RELATÓRIO ICTM - Introdução à Ciência e Tecnologia dos Materiais

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UNIVERSIDADE CANDIDO MENDES CAMPOS
CURSOS DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO, MECÂNICA E CIVIL.
Lana Peixoto dos Santos;
Lanara Ferreira de Meirelles
Paulo Victor Moreira;
Phelipe de Oliveira Sardinha;
Sávio Rocha Aleixo.
CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ
ABRIL DE 2015
RELATÓRIO DE ENSAIOS MECÂNICOS: TRAÇÃO
Lana Peixoto dos Santos;
Lanara Fereira de Meirelles
Paulo Victor Moreira;
Phelipe de Oliveira Sardinha;
Sávio Rocha Aleixo.
Relatório apresentado à disciplina de Introdução à Ciência e Tecnologia dos Materiais da Universidade Candido Mendes – UCAM Campos, como parte da avaliação semestral.
Profª. Márcia Almeida Silva
CAMPOS DOS GOYTACAZES – RJ
ABRIL DE 2015
SUMÁRIO
1.	Introdução	1
2.	Objetivos	3
3.	Revisão Bibliográfica	4
3.1	Descrição do Ensaio	4
3.2	Norma (s) aplicável (eis)	5
3.3	Material ensaiado	5
4.	Materiais e Métodos	7
4.1	Materiais Utilizados	7
4.2	Métodos	7
5.	Resultados	2
5.1	Curva força versus deslocamento (Fx∆L)	2
5.2	Curva tensão versus deformação de engenharia (σxε)	2
5.3	Limite de Proporcionalidade (σp)	2
5.4	Tensão de Escoamento (σesc) para n = 0,2%	2
5.5	Limite de Resistência a Tração (LRT)	2
5.6	Tensão de Ruptura (σrup)	2
5.7	Módulo de Elasticidade (E)	2
5.8	Módulo de Resiliência (Ur)	2
5.9	Ductilidade	2
5.9.1 Alongamento Percentual (%AL)	2
5.9.2 Redução Percentual de Área (%RA)	2
6.	Conclusões	2
7.	Referências Bibliográficas	2
GLOSSÁRIO	2
Introdução
 Diante da necessidade do homem em buscar explicações para muitas das questões técnicas que este enfrentava ao longo do seu crescimento, foram desenvolvidas máquinas e operações de testes, dentre eles o teste de tração. 
 Segundo os autores (Van Vlack, 1984 e William et al., 2000), os ensaios mecânicos são importantes para determinar os parâmetros dos materiais em condições de trabalho. Dentre as principais solicitações mecânicas para fabricação, encontram-se a tração, a compressão, o cisalhamento, e a flexão. As principais propriedades mecânicas dos materiais são obtidas pelo ensaio de tração, onde os corpos de prova de aço são alongados por uma força de tração uniaxial, até a ruptura do material, nas quais são medidas a tensão e a deformação correspondente.
 Para Bluhm et. al. (1965) é descrito que a facilidade na execução e a reprodutividade dos resultados colocam o ensaio de tração como um dos mais importantes meios de se determinar propriedades mecânicas dos materiais em engenharia.
 Segundo Neto (2013), o ensaio de tração como ensaio mecânico, pode ser considerado como um dos melhores ensaios visando à relação custo-benefício uma vez que o seu custo efetivo, tomadas as devidas condições e exigências, pode ser muito menor que outros ensaios de mesmo cunho.
 Conforme Souza (1982), o ensaio de tração consiste na aplicação de uma carga de tração uniaxial em um corpo de prova, geralmente padronizado, onde se pode afirmar que as deformações são uniformemente distribuídas ao longo de todo um corpo de prova específico até a ruptura. A uniformidade da deformação permite ainda obter medições precisas da variação dessa deformação em função da força aplicada. Essa variação é de extrema importância para o engenheiro, que por meio de pontos ou de uma reta dada pela máquina determina a curva tensão versus deformação do material. Porém ao se alcançar o ponto de tensão máxima suportada pelo material, a uniformidade na deformação termina devido ao aparecimento do fenômeno de estricção, ou diminuição da seção do corpo de prova, para metais com certa ductilidade. 
 
 A ruptura se dá na faixa estreita do material, menos que defeitos internos promovam a ruptura em algum ponto fora dessa região, o que é de rara ocorrência.
 Segundo Nery (2012), o ensaio de tração é de usual utilização em engenharia a fim de obterem-se informações básicas sobre as propriedades dos materiais. Neste ensaio um corpo de prova, que pode possuir diferentes geometrias, é submetido à aplicação de uma carga uniaxial crescente, onde são obtidas informações simultaneamente sobre seu comportamento durante o tempo de ensaio, no qual o produto desse ensaio é uma curva tensão versus deformação.
 Para Garcia (2000) é mencionado que na Engenharia, o ensaio de tração é amplamente utilizado na determinação de dados quantitativos das características mecânicas dos materiais, como o limite de resistência a tração e de escoamento, módulo de elasticidade, módulo de resiliência, módulo de tenacidade, ductilidade, coeficiente de encruamento e de resistência. Quanto à curva tensão versus deformação, Meyer et. al. (1982) descreve que a inclinação da região linear é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young. O módulo de elasticidade é uma medida de rigidez do material. Quanto maior o módulo de elasticidade, menor a deformação elástica resultante da aplicação de uma determinada carga. Uma vez que o módulo de elasticidade é necessário para o cálculo da deflexão de vigas e outros componentes, ele se torna um valor importante para projetos.
 Esse tipo de ensaio apresenta-se de muita importância na indústria, pois tanto o superdimensionamento como o subdimensionamento de produtos, podem trazer consequências graves. O primeiro porque gera desperdício de material, maior consumo de energia e baixo desempenho. O segundo porque o produto falhará e, além do prejuízo, pode causar sérios acidentes, com danos irreparáveis.
 
Objetivos
 Tem-se como principal objetivo o estudo da resistência de um determinado material e a análise do seu comportamento quando submetido à tração a partir de ensaios práticos e aplicação de equações para realizar os cálculos das variáveis. Esse estudo complementa a análise exigida em grande parte das empresas do setor metal metalúrgica, assim como a qualificação de um material perante exigência de empresas e projetos. 
 Dessa maneira, pretende-se identificar e conhecer as propriedades mecânicas do aço SAE 1010, por se tratar de um material comumente utilizado na indústria, através de corpos de prova de aço 1010, cuja composição compreende-se em 0,08 – 0,13 % de Carbono, 0,30 – 0,60 % de Manganês, 0,04 % de Fósforo e 0,05 % de Enxofre, a fim de verificar a diferença entre as resistências, demonstrando a sua ruptura (ARCELOR MITTAL, 2013). 
 Pretende-se também, estudar o procedimento do ensaio de tração e analisar através de gráficos o comportamento do material e as suas propriedades mecânicas.
Revisão Bibliográfica
Descrição do Ensaio
 O ensaio de tração avalia diversas propriedades mecânicas dos materiais, normalmente auxiliando na escolha do elemento certo para determinado projeto. O procedimento experimental consiste na deformação de uma amostra de determinado material até a sua fratura. Essa fratura se dá devido à aplicação de tração, gradativamente crescente e uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de um corpo de prova. Segundo Holt (2000), os corpos de prova podem ter secção retangular ou circular, conforme ilustrado na Figura 1.
Figura 1: Corpo de prova de aço 1010 de secção circular.
Norma (s) aplicável (eis)
 As especificações do corpo de prova são normalizadas, dependendo do material e das condições de realização do ensaio, neste caso o material ensaiado é um corpo de prova de aço 1010 e tracionado com o auxílio da Máquina Universal de Ensaios, eletromecânica e microprocessada EMIC modelo DL10000. Com capacidade de 10.000 kgf (100 kN); Acompanhada com a licença de uso do software TESC 400, programa para automação de ensaios (Instron Brasil, 2015).
 Como exemplo, com base na NBR ISO 6892:2013, para materiais metálicos com espessura ou diâmetro acima de 4 mm a serem ensaiados à temperatura ambiente, os corpos de prova circulares devem ter a relação entreo comprimento original G e o diâmetro D especificada pela Equação. (1). 
Material ensaiado
 O material submetido ao ensaio de tração é um corpo de prova de aço 1010 com secção circular de 60,5 mm de comprimento inicial e diâmetro de 10 mm, conforme apresenta a figura 2.
Figura 2: Corpo de prova de aço com secção circular.
Composição química
 A composição química para o corpo de prova de aço 1010 segundo a ABNT, SAE, AISI compreende em 0,08 – 0,13 % de Carbono (C), 0,30 – 0,60 % de Manganês (Mn), 0,35 % de Silício (Si), 0,04 % de Fósforo (P) e 0,05 % de Enxofre (S). Nessa classificação, os aços são ordenados de acordo com o teor de carbono, conforme segue: Aço extra-doce: < 0,15%C, Aço meio-doce: 0,15%C até 0,30%C, Aço meio-duro: 0,30%C até 0,60%C, Aço duro: 0,60%C até 0,70%C, Aço extra duro: 0,70 até 2,00%C (CEFET-SP, 2001). 
Propriedades e aplicações
 Os aços são ligas de ferro com até 2,0% de carbono, podendo conter outros elementos de liga tais como Cr, Mn, Si, Mo, V, Nb, W, Ti, Ni e outros elementos (denominados de residuais, provenientes do processo de fabricação, tais como o P, S, Si). Além do mais são utilizados na confecção de peças (engrenagens, eixos, parafusos, porcas, rolamentos, etc.), ferramentas (pás, martelos, serras, matrizes, punções, etc.) ou estruturas (pontes, edifícios, tanques). O principal motivo de o ferro ser o elemento mais consumido mundialmente é por ser utilizado na fabricação de aços (e também dos ferros fundidos). 
 A grande gama de aplicações dos aços se deve ao baixo custo de obtenção, associado à grande versatilidade de propriedades que se podem obter a partir de pequenas mudanças na composição química, tratamentos térmicos e/ou no processamento e, principalmente da elevada ductilidade aliada a grande tenacidade e elevada dureza (CEFET-SP, 2001).
Materiais e Métodos
Materiais Utilizados 
Foi utilizado um corpo de prova circular (Aço 1010). 
Máquina de Tração Universal.
O paquímetro Universal Série 125 (quadrimensional) que foi à ferramenta utilizada para averiguação às medidas do corpo de prova, onde foi colocado em posição de 90º no corpo de prova. Foram constatadas as seguintes medidas:
Largura: 50 mm
Diâmetro: 10 mm
Espessura: 10 mm
Comprimento útil (L0): 60,5 mm
 
8
Figura 3: Máquina de Tração Universal
EMIC modelo DL10000.
Figura 4: Corpo de Prova Aço 1010.
Figura 5: A parte útil do corpo de prova, identificada no desenho anterior por Lo, é a região onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material. As cabeças são as regiões extremas, que servem para fixar o corpo de prova à máquina de modo que a força de tração atuante seja axial. Devem ter seção maior do que a parte útil para que a ruptura do corpo de prova não ocorra nelas.
Local: Laboratório de Ensaios da Universidade Candido Mendes.
Data: 27 de abril de 2015
Métodos
O ensaio de tração é feito em corpos de prova com características especificadas de acordo com 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.
Geralmente é realizado na Máquina Universal de Ensaios, eletromecânica e micro processada EMIC modelo DL10000. É uma máquina de modelo motor elétrica a fuso e 
possui uma célula de carga que realiza a leitura da força que a máquina exerce. É um equipamento de fácil manuseio com capacidade máxima 100 KN = 10 t. Os comandos manuais da máquina são transferidos e usados numa estação informatizada. Além do mais, é utilizada para ensaios em compósitos de alta resistência, metais em geral, linha automobilística (produtos acabados), madeira e outros materiais, cuja resistência seja abaixo de 100 kN. Para realização do ensaio é necessário a divisão do corpo de prova, com auxílio de uma régua, em dez partes iguais de 5 mm cada.
Após a marcação da barra de aço carbono, fixa-se o corpo de prova na máquina por suas extremidades, numa posição que permite ao equipamento aplicar-lhe uma força axial para fora, de modo a aumentar seu comprimento. 
 A máquina de tração é hidráulica, movida pela pressão de óleo, e está ligada a um dinamômetro que mede a força aplicada ao corpo de prova. A máquina de ensaio possui um registrador gráfico, através de um software TESC 400, que vai traçando o diagrama de força e alongamento, em papel milimetrado, à medida que o ensaio é realizado.
Fórmulas:
Deformação: Ɛ =
 Sendo: A= Alongamento
 Lf= Comprimento Final
 Lₒ= Comprimento Inicial
	
Limite de Resistência a Tração (LRT): σ = F / A 
 Sendo: σ= Tensão
 F= Força Aplicada
 A= área de seção transversal inicial
Deformação Elástica
 σ =E∙ Ɛ
 Sendo: E= Constante de Proporcionalidade (GPa ou psi)= módulo de elasticidade ou Módulo de Young.
 Ɛ= Deformação
 σ= Tensão (MPa)
Alongamento Percentual
 %al=100(Lf- Lₒ)/( Lₒ)
Redução Percentual da Área
 %RA=100(Aₒ-Af)/ Aₒ
Resultados
Curva força versus deslocamento (Fx∆L)
Gráfico 1 – Força x Deslocamento
Curva tensão versus deformação de engenharia (σxε)
Gráfico 2 – Tensão x deformação
Limite de Proporcionalidade (σp)
Entende-se por limite de proporcionalidade como um determinado valor de tensão a partir do qual a deformação deixa de ser proporcional à carga aplicada. Este valor de tensão é até onde é valida a lei de Hooke. No gráfico abaixo, obtivemos um valor aproximado de 280,9 MPa.
Gráfico 3 – Limite de proporcionalidade
Tensão de Escoamento (σesc) para n = 0,2%
	No início da fase plástica ocorre um fenômeno chamado escoamento. O escoamento caracteriza-se por uma deformação permanente do material sem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade de deformação. O ponto de escoamento pode ser determinado como aquele que ocorre o afastamento inicial da linearidade na curva tensão-deformação. Pela dificuldade de precisão, foi estabelecida uma convenção na qual uma linha reta é construída paralelamente à porção elástica da curva tensão-deformação em alguma pré-deformação especificada, geralmente 0,2%. A tensão corresponde à interseção dessa linha com a curva tensão-deformação conforme esta se inclina na região plástica é definida como o limite de escoamento. Para o gráfico abaixo, obtivemos uma tensão de escoamento de aproximadamente 285,82 MPa.
Gráfico 4 – Tensão de escoamento
Limite de Resistência à Tração (LRT)
	Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação plástica nos metais aumenta até um valor máximo da curva tensão-deformação, este valor é denominado limite de resistência à tração. Se essa tensão for aplicada e mantida, ocorrerá a fratura. A partir desta tensão máxima, uma constrição começa a se formar em algum ponto e toda deformação passa a ficar confinada nesse pescoço. Este fenômeno é denominado empescoçamento, e a fratura terá lugar nesse pescoço. O valor aproximado da LRT na curva Tensão-deformação é 427,64MPa.
Gráfico 5 – LRT
Tensão de Ruptura (σrup) 
	Continuando-se a tração após o Limite de Resistência à tração, chega-se à ruptura do material. O valor da tensão onde ocorre a fratura é o valor da tensão de ruptura, nesse ensaio a tensão de ruptura obtida é de aproximadamente 293,57 MPa.
Gráfico 6 – Tensão de ruptura
Módulo de Elasticidade (E)
O módulo de Young ou módulo de elasticidadeé um parâmetro mecânico que proporciona uma medida da rigidez de um material ou a resistência do material à deformação elástica. É uma propriedade intrínseca dos materiais, dependente da composição química, microestrutura e defeitos (poros e trincas) que pode ser obtida da razão entre a tensão exercida e a deformação sofrida pelo material. Assim, o módulo de Young é dado por:
 O modulo de elasticidade também pode ser entendido como a inclinação da porção elástica, ou linear, inicial da curva tensão-deformação. A inclinação dessa região linear é dada pela altura em relação à distancia, ou a variação na tensão dividida pela variação correspondente na deformação, em termos matemáticos,
E = coeficiente angular = σ2 – σ1
					ε2 – ε1
Dessa forma, analisando o do gráfico 7, obtemos:
E = 291(MPa) – 0(mm) = 43,4MPa
 6,7(mm) – 0(mm) 
Gráfico 7 – Módulo Elasticidade
Módulo de Resiliência (Ur)
	É a capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e, depois, com a remoção da carga, permitir a recuperação dessa energia. Em termos de cálculo, o módulo de resiliência para um corpo de provas submetido a um ensaio de tração uniaxial é tão somente a área sob a curva tensão-deformação de engenharia calculada até o escoamento, ou seja:
Para uma região elástica linear, Ur= ½ (σ1 ε1)
Gráfico 8 – Módulo de resiliência
Desta forma, Ur = ½ (285,82 x 6,34).
Ur = 906,04MPa
 Ductilidade
 A Ductilidade é uma propriedade importante que representa o grau de deformação que um material suporta até o momento de sua fratura. A Ductilidade pode ser expressa quantitativamente tanto como um alongamento percentual quanto como uma redução percentual na área. 
5.9.1 Alongamento Percentual (%AL)
 O alongamento é representado por AL e é calculado subtraindo-se o comprimento inicial do comprimento final e dividindo-se o resultado pelo comprimento inicial. Matematicamente pode-se definir como, AL= Lf - Lo.
							 Lo
Desta forma, o alongamento obtido neste ensaio, foi equivalente a:
A= 61,80(mm) – 50(mm) = 0,236 mm/mm
			50(mm)
Obtenção do valor em porcentagem: AL% = 0,236 mm/mm x 100 = 23,6%.
Isto indica, que ocorreu uma deformação no material de 0,236 mm por 1 mm de dimensão do material.
5.9.2 Redução Percentual de Área (%RA)
 A Redução de área é definida subtraindo-se a área inicial da área final e dividindo-se o resultado pela área inicial. Matematicamente pode-se definir como, RA= Ao – Af .
											 Ao
							
Desta forma, a redução de área obtido neste ensaio, foi equivalente a:
RA= 78,54(mm) – 25,97(mm) = 0,669 mm/mm
			78,54(mm)
Obtenção do valor em porcentagem: RA% = 0,669 mm/mm x 100 = 66,9%
Conclusões
Pela Tabela 1, que apresenta uma síntese geral dos resultados obtidos no ensaio de Tração em referência, pode-se afirmar que os resultados foram bastante satisfatórios.
	
Tabela 1 - Dados experimentais Tensão-deformação em ensaio de Tração do aço 1010
	Material
	Limite de proporcionalidade
	Tensão de escoamento
	LRT
	Tensão de Ruptura
	Módulo de Elasticidade
	Módulo de Resiliência
	Aço 1010
	280,9MPa
	285,82MPa
	427,64MPa
	293,57MPa
	43,4MPa
	906,04MPa
Local: Laborátorio de Ensaios da Universidade Candido Mendes Campos
Data: 27 de abril de 2015
Este tipo de ensaio mecânico é de grande valia para elaboração de projetos e para a fabricação de peças com propriedades específicas. 
Observa-se, com este experimento, as características mecânicas e o comportamento do material ensaiado mediante as condições impostas. Analisa-se a conduta do Aço 1010 durante o regime elástico, no qual a deformação é reversível, durante o regime plástico, onde a deformação é irreversível até o momento de sua ruptura. Através desta observação é dada a noção do desempenho do material mediante ao esforço de tração até sua completa inutilização. Com esta noção obtida, pode-se garantir a estabilidade, segurança e viabilidade econômica para aplicação do material em um projeto.
Referências Bibliográficas
Arcelor Mittal, Guia do Aço – Aços longos. Março de 2013. Acesso em 01 de maio de 2015. Disponível em: < http://brasil.arcelormittal.com/pdf/quem-somos/guia-aco.pdf>. 
Bluhm, J. I. e Morrisey, R. J., 1965, “Fracture in a Tensile Specimen”. First International Conference on Fracture, Sendai, Japão, pp. 1739-1780. Acesso em 01 de maio de 2015. Disponível em: < http://www.beg.utexas.edu/eichhubl/Reprints/JSG03.pdf>
CEFET-SP, Centro Federal de Educação Tecnológica de São Paulo. Área industrial, disciplina: Tecnologia Mecânica, informações gerais sobre os aços. Janeiro de 2001. Acesso em 01 de maio de 2015. Disponível em: <http://www.joinville.ifsc.edu.br/~paulosergio/Ciencia_dos_Materiais/Classifica%C3%A7%C3%A3o%20dos%20a%C3%A7os.pdf>. 
ETE - Cel. Fernando Febeliano da Costa – Apostila de Ensaios Tecnológicos – 3º Ciclo Técnico em Mecânica. São Paulo – SP. Fevereiro de 2007. 
Garcia, A., 2000, “Ensaios dos Materiais”. LTC, Rio de Janeiro, 1. Ed.
Holt, J. M., 2000, “Uniaxial Tension Testing”, In: American Society for Material, ASM Handbook, Mechanical Testing and Evaluation, Ohio, ASM International, vol.08. Acesso em 01 de maio de 2015. Disponível em: < http://gnindia.dronacharya.info/download/research/vol-ii_issue-i_15022012.pdf>.
Instron Brasil Equipamentos Científicos Ltda, Emic. Equipamentos para Ensaios Mecânicos Destrutivos. Acesso em 01 de maio de 2015. Disponível em: < http://www.emic.com.br/Produtos+Mostra/4/3/15/Maquina+Universal+de+Ensaios_+eletromecanica+e+microprocessada+EMIC+modelo+DL10000_/>. 
Nery, F. V., 2012, “Avaliação de Danos via Ensaio de Tração do Aço Inoxidável Ferrítico AISI 444”. Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Metalúrgica, Escola de Minas-Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, Universidade Federal de Ouro Preto. Acesso em 01 de maio de 2015. Disponível em:<http://www.em.ufop.br/demet/download/monografias/Monografia_de_conclusao_de_curso_Fernando_victor_nery.pdf>.
Neto, R. M. L., 2013, “Ensaio de Tração”. IEM-Instituto de Engenharia Mecânica, LEN-Laboratório de Ensaios Destrutivos e Não-Destrutivos, Universidade Federal de Itajubá. Acesso em 01 de maio de 2015. Disponível em: < http://www.fahor.com.br/publicacoes/sief/2014/Analise_de_ensaios_de_tracao_em.pdf> 
Souza, S. A., 1982, “Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos”. Edgard Blucher, São Paulo, 5. Ed.
Meyer, M. A. e Chawla, K. K., 1982, “Princípios de Metalurgia Mecânica”. Edgard Blucher, São Paulo, 1. Ed.
Van Vlack, L., 1984, “Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais”, Editora Campos Ltda, Rio de Janeiro, 4. Ed.
William, D e Callister, Jr., 2000, “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”, LTC Editora, Rio de Janeiro, 5. Ed.
GLOSSÁRIO
Deve conter a tradução do inglês para o português das propriedades mecânicas estudadas, bem como uma breve descrição das mesmas.