Ensaio de Tração- Liga Metálicas

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO
INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
______________________________________________________________________
Disciplina: Ensaios de Materiais
Professor: Dilermando
Ensaio de Tração - Prática 01
Alexandre Martins Isaias dos Santos RA: 76201
Henrique Pedrosa RA: 76467
Lucas Teixeira Pedrosa RA: 77123
Luiz Antonio Carlos Moutinho Gomes RA: 86890
Tiago Cruz Machado RA: 78635
			19 de outubro de 2015, São José dos Campos.
Introdução
 Ensaio
	Ensaios de materiais são realizados para diversas finalidades, como por exemplo, determinar as propriedades de um material, controlar a qualidade de um material, controle de produção e projeto e seleção de materiais para um novo produto.
	Os ensaios mecânicos em geral, são realizados aplicando-se ao material um esforço, sendo na maioria das vezes tração, compressão, flexão, torção e cisalhamento.
	O ensaio de tração é o mais importante dos ensaios mecânicos, pois é facilmente executado e reproduz bons resultados. Consiste em uma aplicação de força axial na direção do corpo de prova, tendendo a alongá-lo. A figura abaixo demonstra o modo de carregamento.
Figura 1. Esforço no Ensaio de Tração
	A máquina de ensaio de tração é formada basicamente por um travessão fixo, um travessão móvel, garras de fixação e célula de carga. O corpo de prova é fixado na máquina de ensaio pelas garras, de forma que deve estar bem alinhado, a fim de se evitar esforços assimétricos ao corpo, então se aplica uma carga crescente, que causa o alongamento do corpo de prova até a ruptura (ou não). Esta carga é medida através da própria máquina de ensaio. Se o corpo atinge a ruptura, há certa deformação que se recupera que é a parte elástica, sendo que a deformação definitiva, que permanece após a ruptura, é chamada deformação plástica. As deformações são medidas através de um aparelho acoplado à parte útil do corpo de prova, chamado extensômetro. A Figura 2 mostra esquematicamente a máquina de ensaio e o corpo de prova e extensômetro posicionados para o ensaio [1].
Figura 2. Esquema de uma máquina de ensaio de tração.
	Para este tipo de ensaio, pode-se dizer que as deformações sofridas pelo material são uniformemente distribuídas pelo comprimento do corpo até a carga máxima ser atingida, que é quando surge a estricção do corpo.
	Devido à esta uniformidade, é possível obter a variação da deformação em função da tensão, podendo assim traçar a curva tensão-deformação, que é extremamente útil para a reprodutividade dos dados. Sendo a tensão a força aplicada ao corpo, por unidade de área e a deformação, é a variação do comprimento pelo comprimento inicial, sendo uma grandeza adimensional.
	A precisão dos dados obtidos deve-se, principalmente à precisão e calibração dos equipamentos, alinhamento do corpo de prova e posicionamento do extensômetro.
	Para ensaios de maior precisão, seguem-se normas técnicas existentes, que ditam as especificações que devem ser seguidas, como velocidade de ensaio, dimensões dos corpos de prova, carga aplicada, entre outras.
 Corpos de prova
	O ensaio de tração é feito em corpos de prova com características especificadas de acordo com as normas técnicas. Suas dimensões devem ser adequadas à capacidade da máquina de ensaio. Normalmente utilizam-se corpos de prova de seção circular ou de seção retangular, dependendo da forma e tamanho do produto acabado do qual foram retirados, como mostra a Figura 3.
Figura 3. Corpos de prova
A parte útil do corpo de prova, identificada na Fig. 3 por Lo, é a região onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material.
Os corpos de prova utilizados no ensaio eram de alumínio 2524 - T3.
Liga AA2524 T3.
Existe uma grande variedade de ligas de alumínio, as quais podem , em princípio ser divididas em duas classes:
- ligas não tratáveis termicamente, de relativamente baixas propriedades mecânicas, as quais são melhoradas por trabalho a frio ou encruamento
- ligas tratáveis termicamente
Segundo o sistema de nomenclatura para as ligas de alumínio trata-se de uma liga trabalhável, sendo o Cu o principal elemento de liga (2XXX).
Basicamente, para as ligas de alumínio, existem dois tipos de tratamento térmico e são os seguintes: endurecimento por precipitação, recozimento e alívio de tensões. Para a liga citada acima, endurecimento por precipitação é o tratamento que ela é submetida.
O tratamento por precipitação é empregado na liga “duralumínio” - alumínio -cobre, até 10% de cobre. Além disso, deve-se salientar que o processo de “endurecimento por precipitação” pode ser denominado também por “endurecimento por envelhecimento”.
Por T3, entende-se que é uma liga que sofreu tratamento térmico (T) e foi solubilizada, trabalhada á frio e envelhecida naturalmente (T3). O Cu é adicionado à liga para aumentar a resistência mecânica que é atingida pela precipitação de pequenas partículas dispersas e coerentes com a matriz [2], enquanto a adição de Mg melhora as propriedades de resistência a corrosão.Embora o alumínio apresente o fenômeno natural de passivação em seu estado natural quando ligado esta capacidade diminui muito, a exemplo, a adição de Cu e outros elementos pode formar compostos intermetálicos IMs que possuem papel considerável na corrosão do material. Em contraposição a formação dos compostos intermetálicos precipitados a partir do resfriamento das ligas de alumínio, tais como CuAl2 tornam a rede cristalina mais rígida e endurecem a liga [3]. 	As ligas da série 2000 são largamente utilizadas na indústria aeronáutica devido a elevada resistência mecânica, graças ao fenômeno de endurecimento por precipitação, e excelente relação resistência/peso especifico, como exemplo de ligas da série 2000 com baixa densidade, pode-se citar a liga de alumínio 2024 (densidade entre 2,55 e 2,84 g/cm3). O papel da solubilização no tratamento térmico visa à dissolução dos átomos por meio dos coeficientes de difusão gerados pelo aquecimento a temperaturas próximas do ponto de fusão ao longo de um tempo de permanência nessa temperatura, sendo crucial para a etapa de envelhecimento a temperaturas bem mais baixas e prolongadas para a formação de precipitados de forma controlada (tamanho e distribuição na matriz), podendo ocorrer o envelhecimento natural (cinética de precipitação mais lenta) que eleva os valores de dureza em relação ao envelhecimento artificial (neste caso o tempo de tratamento pode levar a crescimento excessivo dos precipitados e assim a perda de coerência junto à matriz) [4].
Diagrama tensão-deformação
Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio de tração, a máquina de ensaio fornece um gráfico que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o ensaio. Este gráfico é conhecido por diagrama tensão-deformação, Figura 4. Os valores de deformação são indicados no eixo das abscissas (x) e os valores de tensão são indicados no eixo das ordenadas (y). 
Figura 4. Gráfico - tensão x deformação
Os diagramas de tensão-deformação podem ser de dois tipos, convencional e real. Na curva de tensão-deformação convencional consideram-se todos os valores de tensão e de deformação, baseados na seção transversal e no comprimento útil iniciais do corpo de prova. Na curva de tração real considera-se a deformação e tensão instantâneas. A diferença entre as duas curvas pode ser observada na Figura 5.
Figura 5. Tensão real e tensão aparente
Para o cálculo da tensão, no ensaio de tração real, utiliza-se a carga aplicada a cada instante e a área da seção transversal instantânea, expressa pela equação (1).
σ = Fi/Si 	(1)
E a deformação do corpo de prova é dada por:
ε = ln So/S	(2)
A tensão e a deformação reais também podem ser obtidas a partir das convencionais:
 σ = σc (1 + εc)		(3)
ε = ln (1 + εc)		(4)
	Embora a curvareal seja mais precisa a curva convencional (ou curva de engenharia) á a mais utilizada.
Através da curva de tensão-deformação é possível determinar algumas propriedades mecânicas dos materiais como o módulo de elasticidade (E), tensão de escoamento (σe), resistência à tração (σt), tensão de ruptura (σr), módulo de tenacidade (UT), módulo de resiliência (UR) e alongamento total (ε). 
Propriedades Mecânicas
Módulo de Elasticidade
Também conhecido como Módulo de Young, é uma propriedade específica de cada material e corresponde à rigidez deste. Quanto maior o módulo de elasticidade menor será a deformação elástica. O módulo de elasticidade pode ser determinado através da lei de Hooke:
E = σ/ԑ		(5)
Onde σ é a tensão do material, dada por σ = Força/Área, e ԑ é a deformação dada por ΔL/Lo. Graficamente pode-se achar E pela tangente da reta que representa a deformação elástica do corpo, Figura 6.
Figura 6. Gráfico tensão x deformação
Tensão de escoamento
O escoamento corresponde a transição entre a deformação elástica e a plástica. O limite de escoamento superior é a tensão máxima durante o período de escoamento, essa tensão é seguida por uma queda repentina da carga que representa o início da deformação plástica. Após isso a curva se estabiliza e o valor desta tensão equivale ao limite de escoamento inferior. Tais resultados não dependem apenas do material, mas também de outros fatores como a geometria e as condições do corpo de prova. O limite de escoamento pode ser obtido pela intersecção da curva tensão x deformação com uma freta paralela a parte que representa a deformação elástica do gráfico deslocada de 0,2%.
Resistência a Tração
Corresponde a tensão máxima obtida durante ensaio de tração. Após o escoamento ocorre o encruamento, que é um endurecimento causado pela quebra dos grãos que compõem o material quando deformados a frio. O material resiste cada vez mais à tração externa, exigindo uma tensão cada vez maior para se deformar. Nessa fase, a tensão recomeça a subir até atingir um valor máximo num ponto chamado de limite de resistência. Para calcular o valor do limite de resistência, basta aplica a formula: 
σt = Fmax/S		(6)
Tensão de ruptura
O limite de ruptura corresponde à tensão na qual o material se rompe. Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, que ocorre num ponto chamado limite de ruptura. Nota-se que a tensão no limite de ruptura é menor que no limite de resistência, devido à diminuição da área que ocorre no corpo de prova depois que se atinge a carga máxima. 
Módulo de tenacidade
Tenacidade de um metal é a sua habilidade de absorver energia na região plástica. Já o módulo de tenacidade é a quantidade de energia absorvida por unidade de volume até a fratura. Esse valor corresponde à área total abaixo da curva de Tensão x deformação.
Para materiais dúcteis é calculado através da expressão (7), e para materiais frágeis pela equação (8). 
U = [(σe + σt)/2]ε	(7)
U =2/3( σe) ԑ	(8)
Módulo de resiliência 
Resiliência de um material é a sua capacidade de absorver energia e depois de descarregá-la quando deformado elasticamente. Já o módulo de resiliência é a energia de deformação por unidade de volume necessária para tencionar o metal até o final da região elástica. Esse valor corresponde à área total abaixo do gráfico até o final da região elástica, que pode ser calculado através da fórmula:
U = σ²/2E	(9)
Alongamento total
Corresponde ao aumento percentual de comprimento na região útil do corpo de prova observado até a ruptura do corpo de prova. Pode ser determinado pela expressão:
ԑ = Lf – Lo / Lo * 100		(10)
Objetivos
Os experimentos têm como objetivo realizar ensaios de tração em quatro corpos de prova de liga de alumínio, e através deles determinar algumas propriedades mecânicas como modulo de elasticidade, tensão de escoamento, modulo de resiliência, modulo de tenacidade, resistência a tração, tensão de ruptura e alongamento total.								
Procedimento Experimental
Materiais 
Na tabela 1, estão apresentados os materiais e equipamentos utilizados.
Tabela 1. Materiais e Equipamentos utilizados.
	Qtde
	Equipamento/Material
	1
	Máquina Universal de ensaios – Modelo DL30000 – EMIC ( liga de alumínio)
	1
	Paquímetro
Para o ensaio da liga de alumínio utilizou-se a máquina universal de ensaios modelo DL30000 da EMIC – Equipamentos e Sistemas de Ensaios Ltda, com célula de carga com capacidade máxima de até 300 kN, Figura 7. 
 Figura 7. EMIC, modelo DL30000 
3.2 Métodos
Os ensaios de tração foram feitos em temperatura ambiente de acordo com as normas ABNT/CB-04 (Comitê Brasileiro de Máquinas e Equipamentos Mecânicos), CE-04:005. 15 (Comissão de Estudo de Ensaios Mecânicos Estáticos) e ISO 6892 (Metallic Materials – Tensile testing at ambient temperature) (ref. [2]).
Com o auxílio do paquímetro, as dimensões dos corpos de prova foram medidas, calculando-se a área útil. Todos os corpos foram marcados.
No ensaio das ligas de alumínio, primeiramente prendeu-se o corpo de prova pela extremidade inferior na garra de baixo, desceu-se o travessão móvel para que a extremidade de cima pudesse ser presa, tentando deixar o corpo de prova o mais alinhado possível. Como o corpo ainda permaneceu ligeiramente solto aplicou-se uma pré-carga e então se posicionou o extensômetro no centro do corpo de prova.
Para começar o ensaio, selecionou-se para que o mesmo parasse quando ocorresse a ruptura e determinou-se velocidade de 2mm/min.
Após a ruptura, a garra foi aberta e o corpo de prova fraturado foi retirado, não foi preciso zerar a carga, pois o corpo já estava rompido.
Resultados
As dimensões dos corpos de prova utilizados encontram-se especificadas na Tabela 2.
Tabela 2. Dimensões do Alumínio 2524-T3
	
	
	Corpo de prova 1
	Corpo de prova 2
	Corpo de prova 3
	Corpo de prova 4
	Largura (mm)
	13.1
	13,0
	12.68
	12.8
	Espessura (mm)
	2.1
	2,1
	2.07
	2.0
	Lo (mm)
	50
	50
	50
	50
Com os dados obtidos a partir do ensaio de tração foram plotados os gráficos com o auxilio de um software, e através dos gráficos calculadas as propriedades dos materiais, que estão dispostas nas tabelas abaixo. Destaca-se que para fins de cálculo do módulo de elasticidade para os corpos de prova do Alumínio 2524-T3, utilizou-se o método do “offset” em 0,2% de deformação. 
Liga AA2524-T3
Corpo de prova 1
	Deste corpo de prova nada pôde ser calculado, pois durante o ensaio do corpo de prova ocorreu uma falha na aquisição dos dados.
Corpos de prova 2,3 e 4.
Corpo de prova 3.
Figura 8- gráfico- tensão X deformação referente ao CP3.
	Cada reta tem uma representação para os cálculos, e cada letra representa: 
Tensão de Escoamento
Tensão Máxima
Deformação Máxima
Módulo Elástico 
Deformação Homogênea
	Dessa forma, seguem os procedimentos utilizados no gráfico referente ao corpo de prova 3 na figura 11 para gerar os resultados.
	O modulo elástico foi calculado através de 2 pontos no regime elástico da curva (tangente da reta). Assim, calculou-se a razão entre a variação da tensão e a variação da deformação, obtendo-se:
					E = σ/ε
					E =1,738 1010 N
 A tensão máxima foi obtida através da observação do gráfico e obteve-se o 	maior valor de tensão na curva, obtendo-se um valor de:
		σm= 1,01 108N.
Para a tensão de escoamento traçou-se uma reta paralela a curva no regime elástico a partir de uma deformação de 0,02 e através do ponto de intersecção da reta traçada com a curva obteve-se a tensão de escoamento
		σe=8,27 107N.
A deformação homogênea foi obtida pelo ponto de escoamento
		ε =0,02539
A deformação máxima obteve-se no final da curva 
		ε =0,233
Para o cálculo da tenacidade, relacionou-se tensão de escoamento, tensão máxima e deformação final, através da seguinte equação
		Ut =[(σe + σmax)/2]ε
Obtendo-se
		Ut=21,401 10 6kgf x mm/mm3
Jápara a resiliência, relacionou-se tensão de escoamento com a modulo elástico da seguinte forma
		Ur = (σe)2/2E
Assim:
	U r =1,960 10 5kgf x mm/mm3
Analogamente, para o corpo de prova 2 e 4, obteve-se os seguintes resultados:
Corpo de prova 2.
Figura 9- gráfico- tensão X deformação referente ao CP2.
 
Corpo de Prova 2
Tensão Máxima = 3.6x108Pa
Tensão de Escoamento = 2.85 x 108 N/m2
Módulo Elástico = (2x108-0)/(0,0045-0)=4,44x1010Pa
Deformação Homogênea = 0.183(mm/mm)
Deformação Final = 0.2 (mm/mm)
Módulo de Resiliência = 
= (2x108)2/2(4.44x1010) =450.45x103(N.mm/mm3)
Tenacidade:
=(( 2x10^8 + 3.5x108)/2)0.2=5.5 x106(N.m/m3)
Corpo de prova 4.
		
		
Figura 10- gráfico tensão X deformação referente ao CP4.
 
Corpo de prova 4
Tensão máxima =1,070 108 Pa
Tensão de escoamento =8,327 107 Pa
Deformação homogênea = 0,01821 (mm/mm)
Deformação final =0,238 (mm/mm)
Modulo elástico =1,785 1010 Pa
Tenacidade =
=22,645 106 (N.m/m3)
Resiliência = 
=1,94 10 5(kgf x mm/mm3)
Ainda sobre o corpo de prova 4 , tem-se um gráfico comparando a curva real pela de engenharia: 
				Figura 11 - Comparativa real por engenharia
Por fim, para facilitar o resumo dos cálculos foram feitas duas tabelas para melhor visualização:
	 
	Tensão máxima (Pa)
	Tensão escoamento (Pa)
	Módulo Elástico (Pa)
	Tenacidade (N.m/m3)
	Resiliência (N.mm/mm3)
	CP2
	3.6x108
	2.85 x 108 
	4,44x1010
	5.5 x106
	4,504x10 5
	CP3
	1,01 x 108
	8,27 x 107
	1,738 x 1010 
	21,401 x 10 6 
	1,960 x 10 5 
	CP4
	1,070 x 108 
	8,327 x 107
	1,785 x 1010 
	22,645 x 106 
	1,94 x 10 5 
Tabela 3. - valores referentes aos CPS.
	Tabela 4 - comparativo das deformações dos CPS.
	 
	 Deform. homogênea (%)
	Deform. Final (%)
	CP2
	0.0183
	0,200 
	CP3
	0,02539
	0,233
	CP4
	0,01821
	0,238
4.2 Cálculos dos coeficientes de resistência (K) e encruamento (n). 
Corpo de prova 4.
					Figura 12 - pontos utilizados para o cálculo.
Segue a fórmula utilizada:
Montando um sistema com duas incógnitas para esta equação e assim encontrando o k e n.
Ln(1x108)= Ln(k) +Ln(0,05) Equação 1
Ln(1,15x108)=Ln(k) +nLn(0,1) Equação 2
Resolvendo este sistema, assim os valores de n=0,2 e k= 182x106 Pa.
Analogamente, para os corpos de prova 2 e 3:
Corpo de prova 2.
				Figura 13 - pontos utilizados para o cálculo.
Ln(1,43x108)= Ln(k) +Ln(0,00232) Equação 1
Ln(3,39x108)=Ln(k) +nLn(0,05343) Equação 2
Resolvendo este sistema, assim os valores de n = 0,274 e k = 745 x106 Pa.
Corpo de prova 3.
				Figura 14 - pontos utilizados para o cálculo.
Ln(0,958x108)= Ln(k) +Ln(0,051) Equação 1
Ln(1,159x108)=Ln(k) +nLn(0,130) Equação 2
	Resolvendo este sistema, assim os valores de n = 0,255 e k = 203 x106 Pa.
4.3 Dos Corpos de Prova
Como esperado, os corpos de prova sofreram modificações em sua geometria inicial. Abaixo, seguem algumas imagens que ilustram os resultados. Dessa forma, é possível visualizar a estricção sofrida pelos corpos de prova.
	
	
			Figura 15 - Corpos de prova pós -ensaio.
	Já na figura 16, percebe-se o direcionamento da fratura, que ocorreu diagonalmente como esperado.
	
	
				Figura 16 - direcionamento da fratura
Discussão
	Ao analisar os resultados obtidos pode-se notar na diferença dos valores encontrados para o corpo de prova 2 em relação as outras amostras. Isso pode ser explicado por diversos fatores como algum tipo de defeito nos corpos de prova bem como algum erro experimental. Dessa forma, foi feita uma pesquisa na literatura e em uma dissertação final de pós-graduação - nível mestrado para que fosse feita uma comparação de valores. Dessa forma, a seguir segue uma tabela coletada em um desses estudos com dados a respeito da liga AA2524 - T3 e a seguir duas tabelas produzidas nesse ensaio realizado.
		Figura 17 - propriedades mecânicas da liga 2524 T3
			Tabela 3 -valores referentes aos CPS.
	 
	Tensão máxima (Pa)
	Tensão escoamento (Pa)
	Módulo Elástico (Pa)
	Tenacidade (N.m/m3)
	Resiliência (N.mm/mm3)
	CP2
	3.6x108
	2.85 x 108 
	4,44x1010
	5.5 x106
	4,504x10 5
	CP3
	1,01 x 108
	8,27 x 107
	1,738 x 1010 
	21,401 x 10 6 
	1,960 x 10 5 
	CP4
	1,070 x 108 
	8,327 x 107
	1,785 x 1010 
	22,645 x 106 
	1,94 x 10 5 
		Tabela 4 - comparativo das deformações dos CPS.
	 
	 Deform. homogênea (%)
	Deform. Final (%)
	CP2
	0.0183
	0,200 
	CP3
	0,02539
	0,233
	CP4
	0,01821
	0,238
	Utilizando a tabela 4, os corpos de prova 2,3 e 4 têm os respectivos alongamentos de 20%, 23,3% e 23,8%. Já, observando a tabela 3 e comparando com a tabela base (figura 17) pode-se aferir que dados como expoente de encruamento, módulo de elasticidade e limite de resistência são bem próximos somente para o corpo de prova 2, bem como o seu alongamento. Dessa forma, pode-se concluir que o ensaio de tração realizado no corpo de prova 2 foi o melhor para poder estimar as propriedades da liga AA2524 - T3.
	Por fim, a liga 2524-T3 é uma liga da família Al - Cu tratável termicamente que possui uma alta tenacidade e elevada resistência a propagação de trincas por fadiga que outras ligas da série 2XXX. Além disso, suas propriedades mecânicas e comportamento frente à corrosão são bem similares aos da liga 2024-T3, largamente utilizada na indústria aeronáutica. Tem sua utilidade em partes estruturais da aeronave, que exigem certa resistência a propagação de trincas por fadiga.
Referências
QUEIROZ, F. M.;Estudo do comportamento de corrosão dos intermetálicos presentes na liga AA2024-T3,por meio de técnicas de microscopia associadas a técnicas eletroquímicas. Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares,São Paulo, 2008.
JUNIOR, N. I. D.; Estudo do comportamento mecânico da liga Al-Cu solubilizada e envelhecida para aplicações aeronáuticas.Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, 2011.
http://repositorio.unesp.br/bitstream/handle/11449/97074/barbosa_rs_me_guara.pdf?sequence=1 - dissertação final de pós graduação - nível mestrado.
http://www.academia.edu/9396159/ESTUDO_DA_PROPAGA%C3%87%C3%83O_DE_TRINCA_POR_FADIGA_DA_LIGA_AL_2524_SOB_CARREGAMENTO_DE_AMPLITUDE_VARI%C3%81VEL
[1] SOUZA, S. A.; Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. São Paulo, Editora Blucher, 1982.
[2] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). Determinação das Propriedades Mecânicas à Tração, NBR 6152, Brasil, 1980.
[3] JUNIOR, N. I. D.; Estudo do comportamento mecânico da liga Al-Cu 2024 solubilizada e envelhecida para aplicações aeronáuticas.Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, 2011. 
[4] TOBIAS, P. H. R.; SILVA, A. da; MELO, M. L. N. M.; Influencia da temperatura de envelhecimento na tenacidade ao impacto da liga AA2024. VI Conferência Brasileira sobre Temas de Tratamento Térmico, São Paulo, p.225-232, jun. 2012.