capitulo-04

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Mecânica dos Materiais
Ensaio de Materiais 
Desenvolvimento do material
Paulo Bonfim
1ª Edição
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Sumário
Ensaio de Materiais 
Para Início de Conversa... ............................................................................... 3
Objetivo ......................................................................................................... 3
1. A Curva de Tensão e Deformação ............................................................ 4
2. Ensaios Destrutivos ..................................................................................... 5
3. Ensaios não Destrutivos ............................................................................. 8
Referências ......................................................................................................... 12
Para Início de Conversa...
Os ensaios, de forma geral, são classificados em dois tipos: os 
destrutivos, que destroem a amostra após o ensaio; e os não destrutivos, 
que preservam a amostra após o ensaio. Este último é objeto de grande 
pesquisa nos últimos anos, e como exemplo, temos o ensaio de análise 
de vibração, o raio x industrial e o ensaio com ultrassom.
Objetivo
Distinguir os diversos tipos de ensaios de materiais, bem como seus 
usos e limitações.
Mecânica dos Materiais 3
1. A Curva de Tensão e Deformação
Para o ensaio de tração de um corpo de prova metálico, observamos 
comportamentos típicos da curva de tensão deformação que, praticamente, 
não se alteravam, com a exceção da escala observada para cada material.
Os principais pontos do gráfico de tensão e deformação para o ensaio de 
tração foram abordados de forma sistemática ao longo das três unidades 
anteriores. Vamos continuar nesta temática, porém, analisando outros 
tipos de ensaio e materiais que produzem comportamentos distintos. O 
ensaio de compressão é executado tanto em materiais metálicos como 
em materiais cerâmicos.
Figura 1: Algumas propriedades e limites obtidos da curva de tensão x deformação no ensaio de 
compressão (longitudinal ou transversal) até a ruptura de um corpo de prova de material frágil 
(concreto). Fonte: Do autor.
Na Figura 1, observamos a curva de tensão e deformação em ensaios 
de compressão. Geralmente, a compressão longitudinal, em relação ao 
eixo axial é mais frequente em metais, mas também é executada em 
materiais frágeis como concreto e argamassa. A compressão transversal 
é exclusiva de materiais frágeis (cerâmicas e seus compósitos).
A compressão é preferida para materiais frágeis, pois a propagação de 
trincas paralelas ao eixo longitudinal é tão alta que estes materiais 
possuem baixa resistência à tração, tornando o ensaio inútil.
O gráfico, de forma geral, é semelhante ao de tração, mas seu limite 
máximo de resistência à compressão coincide com a ruptura. Temos, 
então, as seguintes grandezas:
σe= Limite de escoamento - Para sua determinação, semelhante à tração, 
também usamos uma reta auxiliar paralela ao setor elástico, com 
deslocamento da origem de 0,2% do eixo de deformação, já que esse 
limite pode também não ser preciso.
σu= Limite resistência à compressão- Máxima tensão mecânica que 
o material suporta antes da fratura. Geralmente, em materiais frágeis, 
a propagação de trincas internas elimina a resistência do material 
à compressão.
Para os ensaios de compressão longitudinal, temos: 
Mecânica dos Materiais 4
σc =
 4×F - Tensão convencional - Aqui ‘F’ é a força de compressão exercida 
pela máquina de ensaios e D0 é a área inicial da seção transversal do 
corpo de prova cilíndrico.
Mas, esse diâmetro pode aumentar durante o ensaio de compressão. 
Logo, temos:
σr =
 4×F - Tensão real - Aqui ‘F’ é a força de compressão exercida pela 
máquina de ensaios e D é a área final da seção transversal do corpo de 
prova cilíndrico, após o ensaio.
Muitas vezes, dependendo do material, é difícil perceber alterações no 
diâmetro. Então, é utilizada a variação de altura do cilindro (h), grandeza 
que, efetivamente, a máquina de ensaios mede ao longo da compressão. 
Temos, então:
εr = ln 
h - A deformação real do corpo de prova; o logaritmo natural da 
razão entre as alturas final e inicial.
Para compressões transversais, utilizamos a variação de estricção. A 
estricção é a redução da área transversal ao eixo axial de um corpo 
de prova, sendo muito comum tanto na tração como na compressão 
transversal. Um parâmetro muito utilizado para medir estricção é o 
coeficiente de estricção.
____
π×D20
____
π×D2
_
h0
φ = 
S0 - SF - Coeficiente de estricção - A redução do diâmetro da área da 
seção transversal entre a área inicial S0 e a área final SF. Geralmente, os 
materiais mais dúcteis tendem a apresentar maior estricção.
2. Ensaios Destrutivos
Os ensaios destrutivos são aqueles que destroem as amostras (corpos de 
prova) ao final do ensaio. 
Os ensaios de tração e compressão vistos anteriormente são considerados 
ensaios destrutivos. Mesmo que a amostra não seja destruída, ela sofre 
alteração nas suas características mecânicas ao final do processo, 
bastando observar a natureza das curvas de tensão e deformação. 
Os ensaios de dureza também são considerados destrutivos pois 
produzem marcas nos corpos de prova. Estes ensaios, geralmente, são 
feitos com a penetração de pontas de material duro sobre as superfícies 
dos materiais a serem testados. Como exemplo, temos a dureza Brinell.
No ensaio Brinell, uma esfera de aço temperado ou de carboneto de 
tungstênio é comprimida contra a superfície do corpo de prova, formando 
uma calota esférica.
_____
S0
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Figura 2: Esquema geral de um ensaio Brinell - Fonte: Do autor.
A carga ‘F’ e o material da ponta (aço ou tungstênio) dos ensaios Brinell 
dependem da faixa de dureza do metal. A carga é aplicada de 10 a 15 
segundos com uma força de 3000 Kgf, 1500 Kgf ou 500 Kgf, de forma 
proporcional a maciez (ductilidade) do metal. A norma técnica nacional 
que padroniza o ensaio Brinell é a ABNT NBR NM 187-1 (ou a antiga 
NBR-6394). Para a escolha do tipo de ponta e carga, usa-se o critério:
Mantendo a centralização da esfera e o ângulo de penetração em relação 
ao corpo de prova, comparando com as marcas de diâmetro ‘d’, espera-
se que o aumento de carga seja proporcional ao aumento do quadrado 
do diâmetro da esfera. Para metais mais duros, geralmente a medida é 
denotada como HBw e a ponta usada é a de tungstênio; para metais 
mais macios, temos o HBs com pontas de aço. A fórmula padronizada é:
‘D’ é o diâmetro da ponta (esfera penetradora) em mm e ‘d’ é o diâmetro 
da impressão em mm.
A desvantagem do ensaio Brinell é a precisão que se consegue medir o 
diâmetro ‘d’ na marca obtida, que também é dificultada pela recuperação 
elástica de materiais mais duros que tendem a reduzir o diâmetro da 
marca da impressão. O ensaio mais utilizado, internacionalmente, é o 
Rockwell que já foi apresentado nas unidades anteriores.
Cada ramo da indústria tende a utilizar ensaios distintos, por isso a grande 
variedade de ensaios destrutivos, adaptados a cada situação específica. 
Enquanto o ensaio de compressão e ruptura de corpos cilíndricos de 
concreto é um dos ensaios mais frequentes para a engenharia civil, 
os ensaios de tração e flexão de corpos de prova metálicos são mais 
frequentes na engenharia mecânica.
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O ensaio de flexão é muito utilizado em engenharia, de forma geral, com 
destaque para o ensaio de flexão em três pontos, em que uma carga é 
aplicada no centro geométrico de uma barra de geometria padronizada 
apoiada em outros dois pontos. A barra, dependendo do padrão, pode 
possuir várias formas para a seção transversal (retangular, quadrada, 
redonda, ‘H’).
Figura 3: Ensaio de flexão em três pontos. Fonte: Do autor.
A curva de tensãodeformação é muito semelhante ao ensaio de 
compressão (Figura 1). A diferença está no eixo horizontal, cuja 
deformação é dada pela grandeza flecha ou deflexão ‘v’ (Figura 3). 
O módulo de Young (E) é obtido como tangente da inclinação ‘â’ no 
regime elástico.
A forma da seção transversal influencia a máxima ‘flecha’ que a barra 
suporta (vmáx). Em especial, as barras em com seção transversal ‘H’ 
suportam a maior deflexão antes de romper. Como exemplo, podemos 
enunciar dois resultados para a barra de seção transversal retangular 
(Figura 3).
Módulo de elasticidade ou de Young (E), dado numericamente em 
(N/m² = Pa).
P = Carga aplicada (N);
l = Comprimento total apoiado (m);
b = Largura (m);
h = Altura (m);
v = Flecha (m);
Módulo de tenacidade (Ut ), dado numericamente em tenacidade 
em flexão (Nm/m³). Só é válido se a curva de tensão deformação for 
aproximadamente parabólica.
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Pmáx= Máxima carga atingida no ensaio (na ruptura) (N);
yf= Flecha máxima nessa carga (N);
S = Área sob o gráfico tensão x flecha (tensão x deformação) (m²);
l = Comprimento da barra apoiada (m).
3. Ensaios não Destrutivos
Uma grande tendência da engenharia atual é investir nos ensaios não 
destrutivos. Existem vantagens e desvantagens para tal tipo de ensaio; a 
principal vantagem é não destruir a peça ou elemento a ser testado, que, 
geralmente, está na sua forma final, não sendo necessário produzir um 
corpo de prova específico.
Muitas vezes, é necessário verificar se, durante o uso, o elemento já 
apresenta fissuras que podem levar à falha catastrófica. Os ensaios 
podem ser feitos com as máquinas em funcionamento (em carga).
Para as peças metálicas, as rupturas possuem quatro grandes categorias:
1. Fratura frágil - Quando o material metálico é duro demais para a 
aplicação e/ou carga que está sendo submetido;
2. Fratura dúctil - Quando o material metálico é macio demais e rompe 
com facilidade com a carga aplicada;
3. Fratura por corrosão - Quando ataques químicos naturais (oxidação) 
ou artificiais comprometem a integridade do elemento, tornando-o 
quebradiço em relação às cargas aplicadas;
4. Fratura por fadiga - Quando cargas cíclicas e constantes atuam 
sobre pontos específicos do elemento, em que ele é mais solicitado, 
produzindo fissuras localizadas e posterior ruptura total.
A maioria das rupturas (~ 95 %) ocorre por Fadiga Mecânica. 
Fadiga mecânica é um processo de rupturas microscópicas que, ao 
longo do uso, pode causar a falha ou ruptura do elemento mecânico. 
Ela é causada em pontos específicos do elemento, que sofre com cargas 
cíclicas e constantes, produzindo, ao longo do tempo, trincas ou rupturas 
que tendem a aumentar até à sua ruptura total. Estima-se que a fadiga é 
causa da maioria das falhas de serviço (95 %) em máquinas e estruturas. 
A ruptura progressiva sobre o elemento metálico surge de forma 
microscópica em pontos específicos da peça. Cargas e deformações 
vão produzindo aumento dessas ‘fissuras’ ao longo do funcionamento 
da máquina ou uso contínuo do elemento, até que haja o fenômeno 
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catastrófico da ruptura total. Como as fissuras são microscópicas, é 
necessário desenvolver métodos de detecção.
Os ensaios não destrutivos mais comuns são: Radiografia (raios x), 
Gamagrafia (raiosy), Ensaio de Partículas Magnéticas, Ensaio de Líquido 
Penetrante e Ensaio de Ultrassom.
Figura 4: Esquema de um ensaio não destrutivo: a radiografia. Fonte: Do autor.
O raio x pode ser obtido por meio de uma descarga elétrica sobre um 
ânodo (placa ou cavidade, geralmente, de tungstênio ou liga metálica de 
alto ponto de fusão). A descarga elétrica é proveniente da alta tensão em 
relação a um cátodo (fonte de elétrons que consiste em um filamento de 
tungstênio). A alta tensão é oriunda de um conjunto de capacitores (35.000 
volts < voltagem < 75.000 volts). Esses elementos são embutidos em uma 
ampola com extremo vácuo e uma pequena janela, de onde parte o feixe 
de radiação eletromagnética. A radiação de pequeno comprimento de 
onda (0,001 ɳm - 0,1 ɳm) é obtida na desaceleração súbita dos elétrons, 
quando vão de encontro ao ânodo e das transições quânticas dos elétrons 
pertencentes aos átomos da superfície do metal, que emite o excesso de 
energia de transição na forma de radiação. Essa radiação é muito penetrante.
Em virtude do pequeno comprimento de onda, o raio x consegue 
ultrapassar as pequenas fissuras, que podem estar presentes nas peças 
ensaiadas, ‘queimando’ uma chapa fotográfica e gerando uma imagem 
destas fissuras.
A geração de imagens na chapa fotográfica depende da intensidade do 
feixe na origem até a penetração total da peça. Essa intensidade pode 
ser expressa por:
I = I0 . e
 μ-x
I0= Intensidade inicial dos raios x (watt/m²);
x = Espessura do material absorvente (m);
μ= Coeficiente de absorção linear. Esse fator depende do tipo de material 
e também da faixa de comprimento de onda do feixe de raios x (m1).I = 
Intensidade do feixe que transpassa totalmente a peça e incide sobre a 
chapa fotográfica (watt/m²).
O método de raio x é muito utilizado, principalmente, na engenharia 
mecânica, em especial, na análise da inspeção de soldas e nos efeitos 
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de fadiga e corrosão. O inconveniente é o tamanho do aparelho e sua 
manipulação que exige proteção radiológica.
Este método pode ser substituído pela Gamagrafia (raios y), que produz 
radiações muito próximas a do raio x, mas com comprimentos de ondas 
menores, tendo como fonte, o decaimento de isótopos radioativos 
(Cobalto-60; Irídio-192; Césio-137; Selênio-75). Esses isótopos são 
colocados em um pequeno recipiente de chumbo para prevenir 
contaminações externas. Então, uma oclusora abre e fecha para liberar 
radiação por um pequeno orifício e placas elétricas no percurso das 
radiações são liberadas. Em seguida, algumas partículas carregadas 
derivadas dos decaimentos (α e β) são retiradas, deixando passar apenas 
as radiações eletromagnéticas (y). E semelhante aos raios x, imagens de 
fissuras microscópicas em chapa fotográfica são produzidas, mas com 
penetração ainda maior.
Em virtude da variedade de radiações que a Gamagrafia produz, exige-
se do operador proteções maiores. Os isótopos possuem vidas médias 
variadas e precisam ser trocados quando cessam de emitir radiação. 
A peça também precisa ser irradiada por mais tempo, pois o feixe de 
radiação é menos intenso do que na radiografia, mas as imagens podem 
ser mais precisas por causa do menor comprimento de onda do raios 
y. Os aparelhos também são pequenos e podem ser transportados com 
facilidade. A gamagrafia também é um excelente ensaio para detectar a 
fadiga dos materiais, sendo muito utilizada na indústria aeronáutica.
O Ultrassom é um teste baseado em uma experiência muito simples. 
Quando batemos em qualquer peça sólida, o som que retorna consegue 
nos dar uma impressão se o elemento é maciço ou oco. Como geralmente 
a velocidade do som se modifica com a densidade do material que ele 
percorre, é possível gerar imagens ou um espectro de intensidades 
no tempo, a partir de reflexões, refrações (mudanças de velocidade) e 
absorções do som pelo meio. 
O espectro de intensidades no tempo é um gráfico registrado por um 
osciloscópio (aparelho que registra vibrações). A partir de picos de 
intensidade, é possível localizar fissuras, determinar durezas relativas, 
entre outras análises estruturais. Um transdutor (aparelho acoplado à 
peça e ao osciloscópio) serve como emissor e receptor das ondas sonoras 
de ultrassom (> 20.000 hz). Existem vários métodos para o ensaio de 
ultrassom baseados na penetração e na reflexão, dependendo do tipo de 
informação que se deseja obter.
O ensaio de partículas magnéticas é restrito às ligas ferrosas (aço) ou 
materiais magnetizáveis, como cobalto e níquel. Este ensaio consiste em 
usar limalhas de ferro ou similares que são depositadas, superficialmente, 
na peça. Com a imantação da peça, usando solenoides, as limalhastendem a indicar onde existem fissuras ou trincas decorrentes da 
expulsão do fluxo magnético e os defeitos microscópicos. As limalhas 
assumem orientações distintas das linhas de campo normais, caso a 
peça ensaiada esteja íntegra.
Mecânica dos Materiais 10
Solenoides são bobinas de fios condutores que produzem eletroímãs 
quando percorridos por corrente. O ensaio de partículas magnéticas 
é bastante confiável para inspecionar soldas e materiais ferrosos 
fundidos, de fácil manuseio. Ele consegue localizar falhas na fabricação 
em processos quentes (fundição) e não compromete a integridade da 
peça ensaiada.
O Ensaio por Líquido Penetrante consiste em depositar sobre a superfície 
de peças metálicas limpas e secas (desengraxadas) um líquido de cor viva 
(vermelho). Esse líquido possui a característica físico-química de aderir à 
trincas ou fissuras superficiais, para a observação instantânea de falhas 
superficiais difíceis de serem vistas a olho nu; também são utilizados pós 
penetrantes de cor branca ou líquidos fluorescentes (com o uso de luz 
negra adicional). O tipo de líquido ou pó é escolhido dependendo do tipo 
de liga metálica a ser investigada. É um ensaio simples de ser realizado, 
sendo bastante utilizado em análise de qualidade de múltiplas peças.
Vimos múltiplos ensaios, mas existem muitos outros que não 
conseguimos mostrar. Na prática, para cada processo de engenharia, é 
necessário selecionarmos para o controle de qualidade, manutenção e 
outros, os ensaios compatíveis. Se o processo industrial é novo, muitas 
vezes, faz-se necessária a criação de novos ensaios.
Vimos como os ensaios de materiais são de grande utilização na análise 
dos materiais. Começando com os ensaios destrutivos, conhecemos o 
ensaio de flexão com três pontos e o ensaio de dureza Brinell. 
Alguns ensaios destrutivos possuem o objetivo de produzir uma curva 
de tensão x deformação que, no caso do ensaio de flexão, produziu a 
curva de tensão x flecha. Já os ensaios não destrutivos possuem outra 
conotação e, na maioria das vezes, são utilizados para localizar fissuras e 
trincas oriundas do fenômeno da fadiga. 
Em especial, tratamos dos ensaios de radiografia, gamagrafia e ultrassom, 
que são os mais adequados para prever as rupturas causadas pela 
fadiga. Para inspeção de soldas e análise de qualidade de metais em 
fundição, vimos os ensaios não destrutivos simples: ensaios de partícula 
magnética e líquidos penetrantes.
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Referências
ASKELAND, D. R.; PHULÉ, P. P. Ciência e engenharia dos materiais. São 
Paulo: Cengage Learning, 2008.
GARCIA, A.; SPIM, J. A.; SANTOS, C. A. Ensaios dos materiais. Rio de Janeiro: 
LTC, 2000.
SHACKELFORD, J. F. Ciência dos materiais. São Paulo: Pearson, 2008. 
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	Referências
	3. Ensaios não Destrutivos
	2. Ensaios Destrutivos
	1. Título do Subtema
	Objetivo
	Para Início de Conversa...