Materials Science & Technology Conference and Exhibition 2011. Columbus: ASM, 2011. p. 841-852. LEMOS, G. et al. O efeito da velocidade de deformação no ensaio de tração em um aço SAE 4340. In: Congresso Anual da ABM. 68, 2013, Be lo Horizonte, MG, Brasil. Anais do Congresso Anual da ABM. Belo Horizonte: ABM, 2013. p. 2141 a 2148. SOUZA, S. A. Ensaios mecânicos de materiais metálicos: fundamentos teóricos e práticos. 5ª edição. São Paulo: Blucher, 1982.