UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO ENGENHARIA DE REABILITAÇÃO E ACESSIBILIDADES PROCESSOS DE FABRICO DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS MATERIAIS DE 1. INTRODUÇÃO CONSTRUÇÃO Neste trabalho vão ser obtidas e comparadas as características de três matérias distintos recorrendo a ensaios de tracção. Descrevem-se, inicialmente, as características do ensaio de tracção distinguindo-o de outros ensaios de caracterização das propriedades mecânicas dos materiais. Através do ensaio de tracção realizado numa máquina de ensaios (no caso uma máquina universal electromecânica) obter-se-á a curva força/deslocamento para três provetes de materiais diferentes e a partir destes dados obtém-se a curva tensão/deformação. Partindo destas curvas pretende-se calcular as propriedades mecânicas dos três materiais: um aço, uma liga de alumínio e um material compósito. As propriedades a obter serão o módulo de Young, a tensão e a extensão limite de proporcionalidade, a tensão e extensão de cedência, a tensão e extensão de rotura, o módulo secante a 0.2% e a extensão após rotura. Nem todas estas propriedades poderão ser obtidas nos três materiais. 2. TRABALHO PRÉ-LABORATORIAL Foram obtidos os seguintes registos tensão/deformação para um aço ao carbono com 0.2% de Carbono: Tensão (MPa) 0 207 379 414 469 496 510 517 524 517 503 476 448 386 353 Extensão (%) 0 0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 19.0(Rotura) a. Represente a curva tensão-deformação; b. Calcule a tensão limite de proporcionalidade; c. Determine a tensão de rotura do aço; d. Calcule a extensão de rotura; e. Calcule o módulo de Young; f. Calcule a tensão de cedência a 0.2%; 1/6
3. EQUIPAMENTO Máquina de ensaios Instron 1025 Extensómetro de braços Paquímetro 4. Teoria Quando uma carga é aplicada a um sólido resulta uma deformação no sólido. A deformação é elástica se é completamente eliminada quando a carga é removida. A tensão é a força/unidade de F l área ( ) e a extensão é o alongamento/unidade de comprimento ( ). As tensões e as A l deformações elásticas são proporcionais e estão relacionadas com o Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young E pela Lei de Hooke ( E ). Está implícito nesta equação que as tensões e as extensões são axiais. Note-se que na lei de Hooke, uma relação linear entre as tensões e as deformações, o Módulo de Young representa o declive dessa recta. Se a deformação é permanente diz-se plástica. O início da deformação plástica corresponde à tensão necessária para iniciar o movimento das deslocações (um tipo de defeito) na estrutura cristalina do sólido. A tensão necessária para produzir deformação permanente é a tensão de cedência do material. Alguns materiais exibem um ponto de cedência claro, enquanto outros mostram uma diminuição lenta do declive na zona elástica. Nestes, a tensão de cedência é convencionalmente definida como a tensão necessária para produzir uma deformação permanente de 0.2% (extensão 0.002). Em alguns materiais parte ou a totalidade da deformação residual que permanece após remover a carga, pode ser gradualmente recuperada. Neste caso a deformação dizse inelástica. Em materiais dúcteis, a deformação necessária para a sua rotura é relativamente grande comparada com os materiais frágeis. A deformação plástica dos materiais dúcteis pode requerer tensões progressivamente maiores porque as deslocações multiplicam-se durante o processo e o seu movimento torna-se mais difícil devido ao aumento do grau de interacção entre elas. Este processo é designado por endurecimento ou encruamento. Por vezes é possível observar bandas propagando-se ao longo do provete durante o encruamento. Estas bandas são conhecidas por bandas de Lüders indicando a multiplicação e o movimento das deslocações. Apenas são visíveis após polimento dos provetes. Quando a taxa de encruamento é maior que a taxa de diminuição da secção transversal, isto é: d ocorre uma deformação uniforme. Mas se a taxa de encruamento é muito baixa ocorre uma diminuição acentuada da secção transversal concentrada numa zona do provete designada por da A 2/6
estricção. Este fenómeno inicia-se quando a carga atinge um valor máximo e a partir daqui a deformação não é mais uniforme. A tensão correspondente à carga máxima é a tensão de rotura do material (Ultimate Tensile Strength UTS). A extensão após rotura é uma medida da ductilidade do material. Não inclui a deformação elástica mas inclui a deformação uniforme e a deformação localizada na estricção. Determina-se juntando as duas partes do provete fracturado e medindo a distância entre dois traços previamente marcados no provete. O processo de deformação termina com a rotura do provete. Num material frágil isto ocorre pela propagação de fissuras iniciadas em defeitos microscópicos no material. As fissuras propagam-se por clivagem, o que envolve rotura de ligações atómicas em planos cristalográficos específicos, com o trabalho de deformação gasto primeiramente na criação de novas superfícies (energia de superfície). Por outro lado, os materiais frágeis tendem a fracturar por nucleação de micro-vazios. Visto que a deformação plástica consome quantidades significativas de energia na criação e movimento de deslocações, roturas dúcteis estão normalmente associadas com grandes trabalhos de fractura. A área sobre a curva tensão-deformação é uma medida da energia necessária para fracturar o provete e caracteriza a tenacidade do material com unidades de trabalho/unidade de de volume do comprimento de referência, A capacidade do material absorver grandes quantidades de energia no domínio elástico e a sua restituição após descarga, é a resiliência do material, sendo caracterizada pelo módulo de resiliência. A tensão nominal ou de engenharia é a força/unidade da secção inicial do provete: extensão nominal ou de engenharia é o alongamento/unidade de comprimento (comprimento de L referência inicial):. As tensões e extensões reais ou verdadeiras são determinadas a partir L 0 das dimensões instantâneas durante o ensaio. Portanto, a curva tensão-deformação de engenharia ou convencional não dá uma indicação verdadeira das características de deformação do material porque é baseada inteiramente nas dimensões originais do provete, e estas mudam continuamente durante o ensaio. Também, um material dúctil que está a ser traccionado, torna-se instável e empescoça no decorrer do ensaio. Como a área da secção transversal do provete diminui rapidamente nesta fase do ensaio, a carga requerida para continuar a deformação vai diminuindo. A tensão média baseada na área inicial, diminui e a curva tensão-deformação convencional cai após atingir a carga máxima (ver Figura 1). Nesta altura, o material continua a endurecer até à rotura, de modo que a tensão necessária para continuar a deformação também aumenta. Se se usa a tensão real, baseada na área da secção transversal actual do provete, verifica-se que a tensão real aumenta progressivamente até à rotura (ver Figura 2). Por outro lado, se a medida da extensão for F A 0. A 3/6
Figura 1. Curva tensão-deformação convencional de um aço com baixo teor em carbono. baseada nas dimensões instantâneas, a curva obtida é conhecida por curva tensão-deformação real. Demonstra-se que para pequenas deformações, por exemplo as deformações elásticas, não há diferenças significativas entre as extensões de engenharia e reais. As propriedades pedidas serão obtidas através das curvas tensão-deformação convencionais. A curva da figura 1 é típica dos materiais metálicos. Para pequenos valores da deformação (zona elástica) a curva tensãodeformação é linear. Nesta região o declive da curva representa o módulo de Young ou de elasticidade. Visto que muitos materiais não exibem um ponto de cedência nítido, isto é, uma transição visível entre a zona elástica e a zona plástica, o ponto de cedência é definido como a tensão que origina uma deformação plástica permanente de 0.2%. Por esta convenção, traça-se uma linha paralela à zona elástica partindo de 0.002 de extensão. O ponto de intersecção com a curva é o ponto de cedência ou tensão de cedência. A tensão de rotura, obtém-se determinando a tensão máxima atingida pelo material. Por outro lado muitos materiais não apresentam uma zona linear elástica inicial. Nestes materiais pode usar-se o módulo secante a x% de deformação, e obtém-se determinando o declive da recta que une o ponto inicial (deformação nula) com o ponto da curva de deformação x%. 4/6
Figura 2. Comparação das curvas tensão-deformação convencional e tensão-deformação real. 5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A. Medir as dimensões dos provetes (média de três medições); B. Traçar na zona de deformação do provete duas vezes o comprimento de referência. C. Efectuar a calibração do extensómetro: i. Colocar o extensómetro no calibrador ajustando as navalhas ás marcações no micrómetro;. ii. Colocar a zero e fazer OK no computador; iii. Dar 10 voltas ao micrómetro (L0=25mm) ou 20 voltas (L0=50mm); iv. Fazer OK no computador D. Efectuar a calibração da célula de carga no computador; E. Colocar o provete nas amarras da máquina de ensaios; F. Colocar o extensómetro no provete; G. Por a zeros o extensómetro e a célula de carga; H. Iniciar o ensaio; I. Gravar os ficheiros de dados do ensaio; J. Juntar as duas partes do provete e estimar o comprimento final entre referências; K. Registar o tipo de rotura do material; L. Repetir a partir de E para os outros provetes. 5/6
6. RELATÓRIO O relatório deverá respeitar os seguintes requisitos: i. Sumário ii. Objectivos iii. Descrição simplificada do ensaio iv. Equipamento utilizado v. Apresentação das leituras recolhidas durante a realização do ensaio; vi. Determinação das propriedades mecânicas dos aços: a. Tensão limite de proporcionalidade e extensão limite de proporcionalidade b. Tensão de cedência e extensão de cedência c. Tensão limite convencional a 0.2% d. Módulo de Young e. Módulo Secante a 0.2% f. Tensão de rotura e extensão de rotura g. Extensão após rotura vii. Análise dos resultados viii. Conclusões ix. Bibliografia Dados a recolher no início do ensaio: Desenho e dimensões dos provetes Comprimento de referência Dados a recolher no final do ensaio: Comprimento de referência após rotura Ficheiro dos registos do computador (SIDE) Fotos dos provetes após os ensaios.(side). 6/6