Relatório 3 - Matprob

Prévia do material em texto

Grupo 8
ENSAIOS MECÂNICOS –
ENSAIOS DE DUREZA E IMPACTO
1. INTRODUÇÃO
O comportamento dos materiais sob vários testes mecânicos determina como eles
são usados em diferentes campos de estudo. Os resultados destes testes permitem
identificar as propriedades únicas de um material, possibilitando a sua utilização de acordo
com os requisitos de cada aplicação. Dentre os diversos ensaios para caracterização
mecânica de biomateriais, destacam-se os ensaios de resistência ao impacto e ensaios de
dureza e/ou microdureza do tipo tensão X deformação.
1.1. Dureza
A capacidade de um material resistir à deformação plástica, normalmente devido à
penetração, é conhecida como dureza. Esta característica é diretamente influenciada pelas
forças que mantêm átomos, íons ou moléculas unidos, bem como pela condição do
material, incluindo sua forma, acabamento e outras características. A capacidade de resistir
a flexões, arranhões, abrasões ou cortes é outro significado de dureza. A dureza é
determinada por definições exatas em termos de unidades fundamentais de massa,
comprimento e tempo; não é um atributo inerente ao material. Um processo de medição
específico produz o valor do atributo de dureza.
1.2. Impacto
Impacto é um esforço do tipo dinâmico. Os materiais se comportam de maneira
diferente quando submetidos a cargas dinâmicas e quando submetidos a cargas estáticas.
A tenacidade de um material, que está correlacionada com a sua resistência e ductilidade,
influencia a sua capacidade de absorver energia de impacto. A capacidade do material de
absorver e liberar esta energia é determinada pelo teste de resistência ao impacto. O
resultado do teste produz a energia que o material absorve até fraturar, definindo sua
natureza dúctil-frágil.
2. OBJETIVOS
O objetivo principal dos procedimentos práticos foi familiarizar-se com as normas
ASTM e compreender o funcionamento dos testes mecânicos, como os testes de dureza
Shore A e Shore D e o teste de impacto tipo Izod. Adicionalmente, encontrar e avaliar as
características mecânicas dos polímeros termoplásticos e elastômeros (borrachas) em
relação aos testes realizados.
3. METODOLOGIA
3.1. Ensaio de Dureza - Shore
A dureza dos polímeros e elastômeros é testada usando o teste de dureza Shore,
que mede a elasticidade do material. A resistência de uma substância à indentação é
medida pela sua dureza Shore. Um durômetro (Figura 1) é então utilizado para medir isso,
permitindo uma avaliação rápida e não destrutiva do item. O material é submetido a uma
força aplicada perpendicularmente à sua superfície durante o teste, e a penetração da ponta
do durômetro na amostra é usada para determinar o valor da dureza.
Figura 1 - durômetro Shore A
Muitas escalas de dureza podem ser utilizadas, porém a norma ASTM D 2240
contém 12 escalas, dependendo da finalidade de determinada aplicação ou uso, A, B, C, D,
DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S e R. As mais comuns são a A e D. Sendo a D utilizada em
materiais mais rígidos e a A em materiais mais macios, como polímeros, borrachas e outros
materiais sintéticos.
Figura 2 - Escala de Dureza de borrachas
3.2. Ensaio de impacto - IZOD
O objetivo do teste de impacto é determinar quanta energia uma amostra de material
absorve quando é exposta a uma força de choque desconhecida. Isso nos permite
quantificar a tendência de um material à fragilidade. O impacto ou choque é um esforço
dinâmico, pois o peso é aplicado de forma rápida e violenta. Tanto a força quanto a
velocidade com que a força é aplicada são importantes no momento do impacto. O
resultado do teste não é um indicador confiável do comportamento geral do material ao
choque; em vez disso, é apenas uma medição da energia absorvida na fratura de uma peça
de teste.
Inúmeros fatores afetam a resistência ao impacto, incluindo entalhe ou
descontinuidade, composição do material de base e de enchimento, tratamento térmico,
cristalinidade, falhas microestruturais e temperatura; quanto menor a temperatura, maior a
propensão à quebra frágil, como indica a Tabela 1.
Tabela 1 - Temperatura X comportamento
O ensaio é feito por meio de um pêndulo de impacto, onde o corpo de prova é fixado
na posição vertical por um par de garras. O pêndulo da máquina de testes Izod oscila e
atinge o item de teste quando ele é liberado. A amostra quebra ou resiste à força exercida.
Devido à energia que a amostra absorveu no momento do impacto, o braço do pêndulo
continua a se mover, embora com menos impulso. Quanto mais energia o pêndulo absorve
após atingir a amostra, mais baixo ele vai após o impacto. Dependendo do modelo de
pêndulo utilizado, um display ou painel eletrônico fornecerá a leitura da energia necessária
para fraturar o corpo de prova.
Figura 3 - modelo de pêndulo
Além disso foram tiradas as medidas de largura e espessura das peças com um
paquímetro para que seja calculada a área da secção transversal de cada material, assim,
sabendo o valor da resistência ao impacto de cada material em J/m^2.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1. Ensaio de Dureza
Para a aferição da dureza das borrachas foi utilizada a escala Shore A, enquanto
que para os materiais das amostras poliméricas, foi utilizada a escala Shore D.
A Tabela 2 apresenta os resultados das aferições dos corpos de prova medidos de
acordo com a escala Shore D, cada um foi medido 3 vezes e calculada a média dos valores
obtidos. (valores adimensionais)
Tabela 2 - Dureza dos corpos poliméricos na escala Shore D e comparação com literatura
Onde: PP (Polipropileno); PP 5% (PP com 5% de talco); PS (Poliestireno); ABS
(Acrilonitrilo-butadieno-estireno); PBT (Politereftalato de butileno).
A Tabela 3 apresenta a comparação dos valores obtidos pelo grupo com os valores
fornecidos pela literatura.
Tabela 3 - Comparação dos resultados experimentais com teóricos
A partir dos resultados apresentados na Tabela 2, podemos realizar uma
comparação com os dados da escala de dureza Shore D, conforme indicado na Figura 2.
Observamos que todos os materiais se encontram dentro da faixa de "Extra Dura". No
entanto, ao compararmos esses resultados com os valores encontrados na literatura,
identificamos uma discrepância. Essa diferença pode ser atribuída às medições realizadas
no laboratório, as quais podem não ter sido totalmente precisas devido à variação na força
aplicada. Além disso, os dados disponíveis sobre os valores de dureza de cada material
podem não ser confiáveis, uma vez que diferentes fontes apresentavam discrepâncias nos
valores atribuídos a cada material. Optamos por adotar os dados de uma fornecedora de
plásticos com quem entramos em contato, considerando essa fonte mais confiável para
nossos propósitos.
A seguir, na Tabela 4, apresentamos os valores das medições da Dureza das
borrachas na escala Shore A. E na Tabela 5, a comparação com os valores da literatura.
Tabela 4 - Dureza dos materiais de borracha na escala Shore A
Tabela 5 - Comparação com valores da literatura
A partir dos resultados apresentados na Tabela 3, podemos realizar uma
comparação com os dados da escala de dureza Shore A, conforme indicado na Figura 2.
Observamos que o VMQ, o EPDM, o N + SBR e o Viton FKM são considerados “Meio duro”,
enquanto o NBR, e o CR são considerados “Duro”. Assim como na escala Shore D, ao
compararmos esses resultados com os valores encontrados na literatura, identificamos uma
discrepância. Essa diferença pode ser atribuída às medições realizadas no laboratório, as
quais podem não ter sido totalmente precisas devido à variação na força aplicada. Além
disso, os dados disponíveis sobre os valores de dureza de cada material podem não ser
confiáveis, uma vez que diferentes fontes apresentavam discrepâncias nos valores
atribuídos a cada material.
4.2. Ensaio de Impacto
Resultados das medidas a partir do paquímetro e média das 3 aferições; e área da
secção transversal calculada a partir dessas medidas.
OBS.: Foi descontado 0,02 mm das medidas do corpo de prova de PP, levando em
consideração o entalhe.
Tabela 6 - largura, espessura e área da secçãotransversal dos materiais poliméricos
Em todas as amostras, o teste de impacto foi realizado com valor de energia
potencial de 5,5 J e uma velocidade de 5,5 m/s. A Tabela 7 apresenta os valores obtidos
nos testes de impacto, e a partir disso, os valores calculados de resistência ao impacto,
dividindo a área pela energia (J/m^2).
Tabela 7 - Ângulo e energia obtidos nos testes e resistência ao impacto de cada corpo
A seguir, a comparação com os valores literários.
Tabela 8 - Comparação de resistências ao impacto obtidas com os valores na literatura
O valor da resistência ao impacto, conforme apresentado na Tabela 7, foi calculado
dividindo a energia fornecida pelo pêndulo pela área da fratura. Vale destacar que dois
materiais, o PP e o PBT, não apresentaram ruptura. Podemos inferir que eles absorveram
mais do que 5,5J, sendo esse o valor máximo contido na energia potencial aplicada. Em
outras palavras, para causar a quebra desses materiais, seria necessário aplicar uma
energia potencial superior à aplicada pelo pêndulo.
Intuitivamente, esperaríamos que a peça com entalhe, como é o caso do PP, tivesse
um valor de energia menor, uma vez que a presença do entalhe cria uma "fratura"
pré-existente, facilitando a ruptura em comparação com materiais sem entalhe. Entretanto,
contrariando essa intuição, o PP não se rompeu. Isso pode ser explicado pelo fato de que,
na prática, quando a haste do pêndulo impacta o material, ela pode escapar e passar
diretamente através dele. Em teoria, esperaríamos que a haste ficasse parada após o
impacto, indicando que toda a energia foi absorvida. Contudo, na prática, a haste acaba
atravessando o material, sugerindo uma dinâmica mais complexa na absorção de energia e
resistência ao impacto.
5. CONCLUSÕES
5.1. Ensaio de Dureza
Com base nos resultados do ensaio de dureza dos corpos de prova, conforme
avaliado pela escala de dureza Shore D, indicada na Figura 2, é possível afirmar que todos
os materiais estão situados na categoria de materiais extra duros. No entanto, observa-se
uma certa discrepância entre os valores experimentalmente obtidos e os registrados na
literatura. Essa discrepância é atribuída às imprecisões nas medições realizadas no
laboratório, devido à variabilidade da força exercida, assim como aos dados provenientes
da literatura, que podem não ser totalmente confiáveis. A ausência de informações sobre as
condições específicas de temperatura e pressão durante a coleta dos valores na literatura
abre margem para resultados divergentes. Esses dados são essenciais para definir a
dureza do material, uma vez que a ductilidade é influenciada pela temperatura, taxa de
deformação e estado de tensão.
Apesar dessas considerações, podemos concluir que o material PS, que apresentou
a fratura mais frágil nas figuras observadas, também obteve o maior valor de dureza
(65,33). Isso está em consonância com a expectativa de que materiais mais duros são mais
propensos à quebra, devido à sua menor deformação plástica. Por outro lado, o material PP
5%, que resultou em uma fratura dúctil, registrou um dos menores valores de dureza (44,4).
Esses resultados indicam que o ensaio produziu resultados esperados para a maioria dos
materiais, apesar de algumas variações causadas por oscilações do pêndulo em relação ao
material.
Ao analisar os resultados dos ensaios de dureza dos elastômeros, utilizando a
escala Shore A, e comparando-os com os dados da literatura, podemos constatar que a
maioria dos materiais se enquadra dentro da faixa de valores esperada.
5.2. Ensaio de impacto
Sabemos que os materiais podem ser classificados em dois modos distintos de
fratura: dúctil e frágil. Essa categorização é estabelecida com base na capacidade do
material de se deformar plasticamente. Em outras palavras, quando um material demonstra
uma boa deformação plástica e é capaz de absorver bastante energia antes de fraturar,
caracterizamos esse comportamento como dúctil. Por outro lado, quando um material exibe
pouca ou nenhuma deformação e absorve pouca energia antes de se romper, descrevemos
esse comportamento como frágil.
É importante ressaltar que a ductilidade é uma função da temperatura do material,
da taxa de deformação e do estado de tensão. Assim, dependendo dessas três variáveis o
material pode mudar de comportamento dúctil para frágil. Um exemplo disso é a presença
de entalhe. Um entalhe promove concentração de tensões muito elevadas, o que faz com
que a maior parte da energia produzida pela ação do golpe seja concentrada numa região
localizada da peça,o que aumenta sua fragilidade.
A partir dessas características, podemos concluir que materiais com comportamento
frágil não são adequados para aplicações sujeitas a esforços abruptos, uma vez que sua
capacidade de deformação e absorção de energia é limitada. Em contrapartida, materiais
com comportamento dúctil são mais adequados para situações em que a deformação
plástica e a absorção de energia são requisitos essenciais. Essa distinção é crucial ao
selecionar materiais para aplicações específicas, considerando a natureza dos esforços aos
quais serão submetidos.
Analisando nosso ensaio, com base nas tabelas resultantes, é evidente que o PS e
o ABS, devido à sua menor energia, apresentaram fraturas frágeis, indicando uma
tendência à ruptura mais fácil. No caso do PP 5%, classificamos sua fratura como dúctil,
uma vez que exigiu uma quantidade significativamente maior de energia para a ruptura,
demonstrando uma maior resistência do material. O PBT, por não ter sofrido fratura, seria
considerado altamente dúctil, pois demandaria uma energia potencial superior à aplicada
para se romper.
Em relação ao PP com entalhe, teoricamente, esperaríamos a ocorrência de ruptura,
dada a concentração de tensões resultante do entalhe, aumentando a fragilidade do
material. No entanto, devido ao problema do pêndulo atravessar o material, especialmente
por ser pequeno, a energia é dissipada, comprometendo a análise do experimento.
6. Referências
https://www.wishbox.net.br/app/uploads/2020/01/ABS-Ultimaker_Especifica%C3%A7%C3%
B5es-PT.pdf
https://ibabrubber.com.br/compostos.pdf
https://www.rubberplastic.com.br/borracha/lencol-borracha-epdm-ep-7427.html
Responde Aí (respondeai.com.br)
IBAB RUBBER
https://www.wishbox.net.br/app/uploads/2020/01/ABS-Ultimaker_Especifica%C3%A7%C3%B5es-PT.pdf
https://www.wishbox.net.br/app/uploads/2020/01/ABS-Ultimaker_Especifica%C3%A7%C3%B5es-PT.pdf
https://ibabrubber.com.br/compostos.pdf
https://www.rubberplastic.com.br/borracha/lencol-borracha-epdm-ep-7427.html
https://app.respondeai.com.br/aprender/topico/157/1912/teoria/1826