Ensaio de Tração- Polímeros

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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 Tração - Prática 02
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, 23 de outubro de 2015
Sumário
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 2024-T42 e a blenda polimérica PEAD/PELBD.
Blenda PEAD/PELBD
Em relação às propriedades mecânicas, os filmes com maior teor de PEAD na blenda apresentam maior resistência à tração e menores valores de deformação no escoamento [5]. Muitas vezes uma única resina de polietileno não possibilita suprir todas as exigências de aplicações a que se destina o produto final, fazendo-se necessário blendar diferentes polietilenos. A estrutura do polietileno puro pode ser representada pela Figura 4 e o seu processo de polimerização pela Figura 5:
Figura 4. Representação da cadeia polimérica no polietileno puro com terminação de grupos metila
Figura 5. Processo de polimerização do polietileno através da quebra da dupla ligação do etileno
As diferentes classes de polietileno são classificadas de acordo com o grau de ramificação conforme ilustrado na figura 6:
Figura 6. a)polietileno de alta densidade (PEAD); b) polietileno de baixa densidade (PEBD) e c) polietileno linear de baixa densidade (PELDB)
O polietileno de alta densidade é constituído principalmente por moléculas não ramificadas ou pela baixa presença das mesmas para não prejudicar sua linearidade, podendo-se alcançar um elevado nível de cristalização pelo nível extremamente baixo de defeitos resultando em resinas com densidades elevadas. O polietileno de baixa densidade contém concentrações significativas de ramificações (grupos butila e etila) que dificultam o processo de cristalização resultando em resinas com densidades relativamente baixas, possuindo ramificações longas sendo que estas por sua vez podem ser ramificadas também. As resinas de polietileno de baixa densidade consistem em moléculas com cadeia principal de polietileno linear que estão ligadas a grupos alquila curtos em intervalos aleatórios, sendo geralmente produzida pela copolimerização do etileno com α-olefinas (1-buteno, 1-hexeno, 1-octeno).Esta resina pode ser vista como o meio termo entre o PEAD e O PEBD, podendo possuir ramificações de longas cadeias, mas não na proporção elevada como no PEBD. A Tabela 1 apresenta as principais diferenças nas propriedades dos diferentes tipos de polietileno:
Tabela 1. Diferença nas propriedades do PEAD, PEBD e PEBDL
Opticamente o PEAD é opaco, o PEBD é translúcido e o PEBDL é geralmente de pouca opacidade. Blendas de PEAD com a adição de PEBD ou PEBDL garantem maior flexibilidade (menor cristalinidade).
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 7. Os valores de deformação são indicados no eixo das abscissas (x) e os valores de tensão são indicados no eixo das ordenadas (y). 
Figura 7. 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 8.
Figura 8. 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 curva real 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 MecânicasMódulo 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 9.
Figura 9. 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. 
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		(7)
Objetivos
Os experimentos têm como objetivo realizar ensaios de tração em um material com diferentes composições, três corpos de prova do tipo blenda polimérica HDPE/LLDPE 3:1 e dois do tipo HDPE/LLDPE 3:1 c/ 5% em massa de argila, e através deles determinar as algumas propriedades mecânicas como modulo de elasticidade, tensão de escoamento, resistência a tração, tensão de ruptura e alongamento total.								
Procedimento Experimental
Materiais 
Na tabela 2, estão apresentados os materiais e equipamentos utilizados.
Tabela 2. Materiais e Equipamentos utilizados.
	Qtde
	Equipamento/Material
	1
	Máquina Universal de ensaios – Modelo DL20000 – EMIC (Ensaio blenda polimérica)
	3
	Corpo de Prova – Blenda Polimérica HDPE/LLDPE 3:1
	2
	Corpo de Prova – Blenda Polimérica HDPE/LLDPE 3:1 c/ 5% em massa de argila
	1
	Paquímetro
Para o ensaio da blenda polimérica utilizou-se a máquina de ensaio modelo DL20000 da EMIC, com célula de carga com capacidade máxima de até 200 kN, Figura 10.
Figura 10. EMIC, modelo DL20000.
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).
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 blendas poliméricas, foram utilizadas garras com um sistema em X para melhor fixação. Primeiramente o corpo foi preso na garra inferior e então o travessão móvel foi descido para prender a extremidade superior. Antes do início do ensaio, a célula de carga já lia cargas, que provavelmente se davam pelo peso do conjunto, então estes dados foram zerados. Não se utilizou extensômetro, pois era preciso um para maiores deformações.
	Foi definido um limite para zerar a tração, então caso não ocorresse ruptura, o ensaio seria finalizado por ação de fim de curso.
	A velocidade utilizada foi de 15mm/min.
Resultados
As dimensões dos corpos de prova utilizados encontram-se especificadas na Tabela 3.
Tabela 3. Dimensões da Blenda Polimérica
	
	
	
	
	Corpo de prova 1-a
	Corpo de prova 1-b
	Corpo de prova 1-c
	Corpo de prova 
2-a
	Corpo de prova 2-b
	Largura (mm)
	12.95
	13.05
	12.9
	12.95
	13.05
	Espessura (mm)
	3.19
	3.01
	3.14
	3.07
	3.4
	L0 (mm)
	78
	69.5
	67.8
	69.3
	72.4
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. Para o cálculo do módulo de elasticidade da blenda polimérica HDPE/LLDPE utilizou-se o método da tangente.
Blenda HDPE/LLPE
Polímero blenda HDPE/LLPE 3:1
Corpo de prova 1-a
Tabela 4. Propriedades Mecânicas corpo de prova 1-a
	
	Curva de Tração – Blenda HDPE/LLPE 3:1 – Corpo de Prova 1-a
	Módulo de Elasticidade (MPa)
	
	Tensão a tração no escoamento
	
Corpo de prova 1-b
Tabela 5. Propriedades Mecânicas corpo de prova 1-b.
	
	Curva de Tração – Blenda HDPE/LLPE 3:1 – Corpo de Prova 1-b
	Módulo de Elasticidade (MPa)
	
	Tensão a tração no escoamento
	
Corpo de prova 1-c
			Tabela 6 - Propriedades Mecânicas corpo de prova 1-c
	
	Curva de Tração – Blenda HDPE/LLPE 3:1 – Corpo de Prova 1-c
	Módulo de Elasticidade (MPa)
	
	Tensão a tração no escoamento
	
Polímero blenda HDPE/LLPE 3:1 com 5 % em massa de argila
Corpo de prova 2-a
Tabela 7. Propriedades Mecânicas corpo de prova 2-a
	
	Curva Tração - Blenda HDPE/LLDPE 3:1 c/ 5% em massa de argila - Corpo de Prova 2 - a
	Módulo de Elasticidade (MPa)
	
	Tensão a tração no escoamento
	
Corpo de prova 2-b
Tabela 8. Propriedades Mecânicas corpo de prova 2-b
	
	Curva de Tração - Blenda HDPE/LLDPE 3:1 c/ 5% em massa de argila - Corpo de Prova 2-b
	Módulo de Elasticidade (MPa)
	
	Tensão a tração no escoamento
	
4.3 Tratamento estatístico dos resultados do ensaio de tração
Ensaio de Tração - Blenda HDPE/LLDPE 3:1
Tabela 9. Propriedades Mecânicas Blenda HDPE/LLPE 3:1
	
	Curva de tração - Blenda HDPE/LLPE 3:1
	Módulo de Elasticidade (MPa)
	
	Tensão a tração no escoamento
	
Ensaio de Tração - Blenda HDPE/LLDPE 3:1 c/ 5% em massa de argila
Tabela 10. Propriedades Mecânicas Blenda HDPE/LLPE 3:1 C/ 5 % em massa de argila
	
	Curva de tração - Blenda HDPE/LLPE 3:1
	Módulo de Elasticidade (MPa)
	
	Tensão a tração no escoamento
	
4.4 Dos Corpos de Prova
Como esperado, os corpos de prova sofreram modificações em sua geometria inicial. Abaixo, seguem algumas imagens que ilustram os resultados.
	
	
		Na figura acima, é perceptível o grande alongamento (apesar das imagens não estarem em escala) sofrido pela blenda polimérica HDPE/LLDPE 3:1.
Já na próxima figura, nota-se que embora ocorra um grande alongamento da blenda polimérica (apesar da falta de escala) com adição de argila ocorre a fratura do material diferentemente da blenda sem adição de argila.
Discussão
Comparando-se as blendas de HDPE/LLDPE se percebe que a adição em peso da massa de argila à blenda polimérica contribui para o aumento das propriedades do módulode elasticidade e da tensão a tração no escoamento (tabelas 13 e 14), inferindo-se que este aumento nas propriedades se origina do fato que o material agregado ao polímero, no caso uma cerâmica, apresenta melhores propriedades quanto à elasticidade sendo esta uma característica comumente observada nessa classe de materiais. Entretanto, a adição da massa de argila levou à fratura dos corpos de prova, não sendo observado o mesmo no caso dos corpos da blenda polimérica sem adição de argila. Essa observação pode ser explicada com base na composição do material indo desde o seu fabrico como, por exemplo, compatibilidade entre os materiais e a homogeneidade dos mesmos, pois a adição da argila pode criar pontos frágeis na blenda, além de interferir no alongamento das cadeias do polímero garantindo maior rigidez à mobilidade das cadeias poliméricas do HDPE/LLDPE. Os dados da tensão x deformação do Alumínio 2024-T42 foram plotados com auxilio do software Origin® tanto para uma curva de tensão x deformação de engenharia quanto para uma curva de tensão x deformação real, sendo usado para a conversão dos dados para plotar este ultimo gráfico as formulas 3 e 4. Esta etapa foi realizada devido a curva real em comparação a curva de engenharia ou convencional apresentar menos desvios significativos na região plástica que esta ultima. Contudo com o auxilio da tabela 13, ao confrontar os dados referentes às propriedades mecânicas obtidos da curva de engenharia e da curva real, percebe-se que os dados quanto ao módulo elástico, limite de escoamento, tenacidade e resiliência possuem valores muito próximos, enquanto que valores como limite de resistência e limite de fratura, ambos obtidos da zona plástica de um gráfico tensão x deformação, diferem de maneira significativa, corroborando com o ajuste do gráfico ao evitar os desvios significativos dos dados nessa região. Por meio do mesmo software foi possível integrar a região da curva de tensão x deformação e através desse ajuste calcular a Tenacidade do Alumínio 2024-T42, que pode ser comparada com o cálculo da Tenacidade pela equação 7, o mesmo método foi usado para comparar o módulo de resiliência obtido pela integral com o limite de integração indo até o limite de escoamento (tomado como limite de proporcionalidade) com o cálculo através da equação 9. Foi observado que em relação a Tenacidade, as equações podem ser usadas com uma aproximação aceitável, diferenças entre os valores em torno de 9,26%, enquanto que em relação ao módulo de resiliência as diferenças entre os valores ficaram em torno de 45,65%.
Referências
Bibliografia
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 2024 solubilizada e envelhecida para aplicações aeronáuticas.Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, 2011.
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.	
FERREIRA, R. L. R.; Estudo da influencia da razão de sopro na estrutura e propriedade de filmes de polietilenos produzidos pelo processo de extrusão tubular.PPGE3M, Porto Alegre,2012.
[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.