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FUNDAÇÃO EDSON QUEIROZ UNIVERSIDADE DE FORTALEZA Centro Ciências Tecnológicas - CCT Curso de Engenharia de Controle e Automação LABORATÓRIO DE MATERIAIS DE ENGENHARIA RELATÓRIO DA PRATICA 5 ENSAIO DE TRAÇÃO Aluno: Mário Yoichi Minami Matricula: 1010908 2013.1 Disciplina: Materiais de Engenharia Professora: Flávia Sala: L17 1 Resumo Nesta prática aprendemos a fazer o teste de tração por meio de uma máquina universal de ensaios (INSTRON 4484) utilizando dois tipos de materiais distintos (metálico e polimérico). Com os dados obtidos vimos como é traçado a curva de tensão-deformação, onde é mostrado as características de deformação do material quando submetido a uma carga crescente. Após a coleta de todos os dados foi feito um cálculo estatístico com os resultados colhidos para a obtenção do valor verdadeiro da tensão máxima. Introdução O ensaio de tração é uma das ferramentas mais utilizadas para obtenção de várias informações relacionadas a propriedades mecânicas de um dado material mediante a utilização de uma pequena amostra padronizada chamada de corpo de prova ou proveta (figura1). Para o ensaio utiliza-se uma máquina universal INSTRON 4484 (figura 2). As extremidades do corpo de prova são fixadas à máquina (figura 3). Após “zerar” a máquina aplica-se uma carga variável “esticando” a peça a uma velocidade constante. A variação do comprimento é determinada por um sensor de deslocamento chamado de extensômetro. O ensaio continua até o momento da ruptura ou extensão máxima da amostra, dentro da escala do instrumento. Figura 1. Corpos de provas ou provetas. Figura 2. Máquina universal de ensaios INSTRON 4484. Figura 3. Detalhe de fixação do corpo de prova. 2 Os dados de força e deslocamento são convertidos em tensão e deformação, respectivamente com os quais traçamos a curva de tensão-deformação onde obtemos várias informações sobre o material [1]. Na figura 4 um exemplo da curva e as informações obtidas para uma determinada liga de alumínio. Na figura 5 curvas genéricas sem escala para as classes de diferentes materiais. Como o ensaio é destrutivo só poderemos fazer um teste por amostra. A maior quantidade de ensaios dará um maior grau de exatidão, por isso a importância de utilizarmos as ferramentas estatísticas para termos um valor mais próximo do real. Desta forma o valor verdadeiro da medição será dado por: ݑത = ̅ݔ ± ߜ Onde: ݑത = ݉é݀݅ܽ ݎ݈݁ܽ ̅ݔ = ݉é݀݅ܽ ݁ݏݐ݅݉ܽ݀ܽ ݀݁ ܽ݉ݏݐݎܽݏ ߜ = ܮ݅݉݅ݐ݁ ݀݁ ݂ܾ݈ܿ݊݅ܽ݅݅݀ܽ݀݁ O limite de confiabilidade ߜ é determinado por: ߜ = ݐ ∙ ݏ √݊ ݐ = ݒ݈ܽݎ ܾݐ݅݀ ݀ܽ ݐܾ݈ܽ݁ܽ ݁ݏݐܽݐíݏݐ݅ܿܽ ݏ = ݀݁ݏݒ݅ ܽ݀ݎã ݊ = ݊ݑ݉݁ݎ ݀݁ ܽ݉ݏݐݎܽݏ Figura 4. Curva Tensão-Deformação de uma liga de alumínio [1] Askeland Figura 5. Curva Tensão-Deformação referentes a tração de diferentes materiais. [1] Askeland Equação 1 Equação 2 3 Tabela 1. distribuição t de student com n graus de liberdade [2]. O desvio padrão ݏ é dado por: ݏ = ඩ 1 ݊ − 1 (ݔ − ̅ݔ)ଶ ୀଵ Todos os procedimentos do ensaio, metodologias, corpo de provas, etc. seguem os critérios estabelecidos por várias normas da ASTM (American Society for Testing and Material) que foram posteriormente normatizados e adaptados para o padrão adotado pelo nosso país pela [4] ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), sendo elas: Ensaio de tração para materiais metálicos: ABNT NBR 6152 Ensaio de tração para materiais geossintéticos: ABNT NBR 12824 Ensaio de tração para componentes cerâmicos: ABNT 15270 Objetivos O objetivo desta experiência é submeter corpos de prova metálicos e poliméricos a um ensaio de tração seguindo os procedimentos anteriormente descritos. Os dados coletados do módulo, tensão máxima, tensão na ruptura, deformação, tensão de escoamento, carga máxima e extensão máxima decorrentes dos ensaios serão analisados e confrontados com os resultados realizados no semestre passado dos materiais que supostamente são os mesmos. n B icaudal 50% 60% 70% 80% 90% 95% 98% 99% 99,50% 99,80% 99,90% 1 1 1,376 1,963 3,078 6,314 12,71 31,82 63,66 127,3 318,3 636,6 2 0,816 1,061 1,386 1,886 2,92 4,303 6,965 9,925 14,09 22,33 31,6 3 0,765 0,978 1,25 1,638 2,353 3,182 4,541 5,841 7,453 10,21 12,92 4 0,741 0,941 1,19 1,533 2,132 2,776 3,747 4,604 5,598 7,173 8,61 5 0,727 0,92 1,156 1,476 2,015 2,571 3,365 4,032 4,773 5,893 6,869 6 0,718 0,906 1,134 1,44 1,943 2,447 3,143 3,707 4,317 5,208 5,959 7 0,711 0,896 1,119 1,415 1,895 2,365 2,998 3,499 4,029 4,785 5,408 8 0,706 0,889 1,108 1,397 1,86 2,306 2,896 3,355 3,833 4,501 5,041 9 0,703 0,883 1,1 1,383 1,833 2,262 2,821 3,25 3,69 4,297 4,781 10 0,7 0,879 1,093 1,372 1,812 2,228 2,764 3,169 3,581 4,144 4,587 F (t ) Equação 3 4 Materiais e Métodos Materiais: 2(dois) corpos de provas numerados de material metálico; 2(dois) corpos de provas numerados de material polimérico. Método: Máquina universal de ensaios INSTRON 4484; Paquímetro Mitutoyo precisão 0,05. Procedimento Com a utilização do paquímetro foram coletadas as medidas dos corpos de provas e compilados na tabela 2. Tabela 2. medidas dos corpos de prova Corpo de prova Espessura (mm) Largura (mm) Comprimento (mm) METAL 1 2,95 12,85 65,00 METAL 2 3,00 13,00 65,00 POLIMÉRICO 1 2,80 14,00 65,00 POLIMÉRICO 2 2,85 14,95 65,00 Posteriormente fixou-se cada corpo de prova no equipamento, e foi iniciado os testes para cada provete. A velocidade adotada para os testes foram os seguintes: Metal 1: 5mm/minuto Metal 2: 5mm/minuto Polimérico 1: 10mm/minuto Polimérico 2: 20mm/minuto Com os dados da área do provete e da carga máxima, faz-se o cálculo da tensão máxima: ܶ௫ = ܥ௫ ܣ ܶ௫ = ܶ݁݊ݏã ݉áݔ݅݉ܽ ܥ௫ = ܥܽݎ݃ܽ ݉áݔ݅݉ܽ ܣ = áݎ݁ܽ ݀ܽ ݏ݁çã ݐݎܽ݊ݏݒ݁ݎݏ݈ܽ ݀ ݎݒ݁ݐ݁ Equação 4 5 Existe uma diferença entre o valor calculado da tensão máxima com o valor medido. Para o cálculo percentual desse erro utiliza-se a equação 5. ܧݎݎ% = |்ି்ೌೠೌ| ்ೌೠೌ × 100] O cálculo da deformação é dado por: ߝ = ݈ − ݈ ݈ Equação 5 Equação 6 6 Resultados e discussões Ensaio 1 Corpo de prova Espessura (mm) Largura (mm) Comprimento (mm) METAL 1 2,95 12,85 65,00 Metal Módulo (MPa) Tensão Máxima (MPa) Tensão na Ruptura (MPa) Deformação Na ruptura (%) Tensão no Escoamento (MPa) Carga máxima (kN) Extensão Máxima (mm) Metal 1 36580 374 136,8 18,7 212 14 18 Figura 6. Detalhe do provete no início da fratura. Figura 7. Detalhe da fratura. Figura 9. Curva tensão-deformação. Figura 8. Detalhe da fratura. 7 Ensaio 2 Corpo de prova Espessura (mm) Largura (mm) Comprimento (mm) METAL 2 3,00 13,00 65,00 Metal Módulo (MPa) Tensão Máxima (MPa) Tensão na Ruptura (MPa) Deformação Na ruptura (%) Tensão no Escoamento(MPa) Carga máxima (kN) Extensão Máxima (mm) Metal 2 25060 487,7 80,4 19 159,7 19 8,8 Figura 10. Detalhe da fratura. Figura 11. Curva tensão-deformação. Figura 8. Detalhe da fratura. Ensaio 3 Corpo de prova Espessura (mm) POLIMÉRICO 1 Polímero Módulo (MPa) Tensão Máxima (MPa) Polimérico 1 940 30,3 Figura 12. Detalhe do provete no início da estricção Espessura (mm) Largura (mm) 2,80 14,00 Tensão Máxima (MPa) Tensão na Ruptura (MPa) Deformação Na ruptura (%) Tensão no Escoamento (MPa) 30,3 - - 31,2 do provete no início da estricção. Figura 13. Detalhe da estricção. “pescoço” Figura 14. Curva tensão-deformação. 8 Comprimento (mm) 65,00 Carga máxima (kN) Extensão Máxima (mm) 1,2 9,56 Detalhe da estricção. “pescoço” 9 Ensaio 4 Corpo de prova Espessura (mm) Largura (mm) Comprimento (mm) POLIMÉRICO 2 2,85 14,95 65,00 Polímero Módulo (MPa) Tensão Máxima (MPa) Tensão na Ruptura (MPa) Deformação Na ruptura (%) Tensão no Escoamento (MPa) Carga máxima (kN) Extensão Máxima (mm) Polimérico 2 910 31,4 10,5 30 14,2 1,3 8,9 Norma de ensaio mecânico material mecânico http://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=002727 Figura 15. Detalhe do provete no início da fratura. Figura 16. Detalhe da fratura. Figura 17. Curva tensão-deformação. Figura 8. Detalhe da fratura. 10 Os resultados dos ensaios foram compilados, conforme a seguir: Tabela 3. Dados coletados dos materiais metálicos Metal Módulo (MPa) Tensão Máxima (MPa) Tensão na Ruptura (MPa) Deformação Na ruptura (%) Tensão no Escoamento (MPa) Carga máxima (kN) Extensão Máxima (mm) Padrão 37100 459,2 49,5 17 191,84 Padrão 2 36700 470,8 60 13 196,1 Metal 1 36580 374 136,8 18,7 212 14 18 Metal 2 25060 487,7 80,4 19 159,7 19 8,8 Média Os valores obtidos nos dois ensaios foram discordantes levando a crer que se trata de materiais diferentes. Vimos que a primeira amostra se mostrou mais “mole”, pois ela não trincou de uma vez. Já no segundo teste foi necessária uma carga maior para romper o corpo de prova apresentando somente uma fissura. Os testes são passíveis de erros devido à geometria dos corpos de provas e defeitos na microestrutura, mas a diferença apresentada é bastante acentuada descartando a hipótese de erros grosseiros nos testes. Comparando o valor da Tensão Máxima com a tabela do aço laminado ABNT o metal 1 se encontra na faixa do aço 1020. Já a amostra 2 se encontra na faixa do aço 1035. Tabela 4. Propriedades do aço ABNT laminado [3] Material Tensão Máxima (Mpa) Tensão de Escoamento (Mpa) H Brinell (Kgf/mm2) Observações ABNT 1010 (laminado) 330 180 95 Uso geral. ABNT 1015 (laminado) 350 190 101 Uso geral. ABNT 1020 (laminado) 390 210 111 Uso geral. ABNT 1025 (laminado) 410 220 116 Uso geral. ABNT 1030 (laminado) 480 260 137 Uso geral. ABNT 1035 (laminado) 500 280 143 Uso geral. ABNT 1040 (laminado) 530 290 149 Uso geral. ABNT 1045 (laminado) 570 320 163 Uso geral. ABNT 1050 (laminado) 630 350 179 Uso geral. ABNT 1060 (laminado) 690 380 201 Uso geral. ABNT 1070 (laminado) 710 390 212 Uso geral. ABNT 1080 (laminado) 780 430 229 Uso geral. ABNT 1090 (laminado) 850 470 248 Uso geral. Como os valores foram discordantes decorrentes de materiais diferentes, não é possível realizar a média dos valores da tabela dos ensaios. 11 Cálculo da Tensão Máxima (equação 4): ܶ௫ = ܥ௫ ܣ Tabela 5. Tensão máxima calculada (metais) Amostra ࢇ࢞ (kN) Espessura (E) (mm) Largura (L) (mm) = ࡱ ∙ ࡸ (mm²) ࢀࢇ࢞ = ࢇ࢞ (MPa) Metal 1 14 12,85 2,95 37,9075 369,32 Metal 2 19 13,00 3,00 39,00 487,18 Tivemos pequenas diferenças entre os valores da Tensão máxima medida e calculados que podem ser decorrentes da geometria não regular do corpo de prova, defeitos na microestrutura, etc. O erro é calculado pela expressão (equação 5): ܧݎݎ% = |்ି்ೌೠೌ| ்ೌೠೌ × 100] Tabela 6. Erro percentual (metais) AMOSTRA INSTRON 4466 Valor Calculado Erro (%) Metal 1 374,0 369,32 |ଷସିଷଽ,ଷଶ| ଷସ × 100 = 1,25% Metal 2 487,7 487,18 |ସ଼,ିସ଼,ଵ଼| ସ଼, × 100 = 0,11% 12 Material Polimérico Tabela 7. Dados coletados dos materiais poliméricos Polímero Módulo (MPa) Tensão Máxima (MPa) Tensão na Ruptura (MPa) Deformação Na ruptura (%) Tensão no Escoamento (MPa) Carga máxima (kN) Extensão Máxima (mm) Padrão 783,8 29,85 17,99 4,1 12,42 Padrão 2 822,7 31,41 18,7 4,09 12,8 Polimérico 1 940 30,3 - - 31,2 1,2 9,56 Polimérico 2 910 31,4 10,5 30 14,2 1,3 8,9 Média 925 30,85 - - 13,7 No primeiro ensaio o corpo de prova não chegou a romper criando um colarinho e alongando quase 200% do comprimento original. No segundo ensaio a velocidade de tração foi aumentada de 10 para 20mm/min. O material também apresentou um colarinho mas acabou rompendo. Os valores de tensão máxima foram semelhantes entre si inclusive com os praticados no semestre anterior. Desta forma é possível fazer uma média geral para o calculo do valor verdadeiro da tensão máxima utilizando as ferramentas estatísticas descritas anteriormente. Cálculo da Tensão Máxima (equação 4): ܶ௫ = ܥ௫ ܣ Tabela 8. Tensão máxima calculada (polimérico). Amostra ࢇ࢞ (kN) Espessura (E) (mm) Largura (L) (mm) = ࡱ ∙ ࡸ (mm²) ࢀࢇ࢞ = ࢇ࢞ (MPa) Polímero 1 1,2 14,00 28,00 39,2 30,61 Polímero 2 1,3 14,95 2,85 42,6075 30,51 MÉDIA 1,25 30,56 Tivemos pequenas diferenças entre os valores da Tensão máxima medida e calculados que podem ser decorrentes da geometria não regular do corpo de prova, idade do material bem como defeitos na microestrutura. O erro é calculado pela expressão (equação 5): ܧݎݎ% = |்ି்ೌೠೌ| ்ೌೠೌ × 100] Tabela 9. Erro percentual (polimérico) AMOSTRA INSTRON 4466 Valor Calculado Erro (%) Polímero 1 30,3 30,61 |ଷ,ଷିଷ,ଵ| ଷ,ଷ × 100 = 1,02% Polímero 2 31,4 30,51 |ଷଵ,ସିଷ,ହଵ| ଷଵ,ସ × 100 = 2,83% Para o cálculo do valor da Tensão Máxima verdadeira, adotaremos os seguintes critérios: 13 Utilizaremos somente os valores medidos da Tensão Máxima para diminuirmos os erros; Serão consideradas somente as duas amostras do ensaio; Adotaremos F(t), o grau de incerteza de 5% que corresponde a coluna 0,975 da tabela de distribuição “e de student” que para n=2 temos t=4,303. Dados: n = 2 t = 4,303 ̅ݔ = 30,85 ݔଵ= 30,3 ݔଶ= 31,4 O Desvio padrão é calculado por (equação 3): ݏ = ඩ 1 ݊ − 1 (ݔ − ̅ݔ)ଶ ୀଵ ݏ = ඨ 1 2 − 1 ሾ(30,3 − 30,85)ଶ + (31,4 − 30,85)ଶሿ ࢙ = , ૠૠૠૡ Com o desvio padrão calculamos o limite de confiabilidade ߜ que é determinado por (equação 2): ߜ = ݐ ∙ ݏ √݊ ߜ = 4,303 ∙ 0,7778 √2 ࢾ = , Logo o valor verdadeiro é dado por (equação 1): ݑത = ̅ݔ ± ߜ ࢛ഥ = , ૡ ± , 14 Tabela 10. Propriedades físicas e térmicasdos polímeros [5] 15 Tivemos a média do módulo de elasticidade de 925 Mpa e o valor da tensão máxima de 30,85 ± 2,3666 Mpa. Pela tabela 10, o material tem alta probabilidade de ser classificado como PET pois: Tabela 11. Confronto dos dados obtidos com o da tabela 10 Material Valores padrão Mpa = Kgf/mm² Valores obtidos no ensaio Mpa = Kgf/mm² PET 20 ~ 85 30,85 ± 2,3666 400 ~1450 925 O PET é um polímero termoplástico largamente utilizado na indústria de transformação, sendo as siglas do Politereftalato de Etileno. Matéria prima conhecida por nós na fabricação de garrafas PET de refrigerantes. Conclusão Vimos o grau de importância do ensaio de tração, no qual é possível traçar a partir deste a curva de tensão-deformação que nos mostra uma série de propriedades mecânicas tais como Tensão máxima, o limite da resistência, O módulo de Young (elasticidade), Tenacidade, Tensão de escoamento, Tensão de ruptura, Ductilidade, Resiliência, entre outros. Verificamos a diferença entre dois materiais com propriedades mecânicas distintas que foram comprovados com as curvas apresentadas. O material metálico apresentou maior resistência à tração em relação ao polímero que apresentou maior deformação plástica ocasionando um “pescoço” ou estricção na primeira amostra observada. Diante dos dados apresentados a aplicação do material metálico será melhor onde seja necessário um alto módulo de elasticidade como por exemplo no aço empregado nas estruturas metálicas de galpões. Já o polímero é indicado onde seja necessário alta tenacidade como por exemplo reservatório de plásticos, garrafas, etc. Para um bom ensaio constatamos que a escolha do corpo de prova bem como o maior número de ensaios corrobora para um resultado mais preciso e que utilizando as ferramentas estatísticas para composição do valor real da Tensão máxima esse erro pode ser estimado. 16 Bibliografia [1] ASKELAND, Donald R. Ciência e Engenharia dos Materiais. 1ed. 2008 Cengage Learning [2] Tabela e de student, disponível em: http://pt.wikipedia.org/wiki/Distribui%C3%A7%C3%A3o_t_de_Student acesso em 28 de março de 2013. [3] Tabela de aço carbono, disponível em: http://www.demec.ufmg.br/Grupos/labprojmec/Acos_ao_Carbono.htm acesso em 28 de março de 2013. [4] Norma ABNT ensaios de tração, disponível em: http://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=002727 acesso em 28 de março de 2013. [5] Tabela de propriedades mecânicas dos polímeros, disponível em: http://www3.fsa.br/localuser/Materiais/comp_mec_polsll.pdf acesso em 10 de abril de 2013.
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