Relatório - Ensaio de Tração do Aço - Laboratório de Materiais de Construção (ENG1213- PUC-Rio)

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Departamento de Engenharia Civil
www.civ.puc-rio.br
Relatório do Laboratório de Materiais de Construção Nº8
Ensaio de Tração do Aço
 - Antonio Celes 
 - Fábio Walan 
 - Gabriel Zeitel
 - Lucas Figueira
Turma 3VD
Pontifícia Universidade Católica – Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, Rua Marquês de São Vicente, 255, 22451-900, Rio de Janeiro – RJ, Brasil
Rio de Janeiro, 11 de junho de 2015
1. Introdução
A determinação da resistência de determinados materiais a compressão e a tração são de suma importância na engenharia. Sem estas propriedades, não existiriam parâmetros suficientes para a escolha de um material em detrimento do outro. 
Assim sendo, a determinação da resistência a tração do aço é parte crucial de seu controle tecnológico. Tendo os equipamentos e maquinas necessárias para a mensuração dessa resistência, foi possível notar que a resistência a tração do aço é elevada e, por conta disso, o aço é um dos insumos mais utilizados na construção civil, seja reforçando uma viga de concreto ou até mesmo sendo o único componente do sistema estrutura.
Neste experimento de determinação da resistência a tração do aço, o ensaio será controlado através da deformação da barra. A uma taxa de carregamento de cerca de 1mm/min. Além dos LVDTs existentes na máquina de ensaio, serão utilizados “strain gages” externos aplicados na região central da barra, para medir também a deformação desta.
2. Objetivo
Tendo em mente a importância das propriedades mecânicas do aço, esta experiência tem por objetivo observar o comportamento de uma barra nervurada de aço, com seção transversal constante, sob tração. Obtendo assim, valores importantes, como a resistência em que a barra de aço se rompe. A chamada tensão de ruptura. 
Isto é, de acordo com a norma NBR 6152/2013 – Materiais Metálicos – Ensaio de tração à Temperatura Ambiente.
3. Material e Equipamentos Utilizados
	Para realização da prática foram utilizados os seguintes materiais:
Uma barra de aço nervurada, para ser posta a tração.
Máquina de ensaio universal MTS para tracionar a barra.
LVDT do tipo Clip Gauge para medir a deformação da barra.
Sistema de informação para controle do ensaio.
5. Procedimentos
O procedimento experimental pode ser dividido em três etapas, para cada etapa existem fotos ilustrando como se deu o experimento. 
O preparo da amostra de aço é feito através da norma NBR 6152/2013, que por sua vez, indica a utilização da norma internacional ISO 377. Após a preparação da amostra, a barra de aço pode ser posicionada na máquina de ensaio universal MTS, tomando o devido cuidado para que ela seja posta de maneira correta. Então, através de um sistema informatizado a carga de tração começa a ser aplicada até a barra romper. Ainda utilizando sistemas de informação, podemos obter gráficos e os valores pertinentes que queremos determinar. Sem os sistemas informatizados, teríamos que anotar os valores de tensão para cada deformação medida no LVDT e traçar os diagramas tração-deformação da barra.
Observação: deve-se ter em mente que os parâmetros de ensaio influenciam nos resultados e, neste caso, o ensaio é realizado em temperatura ambiente.
A seguir estão imagens do processo de posicionamento da barra na máquina.
Figura 2
Figura 1
6. Cálculos e Discussões
	Após o rompimento da carga, o sistema informatizado gerou um arquivo do tipo planilha com os valores do ensaio, em termos de força axial aplicada e deformação em mm. Desta planilha, podemos obter o módulo de elasticidade do trecho linear elástico da amostra de aço. O gráfico tensão x deformação do corpo de prova (muito importante na engenharia de materiais), além dos pontos e regiões pertinentes do gráfico de tensão x deformação. No entanto, antes de qualquer medida, devemos tornar coerente as unidades envolvidas no ensaio. Para obter a tensão fazemos: 
Equação 1
Onde σ é a tensão normal de tração em Pascal, P é a força axial em Newtons e A é a área da seção transversal da barra de aço em metros quadrados. 
	Outro ponto importante é o cálculo da deformação adimensional dada por:
Equação 2
Onde ε é a deformação adimensional da barra de aço, ∆L é a variação de comprimento da barra e Li é o comprimento inicial. Fazendo estas alterações na planilha, já podemos plotar o gráfico tensão (MPal) x deformação (mm/mm - adimensional).
Abaixo está ilustrado o gráfico em questão.σlrup
C
σlp, σle
σlres
Da análise do gráfico, vemos que durante o ensaio, a barra de aço foi descarregada duas vezes, uma antes de se plastificar e a outra já com a barra de aço plastificada. Vemos que existem 3 retas paralelas no gráfico, a primeira representa a parte elástica da barra de aço, a segunda e a terceira representam o descarregamento. Qualquer uma dessas 3 retas pode ser utilizada para determinar o módulo de elasticidade. Por conveniência, a reta escolhida será a primeira, referente a parte elástica do gráfico tensão x deformação. Segue um exemplo de cálculo para elucidar o processo:
Figura 3
Equação 3
Vemos, portanto que o módulo de elasticidade da barra de aço em questão é de aproximadamente 200 GPa.
Observação: Estes cálculos forma feitos utilizando a planilha no Excel para que os resultados fossem mais próximos da realidade.
Além disso, também é possível destacar alguns pontos notáveis no gráfico, tais quais:
- σlp e σle: indicam que a tensão limite de proporcionalidade e a tensão limite de elasticidade coincidem em um mesmo ponto. Tendo um valor aproximado de 480 MPa.
- σlres: indica a tensão última da barra de aço, a tensão máxima atingida pela barra durante a estrição, por valores aproximados, a tensão limite de resistência é da ordem de 585 MPa.
- σlrup: indica a tensão de ruptura, ou a tensão com a qual a barra de aço atingiu a deformação máxima e rompeu. A tensão limite de ruptura, pelo gráfico, gira em torno de 450 MPa.
Podemos calcular, ainda, o comprimento final da barra, utilizando a seguinte relação: 
Equação 4
Ou seja, antes de romper, a barra que inicialmente tinha 10 cm de comprimento, passou a ter:
	Vemos, portanto, que o trecho da barra com LVDT se alongou aproximadamente 1mm durante o ensaio. 
	Observação: no cálculo foi utilizada a deformação máxima. 
Ainda sobre o gráfico, deste foram destacadas quatro regiões, a primeira delas:
- Região elástica, onde o material mantém o seu comprimento após descarregado.
- Região de escoamento, onde o material plastifica.
- Região de endurecimento por deformação
 - Região de estrição, onde a seção transversal da barra começa a diminuir, devido a tração.
7. Conclusões
Após este ensaio podemos concluir que, de fato, o aço é resistente a tração e pode ser aplicado em inúmeras ocasiões, além disse, sua tenacidade e ductilidade também são elevadas, permitindo, assim, que o aço se alongue bastante, sob tração, antes de se romper.
Também é possível notar a importância deste tipo de ensaio e seus parâmetros. Tendo em vista que, para cada combinação de parâmetros, teremos resultados diferentes, todo ensaio que tenha por objetivo determinar propriedade de algum material é normalizado. Ou seja, existem métodos que permitem determinar estas propriedades sem grandes variações destas de um ensaio para outro.
Os resultados obtidos neste experimento explanam e consolidam a posição do aço como um dos principais insumos da construção civil e também de outras áreas, como por exemplo, a Engenharia Mecânica, na construção de maquinários e peças.
8. Bibliografia
 - HIBBELER. Resistência dos Materiais.
		- ABNT NBR 6152/2013 – Materiais metálicos – Ensaio de tração a temperatura ambiente.