Ensaio de Tração em Material SAE 4140

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ÍNDICE Numeros pg
	
TÍTULO....................................................................................................PÁGINA 
1.INTRODUÇÃO................................................................................................. 2 
2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA........................................................................... 3 
2.1.PROPRIEDADES MECÂNICAS DO MATERIAL.............................. 3
3.NORMAS ADOTADAS.................................................................................... 4
	3.1 MÓDULO DE ELASTICIDADE
	3.2 TENSÃO MÁXIMA DE TRAÇÃO
	3.3 TENSÃO DE ESCOAMENTO
3.4 ESTRICÇÃO
4.MATERIAIS UTILIZADOS............................................................................... 5
5. ENSAIO DE TRAÇÃO ............................................................................. 6
	5.1 CORPO DE PROVA
	5.2 EXTENSÔMETRO
	5.3 DESCRIÇÃO DO ENSAIO	
6.RESULTADOS PARCIAIS.............................................................................. 7 
	6.1 FORMULAS UTILIZADAS
6.2.DADOS COLETADOS....................................................................... 7 
6.3.DADOS CALCULADOS.................................................................... 8
7.GRÁFICOS.......................................................................................................9
8.CORREÇÕES................................................................................................ 11 
8.1.CORREÇÃO DA ORIGEM DO GRÁFICO....................................... 11 
8.2.FÓRMULAS PARA CÁLCULOS DE DFORMAÇÃO...................... 11 
8.3.TABELA DE CORREÇÕES E DEFORMAÇÃO CALCULADA...... 12 
9.RESULTADOS FINAIS................................................................................. 14 
10.CONCLUSÃO............................................................................................. 15 
11.REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO............................................................. 16
INTRODUÇÃO
As propriedades mecânicas dos materiais são fatores decisivos na escolha de um material nas diversas aplicações de engenharia, pois determinam tanto fatores de segurança quanto fatores econômicos de todo o projeto. O ensaio de tração utilizando um extensômetro é um importante método de mensurar algumas propriedades mecânicas de um material, consistindo em aplicar uma força de tração coincidente ao eixo do corpo de prova, medindo-se a força aplicada e a deformação que o material sofre com a ação da carga. 
O trabalho que segue demonstra o ensaio de tração do metal SAE 4140 com dureza de 17 HRC, seguindo a norma NBR: ISO 6892:2013. Detalhes do processo serão detalhados, juntamente com os equipamentos utilizados. Um estudo teórico sobre as propriedades do material também vai ser apresentado, assim como dados obtidos no ensaio prático. 
A partir dos dados coletados e cálculos, serão feitos gráficos de Tensão x Deformação, com o objetivo de encontrar os valores práticos para a Tensão de Escoamento e Módulo de Elasticidade do material. 
Os resultados e gráficos finais obtidos serão apresentados, com a finalidade de fazer um comparativo dos valores práticos da Elasticidade, Deformação e Escoamento do material com os valores dos mesmos encontrados na bibliografia.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
O ensaio de tração consiste em aplicar uma carga axial no corpo de prova padronizado, essa força aplicada provoca uma deformação no material, prolongando-o até a sua ruptura. A deformação do material é uniforme até o momento em que ocorre a estricção do material, ou seja, diminuição da seção transversal do material. Assim a deformação é dividida em duas:
Deformação Elástica: Não provoca deformação permanente no material, cessando-se os esforços o corpo de prova retoma seu comprimento original; 
Deformação Plástica: Ao ultrapassar o limite elástico do material, ele entra em regime plástico e então ele não retornará ao seu tamanho original, sofrendo uma deformação permanente. 
A precisão dos equipamentos é fundamental para obtenção de dados concretos. A velocidade do ensaio é lenta para coletar dados de deformação pequenos, aplicando uma pequena força e aumentado aos poucos. Com essas pequenas deformações ao longo do tempo consegue-se uma precisão da tensão mais precisa, diferente se fossem causadas grandes deformações. A coleta dos dados é feita com a ajuda de um extensômetro, o qual nos mostra as pequenas deformações sofridas pelo material. 
A partir do ensaio, é gerado o gráfico de Tensão x Deformação, no qual é mostrado a relação entra a tensão suportada pelo material e a deformação consequente. Com esse gráfico é possível encontrar o limite elástico do material, a tensão de escoamento e tensão máxima suportada.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DO MATERIAL 
O material SAE 4140 é um aço para beneficiamento, com temperabilidade média, ligado ao cromo e molibdênio, utilizado na fabricação de diferentes componentes mecânicos onde se deseja uma boa combinação de resistência mecânica e média resistência à fratura. Também possui elevada resistência à fadiga. Deve ser realizado na temperatura mínima de 925ºC e máxima de 1220ºC. A composição química do SAE 4140 é de 0,38 à 0,43% de Carbono, de 0,10 à 0,35% de Silício, de 0,75 à 1,00% de Manganês, de 0,80 à 1,10% de Cromo e de 0,15 à 0,25% de Molibdênio.
NORMAS ADOTADAS
	Código
	ABNT NBR ISO 6892-1:2013
	Data de publicação
	04/04/2013
	Válida a partir de
	04/05/2013
	Título
	Materiais metálicos — Ensaio de Tração Parte 1: Método de ensaio à temperatura ambiente
	Título idioma Sec.
	Metallic materials — Tensile testing Part 1: Method of test at room temperature
	Comitê
	ABNT/CB-004 Máquinas e Equipamentos Mecânicos
	Nota do título
	Esta versão corrigida da ABNT NBR 6892-1:2013 incorpora a Errata 1 de 27.03.2015
	Nº páginas
	70
	Status
	Em vigor
	Idioma
	Português
	Organismo
	ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
	Objetivo
	Esta parte da ABNT NBR ISO 6892 especifica o método de ensaio de tração de materiais metálicos e define as propriedades mecânicas que podem ser determinadas à temperatura ambiente.
3.1 MÓDULO DE ELASTICIDADE
Define a rigidez do aço. Quando maior o modulo de elasticidade mais rígido é o aço e maior será a tensão necessária para a deformação elástica do mesmo. O módulo de elasticidade é um importante parâmetro de projeto empregado para calcular deflexões elásticas.
3.2 TENSÃO MÁXIMA DE TRAÇÃO
É o limite de resistência a tração, ou seja, a tensão máxima que o material pode resistir antes da fratura. 
3.3 TENSÃO DE ESCOAMENTO
É o limite de escoamento do material, ou seja, a tensão necessária para ocasionar uma deformação plástica, definido pela interseção da linha de deformação calculada com a curva de deformação do material.
 3.4 ESTRICÇÃO
Percentual de deformação da área aonde ocorre a ruptura do corpo de prova, resultado que expressa a ductilidade do material, importante propriedade mecânica. Quanto maior o percentual de estricção mais dúctil é o material. O conhecimento da ductilidade do material é importante no projeto para indicar o grau que a estrutura irá se deformar plasticamente antes de fraturar. Seu conhecimento também é importante nas operações de fabricação pelo mesmo motivo.
Materiais frágeis possuem uma estricção menor que 5%, enquanto algumas ligas de aços podem chegar a 25%.
4. MATERIAIS UTILIZADOS
Computador;
Corpo de prova padronizado;
Extensômetro;
Máquina universal de ensaio de tração;
Paquímetro;
Riscador elétrico;
SAE 4140 com dureza de 17 HRC;
Tinta demarcadora.
5. ENSAIO 	DE TRAÇÃO
5.1 CORPO DE PROVA
	O corpo de prova utilizado deve seguir as normas técnicas, e por padrão possui o formato conforme figura abaixo. Essa configuração foi escolhida porque, durante ensaios, a deformação fica confinada à região central mais estreita e para reduzir a probabilidade de fratura nas extremidades, o quepoderia impossibilitar mensurar medidas finais. O modelo utilizado possui roscas em suas extremidades para auxiliar na fixação na máquina. O comprimento inicial do corpo deve ser medido (secção de diâmetro reduzido). Deve-se medir também o diâmetro do corpo de provas, fazendo 3 medições na sua secção reduzida e, depois de gira-lo 90° fazer mais 3 medições – o valor considerado é a menor medida entre as 6 realizadas. O corpo de prova ainda deve ter a região de diâmetro menor pintado, e ser submetido ao riscador para que se faça marcas de 5mm em 5mm dentro dos 40mm do comprimento inicial. Esse último procedimento auxilia para medição comprimento após o ensaio.
Secção de Diâmetro Reduzido
5.2 EXTENSÔMETRO
Fixado no corpo de prova, é utilizado para fornecer as medidas de alongamento da peça conforme aplicado a força pela máquina de tração. Pode-se utilizar cola para fixa-lo ao corpo, evitando assim o escorregamento do aparelho ou a imprecisão de medidas.
5.3 DESCRIÇÃO DO ENSAIO 
Primeiramente, usando o paquímetro foi medido o diâmetro da parte útil do corpo de prova, como descrito logo acima. O menor valor do diâmetro encontrado foi 7,85 mm, arredonda-se esse valor para 8 e multiplica-se por 5 (valor de cada risco transversal) resultando assim no comprimento inicial de 40 mm, sendo o (Lo). Dando sequência, o corpo de prova é fixado à máquina universal de ensaio de tração juntamente com o extensômetro que é fixado nos 40 mm úteis do corpo de prova.
Os dados de força aplicada e deslocamento são coletados e armazenados. O ensaio é finalizado com a ruptura do corpo de prova. 
	 
Máquina de Teste Mecânico
Extensômetro
Corpo de Prova
6. RESULTADOS PARCIAIS
6.1 FORMULAS UTILIZADAS 
 Tensão
Deformação
Deformação Corrigida
	Para Deformação Corrigida, é necessário encontrar a interseção no eixo “x” da equação da reta de análise do gráfico Tensão x Deformação.
Módulo de Elasticidade
	É o valor que multiplica “X” na equação da reta.
Deformação Calculada
 Estricção
6.2 DADOS COLETADOS
	Diâm. Inicial (mm) =
	7,85
	Comp. Inicial Lo (mm) = 
	40
	Gravidade =
	9,80665
 
 F= Força (Mpa) 		
 A= Área (mm²)
 G= Força gravitacional 
 L= Deslocamento (10³ mm)
 Lo= Comprimento inicial (mm) 
	Força (Kgf)
	 Deslocamento (10³ mm)
	(Y) Tensão (Mpa)
	(X) Deformação (mm/mm)
	0
	0
	0
	0
	100
	0,004
	20,26167355
	0,000100
	200
	0,008
	40,52334710744
	0,000200
	300
	0,012
	60,785020661157
	0,000300
	400
	0,014
	81,04669421488
	0,000350
	500
	0,017
	101,3083678
	0,000425
	600
	0,019
	121,5700413
	0,000475
	700
	0,022
	141,83171488
	0,000550
	800
	0,024
	162,0933884
	0,000600
	900
	0,027
	182,355062
	0,000675
	1000
	0,030
	202,6167355
	0,000750
	1100
	0,033
	222,8784091
	0,000825
	1200
	0,036
	243,1400826
	0,000900
	1300
	0,039
	263,4017562
	0,000975
	1400
	0,042
	283,6634298
	0,001050
	1500
	0,045
	303,9251033
	0,001125
	1600
	0,049
	324,1867769
	0,001225
	1700
	0,052
	344,4484504
	0,001300
	1800
	0,056
	364,710124
	0,001400
	1900
	0,059
	384,9717975
	0,001475
	2000
	0,063
	405,2334711
	0,001575
	2050
	0,065
	415,3643079
	0,001625
	2100
	0,067
	425,4951446
	0,001675
	2150
	0,068
	435,6259814
	0,001700
	2200
	0,070
	445,7568182
	0,001750
	2250
	0,072
	455,887655
	0,001800
	2300
	0,074
	466,0184917
	0,001850
	2350
	0,075
	476,1493285
	0,001875
	2400
	0,078
	486,2801653
	0,001950
	2450
	0,080
	496,4110021
	0,002000
	2500
	0,082
	506,54183884298
	0,002050
	2550
	0,084
	516,6726756
	0,002100
	2600
	0,086
	526,8035124
	0,002150
	2650
	0,088
	536,9343492
	0,002200
	2700
	0,090
	547,065186
	0,002250
	2750
	0,093
	557,1960227
	0,002325
	2800
	0,097
	567,3268595
	0,002425
	2850
	0,102
	577,45769628
	0,002550
	2900
	0,108
	587,5885331
	0,002700
	2950
	0,121
	597,7193698
	0,003025
	3000
	0,166
	607,8502066
	0,004150
	3050
	0,245
	617,9810434
	0,006125
	3100
	0,326
	628,1118802
	0,008150
	3150
	0,407
	638,2427169
	0,010175
6.3 DADOS CALCULADOS
	Comp. Final (mm) =
	48,25
	Força Máxima (Kgf) = 
	3860
	Diâmetro Final (mm) = 
	5,53
	Área Inicial (mm²) = 
	48,4
	Tensão Máxima (Mpa) =
	 782,37
	Área Final (mm²) = 
	24,02 
	Alongamento (%) =
	20,62 
	Comp. Inicial (mm) =
	40
	Estricção (%) =
	50,37 
7. GRÁFICOS
(Y) Tensão (Mpa)
(X) Deformação (mm/mm)
8. CORREÇÕES
8.1 CORREÇÃO DA ORIGEM DO GRÁFICO
Através da equação da reta y = 245794x + 22,379, calcula-se o intercepto com o eixo x.
	INTERCEPÇÃO EM X
	Y = 245794x + 22,379
	Y = 0
	X = - 0,000091047787
8.2 FÓRMULAS PARA CÁLCULOS DA DEFORMAÇÃO
X= - 0,000091047787– origem do gráfico para correção
X2= (X1 + |X|) x 100 – valores deformação corrigida (%)
X3= Y/245794 x 100 – valores deformação calculada, reta 0%	Y=Tensão
X4= X3 + 0,2 – valores deformação calculada, reta 0,2%
8.3 TABELA DE CORREÇÕES E DEFORMAÇÃO CALCULADA
	X1 - Deformação (mm/mm)
	X2 - Deformação Corrigida (%)
	X3 - Deformação Calculada (0,0%)
	X4 - Deformação Calculado (0,2%)
	-9,10478E-05
	0
	0
	0,2
	0,000100
	0,019104775
	0,008243356
	0,208243356
	0,000200
	0,029104775
	0,016486711
	0,216486711
	0,000300
	0,039104775
	0,024730067
	0,224730067
	0,000350
	0,044104775
	0,032973423
	0,232973423
	0,000425
	0,051604775
	0,041216778
	0,241216778
	0,000475
	0,056604775
	0,049460134
	0,249460134
	0,000550
	0,064104775
	0,057703489
	0,257703489
	0,000600
	0,069104775
	0,065946845
	0,265946845
	0,000675
	0,076604775
	0,074190201
	0,274190201
	0,000750
	0,084104775
	0,082433556
	0,282433556
	0,000825
	0,091604775
	0,090676912
	0,290676912
	0,000900
	0,099104775
	0,098920268
	0,298920268
	0,000975
	0,106604775
	0,107163623
	0,307163623
	0,001050
	0,114104775
	0,115406979
	0,315406979
	0,001125
	0,121604775
	0,123650335
	0,323650335
	0,001225
	0,131604775
	0,131893690
	0,331893690
	0,001300
	0,139104775
	0,140137046
	0,340137046
	0,001400
	0,149104775
	0,148380401
	0,348380401
	0,001475
	0,156604775
	0,156623757
	0,356623757
	0,001575
	0,166604775
	0,164867113
	0,364867113
	0,001625
	0,171604775
	0,168988791
	0,368988791
	0,001675
	0,176604775
	0,173110468
	0,373110468
	0,001700
	0,179104775
	0,177232146
	0,377232146
	0,001750
	0,184104775
	0,181353824
	0,381353824
	0,001800
	0,189104775
	0,185475502
	0,385475502
	0,001850
	0,194104775
	0,18959718
	0,389597180
	0,001875
	0,196604775
	0,193718857
	0,393718857
	0,001950
	0,204104775
	0,197840535
	0,397840535
	0,002000
	0,209104775
	0,201962213
	0,401962213
	0,002050
	0,214104775
	0,206083891
	0,406083891
	0,002100
	0,219104775
	0,210205569
	0,410205569
	0,002150
	0,224104775
	0,214327247
	0,414327247
	0,002200
	0,229104775
	0,218448924
	0,418448924
	0,002250
	0,234104775
	0,222570602
	0,422570602
	0,002325
	0,241604775
	0,22669228
	0,426692280
	0,002425
	0,251604775
	0,230813958
	0,430813958
	0,002550
	0,264104775
	0,234935636
	0,434935636
	0,002700
	0,279104775
	0,239057313
	0,439057313
	0,003025
	0,311604775
	0,243178991
	0,443178991
	0,004150
	0,424104775
	0,247300669
	0,447300669
	0,006125
	0,621604775
	0,251422347
	0,451422347
	0,008150
	0,824104775
	0,255544025
	0,455544025
	0,010175
	1,026604775
	0,259665703
	0,459665703
9. RESULTADOS FINAIS
A partir do coeficiente angular da reta 0% e da intersecção da reta 0,2% com a curva obtêm-se, respectivamente, o modulo de elasticidade e a tensão de escoamento práticos do material.Módulo de elasticidade (Mpa)
	 
	Tensão de escoamento (Mpa)
	 
 
10. CONCLUSÃO 
A realização de ensaios mecânicos é fundamental para as empresas metalúrgicas. Com eles é possível de ver se os materiais realmente atendem os requisitos necessários para os mais diversos projetos de engenharia, desse modo é possível dar uma garantia maior de qualidade e segurança dos diversos processos e produtos da indústria. 
O ensaio de tração em questão é importante para ver na prática as tensões e deformações que determinado material suporta, sejam elas para um novo projeto ou para determinar se o material adquirido atende às suas especificações. O material SAE 4340 com 26 HRC, utilizado nesse ensaio, possui teoricamente valores próximos ao SAE 4340 com 27 HRC, tal qual nos apresenta valores de 786 MPa para tensão de escoamento, 200 GPa no módulo de elasticidade, 19,7% alongamento e 60,7% de estricção. Já no ensaio prático foram encontrados valores de 593 Mpa para a tensão de escoamento, 201Gpa no módulo de elasticidade, enquanto alongamento e estricção sofreram deformações de 23% e 41%, respectivamente. Essas diferenças de valores encontrados são devidas, principalmente, à precisão dos aparelhos como o extensômetro, onde qualquer mínimo dado coletado errado já é prejudicial. Além da comparação de metais com durezas diferentes, que também gera um pequeno erro de cálculo. 
Com os resultados apontados acima é possível captar a importância de ensaios desse tipo, eles podem realmente comprovar a qualidade do determinado material. Outro ponto importante a salientar é o fato da calibração e precisão dos equipamentos ser crucial para a obtenção de conclusões concretas.
O ensaio de tração é uma das maneiras mais utilizadas para suprir as necessidades da engenharia em conhecer a resistência à deformação dos materiais e garantir a qualidade dos mesmos antes do emprego em sua utilidade.	Os valores das propriedades mecânicas podem ser divididos em garantidos – parâmetros mínimos estabelecidos, e típicos – obtidos por meio estatístico (ensaios) que garantem que o material está obedecendo às especificações. 
No ensaio realizado alguns valores obtidos ficaram divergentes, porém aceitáveis, aos valores estabelecidos pela bibliografia, e isso pode ser justificado por erros de leitura e atritos no conjunto da maquina de ensaio, corpo de prova e extensômetro. O módulo de elasticidade calculado coincidiu ao parâmetro teórico, condizendo que o material possui uma rigidez correspondente às expectativas de resposta na sua aplicação. Um liga de aço possui em média 207 GPa de elasticidade, enquanto o material do corpo de provas possui 205GPa, exatamente o valor tabelado para a condição desse aço. A tensão de escoamento do material testado ficou 7,6% acima da tabela teórica (1254 MPa contra 1165MPa da teoria). A tensão de escoamento ficou muito próxima à tensão máxima de tração do material, expondo mais uma vez algumas características que se busca em sua aplicação, como alta tenacidade e baixa ductilidade.
A análise da curva de tensão x deformação no gráfico 5.1 já traz a característica de um aço de alta resistência, apresentando o comportamento de um material tenaz. A estricção do material ficou 3% acima do esperado quando comparado à especificação estabelecida na pesquisa teórica. O aço SAE 4340 40 HRC é um material que, por ser resistente a deformação, não possui tanto escoamento quanto um material dúctil, caracterizando novamente a sua tenacidade. Justifica-se assim a alta confiabilidade do material quanto ao limite suas características mecânicas. 
Através da analise dos resultados obtidos através do ensaio, define-se o aço SAE 4340 40 HRC como um material tenaz que possui bastante rigidez e resistência, além da alta temperabilidade, é um material que mantém suas propriedades mesmo em altas temperaturas, coerente com os dados teóricos sobre o mesmo. 
11. REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO 
 SOUZA, Sérgio Augusto. Ensaios mecânicos de materiais metálicos. 5ª ed. São Paulo: Edgard Blucher, 1982; 
CALLISTER, William. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução 5ª ed. Rio de Janeiro: John Wiley & Sons, Inc., 2002
 http://www.abnt.org.br/; acesso em 10/04/2016.