Trabalho SAE 4340 extensometro (9,2/10)

Prévia do material em texto

Centro de Ciências Exatas e Tecnologia 
Departamento de Engenharia Mecânica 
Laboratório de Materiais e Metalografia 
Prof. Gilmar Tonietto 
 
 
 
 
 
Ensaio de Tração com Extensômetro 
Material SAE 4340 – 17 HRC 
 
 
Victória Rafaela Ritzel Marcon 
 
 
 
Caxias do Sul, 23 de setembro de 2016 
2 
Sumário 
1. Introdução e Objetivos .............................................................................3 
2. Revisão Bibliográfica ..............................................................................4 
2.1. Propriedades SAE 4340 ...................................................................4 
2.1.1. Fabricação, tratamento térmico e usinabilidade ....................4 
2.1.2. Soldagem .............................................................................5 
2.1.3. Tratamento ...........................................................................5 
2.1.4. Forjamento ...........................................................................5 
2.1.5. Recozimento ..........................................................................5 
2.1.6. Endurecimento.......................................................................5 
2.1.7. Principais aplicações ............................................................5 
2.1.8. Principais propriedades ........................................................5 
3. Normas .....................................................................................................5 
3.1. Propriedades SAE 4340 – 17 HRC pela AISI ...................................5 
4. Acervo de fórmulas .................................................................................7 
5. Ensaio .......................................................................................................8 
5.1. Materiais ..........................................................................................8 
5.2. Metodologia ......................................................................................8 
5.3. Corpo de Prova ...............................................................................8 
5.4. Dados para ensaio ..........................................................................9 
6. Resultados e Discussões ..................................................................... 10 
6.1. Tabela utilizada para construção de gráficos ................................. 10 
6.2. Gráfico Tensão x Deformação ...................................................... 12 
6.3. Valores calculados ........................................................................ 13 
7. Conclusão ............................................................................................... 14 
8. Referências .............................................................................................. 16 
 
 
3 
1. Introdução e objetivos 
“A extensometria é uma técnica utilizada para a 
análise experimental de tensões e deformações em 
estruturas mecânicas e de alvenaria. Estas estruturas 
apresentam deformações sob carregamento ou sob 
efeito da temperatura. É importante conhecer a 
extensão destas deformações e muitas vezes 
precisam ser monitoradas constantemente, o que 
pode ser feito de diversas formas. Algumas são 
o relógio comparador, o detector eletrônico de 
deslocamento, por camada frágil, por fotoelasticidade 
e por strain-gauge. Dentre todas, o strain-gauge, do 
inglês medidor de deformação, é um dos mais 
versáteis métodos. 
Os extensômetros elétricos são largamente utilizados 
para medir deformações em estruturas como pontes, 
máquinas, locomotivas, navios e ainda associados a 
transdutores para medir pressão, tensão, força e 
aceleração. São ainda associados a outros 
instrumentos de medidas para uso desde análise 
experimental de tensão até investigação e práticas 
médicas e cirúrgicas. ” (Marcos Portnoi, 2001) [1] 
Ao realizar a extensometria, também conhecida como ensaio de extensão 
ou tração, poderemos determinar o módulo de elasticidade e a tensão de 
escoamento do material SAE 4340 com 17 HRC para posterior comparação 
com normas já conhecidas, como a AISI. 
 O ensaio de tração possibilitou a avaliação de dados provenientes de um 
gráfico que relaciona tenção e deformação, quais foram utilizados para cálculos 
posteriores como área inicial, área final, tensão máxima, alongamento, estricção, 
redução de área, limite de escoamento e limite de resistência a tração. 
4 
2. Revisão bibliográfica 
Sobre o material utilizado no ensaio, o aço SAE 4340, vale ressaltar que é 
um aço para beneficiamento que possui alta temperabilidade e tenacidade, com 
composição química constituinte de ferro, carbono, cromo, níquel e molibdênio. 
É utilizado na fabricação de importantes componentes mecânicos e também em 
seções espessas quando deseja-se uma combinação de resistência mecânica 
média e resistência à fratura. 
Outra característica interessante deste material é sua durabilidade após o 
recozimento, por ser alta. Não é um bom condutor de calor e mantém sua forma 
inicial quando exposto a temperaturas medianas. 
Essas características explicam sua ampla aplicação e aceitação no 
mercado, como: na indústria automobilística, aeroespacial, petrolífera e outros, 
em peças como virabrequins, rolamentos, munições, engrenagens, embreagens, 
vasos de pressão e até componentes do trem de pouso de aeronaves. 
Sua composição química fica compreendida em C(0,38 – 0,43), Si(0,15 – 
0,30), Mn(0,60-0,80), Cr(0,80 – 1,10), Ni(1,65-2,00), Mo(0,20-0,30). [2] 
2.1. Propriedade SAE 4340 
Dureza 
(HRC) 
Resistência a 
Tração 
Tensão de 
Escoamento 
Módulo de 
Elasticidade 
Alongamento 
na Ruptura 
(Estricção) 
17 745 MPa 470 MPa 192.000 MPa 22% 
Fonte: 
http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=fd1b43a97a8a44129
b32b9de0d7d6c1a 
 
2.1.1. Fabricação, tratamento térmico e usinabilidade: Aço AISI 4340 
liga pode ser produzido usando todas as técnicas convencionais. 
O processo de usinagem só pode ser realizado nas condições de 
recozido, temperado ou normalizados. 
5 
2.1.2. Soldagem: AISI aço 4340 liga pode ser soldada usando métodos 
de fusão ou soldadura de resistência. Pré-aqueça e pós 
procedimentos de soldagem de calor são seguidas durante a 
soldagem deste aço por métodos estabelecidos. 
2.1.3. Tratamento: AISI 4340 ligas de aço é tratado termicamente a 830 
°C (1525 °F) seguido por têmpera em óleo. 
2.1.4. Forjamento: AISI 4340 ligas de aço é forjado a 427-1233 °C 
(1800-2250 °F). 
2.1.5. Recozimento: AISI 4340 liga de aço é recozida a 844 °C (1550 
°F) seguido por arrefecimento da fornalha. 
2.1.6. Endurecimento: AISI aço 4340 da liga pode ser endurecido por 
trabalho a frio ou tratamento térmico. 
2.1.7. Principais Aplicações: AISI 4340 ligas de aço é usado 
principalmente em engrenagens de transmissão de energia e 
eixos, trem de pouso da aeronave e outras partes estruturais. 
2.1.8. Propriedades Principais: Possui um módulo de elasticidade 
entre 190 a 210 (GPa), com tensão de escoamento próxima a 470 
(MPa), com tensão máxima próxima a 745 (MPa). 
3. Normas 
Os padrões estabelecidos para o aço em experimento são provenientes 
da AISI (Instituto Americano de Ferro e Aço), mesma classificação adotada pela 
SAE Internacional (Sociedade dos Engenheiros Automotivos) e ABNT 
(Associação Brasileira de Normas Técnicas). Os ensaios de tração seguem os 
padrões estabelecidos na NBR ISO 6892 - 2013. 
3.1. Propriedades do SAE 4340 pela norma AISI 
Abaixo tabela que servirá utilizada para comparação dos resultados 
calculados obtidos no trabalho com a norma (AISI) 
Propriedades Métricas ImperialTensão Máxima 745 MPa 108000 psi 
6 
 
 
 
Tensão De Escoamento 470 MPa 68200 psi 
Módulo de Volume 140 GPa 20300 ksi 
Módulo de Cisalhamento 80 GPa 11600 ksi 
Módulos de Elasticidade 190-210 GPa 27557-30458 ksi 
O Coeficiente de Poisson 0.27-0.30 0.27-0.30 
Estricção 22% 22% 
Redução de Área 50% 50% 
Dureza, Brinell 217 217 
Dureza, Knoop (convertido da 
dureza Brinell) 
 
240 240 
Dureza, Rockwell B (convertido da 
dureza Brinell) 
 
95 95 
Dureza, Rockwell C (convertido da 
dureza Brinell . Valor abaixo do 
alcance normal do HRC, único 
objetivo para comparação) 
 
17 17 
Dureza, Vickers (convertido da 
dureza Brinell) 
 
228 228 
Usinabilidade (recozido e frio 
desenhado. Com base em 100% 
de usinabilidade para AISI 1212 
aço.) 
50 50 
7 
4. Acervo de fórmulas 
Á𝑟𝑒𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 =
𝜋𝑑2
𝐿𝑜
 
 
 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 
𝐹𝑚á𝑥𝑔
𝐴𝑜
 
 
𝐴𝑙𝑜𝑛𝑔𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 
∆𝐿
𝐿𝑜
×100 
 
𝐸𝑠𝑡𝑟𝑖𝑐çã𝑜 = 
𝐴𝑜 − 𝐴𝑓
𝐴𝑜
×100 
𝐷𝑒𝑓. 𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 (0%) =
𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 (𝑀𝑃𝑎)
𝑀ó𝑑. 𝐸𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒
 . 100 
 
𝐷𝑒𝑓. 𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 (0,2%) = (
𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 (𝑀𝑃𝑎)
𝑀ó𝑑. 𝐸𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒
 . 100) + 0,2 
 
8 
5. Ensaio 
5.1. Materiais: 
 SAE 4340 - 17 HRC; 
 Paquímetro; 
 Tinta Demarcadora; 
 Pincel; 
 Máquina de Ensaio de Tração (extensômetro). 
 
5.2. Metodologia 
Para realização do ensaio de tração o corpo de prova com 40 mm realizou-
se a medição do diâmetro em três regiões diferentes – na parte superior, no 
meio e na parte inferior do comprimento útil do corpo de prova (CP) – para maior 
precisão mediu-se seção em dois pontos, um ponto aleatório da seção e 90° do 
ponto aleatório, obtendo, assim, seis medidas de diâmetro, a média para estas 
medidas foi de 8 mm. Para visualização dos resultados o CP foi pintado com 
tinta para demarcação com marcas ao longo do corpo útil do corpo de 5 mm em 
5 mm. 
 Após medições e marcação, fixou-se o CP no extensômetro e o mesmo 
foi submetido ao ensaio de tração. A máquina utilizada informa o alongamento 
(∆L = variação de comprimento) sofrido pelo material, que possibilita a 
construção do gráfico tensão x deformação. Ensaio é finalizado após ruptura do 
CP. 
5.3. Corpo de prova: 
Dados Pré Teste: 
Material: 
SAE 4340 - 
17HRC 
Diâmetro Inicial 
(mm): 
8 
Comp. Inicial Lo 
(mm): 
40 
Área (mm²): 50,3 
9 
Dados Pós Teste: 
Comp. Final (mm): 51,08 
Diâmetro Final 
(mm): 
5,7 
Área Final (mm²): 36,36 
 
5.4. Dados para ensaio: 
Força máxima 
(Kgf) 
3348 
Gravidade (m/s²) 9,81 
Pré-carga (kg) 255 
 
 
10 
6. Resultados e Discussões 
6.1. Tabela utilizada para construção de gráficos 
Força 
Aplicada 
(Kgf) 
Deslocam
ento (10-³ 
mm) 
Deslocam
ento (mm) 
(Y) 
TENSÃO 
(MPa) 
(X1) 
Deformaç
ão 
(mm/mm) 
(X2) 
Deformaç
ão 
Corrigida 
(mm/mm) 
(X3) 
Deformaç
ão 
Calculada 
(%) 
(X4) 
Deformaç
ão 
Calculada 
+ 0,2% 
- - - 0 
- 
0,00006
319487 
0 - 
0,20000
000000 
0 0 0 
19,5029
8211 
0 
0,00625
6293 
0,00000
314882 
0,20000
314882 
100 1 0,001 
39,0059
6421 
0,00002
5 
0,00252
5 
0,00000
127084 
0,20000
127084 
200 3 0,003 
58,5089
4632 
0,00007
5 
0,00757
5 
0,00000
381253 
0,20000
381253 
300 6 0,006 
78,0119
2843 
0,00015 0,01515 
0,00000
762506 
0,20000
762506 
400 9 0,009 
97,5149
1054 
0,00022
5 
0,02272
5 
0,00001
143759 
0,20001
143759 
500 12 0,012 
117,017
8926 
0,0003 0,0303 
0,00001
525012 
0,20001
525012 
600 15 0,015 
136,520
8748 
0,00037
5 
0,03787
5 
0,00001
906265 
0,20001
906265 
700 19 0,019 
156,023
8569 
0,00047
5 
0,04797
5 
0,00002
414602 
0,20002
414602 
800 23 0,023 
175,526
839 
0,00057
5 
0,05807
5 
0,00002
922939 
0,20002
922939 
900 28 0,028 
195,029
8211 
0,0007 0,0707 
0,00003
558361 
0,20003
558361 
1000 32 0,032 
214,532
8032 
0,0008 0,0808 
0,00004
066698 
0,20004
066698 
1100 37 0,037 234,035 0,00092 0,09342 0,00004 0,20004
11 
7853 5 5 702119 702119 
1200 41 0,041 
253,538
7674 
0,00102
5 
0,10352
5 
0,00005
210457 
0,20005
210457 
1300 47 0,047 
273,041
7495 
0,00117
5 
0,11867
5 
0,00005
972962 
0,20005
972962 
1400 50 0,05 
292,544
7316 
0,00125 0,12625 
0,00006
354215 
0,20006
354215 
1500 54 0,054 
312,047
7137 
0,00135 0,13635 
0,00006
862553 
0,20006
862553 
1600 60 0,06 
331,550
6958 
0,0015 0,1515 
0,00007
625059 
0,20007
625059 
1700 65 0,065 
351,053
6779 
0,00162
5 
0,16412
5 
0,00008
260480 
0,20008
260480 
1800 69 0,069 
370,556
66 
0,00172
5 
0,17422
5 
0,00008
768817 
0,20008
768817 
1900 72 0,072 
390,059
6421 
0,0018 0,1818 
0,00009
150070 
0,20009
150070 
2000 75 0,075 
409,562
6243 
0,00187
5 
0,18937
5 
0,00009
5313231 
0,20009
531323 
2100 80 0,08 
429,065
6064 
0,002 0,202 
0,00010
1667447 
0,20010
166745 
2200 85 0,085 
448,568
5885 
0,00212
5 
0,21462
5 
0,00010
8021662 
0,20010
802166 
2300 97 0,097 
468,071
5706 
0,00242
5 
0,24492
5 
0,00012
3271779 
0,20012
327178 
2400 130 0,13 
487,574
5527 
0,00325 0,32825 
0,00016
5209601 
0,20016
520960 
2500 267 0,267 
19,5029
8211 
0,00667
5 
0,67417
5 
0,00033
9315104 
0,20033
931510 
2600 413 0,413 
39,0059
6421 
0,01032
5 
1,04282
5 
0,00052
4858194 
0,20052
485819 
 
(X2) = Deformação corrigida: correção da origem de deformação. 
12 
(X3) = Deformação calculada: deformação teórica aplicada sobre X2. 
(X4) = Deformação Calculada + 0,2%: X3 + 0,2%. 
 
6.2. Gráfico da Tensão X Deformação 
 
A partir do gráfico Tensão x Deformação foi possível obter a equação da reta 
utilizando o segmento representado no gráfico a baixo: 
 
 
 
 
 
 
 
 
13 
 
 
 
 
Equação da Reta: Y=177245x + 50,47 
A equação da reta foi feita para obtenção do módulo de elasticidade e correção 
da origem no gráfico. 
 
 
6.3. Valores calculados: 
Tensão de Escoamento 485,39 (MPa) 
Módulo de Elasticidade 177245 (MPa) 
Estricção 27,7% 
 
 
14 
 
7. Conclusão 
O ensaio de tração permitiu que fossem determinados o módulo de 
elasticidade, tensão de escoamento e percentual de estricção do material 
analisado. Após análise de dados via comparação com norma AISI para o SAE 
4340 foi possível perceber que a tensão máxima calculada coincide com o 
parâmetro determinado pela norma. O valor de estricção ficou próximo ao 
estipulado pela norma, porém cerca de 5,7% acima. 
Para tensão de escoamento obteve-se um valor 15 MPa acima do 
determinado pela norma para o metal SAE 4340 - 17 HRC, o que é um bom 
número, pois a norma prevê ao menos 470 MPa e foi obtido 485 MPa. No 
entanto, estas diferenças percebidas podem ser acarretadas devido a erros na 
leitura dos dados ou erro em algum cálculo realizado pelo autor. 
O módulo de elasticidade, ou módulo de Young, especificado pela 
norma AISI para o SAE 4340 – 17 HRC é entre 190000 MPa e 210000 MPa, 
no entanto, no cálculo realizado obteve-se como módulo de elasticidade 
177245 MPa,o que é cerca de 6,7% a baixo do limite inferior da faixa 
prevista para o módulo de elasticidade do material estudado. Este 
resultado pode ser justificado por alguns fatores de erro, como: erro de 
cálculo por parte do autor, ou falhas no material como homogeneidade 
reduzida, poros ou trincas internas. Outro fator de erro a ser pensado é a 
possibilidade de haver tensões internas relativamente elevadas no 
material, tornando-o mais frágil e reduzindo seu módulo de elasticidade. 
Com a revisão bibliográfica e análise dos dados pode-se concluir que as o 
conjunto de propriedades mecânicas determinam características de grande 
importância, possibilitando que o profissional tenha ferramentas que o 
permitem determinar qual o material mais adequado para aplicação desejada. 
Os resultados obtidos mostram que, quando calculados e analisados de forma 
correta, pode-se obter a ficha técnica do material mesmo que a empresa 
fabricante não forneça, ou identificar um material desconhecido, pois, se for um 
15 
material relativamente tradicional, deverá haver uma tabela com todas as suas 
características. 
16 
8. Referências 
CALLISTER, William D, Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. 
9.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. 
Fontes de informações sobre aço SAE 4340 – 17 HRC (acessadas em 
23/10/2016): 
http://www.ggdmetals.com.br/produto/sae-4340/ 
https://www.eecis.udel.edu/~portnoi/academic/academic-files/extensometria.html 
Tabelas da norma AISI (para comparação) retiradas dos sites abaixo: 
http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=6772 
http://www.matweb.com/