Ensaio Compressão-Metal e Alumina

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO
INSTITUTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA
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Disciplina: Ensaios de Materiais
Professor: Dilermando
Ensaio de Compressão
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
São José dos Campos, 09 de novembro de 2015.
Introdução
 Ensaio de compressão
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 compressão consiste na aplicação de carga compressiva uniaxial em um corpo-de-prova, é basicamente utilizado nas indústrias de construção civil e de materiais cerâmicos [1]. A Figura 1 demonstra o modo de carregamento.
 
Figura 1. Esforço no Ensaio de Compressão
Quando um material é submetido a cargas de compressão, as relações entre tensão e deformação são semelhantes àquelas obtidas no ensaio de tração. Até a tensão de escoamento, o material comporta-se elasticamente. Ultrapassando esse valor, ocorre a deformação plástica. 
Materiais dúcteis e materiais frágeis comportam-se de maneiras diferentes no ensaio de compressão. Enquanto os metais frágeis rompem praticamente sem fase elástica, os materiais dúcteis sofrem grande deformação na fase plástica, às vezes sem atingir a ruptura. 
Para materiais dúcteis é possível determinar com precisão as propriedades para a zona elástica. Já na zona plástica a deformação aumenta a área da seção transversal, reduzindo o comprimento, aumentando assim a resistência do corpo de prova, isto é, a tensão real instantânea diminui e o corpo pode ser achatado até o formato de um disco, sem que ocorra a ruptura. Para os materiais frágeis a fase elástica é muito pequena, portanto sofrendo deformações menores. Assim, ao contrário dos dúcteis, os materiais frágeis tendem a sofrer rupturas bruscas, sem qualquer aviso, chegando até mesmo a romperem com certa violência (ruptura explosiva) quando sob altas tensões de compressão [1].
As mesmas máquinas utilizadas no ensaio de tração são utilizadas para o ensaio de compressão alterando apenas as condições de fixação do corpo de prova na máquina.
Ensaio de Compressão Diametral
O ensaio de compressão diametral, também conhecido como Ensaio Brasileiro, foi desenvolvido em 1943. Para a sua realização, um corpo de prova cilíndrico é colocado com o eixo horizontal entre os pratos da prensa, sendo aplicada uma força até a sua ruptura por tração indireta, conforme mostra a Figura 2.
Figura 2. Ensaio de compressão diametral
A aplicação de duas forças concentradas e diametralmente opostas de compressão em um cilindro gera ao longo do diâmetro solicitado, tensões de tração uniformes perpendiculares a este diâmetro.
 Corpos de prova
Usualmente os corpos de prova tem a forma cilíndrica, com relação altura/diâmetro (h/D) entre 2 e 8. O comprimento do corpo de prova não deve ser muito grande para evitar efeitos indesejáveis de flambagem, nem muito pequeno pois o atrito nas superfícies de contato com a máquina de ensaio poderá prejudicar a validade dos resultados [1].
Material
A Alumina (óxido de alumínio – Al2O3) é uma cerâmica avançada muito utilizada, apresenta considerável desempenho em resistência ao desgaste e à corrosão, é um bom isolador térmico e elétrico. Apresenta alta dureza, podendo ser aplicada como abrasivo e componente de ferramenta de corte; apresenta também elevado ponto de fusão, podendo ser utilizada como material refratário. Sua microestrutura é hexagonal, ocorrendo na forma de cristais hexagonais perfeitos ou em outras granulometrias de diferentes configurações.
Sua forma cristalina mais comum é conhecida como coríndon, facilmente encontrado na natureza, nos calcários cristalinos, em formações rochosas. Podem ser transparentes e brilhosos ou translúcidos e opacos, tal que quando apresentam transparência e brilho e apresentam impurezas em sua matriz, que resultam em certas colorações, são considerados raros, sendo conhecidos como rubi e safira, por exemplo.
O coríndon pode ser sintetizado artificialmente à partir da bauxita, apresentam a mesma microestrutura e as mesmas propriedades do natural.
Diagrama tensão-deformação
Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio de compressão, 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.
As tensões atuantes no ensaio são obtidas através das seguintes equações:
 (Tensão convencional) 		(1)
 (Tensão Real)		(2)
Devido às dificuldades de se monitorar o diâmetro do corpo de prova, e ao fato de que o volume da amostra permanece constante durante todo o ensaio, pode-se correlacionar o diâmetro com a altura.
	(3)
 (4)
Portanto, é possível obter o diâmetro do corpo de prova apenas como função de sua altura, substituindo nas equações obtêm-se o valor da tensão real:
 	(5)
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), deformação (ε) e dilatação transversal (φ).
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		(6)
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 2.
Figura 2. Gráfico tensão x deformação
Tensão de escoamento
Para determinar o limite de escoamento quando o material ensaiado não apresenta um patamar de escoamento nítido, utiliza-se a mesma metodologia empregada no ensaio de tração, em que se adota um deslocamento da origem no eixo da deformação de 0,002 de deformação e a construção de uma reta paralela à região elástica do gráfico tensão-deformação.
Resistência a Tração
Corresponde à máxima tensão que o material pode suportar antes da fratura. Após o escoamento ocorre o encruamento, que é um endurecimento causado pela quebra dos grãos que compõem o material quando deformados a frio, e há um aumento no diâmetro da seção transversal. Sendo assim, o material resiste cada vez mais à compressão externa, exigindo uma tensão cada vez maior para se deformar até atingir um valor máximo num ponto chamado de limite de resistência. Essa máxima tensão é obtida dividindo-se a carga máxima pela área inicial do corpo-de-prova. 
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. Para materiais frágeis a tensão de ruptura é igual ao limite de resistência.
Deformação
Devido às dificuldades de se monitorar o diâmetro do corpo de prova, e ao fato de que o volume da amostra permanece constante durante todo o ensaio, pode-se correlacionar o diâmetro com a altura. Assim, a deformação pode ser obtida através das seguintes relações:
ε = Δh/ho = h – h0/h0 (Convencional)	(7)
 (Real)	(8)
Dilatação transversal
Esse parâmetro equivale ao coeficiente de estricção determinado no ensaio de tração e está relacionado com a plasticidade do material. É determinadopor:
		(9)
Objetivos
O experimento tem como objetivo realizar ensaio de compressão na alumina, e através dele determinar as algumas propriedades mecânicas como módulo de elasticidade, tensão de escoamento, dilatação transversal, resistência a compressão, tensão de ruptura e deformação.
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 DL20000 – EMIC 
	
	
	1
	Paquímetro
	6
	Corpos de Prova para ensaio de compressão direta (Alumina)
	3
	Corpos de Prova para ensaio de compressão diametral (Alumina)
	1
	Corpo de Prova para ensaio de compressão direta (Metal)
Dois tipos de ensaios foram realizados, compressão direta e compressão diametral. Foram utilizados corpos de prova cilíndricos, tais que suas dimensões são dadas nas Tabelas 2 e 3.
Os corpos de provas utilizados foram cerâmicos, (Al2O3- Alumina), de alta pureza, com matéria prima e processamento muito controlado, apresentando mínimo teor de porosidade.
Tabela 2. Dimensões dos corpos de prova utilizados na compressão direta.
	
	Altura – h (mm)
	Diâmetro – d (mm)
	Amostra 1
	9,25
	18,8
	Amostra 2
	9,10
	18,8
	Amostra 3
	13,7
	13,3
	Amostra 6
	9,95
	8,10
	Amostra 7
	13,55
	12,95
	Amostra 10
	9,70
	8,15
	Tabela 3. Dimensões dos corpos de prova utilizados na compressão diametral.
	
	Altura – h (mm)
	Diâmetro – d (mm)
	Amostra 4
	13,1
	18,8
	Amostra 5
	9,20
	18,8
	Amostra 8
	8,95
	18,85
	Amostra 9
	9,30
	18,8
A máquina utilizada em ambos os tipos de ensaio foi da EMIC modelo DL20000, com célula de carga de capacidade máxima de até 200 kN, apresentada na Figura 3.
Figura 3. EMIC, modelo DL20000.
3.2 Métodos
Os ensaios de compressão foram realizados em temperatura ambiente de acordo com as normas ABNT/CB-04 (Comitê Brasileiro de Máquinas e Equipamentos Mecânicos) e CE-04:005. 15 (Comissão de Estudo de Ensaios Mecânicos Estáticos).
Com o auxílio do paquímetro, as dimensões de todos os corpos de prova foram medidas.
A relação ideal entre as alturas e diâmetros para a compressão direta foram verificadas pela relação abaixo.
2 < h/d < 3 	(10)
	
A verificação mostrou que os corpos de prova destinados à compressão direta não obedeceram a relação ideal, estando assim no intervalo inadequado. Na Tabela 4 é possível visualizar esta relação.
Tabela 4. Idealidade da relação h/d das amostras para o ensaio de compressão direta.
	
	h0/d0 , tal que se 2 < h/d < 3 → ideal
	Amostra 1
	0,492
	Amostra 2 
	0,484
	Amostra 3
	1,030
	Amostra 6
	1,228
	Amostra 7
	1,046
	Amostra 10
	1,190
	Para os corpos de prova destinados à compressão diametral, foi procurada uma relação ideal em outras bibliografias, assim, encontrou-se no artigo intitulado “Produção de cerâmicas celulares por emulsão seguida de gelificação” [2], a relação geométrica apresentada na equação 11, que é baseada na norma ASTM C496-90.
0,3 < h/d < 1,5		(11)
	
Todos os corpos de prova utilizados na compressão diametral obedeceram esta relação, apresentando em média h/d ~ 0,540.
	A célula de carga foi calibrada de 20 a 100% da escala (40-200 kN). Também foi utilizada uma célula de 10 kN, para fixar o prato superior de compressão.
	A velocidade de ensaio foi de 0,2 mm/min e o ensaio foi limitado a uma carga de 90 kN, sendo que se esta fosse atingida, o ensaio seria interrompido, mesmo se não ocorresse ruptura das amostras.
	Assim, cada corpo de prova foi posicionamento na máquina de ensaios, sendo que para o ensaio de compressão direta, o corpo de prova era posicionado em pé, conforma a Figura 4, e para a compressão diametral, o corpo foi posicionado na posição horizontal, conforme a Figura 5.
	Verificou-se também o paralelismo entre os discos e a centralização das amostras no prato.
Figura 4. Corpo de prova posicionado para a compressão direta.
Figura 5. Corpo de prova posicionado para a compressão diametral.
	Após o correto posicionamento, em torno do corpo de prova, foi colocada uma proteção plástica, para evitar que pequenos pedaços fossem “atirados”, caso ocorresse a ruptura. Então, iniciou-se o ensaio, que seria encerrado devido a fratura ou caso atingisse o máximo de 90 kN, como pré-programado.
Após a finalização do ensaio, as amostras foram retiradas da máquina e analisadas.
.
Resultados e Discussões	
A parte de resultados e discussões foi dividida em duas partes, conforme o próprio experimento, em ensaio de compressão uniaxial e ensaio de compressão diametral para as amostras de alumina.
Ensaio de compressão uniaxial/direta
Usando a fórmula para o cálculo da tensão, equação 12, e a formula para a deformação, equação 13, em conjunto com os dados obtidos do ensaio uniaxial sobre a alumina, segue: 
		(12)
Onde:
 = Tensão (Pa = ).
F= Carga aplicada (N)
A= área da seção útil transversal ()
 (13)
Onde:
= deformação (mm/mm)
 = deslocamento do comprimento do corpo de prova em relação ao eixo de aplicação da carga.
 = comprimento inicial do corpo de prova.
Corpo de prova 1 
Figura 6. Ensaio uniaxial de compressão em alumina para corpo de prova 1
	Pata o cálculo do módulo elástico, utilizou-se a seguinte relação:
					 E = σ/ԑ	
Corpo de prova 2
Figura 7. Ensaio uniaxial de compressão em alumina para o corpo de prova 2
Corpo de prova 3
Figura 8. Ensaio uniaxial de compressão em alumina para o corpo de prova 3
	
Corpo de prova 6
		Figura 9. Ensaio uniaxial de compressão em alumina para o corpo de prova 6
Corpo de prova 7
		Figura 10 - Ensaio uniaxial de compressão em alumina para o corpo de prova 7
Corpo de prova 10 - metal
		Figura 11 - Ensaio uniaxial de compressão em alumina para o corpo de prova 10
Como mostrado para o corpo de prova 1, conseguiu-se obter a Tabela 5.
Tabela 5. Módulo de elasticidade para a alumina e metal em compressão uniaxial
	Amostra= corpo de prova
	Módulo de elasticidade (MPa)
	1
	24,72
	2
	25
	3
	0,81
	6
	0,66
	7
	80
	10
	33,3
	Tabela 6. Limite de Resistência para a alumina e metal em compressão uniaxial
	Amostra= corpo de prova
	Limite de resistência (Pa)
	1
	3,25 x 108
	2
	3,15 x 108
	3
	6,0 x 108
	6
	5,9 x 108
	7
	6,8 x 108
	10
	5,2 x 108
	Tabela 7. Deformação total para a alumina em compressão diametral
	Amostra= corpo de prova
	Deformação total(mm/mm)
	1
	25,0
	2
	41,5
	3
	15,75
	6
	5,8
	7
	9,8
	10
	67
Ensaio de compressão diametral
Usando a formula do cálculo da resistência a tração para a compressão diametral, equação 14, segunda a norma NBR 7222 [5] para cálculo das tensões, conjuntamente com a variação diametral em relação a eixo de aplicação da força, equação 15, obtém-se o gráfico dado pela Figura 10.
	(Equação 14)
Onde:
 = Tensão (Pa = ).
F= Carga aplicada (N).
d = Diâmetro do corpo de prova (m).
l = Comprimento do corpo de prova (m).
 (Equação 15)
Onde:
= deformação (mm/mm)
 = deslocamento do diâmetro do corpo de provaem relação ao eixo de aplicação da carga.
 = diâmetro inicial do corpo de prova.
Corpo de prova 4
		Figura 12 - Ensaio diametral de compressão em alumina para o corpo de prova 4
Corpo de prova 5
		Figura 13 - Ensaio diametral de compressão em alumina para o corpo de prova 5
Corpo de prova 8
Figura 14- Ensaio diametral de compressão em alumina para o corpo de prova 8
Corpo de prova 9
		Figura 15 - Ensaio diametral de compressão em alumina para o corpo de prova 9
Tabela 8. Módulo de elasticidade para a alumina em compressão diametral
	Amostra= corpo de prova
	Módulo de elasticidade (MPa)
	4
	2,5
	5
	8,33
	8
	5,0
	9
	5,33
	Tabela 9. Limite de Resistênciapara a alumina em compressão diametral
	Amostra= corpo de prova
	Limite de resistência (Pa)
	4
	5,67 x 107
	5
	1,03 x 108
	8
	1,73 x 108
	9
	1,05 x 108
	Tabela 10. Deformação total para a alumina em compressão diametral
	Amostra= corpo de prova
	Deformação total(mm/mm)
	4
	14,30
	5
	17,20
	8
	36,81
	9
	36,02
Podendo-se comparar o valor obtido com os valores do ensaio de compressão uniaxial e diametral com os da literatura expressos na Tabela 9.
Tabela 11. Dados do módulo de elasticidade da alumina
	
	Módulo de elasticidade
	Ensaio de compressão uniaxial corpo de prova 1
	24,72 MPa
	Ensaio de compressão uniaxial corpo de prova 2
	25 Mpa
	Ensaio de compressão diametral corpo de prova 5
	8,33Mpa
	Ensaio de compressão diametral corpo de prova 8
	5 MPa
	Valor extraído na literatura
	380 GPa
	
	
A diferença ente os valores obtidos no módulo de elasticidade pode ser explicado com base na existência da porosidade no material e na umidade presente dentro dos mesmos [6], na porcentagem de alumina () presente no material e na temperatura de sinterização, essa ultima influencia significativamente na resistência a fratura por compressão diametral e encontra-se estritamente relacionado a porosidade, sendo que quanto maior a temperatura, maior a densificação do material e maior resistência mecânica [7]. Sabe-se que os corpos de provas ensaiados não foram submetidos a um tratamento térmico previamente ao ensaio para diminuir a existência da umidade presente nos poros do material, sendo desconhecido também do corpo de prova quaisquer informações sobre o grau de porosidade ou a porcentagem de alumina nos mesmos. Entretanto, o fator mais relevante pode ser observado segundo a distribuição de carga biaxial no material devido a sua geometria, gerando defasagem em relação aos outros tipos de ensaio, que no caso em questão vem a ser o ensaio de compressão uniaxial. 
CONCLUSÃO
Além do que já foi relatado na discussão, pode-se dizer que os todos os resultados obtidos nos ensaios foram abaixo, bem abaixo do que os valores encontrados na literatura. Dessa forma, os erros podem ter ocorrido devido ao não uso do extensômetro nas amostras, e pelo uso de outro equipamento que que forneceu asmedidas de deformação.
Por fim, as curvas apresentaram diferentes tipos de comportamento no inicio do ensaio, que pode ser graças ao uso de cobre na parte superior, entre amostra e prato, pois o cobre deforma muito mais que a alumina, podendo prejudicar a amostra e por consequência os resultados dos ensaios.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] GARCIA, A.; SPEM, J. A.; SANTOS, C. A. Ensaio de Materiais. Rumpr. Rio de Janeiro, LTC, 2008.
[2] E. de Sousa; M. Dellú Jr.; V. C. PandolfelliI; F. S. Ortega. “Produção de cerâmicas celulares por emulsão seguida de gelificação”. Revista Cerâmica vol.57 no.341 São Paulo Jan./Mar. 2011. Disponível em [http://www.scielo.br/scielo.php?pid=S0366-69132011000100005&script=sci_arttext]
[3] AUERKARI, P. Mechanical and physical properties of engineering alumina ceramics. Finland: Technicalresearch centre of finland,1996.
[4] Disponível em : <http://accuratus.com/alumox.html> Acesso em 13 de jan. 2014
[5] NBR 7222: Argamassa e concreto - Determinação da resistência à tração por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro, 1994. 
[5] CASTRO A. L., et al. A influência do tipo de cimento no dese[1]mpenho de concretos avançados formulados a partir do método de dosagem computacional. São Paulo: Scielo, vol. 57, 2011.
[6] HIRSCHMANN, A. C. O.Compósitos cerâmicos porosos de alumina-zircônia para aplicação em sistemas de controle térmico para satélites: obtenção e caracterização. Instituto Nacional de Pesquisas espaciais, São José dos Campos, 2008.
[7] ME -39 Método de ensaio resistência a tração simples de argamassas e concreto por compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos.Pernambuco, 2003.