Ensaios destrutivos 4

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Ensaios destrutivos
Prof. Júlio Cesar José Rodrigues Junior
Descrição
Discussão dos principais ensaios mecânicos destrutivos, suas
aplicações, limitações, vantagens e desvantagens.
Propósito
Ensaios destrutivos para determinação de propriedades mecânicas, tais
quais como: tração, torção, fadiga, flexão, dureza e absorção de energia
em impacto, são de suma importância para a tomada da decisão das
escolhas de materiais a serem utilizados em projetos de engenharia.
Objetivos
Módulo 1
Ensaio de tração e �exão
Descrever os ensaios de tração e flexão.
Módulo 2
Ensaios de fadiga e torção
Descrever os ensaios de fadiga e torção.
Módulo 3
Técnica de macrogra�a
Empregar a técnica de macrografia.
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Módulo 4
Ensaios de dureza e impacto
Descrever os ensaios de dureza e impacto.
Introdução
Assista ao vídeo a seguir para conhecer os fundamentos do
ensaio destrutivo de tração, o gráfico tensão versus deformação e
propriedades mecânicas determinadas a partir do gráfico; além
dos ensaios de flexão pelos métodos de três ou quatro pontos.
1 - Ensaios de tração e �exão
Ao �nal deste módulo, espera-se que você seja capaz de descrever os ensaios de tração e
�exão.
Vamos começar!
Ensaios de tração e �exão
Neste vídeo, serão apresentados os fundamentos do ensaio destrutivo
de tração, o gráfico tensão versus deformação, propriedades mecânicas


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determinadas a partir do gráfico. Ademais, serão apresentado os
ensaios de flexão pelos métodos de três ou quatro pontos.
Considerações sobre o ensaio de
tração
Estudo do grá�co tensão versus deformação
O projetista necessita conhecer várias propriedades mecânicas dos
materiais a fim de dimensionar um projeto: tensão de escoamento,
tensão de ruptura, ductilidade, tenacidade, dureza etc. Os ensaios
laboratoriais podem ser der destrutivos ou não. Dentre os vários ensaios
destrutivos utilizados para o estudo mecânico dos materiais,
certamente o ensaio de tração é um dos mais simples (em termos
operacionais) e o mais utilizado. Como todos os ensaios, o de tração é
normatizado pela ABNT que indica, por exemplo, forma e dimensões do
corpo de prova (CP), temperatura do ensaio, taxas de carregamentos e
várias outras condições para execução dos ensaios.
A partir do ensaio de tração, é possível determinar várias propriedades
mecânicas do material (módulo de elasticidade, ductilidade, limite de
escoamento etc.), mas o principal objetivo é relacionar, por meio de um
gráfico, a tensão normal média atuante no corpo de prova e
a correspondente deformação normal média .
No estudo do gráfico tensão versus deformação, dois caminhos podem
ser tomados. O primeiro considera, no cálculo da tensão normal média,
a área inicial do CP e, na determinação da deformação normal média, o
comprimento útil inicial do CP. Nesse caso, o gráfico é denominado de
convencional (engenharia). Se a área utilizada for a de cada instante (a
área do CP em tração diminui) e o comprimento o do instante
considerado, o gráfico é denominado de real.
Para a determinação da tensão real e deformação real, devemos utilizar
as seguintes expressões:
ABNT
Onde:
 – carga sobre o CP;
 – comprimento final do CP (após) a ruptura;
 – comprimento inicial do CP;
 – diâmetro inicial do CP de seção.
(σm =
F
A
)
em =
DL
L
σr =
4 ⋅ P ⋅ l
π ⋅ D2o ⋅ LO
P  
l 
Lo 
Do 
er = Ln (εc + 1)
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Onde:
 deformação real;
 - deformação convencional.
Principais vantagens do ensaio de tração
O ensaio de tração apresenta uma série de vantagens:
Ensaio com simplicidade na operacionalidade;
Possibilidade de utilização de vários CPs, como por exemplo, tiras,
arames e blocos;
A possibilidade de serem utilizadas todas as quatro grandes
classes dos materiais: os metais, os cerâmicos, os polímeros e os
compósitos.
O ensaio é realizado em laboratório sob condições controladas
(temperatura, dimensões e formas dos CPs, etc.). A partir do ensaio, é
possível determinar uma série de propriedades mecânicas que se
estendem para o caso concreto, isto é, para as condições de serviço da
peça.
Nas imagens a seguir, são apresentadas as curvas tensão versus
deformação para as diversas classes de materiais. Veja:
Curva tensão versus deformação – metal.
Curva tensão versus deformação – compósito.
er−
εc
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Curva tensão versus deformação – cerâmico.
Curva tensão versus deformação – polímero.
Descrição do ensaio de tração
Grá�co tensão versus deformação convencional
O ensaio de tração inicia-se com a confecção do CP, a partir da peça. A
imagem a seguir apresenta dois CPs padronizados, sendo um de seção
circular e, o outro, de seção retangular. As dimensões indicadas na
imagem são definidas pela norma.
Corpos de prova normatizados.
O ensaio de tração tem seus parâmetros: velocidade, temperatura,
condições de fixação do CP etc. A máquina de tração é composta de
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travessa superior móvel, garras universais, célula de carga, computador
etc, como pode ser visto na imagem a seguir.
Máquina para ensaio de tração.
A carga é aplicada no sentido de tracionar o CP, sem a ocorrência de
flexão, torção etc., mantendo-se o alongamento do CP uniforme. Dados
de força e alongamento do CP (medido por um extensômetro) são
enviados ao computador, gerando a curva tensão versus deformação e
ela pode ser a convencional (engenharia). Nesse caso, a tensão normal
é determinada, a cada instante, considerando a área inicial do CP e a
deformação normal, o comprimento inicial do CP.
- tensão convencional ou de engenharia;
 - carga sobre o corpo de prova;
-área inicial da seção reta do CP.
- deformação convencional ou de engenharia;
-comprimento inicial do CP.
A imagem a seguir apresenta um gráfico tensão versus deformação
(convencional), destacando regiões e pontos importantes na análise do
comportamento mecânico do material ensaiado.
Gráfico tensão versus deformação convencional.
Região elástica x região plástica: na primeira, as deformações são
temporárias e a lei de Hooke é válida, , em que E é o
módulo de elasticidade do material. Na região plástica, as
deformações são permanentes.
Tensão proporcional ou limite de proporcionalidade: é o valor
máximo da tensão na região linear do gráfico.
Região de discordâncias: transição do regimes elástico para o
plástico. Dependendo do material, visualiza-se um serrilhamento
(limites de escoamento superior - e inferior - ), Em geral,
pode-se considerar a tensão de escoamento igual a tensão
proporcional .
σC =
P
A0
σC  
P  
A0 
εc =
ΔL
L0
εc 
L0
σ = E ⋅ ε
(σp)
σeH σeL
(σe)
(σp)
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Região de encruamento uniforme: os planos cristalinos, em
movimento, são ancorados, implicando cargas maiores para a
deformação plástica.
Região de encruamento não uniforme: inicia-se no ponto de
estricção ou empescoccamento do CP. Cargas menores serão
necessárias até a ruptura final.
Tensão máxima: conhecida como limite de resistência à tração
(LRT), é o início do empescoçamento do CP (estricção), como pode
ser visto na imagem a seguir.
Tensão de ruptura: tensão associada à ruptura final.
Empescoçamento do CP
Deformação convencional
Para alguns materiais, a transição entre as regiões elástica e plástica
ocorre de maneira tênue enquanto, para outros, ocorreo serrilhamento,
como pode ser visto no no gráfico tensão versus deformação, a seguir:
Tensão versus deformação com e sem o limite de escoamento nítido.
Analisando a imagem anterior, é possível perceber que um dos materiais
apresenta serrilhamento na transição entre as regiões elástica e
plástica. Dessa forma, é imediata a determinação da tensão de
escoamento. Porém, o outro material não apresenta essa transição
clara, utilizando-se um limite convencional para a deformação (0,002 =
0,2%). A partir desse ponto, traça-se uma paralela à região linear e, a
interseção com a curva tensão versus deformação indicará a tensão de
escoamento.
Na região elástica da imagem Gráfico tensão versus deformação
convencional , é possível notar o ângulo , cuja tangente equivale,
numericamente, ao módulo de elasticidade do material. A partir da lei de
Hooke:
α
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Grá�co tensão versus deformação convencional
O módulo de elasticidade quantifica a rigidez de um material. Na curva
tensão versus deformação, quanto mais vertical a região elástica, mais
rígido o material. Observe a imagem a seguir:
Materiais com diferentes rigidezes.
Analisando a imagem Tensão versus deformação com e sem o limite de
escoamento nítido, para uma mesma tensão , o material A tem menor
deformação que o material , Logo, é mais rígido que .
Propriedades mecânicas a partir do
ensaio de tração
Aspectos gerais das propriedades mecânicas
Nos projetos de engenharia, os projetistas precisam conhecer
propriedades relativas aos materiais utilizados. Por vezes, propriedades
magnéticas, ópticas, mecânicas etc. Em nosso estudo, a ênfase será
para as propriedades mecânicas. O ensaio mecânico utilizado em
grande escala, seja para a pesquisa ou para o dia a dia de uma empresa
(controle de qualidade do material recebido), é denominado ensaio de
σ = E ⋅ ε → E =
σ
ε
= tg(α)
σ
B (εA < εB) A B
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tração, como descrito anteriormente. O output do ensaio é o diagrama
tensão versus deformação, que pode ser o convencional ou o real, como
evidenciado na imagem a seguir:
Diagrama tensão versus deformação convencional e real.
A partir do diagrama tensão versus deformação, uma série de
propriedades mecânicas podem ser determinadas: a ductilidade, a
resiliência, a tenacidade, o limite de escoamento etc.
Determinação das propriedades mecânicas de um material
Conforme explicado no item anterior, a curva tensão versus deformação
permite a determinação de várias propriedades mecânicas de um
material. A seguir, serão descritas as principais propriedades mecânicas
calculadas a partir do ensaio de tração.
Módulo de elasticidade ou módulo de Young (E)
A primeira região do diagrama tensão versus deformação é linear, o que
implica que é possível a utilização da lei de Hooke:
Para qualquer ponto i da região elástica, é possível escrever . ,
onde e são retirados diretamente do gráfico.
Ductilidade
É a propriedade mecânica que mede a deformação plástica sofrida pelo
material até a ruptura, no ensaio de tração. As seguintes relações
matemáticas podem ser utilizadas para quantificar a ductilidade:
Aumento do alongamento percentual do CP
Onde:
 - comprimento final do CP;
 - comprimento inicial do CP.
Redução percentual da área do CP
σ = E ⋅ ε
σi = E εi
σi εi
σi = E ⋅ εi → E =
σi
εi
% Alongamento  = (
lf − l0
l0
) × 100%
lf  
lo 
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Onde:
 – área final da seção do ;
 – Área inicial da seção do CP.
De acordo com Callister e Rethwisch (2016), materiais frágeis têm
ductilidade menor que 5%. A imagem a seguir apresenta diagramas
tensão versus deformação para materiais dúcteis e frágeis.
Diagrama tensão versus deformação para materiais dúcteis/ frágeis.
Resiliência
É a energia absorvida por uma material, dentro do campo elástico.
Dessa forma, ao cessar a carga aplicada, há a recuperação da energia.
Essa propriedade é quantificada pelo módulo de resiliência (Ur), isto é, a
energia por unidade de volume necessária para deformar o corpo até o
limite de proporcionalidade (região linear). A quantificação da resiliência
é dada pela área sob a curva do diagrama tensão versus deformação,
como pode ser visto na imagem a seguir:
Determinação do módulo de resiliência.
Matematicamente, é determinada pela expressão:
Tenacidade
É a quantidade de energia que um material absorve até que ocorra a
fratura, no ensaio de tração. É medida pelo módulo de tenacidade (Ut),
ou seja, a quantidade de energia por unidade de volume até que ocorra a
ruptura do material, como pode ser observado na imagem a seguir:
% Reduc ̧ão = (
A0 − Af
A0
) × 100%
Af   CP
Ao 
Ur =
σl ⋅ εl
2
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Módulo de tenacidade
Confira as observações a seguir:
Em regra, aços com alto módulo de resiliência apresentam baixo
módulo de tenacidade. Observe, nesta imagem, a comparação
entre a resiliência e a tenacidade para dois aços.
Módulo de tenacidade.
Em regra, quando o ensaio de tração é interrompido, durante sua
execução, o CP já pode apresentar deformação plástica. Nesse
caso, no descarregamento do ensaio (retirada total da carga), a
deformação elástica (temporária) é recuperada, restando o CP
com a deformação plástica. Observe, nesta imagem, que a curva
tensão versus deformação iniciará dessa deformação plástica,
caso um novo ensaio de tração seja conduzido:
Observação 1 
Observação 2 
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Recuperação elástica.
Ensaios de �exão
Aspectos gerais dos ensaios de dobramento e �exão
O ensaio de flexão consiste na aplicação de carga crescente em um
corpo de provas (CP) de dimensões e forma normatizados, bem como
os apoios (via apoiado ou engastado). Normalmente, o ensaio de flexão
é utilizado para materiais frágeis (pouco dúcteis) como cerâmicos,
concretos, ferros fundidos etc. A imagem a seguir apresenta o esboço
de um ensaio de flexão de três pontos para um cerâmico. Os apoios são
roletes e as seções retas possíveis são a retangular e a circular. Nesse
ensaio, uma das propriedades mecânicas quantificadas é a resistência à
flexão.
Ensaio de flexão três pontos.
Quando o material apresentar grande ductilidade, ocorrerá absorção de
grandes deformação durante os teste, tornando o teste apenas
qualitativo. A opção é, portanto, o ensaio de dobramento que quantifica
a ductilidade do material. A imagem a seguir apresenta, de maneira
esquemática, um ensaio de dobramento. O corpo de prova encontra-se
na horizontal bi apoiado em dois roletes. Um punção exerce a carga 
até a posição final em que o ângulo pode assumir valores de
 ou .
Ensaio de dobramento.
Há duas aplicações para o ensaio de dobramento:

Dobramento de barras para a construção civil
Q
α
90∘, 120∘ 180∘
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
Dobramento em CPs soldados
Fenômeno da �exão no regime elástico
Neste tópico, alguns aspectos mecânicos sobre o fenômeno serão
relembrados. Suponha um elemento prismático homogêneo sem a
atuação de uma apara de dois momentos fletores de mesma
intensidade. Observe as imagens a seguir:
Elemento prismático sem deformação.
Elemento prismático sob ação de par de momentos fletores.
Supondo um carregamento genérico sobre o elemento prismático, em
equilíbrio, e escolhendo-se uma seção para estudo, tem-se a distribuição
das tensões por flexão (normais), a partir da linha neutra (passa pelo
centroide), conforme a imagem Elemento prismático sob ação de par de
momentos fletores.
Analisando a imagema seguir, é possível inferir que as tensões normais
por flexão apresentam variação linear, a partir da linha neutra (eixo
centroidal), sendo, de um dos lados, as trações trativas (positivas) e, do
outro lado, compressivas (negativas). A tensão é máxima, em módulo,
na fibra de maior afastamento (c) da linha neutra. A expressão que
determina a tensão máxima, em módulo, é:
Elemento prismático sob ação de par de momentos �etores
Onde:
 – é a distância mais afastada da linha neutra;
 – o módulo do momento fletor;
 – momento de inércia da seção em relação à linha neutra.
σma ́x =
M ⋅ c
I
c 
M  
I 
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Seção de um corpo para o estudo da flexão.
Ensaio de �exão
O ensaio de flexão consiste na aplicação gradual de uma força F sobre
um corpo de provas apoiado em dois vínculos que permitem a rotação
ou engastado em uma das extremidades. Esses ensaios de flexão são
conhecidos como:
Observe-os na imagem a seguir:
Ensaios de flexão.
Conforme nos ensinam Garcia, Spim e Dos Santos (2017), o ensaio de
flexão é particularmente útil para materiais frágeis em que outros
ensaios (de tração, de torção etc.) apresentam grande dificuldade de
execução e interpretação dos dados. Ferros fundidos, cerâmicos, aços
ferramenta, etc. são materiais adequados para o ensaio de flexão.
A partir do ensaio de flexão, as seguintes propriedades mecânicas são
determinadas:
 Ensaio de �exão em três pontos
 Ensaio de �exão em quatro pontos
 Método engastado
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Módulo de ruptura (MOR) ou tensão normal máxima;
Módulo de Elasticidade do material (E).
Para a determinação do MOR, as seguinte expressões são utilizadas:
Onde:
 – carga máxima aplicada;
 – distância entre os dois apoios;
 – largura;
 – altura;
 – diâmetro.
Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
σ =
3 ⋅ F ⋅ L
2 ⋅ b ⋅ h2
( seção retangular )
σ =
2, 546 ⋅ F ⋅ d
D3
( seção circular) 
F  
L 
b 
h 
D 
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Questão 1
(Estágio de Adaptação de Oficiais Engenheiros da Aeronáutica 2013
– adaptada) Analisando a imagem, é correto afirmar que a curva UF
representa qual região?
 
Parabéns! A alternativa C está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%3D'c-
paragraph'%3EAnalisando%20o%20gr%C3%A1fico%20de%20tens%C3%A3o%20%3Cem%3Eversus%3C%2Fem%3E%20defo
Questão 2
(INEP - 2017 - ENADE) O ensaio de flexão é utilizado em materiais
frágeis ou de alta dureza, tais como cerâmicas estruturais ou aços-
ferramenta. Em uma de suas modalidades, o ensaio de flexão a 3
pontos, é provocada uma flexão ao se aplicar o carregamento em 3
pontos, o que causa uma tensão de tração surgida no ponto central
e inferior da amostra, onde a fratura do material terá início.
Assumindo-se um comportamento linear de tensão, a tensão de
flexão do material pode ser obtida por:
em que F é a carga, d é a distância entre os pontos de apoio, w é a
largura do corpo de prova e h é a espessura do corpo de prova.
Considere dois corpos de prova A e B do mesmo compósito
reforçado com fibras de vidro, cuja resistência à flexão é de 290
MPa. O CP A tem o triplo da largura e a metade da espessura do CP
B e ambos são submetidos ao mesmo ensaio de flexão. Nessa
situação, qual porcentagem da força necessária para o rompimento
do CP B deverá ser aplicada ao CP A para que este também se
rompa?
A Encruamento uniforme
B Comportamento elástico
C Encruamento não-uniforme
D Escoamento de discordâncias
E Comportamento linear
σ =
3 ⋅ F ⋅ d
2 ⋅ w ⋅ h2
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Parabéns! A alternativa B está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%
paragraph'%3EO%20problema%20apresentado%20considera%20os%20CPs%20A%20e%20B%20de%20mesmo%20materi
paragraph%20u-text--medium%20c-table%20u-centered%20my-
4'%3E%5C(%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%5Cb
paragraph%20u-text--medium%20c-table%20u-centered%20my-
4'%3E%5C(%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%5Cb
paragraph%20u-text--medium%20c-table%20u-centered%20my-
4'%3E%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%5C(%0A%
2 - Ensaio de fadiga e torção
Ao �nal deste módulo, espera-se que você seja capaz de descrever os ensaios de fadiga e
torção.
Vamos começar!
Ensaios de fadiga e torção
Neste vídeo, serão apresentados os ensaios destrutivos de fadiga e de
torção, suas principais características e parâmetros de saída dos
ensaios.
A 50%
B 75%
C 100%
D 125%
E 200%

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Considerações sobre ensaios de
fadiga e torção
Aspectos gerais do ensaio de fadiga
Os ensaios mecânicos são amplamente utilizados na Engenharia para a
obtenção de informações a respeito das propriedades mecânicas dos
materiais que auxiliarão no dimensionamento de peças, máquinas,
estruturas etc. Dentre os vários ensaios mecânicos destrutivos,
podemos citar os de fadiga e de torção. A fadiga é a causa de muitas
falhas em componentes mecânicos e a torção, fenômeno típico de
algumas peças mecânicas, como as barras de torção.
O fenômeno de fadiga leva um material à falha, mesmo submetido a
níveis de tensões inferiores aos previstos para as situações estáticas
(ensaio de tração). Essa situação é possível quando o material é
submetido a esforços dinâmicos cíclicos. A figura 21 apresenta
exemplos de variações de tensões ao longo do tempo que podem levar
um componente a falhar devido ao fenômeno da fadiga.
Tensões cíclicas.
Observe a seguir, alguns exemplos típicos de estruturas que podem
sofrer falhas em decorrência da fadiga:
Pontes 
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A imagem a seguir apresenta a superfície de fratura, devido à fadiga, do
eixo de uma locomotiva. Em regra, a fratura por fadiga é frágil (baixa
deformação plástica), mesmo em materiais dúcteis.
Superfície de fratura por fadiga.
Asas de aeronaves 
Eixos rotativos 
Elementos de máquinas 
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O ensaio de fadiga tem como output o limite de resistência do material à
fadiga (tensão) cujo valor abaixo garante que o fenômeno da fadiga não
ocorrerá para o material ensaiado. A curva tensão versus número de
ciclos (S-N) é determinada para o material, conforme você pode ver a
seguir:
Curva S-N para o aço SAE 2330.
Analisando a imagem anterior, é possível identificar um patamar no
gráfico que mostra o limite de resistência à fadiga (Se) para o aço SAE
2330 temperado.
Aspectos gerais do ensaio de torção
Diversos componentes mecânicos (motores de arranque, turbinas de
aviôes, rotores, parafusos etc.) estão sujeitos ao fenômeno de torção.
Dessa forma, faz-se necessário conhecer parâmetros específicos para o
desenvolvimento de um projeto, dentre os quais: o limite de escoamento
ao cisalhamento, módulo de elasticidade transversal, ângulo de torção
máximo etc. A imagem a seguir apresenta uma máquina de ensaio de
torção. Normalmente, os corpos de provas são cilíndricos maciços ou
tubulares. Por meio da lei de Hooke, é possível relacionar a tensão de
cisalhamento , a deformação cisalhante e o módulo de
cisalhamento (G):
Máquina de ensaio de torção.
Observe na imagem a seguir um eixo de madeira que apresentou falha
devido à torção excessiva:
Eixo de madeira – torção excessiva.
Os aspectos das fraturas dosCPs utilizados em um ensaio de torção
são apresentados, de maneira esquemática, na imagem a seguir.
Observe que na fratura de materiais dúcteis, o plano de cisalhamento é
(τ) (γ)
τ = G ⋅ γ
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perpendicular ao eixo longitudinal do CP e, para materiais frágeis, o
ângulo é de .
Fraturas de CPs em ensaio de torção: a) material dúctil na torção e b) material frágil na torção.
A imagem a seguir apresenta as pontas de eixos de automóveis que
falharam devido ao fenômeno de torção, mostrando os aspectos típicos
das fraturas para materiais dúcteis (b) e frágeis (a).
Eixos fraturados sob torção.
Ensaio de fadiga
O estudo da fadiga
O estudo da fadiga é fundamental na seleção de materiais para
componentes sujeitos a esforços cíclicos (eixos rotativos). Veja a
imagem a seguir:
Eixo de transmissão de automóvel.
A próxima imagem apresenta as tensões atuantes em um eixo durante
sua rotação. As tensões variam de valores positivos (trativas) a
negativos (compressivas).
Variação da tensão em eixo rotativo em flexão.
45∘
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Ainda analisando a imagem anterior, é possível perceber que os pontos
1 e 2 apresentam tensões compressivas e trativas, em função da
rotação do eixo. A fratura por fadiga ocorre, em geral, após um
considerável tempo de serviço. Didaticamente, podemos dividir em:
Etapa em que as trincas podem iniciar, tanto em concentradores
de tensão, defeito intersticial, ou defeitos superficiais, como um
canto vivo (quina).
Etapa lenta onde a ponta da trinca “caminha” em função de
esforços trativos.
Etapa muito rápida onde ocorre a falha do componente.
Os primeiros estudos, a respeito da fraturas em componentes sujeitos a
esforços cíclicos, datam do século XIX e são de autoria de Wöhler. A
imagem a aseguir apresenta variações do ensaio de fadiga: flexão
rotativa, tração – compressão e cisalhamento. A resposta do ensaio é
um diagrama (curva S-N ou de Wöhler) que apresenta o número de
ciclos (N) do ensaio e a tensão para a ruptura (S).
Wöhler
Pedagogo e químico alemão que descobriu o carbeto de cálcio e o
acetileno.
Nucleação de trincas 
Propagação cíclica da trinca 
Falha catastrófica 
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Ensaio de fadiga – variações.
Na próxima imagem, você verá a apresentação de duas curvas S-N
típicas para aços ferramentas e ligas de alumínio. A partir da curva, é
possível limitar a vida útil para o componente e, consequentemente,
determinar a tensão máxima aplicável. Por exemplo, 
ciclos é a vida do aço ferramenta em análise sob tensão de .
A partir da segunda forma de interpretação, é possível notar um patamar
na curva S-N (limite de resistência à fadiga). No caso analisado, o limite
de resistência à fadiga é de , independentemente do número
N.
Curvas do ensaio de fadiga (S – N).
A partir do gráfico anterior, alguns parâmetros são definidos para a
caracterização dos ciclos de tensões, são eles:
Tensão média ;
Intervalo de tensões ;
Amplitude de tensões ;
Razão de tensões .
Veja:
Onde e são as tensões máxima e mínima.
Corpos de prova para o ensaio de fadiga
O ensaio de fadiga pode ser realizado diretamente sob a peça, desde
que haja compatibilidade com a máquina. Outras vezes, utilizam-se CPs
normatizados. A imagem a seguir apresenta CPs para o ensaio de
fadiga.
105(100.000)
600MPa
400MPa
(σm)
(σr)
(σa)
(R)
σm =
σmax + σmin
2
σr = σmax − σmin
σa =
σmax − σmin
2
=
σr
2
R =
σmin
σmax
σmax σmin
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CPs para o ensaio de fadiga.
A utilização do componente para o ensaio de fadiga apresenta a
vantagem de reproduzir as condições de serviço. O acabamento
superficial influencia no ensaio de fadiga. Assim, as normas indicam
que os CPs devem ter acabamento superficial especular.
Fatores que in�uenciam o ensaio de fadiga
A curva S-N do ensaio de fadiga é afetada por uma série de fatores, que
serão apresentados a seguir.
Tensão média e razão de tensão 
Os ensaios conduzidos em laboratórios apresentam o ciclamento de
tensôes com nula. Porém, nas situações de serviço da peça, por
vezes, é não nula. Ademais, a razão de tensão também influencia na
curva S-N, deslocando-a. Para valores menores de , o diagrama
apresenta patamar horizontal deslocado para baixo, como pode ser
visto na imagem a seguir:
Influêncio da e de no ensaio de fadiga.
Acabamento super�cial
Em geral, as peças de uma estrutura apresentam valores máximos de
tensão em sua superfície, levando à nucleação de trincas, com posterior
crescimento e, eventualmente, à falha por fadiga. Dessa maneira, ao
final do processo de fabricação de um componente, é fundamental o
acabamento superficial.
Fatores de projeto
Em peças com descontinuidades geométricas (chavetas), ocorre o
concentrador de tensões, aumentando a probabilidade da iniciação de
trincas. A imagem a seguir apresenta uma peça com modificação de
projeto para tornar a descontinuidade mais suave, reduzindo a potencial
nucleação de trincas.
Influência do projeto na fadiga.
(σm) (R)
σm
σm
R
σm R
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Ensaio de torção
Corpos de prova
O ensaio de torção é amplamente utilizado para avaliação do material
que, em serviço, estará sob torção. É similar ao ensaio de tração,
apresentando como resposta o diagrama tensão cisalhante versus
deformação angular , a partir dos dados do momento de torção
aplicado ao CP e o correspondente ângulo de torção sofrido pelo ,
como pode ser visto na imagem a seguir.
Tensão cisalhante versus deformação angular.
A partir do gráfico anterior, várias propriedades relacionadas ao
cisalhamento podem ser determinadas:
Módulo de elasticidade ao cisalhamento;
Limite de escoamento ao cisalhamento;
Limite de resistência ao cisalhamento;
Módulo de resiliência à torção;
Módulo de tenacidade à torção.
Os CPs utilizados no ensaio de torção são cilindros maciços ou
tubulares (paredes finas), com comprimento útil L. Na execução dos
ensaio em que o CP é tubular, deve-se evitar que as garras esmaguem
as extremidades. Mandris de aços são inseridos nas extremidades do
CP. Veja na imagem seguinte:
(τ)
(γ)
CP
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CP tubular para o ensaio de torção.
Conforme Souza, existe a possibilidade de se executar o ensaio de
torção diretamente sobre os componentes mecânicos (barras de torção,
eixos, brocas etc.). Em algumas ferramentas manuais, como a chave de
boca, os ensaios de torção são executados diretamente na peça,
verificando-se danos, após aplicação de carga pré-estabelecida.
Regime elástico na torção
Considerando um CP cilíndrico ou tubular de paredes finais, a tensão
cisalhante, por aplicação de um momento de torção, apresenta
distribuição linear, na fase elástica. Observe a imagem a seguir:
Distribuição das tensões de cisalhamento.
O cálculo da tensão cisalhante máxima é dado por:
Em que é o momento polar de inércia da seção maciça.
Assim, a tensão máxima pode ser reescrita:
Eixo maciço
Eixo tubular
Propriedades mecânicas
O ensaio de torção permite a determinação de várias propriedades
mecânicas relacionadas ao efeito do cisalhamento, provocado pela
aplicação de um momento de torção. A seguir, veremos algumas dessas
propriedades.
Módulo de elasticidade transversal (G)
A condução do ensaio de torção tem como output um diagrama
momento de torção (MT) versus ângulo de torção . É possível ter
como resultado do ensaio o gráfico tensão cisalhante versus
deformação angular . Observe a imagem a seguir:tmáxima  =
T ⋅ c
J0
J0 =
πc4
2
tmáxima  =
2T
π ⋅ c3
tmáxima  =
2T ⋅ cext 
π ⋅ (c4ext  − c4int )
(θ)
(τ)
(γ)
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Diagramas momento de torção versus ângulo de torção e tensão cisalhante versus deformação
angular.
Na região elástica, é possível aplicar a lei de Hooke:
Observando a região linear do gráfico, a tangente trigonométrica de é
a razão entre a tensão cisalhante e a deformação angular 
correspondente. Veja:
Confira a observação a seguir:
É possível determinar o módulo de elasticidade ao cisalhamento
(G) pela expressão:
A imagem a seguir detalha as demais variáveis da expressão:
CP sob torção.
Limites de proporcionalidade e de escoamento
Assim como no ensaio de tração em que, a partir dado diagrama tensão
versus deformação, determinam-se os limites de proporcionalidade e de
escoamento, no ensaio de torção tal determinação também é possível.
Uma vez realizado o ensaio de torção, o diagrama resposta é o de
momento de torção versus o ângulo de torção. limite de
proporcionalidade é o maior valor de que mantém a
proporcionalidade com o ângulo de torção . A figura 40 (a) mostra o
método Johnston para determinar o momento de torção associado ao
limite de proporcionalidade. Para determinar a tensão cisalhante
associada, utilizam-se as expressões a seguir:
τ = G ⋅ γ → G =
τ
γ
α
(τ) (y)
tg(α) =
τ
γ
= G
Observação 
G =
MT ⋅L
θ⋅J0
O
(MTP) MT
θ
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Eixo maciço
Eixo tubular
Onde:
 - espessura do tubo;
 - média entre os diâmetros externo e interno.
Diagramas do ensaio de torção.
Em muitas situações, o gráfico não apresenta, de maneira
perceptível, o fenômeno do escoamento. Assim, utiliza-se um valor
convencional para a o ângulo de torção ou . A partir
desse valor, traça-se uma paralela à região linear do gráfico até
interceptar a curva do diagrama, determinando o , como pode ser
visto na imagem anterior. A partir das expressões a seguir, determina-se
a tensão cisalhante de escoamento.
Eixo maciço
Eixo tubular
Confira a observação a seguir:
Muitas vezes, utiliza-se 60% do limite de escoamento em tração
para determinar, aproximadamente, o limite de escoamento em
torção, para materiais dúcteis.
tP =
MTP ⋅ R
J0
tP =
MTP
2 ⋅ p ⋅ r2 ⋅ e
e
r
MT × θ
(n = 0, 001 0, 1%)
MTe
te =
MTe ⋅ R
J0
te =
MTe
2 ⋅ p ⋅ r3 ⋅ e
Observação 
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
(ENADE 2008 – Engenharia - Adaptado) Durante uma turbulência,
um trecho da superfície externa da parte superior da asa de um
avião, estará sujeito a solicitações mecânicas de tração e de
compressão na direção ortogonal ao eixo principal da aeronave.
Tais solicitações ocasionam fadiga cíclica no elemento de
superfície considerado. Considere os três tipos de diagramas de
solicitações a seguir.
Considerando que a tensão na região indicada na figura seja nula no
caso de um voo sem turbulência, qual(is) dos diagramas acima
descreveria(m) melhor a situação em voo sob turbulência?
A A, apenas.
B B, apenas.
C C, apenas.
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Parabéns! A alternativa C está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%
paragraph'%3EOs%20gr%C3%A1ficos%20tens%C3%A3o%20%3Cem%3Eversus%3C%2Fem%3E%20tempo%20mostrados%
paragraph%20u-text--
medium'%3EGr%C3%A1fico%20A%2C%20apenas%20tens%C3%B5es%20compressivas%3B%20gr%C3%A1fico%20B%2C%
Questão 2
(AERONÁUTICA - 2002: ENGENHARIA METALÚRGICA - adaptada)
No ensaio de torção em materiais metálicos, a aplicação de uma
tensão de cisalhamento provoca a deformação . A relação
 é denominada módulo de:
Parabéns! A alternativa C está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%
paragraph'%3EA%20partir%20da%20lei%20de%20Hooke%20aplicada%20ao%20cisalhamento%2C%20temos%20que%20%
3 - Técnica de macrogra�a
Ao �nal deste módulo, espera-se que você seja capaz de empregar a técnica de macrogra�a.
D A e B, apenas.
E B e C, apenas
τ γ
G =
τ
γ
A Ruptura
B Tenacidade
C Cisalhamento
D Resiliência
E Escoamento
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Vamos começar!
Técnica da macrogra�a
Neste vídeo, será apresentada a técnica de macrografia utilizada em
metais, suas diversas aplicações, a preparação do corpo de prova e
interpretação das imagens.
Aspectos gerais da macrogra�a
Seções utilizadas na análise macrográ�ca
A técnica macrográfica consiste na visualização de uma superfície, com
a vista desarmada ou com lupa (até 50 X). Há a necessidade da
preparação da superfície para a observação da macroestrutura, das
segregações, da extensão de tratamentos térmicos, etc. É considerada
um ensaio destrutivo pois, em regra, a peça a ser avaliada deve ser
destruída para a confecção do CP. A imagem a seguir apresenta a
macrografia da seção longitudinal de um eixo de bonde onde se observa
o alinhamento das segregações, típico de material com grau de
deformação a quente.
Macrografia de eixo. Ataque Iodo.
A preparação do CP para a análise macrográfica consiste na escolha da
seção a ser estudada, na separação (por corte) do CP, no lixamento, no
ataque químico e na visualização. Na separação do CP, o corte deve ser
refrigerado para minimizar os efeitos da temperatura (atrito) na
estrutura local. O lixamento é a preparação da superfície plana, sendo
realizado numa série de lixas de carbeto de silício. O ataque químico é
uma etapa facultativa, pois depende dos objetivos da observação. Por
fim, as observações são feitas com nenhuma ou ampliações (até 50 X).
Em muitas situações, a superfície de estudo está normatizada ou
definida pelo solicitante do ensaio. Em situações diversas, as principais
seções utilizadas são as transversais e as longitudinais. A escolha de
uma seção, em detrimento da outra, depende dos aspectos
macroestruturais que se deseja observar. Conforme Colpaert (2008),
essas são características macroestruturais em que o corte transversal é
o adequado:

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Ainda de acordo com Colpaert, no estudo da seção longitudinal de uma
peça, a técnica de macrografia é particularmente útil nas seguintes
condições:
 Veri�cação da homogeneidade do material na seção.
 Avaliação em relação à posição, à forma e às
dimensões de porosidades, trincas e bolhas.
 Estudo (forma e dimensões) da estrutura de fusão
dendrítica.
 Avaliação da profundidade e regularidade de
tratamentos termoquímicos e da têmpera.
 Caracterização da forma e da intensidade das
segregações.
 Veri�cação de costura, solda e caldeamento em
tubos.
 Avaliação da ZTA e da ZF em juntas soldadas (caso
em que o corte é transversal ao cordão de solda).
 Avaliação do processo de fabricação de uma peça
(fundida, forjada ou laminada).
 Veri�cação da possibilidade de a forma de uma peça
ter sido obtida a partir da usinagem ou da
conformação.
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A imagem a seguir apresenta uma barra laminada e sua direção de
laminação. Ademais, revela os cortes longitudinal e transversal de uma
porca estampada, em relação à direção de laminação da barra. Perceba
na face anterior da barra a forte segregação central.
Cortes longitudinal e transversal de uma porca estampada.
Na próxima imagem, são apresentadas as macrografias da porca,
realçando a forte segregação central da barra que originoua porca.
Macrografias das seções longitudinal e transversal de porca estampada.
Impressão de Baumann
O método de Baumann (impressão de enxofre) tem como principal
objetivo a verificação de segregações de enxofre (sulfetos) dos aços
produzidos por lingotamento contínuo e no controle da qualidade do
material produzido. Em linhas gerais, uma folha de papel fotográfico de
brometo de prata com reagentes específicos é aplicada sobre a
superfície preparada do CP para macrografia. Cerca de cinco minutos
depois, a folha é retirada e efetuada sua revelação. Manchas escuras ou
pardas são evidências de regiões de sulfetos.
De acordo com Colpaert, superfícies macrográficas reveladas com
ataque do reativo de iodo (iodo sublimado, iodeto de potássio e água)
são semelhantes às imagens obtidas pelo método de Baumann, quanto
aos seguintes aspectos:

Forma da segregação

Bolhas
 Veri�cação de defeitos nas proximidades da fratura.
 Extensão de tratamentos térmicos super�ciais.
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
Estruturas �brosas
Veja, na imagem a seguir, um exemplo de impressão de Baumann:
Impressão de Baumann.
Confira a observação a seguir:
O método de Baumann não é adequado para avaliações em aços
com variações de carbono, manganês, silício ou fósforo, assim
como, para estudo das alterações estruturais resultantes de
temperatura elevada.
Macrogra�a no estudo de
tratamentos térmicos e
termoquímicos
Macrogra�a no estudo da têmpera
A técnica de macrografia pode ser utilizada para a avaliação da
profundidade e da regularidade de tratamentos termoquímicos
(cementação, nitretação, etc.) e do tratamento térmico de têmpera,
utilizando-se a seção transversal da peça para o estudo. Também é
possível estudar a extensão de tratamentos térmicos, a partir da
visualização da seção longitudinal.
A têmpera localizada é um tratamento térmico superficial, objetivando o
endurecimento (aumento da resistência ao desgaste) em partes
específicas de uma peça, mantendo seu núcleo tenaz. Genericamente,
aquece-se a região específica até o campo austenítico e resfria-se
bruscamente a peça, por meio de água. A imagem a seguir apresenta a
macrografia da seção transversal de um pino que foi tratado com
têmpera superficial (aquecimento por indução) em que é possível a
observação da camada endurecida pelo tratamento térmico.
Observação 
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Macrografia de pino de aço. Reativo de iodo.
As imagens a seguir apresentam macrografias de ferramentas manuais
tratadas com têmpera superficial, observe:
Neste caso é possível observar, numa foice, a profundidade da
têmpera (região escurecida) e sua homogeneidade.
Neste caso, é perceptível a região temperada (escurecida) em
uma picareta além da sua irregularidade.
Veja que, complementando-se, as impressões do ensaio de dureza são
perceptíveis.
Macrogra�a no estudo de tratamentos termoquímicos
O tratamento termoquímico de carbonetação (cementação) consiste na
inclusão, por meio da difusão, de carbono na superfície de aços,
formando, assim, uma camada com elevada resistência ao desgaste
(dureza) e manutenção das propriedades mecânicas iniciais no núcleo
da peça. O ensaio macrográfico pode auxiliar no acompanhamento da
espessura da camada cementada (depende do tempo de tratamento),
conforme revela a sequência macrográfica que pode ser vista na
imagem a seguir:
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Sequência de macrografia revelando a camada cementada.
A técnica de macrografia pode ser utilizada para avaliar, além da
profundidade da camada cementada, a sua homogeneidade. A imagem
a seguir mostra a seção transversal de uma engrenagem cementada, os
dentes e a superfície interna (regiões claras). É possível, ainda, a
detecção de trincas nas raízes dos dentes da engrenagem.
Avaliação da cementação em engrenagem. Ataque iodo.
Confira a observação a seguir:
Os ferros fundidos maleáveis de núcleo branco são produzidos a
partir de um tratamento térmico que leva à descarbonetação
(perda de carbono) superficial. A partir da técnica de
macrografia, é possível estudar a profundidade e a
homogeneidade da camada descarbonatada. A imagem a seguir
apresenta a macrografia de uma luva de ferro fundido
maleabilizado por descarbonetação em que se visualiza a
camada (regiões claras).
Ferro fundido maleável. Camada descarbonatada. Ataque iodo.
Macrogra�a e processos de
fabricação dos aços
Conformação e macrogra�a
Vários são os processos de fabricação de peças de aços, dentre os
quais podemos destacar a fundição, o trabalho a quente ou a frio, a
união por soldagem, etc. Esses processos apresentam características
próprias. A partir da técnica de macrografia, é possível identificar o
processo que originou a peça, bem como aspectos relevantes do
processo de fabricação.
Observação 
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Os aços são conformados para alterar sua forma e dimensões. Quando
ocorre a temperaturas acima da metade da temperatura de fusão (em
Kelvin), a conformação é denominada a quente.
Soldagem e macrogra�a
O processo de soldagem pode ser utilizado para unir peças de aço,
dando origem à forma final de um componente. A imagem a seguir
apresenta a macrografia da seção transversal ao cordão de solda em
aço 20MnMoNi55. É clara a percepção dos passes das soldas, além da
zona termicamente afetada (ZTA), representada pela região escurecida.
Macrografia evidenciado os passes do cordão e a ZTA.
Solidi�cação e Macrogra�a
O aço no estado líquido deve ser transformado em peças sólidas com
as dimensões desejadas, sendo possível por meio de lingotamento
contínuo ou pelo processo de fundição. Dois aspectos são
característicos desses processos:
a contração durante a passagem do estado líquido para o estado
sólido, originando os vazios;
a redistribuição das segregações.
A próxima imagem apresenta a macrografia da seção transversal de
metal fundido e seu alimentador, onde ocorre o rechupe, oriundo da
contração da passagem do material do estado líquido para o estado
sólido.
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Metal fundido e seu alimentador (rechupe de solidificação).
Na imagem a seguir, tem-se a seção longitudinal de aço preparada para
macrografia. É visível o vazio de solidificação na região de mudança da
seção transversal.
Rechupe devido à contração no processo de fundição.
A estrutura primária de solidificação é a dendrita, que pode ser
observada com a técnica de macrografia utilizando-se os reativos de
Oberhoffer (água destilada, etanol, , ) e de
Humfrey (água destilada, ácido clorídrico e . A imagem
a seguir apresenta estrutura dendrítica em que os eixos aparecem
escurecidos, veja:
Estrutura dendrítica. Ataque com reativo de Oberhoffer.
FeCl3,SnCl3 CuCl2
Cu(NH3)4Cl2)
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
O método de impressão de Baumann (impressão de enxofre) é
utilizado na verificação de regiões ricas em sulfetos. É um método
de controle de qualidade do aço no lingotamento contínuo. Sobre o
método, são feitas as seguintes afirmativas:
I. É possível a verificação de segregações de enxofre em “A”, bem
como sulfetos alongados na direção longitudinal, por exemplo.
II. Consiste na retirada de uma micro camada do corpo de prova
preparado com ataque químico em iodo e posterior
visualização em lupas com aumento de até 50 X.
III. O método de Baumann é adequado para o estudo das
alterações estruturais em aços baixo carbono, resultantesde
temperaturas elevadas.
A Afirmativa I
B Afirmativa II
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Parabéns! A alternativa A está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%3D'c-
paragraph'%3EO%20m%C3%A9todo%20de%20Baumann%20%C3%A9%20particularmente%20%C3%BAtil%20na%20visuali
Questão 2
O ensaio macrográfico apresenta uma série de aplicações, dentre
as quais, a verificação de tratamentos superficiais. Na imagem a
seguir, tem-se uma enxada em que um tratamento foi realizado.
Enxada com tratamento macrográfico.
A partir da observação da macrografia, são feitas as seguintes
afirmativas:
I. A enxada foi tratada termicamente com têmpera superficial,
evidenciada pela região escurecida, na parte inferior da enxada.
II. A partir da macrografia apresentada, é possível determinar a
profundidade do tratamento térmico superficial bem como a
sua homogeneidade.
III. O tratamento térmico superficial é evidenciado pelas duas
camada inferiores, sendo que, na camada inferior (região
escurecida), a têmpera superficial aumentou o percentual de
carbono.
São corretas, apenas:
C Afirmativa III
D Afirmativas I e II
E Afirmativas II e III
A Afirmativa I
B Afirmativa II
C Afirmativa III
D Afirmativas I e II
E Afirmativas II e III
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Parabéns! A alternativa D está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%
paragraph'%3EA%20macrografia%20em%20quest%C3%A3o%20auxilia%20na%20percep%C3%A7%C3%A3o%20do%20trata
4 - Ensaios de dureza e impacto
Ao �nal deste módulo, espera-se que você seja capaz de descrever os ensaios de dureza e
impacto.
Vamos começar
Dureza e impacto
Neste vídeo, serão apresentados os ensaios de dureza e de impacto. As
principais técnicas, vantagens, desvantagens e aplicações.
Considerações sobre os ensaios de
dureza e impacto
Aspectos gerais dos ensaios de dureza
O ensaio de dureza é amplamente utilizado na Engenharia e avalia a
resistência à deformação permanente de um metal, por meio da
impressão deixada por um penetrador padronizado. Tem ampla
utilização no recebimento de peças, pois pode ser realizado na própria
peça, desde que haja compatibilidade com os “durômetros”. O ensaio de
impacto avalia a energia absorvida por um material para a ruptura,
auxiliando na caracterização do comportamento dúctil-frágil de um
metal. A imagem a seguir apresenta um navio que sofreu fratura frágil,
devido à baixa temperatura.

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Fratura frágil em navio.
Dentre as várias propriedades mecânicas possíveis de
determinar com os ensaios destrutivos, a dureza é
definida como a resistência do material a uma
deformação plástica localizada.
O ensaio de dureza consiste num pequeno penetrador (endentador)
atuando na superfície do metal e, na sua retirada, uma pequena
impressão (endentação) permanece na superfície, como pode ser visto
na imagem a seguir. De acordo com os parâmetros de carga, impressão,
tipo de penetrador (normatizados), é associado um número que
quantifica a dureza do material. Quanto “maior” a impressão
(profundidade, área etc.), mais macio o metal, sendo associado um
número de dureza menor.
Ensaio de dureza esquemático.
O ensaio de dureza pode ser aplicado em CPs ou em produtos
acabados. Por vezes, o ensaio de dureza é o mais adequado para o
controle das especificações de produtos ou matérias-primas recebidas.
Produtos acabados como engrenagens, rolamentos, arruelas, etc. são
usualmente avaliados mecanicamente, utilizando-se o ensaio de dureza.
Conforme Callister, o ensaio de dureza é amplamente utilizado por ser
barato, simples e sem a necessidade de CPS normatizados.
Os ensaios de dureza são divididos em três grupos:
Por risco
Neste grupo, encontra-se a escala de dureza Mohs, avaliando a
possibilidade de um mineral riscar outro mineral. A tabela a seguir
apresenta a escala de dureza Mohs:
Material Dureza Mohs
Talco 1
Gipsita 2
Calcita 3
Fluorita 4
Apatita 5
Ortoclásio 6
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Material Dureza Mohs
Quartzo 7
Topázio 8
Coríndon 9
Diamante 10
Tabela: Dureza Mohs.
Julio Cesar José Rodrigues Junior
Por choque mecânico
Neste grupo, encontra-se a dureza Shore. Em linhas gerais, consiste
num ensaio dinâmico em que um penetrador, abandonado de altura
padronizada, provoca uma impressão na superfície do CP.
Por penetração
Neste grupo, há a apresentação de várias técnicas:
Rockwell (A, B, C etc.);
Rockwell Superficial;
Brinell;
Vickers (micro dureza) – penetrador piramidal de diamante;
Knoop (micro dureza).
Aspectos gerais dos ensaios de impacto
Os ensaios de tração são conduzidos sob baixas taxas de carregamento
e as propriedades mecânicas determinadas no ensaio não são
aplicáveis quando o material está sujeito a altas taxas de deformação. A
temperaturas baixas, materiais dúcteis podem comportar-se como
frágeis, conforme pode ser visto na imagem Ensaio de dureza
esquemático, em que o aço do navio em mares gelados falha
bruscamente.
Dois ensaios de impacto utilizados para quantificar a energia absorvida
para a fratura por impacto são o Charpy e o Izod. Um dos principais
objetivos é o estudo da transição do comportamento dúctil-frágil, com a
redução da temperatura, caso ocorra essa transição. A resposta do
ensaio de impacto é um gráfico energia absorvida versus temperatura,
como pode ser visto na próxima imagem:
Baixas taxas de carregamento
Velocidade de deformação baixa e constante.
Ensaio de dureza esquemático
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Ensaio de impacto. Transição dúctil-frágil.
Observe, a seguir, os fatores que contribuem para que um material
dúctil, à temperatura ambiente, comporte-se como frágil:
É importante ressaltar que a transição dúctil-frágil não ocorre para todos
os metais. Metais com estrutura cristalina cúbica de face centrada
(CFC) mantêm o comportamento dúctil a temperaturas baixas. São
exemplos: o cobre, o alumínio e o aço inoxidável AISI 304. Contudo, os
metais com estruturas cristalinas hexagonal compacta (HC) ou cúbica
de corpo centrado (CCC) apresentam a transição dúctil-frágil, como
exibido na imagem a seguir. O metal CFC não apresenta mudanças
significativas na absorção da energia (curva horizontal), enquanto o
metal CCC apresenta queda brusca na curva.
Ensaio de impacto: metais CFC e CCC.
Ensaio de dureza
As principais técnicas de penetração
 Altas taxas de deformação
 Baixas temperaturas
 Estado triaxial de tensões
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Em nosso estudo, o foco será o método de dureza por penetração, que
consiste na leitura da impressão deixada pelo penetrador na superfície
metálica. A imagem a seguir mostra as principais técnicas por
penetração.
Ensaios de dureza por penetração.
Dureza Brinell
Nesta técnica, o penetrador (esfera de aço ou de carbeto de tungstênio)
é comprimido na superfície do material, deixando uma impressão com a
forma de uma calota esférica, como pode ser visto na imagem a seguir:
Ensaio de dureza Brinell.
A expressão para se determinar a dureza Brinell (HB) é:
Confira a observação a seguir:
A carga aplicada é função do material ensaiado. Assim, define-se
uma constante (grau de carga) que garante o ângulo de ,
que pode ser visto na imagem Ensaio de dureza Brinell.
HB = 0, 102 ⋅
2 ⋅ P
π ⋅ D ⋅ (D − √D2 − d̄2
Observação 
136∘
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Observe algunscuidados práticos no ensaio de dureza Brinell:
A impressão é grande, classificando o ensaio como destrutivo, não
aplicável para pequenas áreas.
Não é aplicável para metais com tratamentos superficiais.
Conforme a ABNT, a distância entre os centros das impressões
dever ser 4d ou 6d.
Em relação às bordas dos CPs, a impressão deve ter seu centro
afastado de 2,5d.
O CP deve ter espessura 8x a profundidade (h) da impressão.
Confira mais uma observação a seguir:
Relação empírica para aços entre a dureza Brinell e o limite de
resistência:
Dureza Rockwell
O ensaio de dureza Rockwell (HR) é amplamente utilizado devido às
suas vantagens. Algumas delas são:
Além disso, ele é dividido em dois grupos:

Dureza Rockwell comum

Dureza Rockwell super�cial
P
D2
=  constante 
Observação 
σr = 0, 36 ⋅ HB
 Facilidade de utilização do equipamento
 Leitura direta no equipamento
 Utilização de penetradores pequenos (pequenas
impressões)
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O ensaio acontece da seguinte maneira:
As imagens a seguir apresentam a sequência de operações do ensaio e
o equipamento. Veja:
Sequência de operações – dureza Rockwell.
Equipamento - dureza Rockwell.
O penetrador do ensaio de dureza pode ser esferocônico de ou
esfera de aço ou carbeto de tungstênio, como pode ser visto na imagem
Inicia-se com a aplicação da pré-
carga para garantir o contato
efetivo entre o CP o penetrador.
Na sequência, aplica-se a carga
principal.
Por fim, retira-se a carga
principal e faz-se a leitura no
equipamento.
120∘
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Ensaios de dureza por penetração. As esferas têm diâmetros de
 e . A pré-carga utilizada no ensaio Rockwell
comum é de e, no superficial, igual a . Com relação às
cargas principais, os valores para o ensaio comum são de 60,100 e
 enquanto para o superficial, 15, 30 e .
Confira a observação a seguir:
O ensaio de dureza Rockwell superficial é aplicado para CPs de
pequena espessura ou com tratamentos superficiais.
A dureza Rockwell apresenta várias escalas: A, B, C, F etc. A escala C
tem aplicação entre os valores 20 e 70. A medida da dureza deve ser um
número acompanhado de HR mais a escala utilizada. Por exemplo,
45HRC. A tabela a seguir apresenta exemplos de aplicações típicas das
escalas Rockwell.
Escala Penetrador
Carga principal
(kgf)
B Esfera de 1/16” 100
C Diamante 150
A Diamante 60
Tabela: Escala Rockwell e aplicações.
Julio Cesar José Rodrigues Junior
Confira a observação a seguir:
1/2′′,  1/4′′,  1/8′′ 1/16′′
10kgf 3kgf
150kgf 45kgf
Observação 
Observação 
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A espessura mínima para o ensaio Rockwell é de 10x a
profundidade da impressão e as impressões devem estar
espaçadas de pelo menos 3x o diâmetro da impressão.
Dureza Vickers
A técnica é semelhante a da dureza Brinell, em que o penetrador é uma
pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo de . A imagem a
seguir mostra o penetrador Vickers e o equipamento do ensaio.
A impressão do ensaio é um losango, como pode ser visto na próxima
imagem:
Impressão do ensaio de dureza Vickers.
A determinação da dureza é calculada por:
Confira as observações a seguir:
Tabelas padronizadas associam diretamente a dureza Vickers
com as diagonais de impressão. As cargas usuais para o ensaio
Vickers variam de 1 a 100kgf, sendo as principais vantagens:
Impressões muito pequenas;
Precisão;
Existência de apenas uma escala;
Aplicável para qualquer espessura de material.
Microdurezas Vickers e Knoop: carga aplicada inferior a 1kgf e o
penetrador da última é uma pirâmide de diamante com razão
136∘
HV =
2 ⋅ P ⋅ sen ( θ
2
)
d̄2
= 1, 8544 ⋅
P
d̄2
Observação 1 
Observação 2 
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entre as diagonais da impressão 1:7, como pode ser visto na
imagem Ensaios de dureza por penetração.
Ensaio de impacto
Ensaios Charpy e Izod
A norma ASTM E23 é utilizada para os ensaios de Charpy e de Izod que
quantificam a energia absorvida pelo impacto. O corpo de prova
apresenta a forma de uma barra de seção reta quadrada, com um
entalhe em “V”.
No ensaio, um martelo pendular é abandonado de uma
altura, atingindo o CP, separando integralmente as suas
partes (fratura). O martelo continua seu movimento e
para em uma altura inferior à do início do ensaio. A
validade do ensaio ocorre quando há a separação total
das partes rompidas do CP.
Portanto, não ocorrendo a separação total das partes rompidas,
aumenta-se a energia potencial gravitacional inicial (aumenta-se a
altura) do martelo pendular. Essa diferença de energia potencial
gravitacional (inicial e final) é a medida da energia absorvida pelo
material para que ocorra a fratura. Os ensaios de impacto Charpy e Izod
são realizados no mesmo equipamento, sendo a diferença o
posicionamento do CP no equipamento, como pode ser visto na imagem
a seguir:
Corpos de prova para os ensaios de impacto (Charpy e Izod).
O principal objetivo dos ensaios Charpy e Izod é a determinação, caso
exista, da faixa de temperatura da transição dúctil-frágil de um material.
A imagem a seguir apresenta a influência da composição química (%C)
em aços, na transição dúctil-frágil.
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Influência do % de C em aços, na transição dúctil-frágil.
Transição dúctil-frágil
A transição dúctil-frágil refere-se ao comportamento frágil de alguns
metais dúcteis a baixas temperaturas, como acontece com os metais
com estrutura CCC ou HC. No diagrama energia versus temperatura, é
nítida a faixa de temperaturas da transição dúctil-frágil. Já os metais
com estrutura CFC permanecem dúcteis em toda a faixa de
temperaturas (curva aproximadamente horizontal). A imagem a seguir
apresenta o diagrama energia absorvida versus temperatura, oriundo do
ensaio de impacto para diversos materiais. Observe que alguns metais
apresentam transição dúctil-frágil bem nítida, como o aço baixo
carbono.
Diagrama energia versus temperatura para diversos materiais – ensaio de impacto.
Materiais que apresentam a transição dúctil-frágil devem ser
cuidadosamente utilizados nos projetos de Engenharia, evitando-se,
portanto, aplicá-los em situações de temperaturas baixas.
Confira a observação a seguir:
Conforme afirma Spim, para os aços, a transição dúctil-frágil
depende da composição química e da microestrutura. O
refinamento do grão em aços diminui a temperatura do
comportamento dúctil-frágil.
Na análise do comportamento da fratura do material ensaiado, utiliza-se
o exame visual da superfície da fratura. A fratura do metal pode variar de
frágil à dúctil, passando pelos casos em que as fraturas coexistem. A
imagem a seguir revela as superfícies de fraturas do aço ASTM - A36
ensaiados (Charpy) em várias temperaturas.
Frágil
Fratura com aspecto granular, brilhosa.
Dúctil
Observação 
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Fratura com aspecto fibroso, opaca.
Superfície de fraturas de corpos de prova de ensaio de impacto (Charpy).
Confira a observação a seguir:
Conforme afirma Souza, a identificação da região dúctil-frágil
pode ser feita da seguinte maneira:
T1 – corresponde a 100% da fratura fibrosa (dúctil);
T2 – corresponde a 50 % da fratura fibrosa;
T3 – média das temperaturas T1 e T5;
T4 – corresponde a um certa valor adotado da energia
absorvida (aços de baixa resistência, 20J);
T5 – corresponde a 100% da fratura frágil.
Observe no gráfico a seguir:
Critérios para temperatura de transição – ensaio de impacto.
Observação 
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
(Petrobras - 2014 - Técnico(a) de Manutenção Júnior - Caldeiraria)
Dentre as escalas de ensaio de dureza abaixo relacionadas, aquela
que pode ser utilizada para ensaio de microdureza é a denominada
escala:
Parabéns! A alternativa B está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%
paragraph'%3EExiste%20uma%20s%C3%A9rie%20de%20t%C3%A9cnicas%20de%20ensaio%20de%20dureza%20que%20a
se%20a%20micro%20dureza%20Vickers.%20%20%3C%2Fp%3E%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20
Questão 2
(Petrobras – 2014 – Engenheiro(a) de Equipamentos Júnior –
Inspeção) A temperatura de transição dúctil-frágil pode ser obtida
experimentalmente através de vários ensaios mecânicos, como, por
exemplo, o ensaio Charpy. O ensaio Charpy e a temperatura de
transição obtida, no entanto, apresentam limitações bastante
importantes para um emprego mais generalizado. Dentre essas
limitações, destaca-se a seguinte:
A Brinell
B Vickers
C Rockwell A
D Rockwell B
E Rockwell C
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Parabéns! A alternativa C está correta.
%0A%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%20%3Cp%20class%
paragraph'%3EPara%20se%20determinar%20a%20temperatura%20de%20transi%C3%A7%C3%A3o%20d%C3%BActil-
fr%C3%A1gil%20de%20um%20metal%2C%20isto%20%C3%A9%2C%20a%20partir%20de%20que%20temperatura%20o%20
se%20fragilmente%2C%20%C3%A9%20utilizado%20o%20ensaio%20de%20impacto.%20A%20energia%20absorvida%20pe
Considerações �nais
Neste conteúdo, foram abordados os principais ensaios destrutivos
utilizados para caracterizar os materiais. Inicialmente, foram abordados
os ensaios de tração e flexão. A partir do diagrama tensão versus
deformação várias propriedades mecânicas foram apresentadas, bem
como suas determinações.
Foram apresentados os ensaios de flexão em três e quatro pontos. Na
sequência, os ensaios de fadiga e de torção foram estudados.
Apresentou-se o fenômeno de fadiga, o ensaio de fadiga e a curva S-N.
Alguns fatores que minimizam o fenômeno da fadiga foram
apresentados. No ensaio de torção, foi apresentado o equipamento para
o ensaio e duas curvas possíveis para a resposta ao ensaio. Foram
determinadas propriedades mecânicas associadas ao cisalhamento.
A técnica de macrografia foi estudada. Inicialmente foram apresentadas
as principais seções (longitudinal e transversal) utilizadas e suas
aplicações. Ademais, a macrografia foi apresentada como uma técnica
para o estudo de tratamentos superficiais e dos processos de
fabricação. Por fim, o ensaio de impacto (Charpy e Izod) foi descrito e
sua principal aplicabilidade foi apresentada, isto é, o estudo da transição
da temperatura dúctil-frágil para alguns metais.
Podcast
Agora, o professor encerra o tema falando sobre os principais tópicos
abordados.
A A energia absorvida para causar a fratura não
depende da temperatura.
B
A energia absorvida na condição frágil é maior do
que na condição dúctil.
C
A energia absorvida depende das dimensões do
corpo de prova.
D
A energia absorvida independe das dimensões do
corpo de prova.
E
A temperatura de transição independe das
dimensões do corpo de prova.

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Para entender melhor sobre o que vimos, leia o trabalho intitulado
Caracterização e estudo das propriedades mecânicas de uma junta
soldada, publicado no 15o Encontro Nacional de Estudantes de
Engenharia Metalúrgica, de Materiais e de Minas (ENEMET), ABM Week,
realizada de 17 a 21 de agosto de 2015, RJ, Brasil.
Referências
CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais:
uma introdução. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.
COLPAERT, H. Metalografia dos produtos siderúrgicos comuns. 4. ed.
São Paulo: Edgard Blucher, 2008.
DE SOUZA, S.A. Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. 5. ed. São
Paulo: Blucher, 2019.
GARCIA, A.; SPIM, J. A.; DOS SANTOS, C. A. Ensaios dos Materiais. 2. ed.
Rio de Janeiro: LTC, 2017.
HIBBELER, R.C. Resistência dos Materiais. 7. ed. São Paulo: Pearson,
2010.
RAMSTORFER, F.; NUNES, A. E.; RET, L. C. P. Classificação
computacional da segregação central de placas pelo processamento de
imagens de impressões de Baumann , p. 1616-1629. In: 45º Seminário
de Aciaria - Internacional, Porto Alegre/Brasil, 2014.
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