Lab 2 PMM E. de Tracao

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Laboratório de Propriedades Mecânicas dos Materiais
ENSAIOS DE IMPACTO
Professora Midori Yoshikawa Pitanga Costa
Turma: 342
Beatriz Ribeiro Gutierrez - 090131
	Lucas Augusto Ribeiro - 091691
			Marcelo Ribeiro Gonçalves - 090871
2011
ENSAIOS DE IMPACTO
Beatriz R. G.
Lucas A. R.
Marcelo R. G.
Av. Dr. Ariberto Pereira da Cunha, 333
Guaratinguetá, SP, Brasil.
Departamento de Materiais e Tecnologia, Faculdade de Engenharia, Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual de São Paulo – UNESP
RESUMO
	O ensaio de impacto Charpy consiste em submeter um corpo de prova ,preparado segundo normas técnicas, a um impacto de forma a rompe-lo. Neste trabalho é explanados o ensaios de impacto Charpy, usando para tanto dados obtidos experimentalmente em laboratório.
Palavras-chave: Impacto, Ensaio Charpy, Ruptura, Energia.
INTRODUÇÃO TEÓRICA
ENSAIO DE IMPACTO CHARPY
	Entre os diversos tipos de ensaio disponíveis para a avaliação das propriedades mecânicas dos materiais, o ensaio de tração é o mais amplamente utilizado, por ser de fácil execução e de excelente reprodutividade dos resultados. Geralmente, o ensaio é realizado num corpo de formas e dimensões padronizadas, para que os resultados obtidos possam ser comparados ou, se necessário, reproduzidos. Este corpo de prova é fixado numa máquina de ensaio que aplica esforços crescentes uniaxiais ao longo do eixo mais comprido, até sua fratura. Um corpo de prova padrão é mostrado na fig. 1 [1-2-3].
Figura 1: Corpo de prova comumente utilizado em ensaios de tração [4].
 O resultado de um ensaio deste tipo é registrado em um registrador gráfico (ou por um computador), na forma de carga ou força em função do alongamento. Tais características são dependentes do tamanho da amostra. [1]
Dois tipos de ensaios de tração são utilizados em ensaios: de Tração Real e de Tração Convencional, que são apresentados a seguir.
ENSAIO DE TRAÇÃO CONVENCIONAL
	Tensão é definida genericamente como a resistência interna de um corpo a uma força externa aplicada sobre ele, por unidade de área. Deformação é definida como a variação de uma dimensão qualquer desse corpo, por unidade da mesma dimensão, quando esse corpo é submetido a um esforço qualquer. Verifica-se, portanto, que tensão tem a dimensão de força por unidade de área e a deformação é uma grandeza adimensional. [2]
	Quando um corpo de prova metálico é submetido a um ensaio de tração, pode-se construir um gráfico tensão-deformação, pelas medidas diretas da carga (ou tensão) e da deformação que crescem continuamente até quase o fim do ensaio, como mostra a fig. 2 [2-3].
Figura 2: Gráfico Tensão-Deformação característico de um ensaio de Tração de um metal [5].
	A tensão convencional, nominal ou de engenharia (σC), é dada por:
Onde P é a carga aplicada e S0 é a área da seção transversal original.
A deformação convencional ou nominal (εC) é dada por:
Onde l0 é o comprimento inicial de referência (carga zero) e l é o comprimento de referencia para cada carga P aplicada.
Quando uma amostra de um material solicitado por uma força sofre uma deformação e, após retirada a força aplicada, recupera suas dimensões originais, esta deformação é definida como deformação elástica. Esse comportamento é representado no gráfico pela parte linear e termina num ponto chamado limite elástico. A equação dessa região é [2-3]:
Onde E é uma constante de proporcionalidade, conhecida como módulo de elasticidade ou módulo de Young. Ele fornece uma indicação da rigidez do material e depende fundamentalmente das forças de ligação interatômicas [1-2].
	Terminada a zona elástica, atinge-se a zona plástica, onde a tensão e a deformação não são mais relacionadas por uma constante de proporcionalidade e em qualquer ponto do diagrama, havendo descarregamento do material até tensão igual a zero, o metal fica com uma deformação permanente ou residual [2].
	O escoamento é um tipo de transição heterogênea e localizada, caracterizado por um aumento relativamente grande da deformação com variação pequena da tensão durante sua maior parte. Terminado o escoamento, o ensaio prossegue até ser atingida uma tensão máxima suportada pelo metal, que caracteriza o final da zona plástica. Se essa tensão for aplicada e mantida o resultado será uma fratura. Toda deformação até este ponto é uniforme ao longo da região estreita do corpo de prova que se encontra sob tração [2-3].
	Após ser atingida essa carga máxima, entra-se na fase de ruptura do material, caracterizada pelo fenômeno da estricção, que é uma diminuição da seção transversal do corpo de prova, numa certa região do mesmo. É nessa região que se dá a ruptura do corpo de prova, finalizando o ensaio [2].
ENSAIO DE TRAÇÃO REAL
	A curva tensão-deformação convencional não apresenta uma informação real das características de tensão e deformação do material, porque se baseia inteiramente nas dimensões originais do corpo de prova, e que são continuamente alteradas durante o ensaio. Assim são necessárias medidas de tensão e deformação que se baseiem nas dimensões instantâneas do ensaio. Um esboço comparativo da curva tensão-deformação real e convencional está apresentado na fig. 3 [3].
Figura 3: Representação esquemática da curva tensão-deformação real e convencional de um material metálico [5].
A tensão verdadeira é definida como sendo a carga P dividida pela área da seção reta instantânea Ai, sobre a qual a deformação está ocorrendo:
A deformação real é dada como sendo:
RELAÇÕES ENTRE TENSÕES E DEFORMAÇÕES REAIS E CONVENCIONAIS
	A deformação real está relacionada com a deformação convencional, por:
	A tensão real pode ser determinada, a partir da tensão convencional, por:
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS IMPORTANTES PARA ENSAIOS DE TRAÇÃO
DUCTILIDADE
	A ductilidade representa uma medida do grau de deformação plástica que foi suportado quando da fratura. Um material que experimenta uma deformação plástica muito pequena ou mesmo nenhuma deformação plástica quando da sua fratura é chamado de frágil [1]. 
RESILIÊNCIA
	A resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e liberá-la quando descarregado. A propriedade associada é o módulo de resiliência Ur, que representa a energia de deformação por unidade de volume exigida para tencionar um material desde um estado com ausência de carga até sua tensão limite de escoamento [1-3].
TENACIDADE
	Tenacidade de um metal é a sua capacidade de absorver energia na zona plástica. A tenacidade é medida através do módulo de tenacidade, que é a quantidade de energia absorvida por unidade de volume no ensaio de tração até a fratura, ou a quantidade de energia por unidade de volume que o material pode resistir sem causar a sua ruptura [2].
ENCRUAMENTO
	O encruamento de um modo geral é explicado pelas interações das discordâncias com outras discordâncias ou com outras barreiras que impedem a sua livre movimentação. A interferência de discordâncias ocorre muito mais freqüentemente devido ao maior número de sistemas de escorregamento operando e é necessário oferecer maior energia para que as discordâncias vençam as barreiras e possam se movimentar. Os contornos de grão são exemplos específicos de barreiras à movimentação das discordâncias, que são empilhadas nesses contornos. O aumento da temperatura no ensaio diminui o encruamento [2].
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
ENSAIO DE TRAÇÃO CONVENCIONAL
Neste ensaio foram utilizados dois corpos de prova metálicos: um de aço 1020 recozido e um de alumínio comercial. Com o auxilio de um paquímetro, foram tomadas as medidas iniciais dos corpos de prova, que estavam marcados a caneta para que se tivesse uma referência. Feito isso, fixou-se um corpo de prova por vez na máquina universal de ensaios por meio de garras e efetuou-se a aplicação da carga. O principio de funcionamento da maquina é hidráulico.Utilizou-se um fundo de escala para o experimento de oito toneladas e uma velocidade de aplicação da força de 1,4 kgf/mm2s. O equipamento possui princípio de funcionamento hidráulico e aplica a carga gradativamente. 
O mostrador do equipamento possui dois ponteiros, que andam juntos até a carga de escoamento, onde um permanece parado e o outro varia em torno desse ponto. Passando a carga de escoamento, eles voltam a andar juntos até chegarem na carga máxima suportada. Então um ponteiro marca essa posição enquanto o outro diminui até chegar na carga de ruptura. Todos estes dados foram coletados, juntamente com as dimensões finais dos corpos de prova.
ENSAIO DE TRAÇÃO REAL
No ensaio de tração real, corpos de prova dos mesmos materiais foram utilizados (aço 1020 e alumínio comercial). Foram tomadas as medidas iniciais dos corpos de prova, em seguida fixou-se um corpo de prova por vez na maquina universal de ensaio, que é digital. Um extensiômetro de capacidade máxima 12,5 mm foi utilizado na realização das medições durante o ensaio. O equipamento, que é hidráulico, aplica a carga gradativamente, até a ruptura do material ensaiado. Os dados referentes ao ensaio são capturados e armazenados por um computador.
RESULTADOS E ANÁLISES
ENSAIO DE TRAÇÃO CONVENCIONAL
AÇO 1020 RECOZIDO
	A tabela 1 mostra os dados coletados durante o ensaio de Tração Convencional para o aço 1020:
Tabela 1 Dados Aço 1020 Recozido
	
Comprimento inicial L0
	49,81 mm
	Diâmetro inicial D0
	10,043 mm
	Comprimento Final LF
	58,58 mm
	Diâmetro final DF
	5,56 mm
	Carga de escoamento
	2120 kgf
	Carga Máxima
	3660 kgf
	Carga de Ruptura
	2340 kgf
Cálculo das áreas inicial (A0)e final (Af):
A0 = 7,9217E-05 m2
Af = 2,4279E-05 m2
Cálculo da Tensão de Escoamento (σE)
 
Cálculo do Limite de Resistência à Tração (σMax):
Cálculo da Tensão de Ruptura (σR):
Cálculo do Alongamento (AL %):
Cálculo da redução de Área (RA %):
ALUMÍNIO COMERCIAL
	Seguem na tabela 2 os dados coletados durante o ensaio de Tração Convencional para o Alumínio Comercial:
Tabela 2 Dados Alumínio Comercial
		Comprimento inicial L0
	50,04 mm
	Diâmetro inicial D0
	10,063 mm
	Comprimento final LF
	58,47 mm
	Diâmetro final DF
	7,09 mm
	Carga máxima aplicada
	3020 kgf
	Carga de ruptura 
	2220 kgf
Cálculo das áreas inicial (A0) e final (Af):
A0 = 7,9533E-05 m2
Af = 3,948E-05 m2
Cálculo do Limite de Resistência à Tração:
Cálculo da Tensão de Ruptura:
Cálculo do Alongamento (AL %):
Cálculo da redução de Área (RA %):
ENSAIO DE TRAÇÃO REAL
AÇO 1020 RECOZIDO
	Os dados inicias do corpo de prova utilizado são:
		Comprimento inicial L0
	50,0 mm
	Diâmetro inicial D0
	9,98 mm
Com os dados gerados do experimento plotamos um gráfico comarativo entre tensão real e convencional:
Gráfico 1. - Gráfico Tensão convencional x Deformação Convencional e Tensão real x Deformação real para o Aço 1020.
Depois construímos um gráfico logarítmico da tensão e deformação reais:
Gráfico 2. – Gráfico log 
 x log 
 para o Aço 1020.
	Pela linearização do gráfico acima conseguimos obter da equação da reta:
y = 0,24782x + 8,573
Através da qual conseguimos determinar os índices K e n da equação que relaciona tensão e deformação reais:
Multiplicando por log dos dois lados temos a seguinte equação:
Onde o coeficiente linear da reta é 
 e o coeficiente angular é o n:
n = 0,2478
K = 7,68 E08
Geramos, também o gráfico de Tensão x Deformação convensional:
Gráfico 3. – Gráfico Zona elástica para o Aço 1020.
	Onde através da sua inclinação (tangente da curva), pudemos calcular o Módulo de Elasticidade (E) para a amostra de Aço 1020 utilizada:
E = 0,212 GPa
ALUMÍNIO COMERCIAL
Os dados inicias do corpo de prova utilizado são:
		Comprimento inicial L0
	50,0 mm
	Diâmetro inicial D0
	10,04 mm
Com os dados gerados do experimento plotamos um gráfico comarativo entre tensão real e convencional:
Gráfico 4. – Gráfico Tensão convencional x Deformação Convencional e Tensão real x Deformação real para o Alumínio.
Depois construímos um gráfico logarítmico da tensão e deformação reais:
Gráfico 5. – Gráfico log 
 x log 
 para o Alumínio.
Pela linearização do gráfico acima conseguimos obter da equação da reta:
y = 0,2019x + 8,4884
Através da qual conseguimos determinar os índices K e n da equação que relaciona tensão e deformação reais:
Multiplicando por log dos dois lados temos a seguinte equação:
Onde o coeficiente linear da reta é 
 e o coeficiente angular é o n:
n = 0,2019038
K = 5,97E+08
Geramos, também o gráfico de Tensão x Deformação convensional:
Gráfico 6. – Gráfico Zona elástica para o Alumínio.
Onde através da sua inclinação (tangente da curva), pudemos calcular o Módulo de Elasticidade (E) para a amostra de Alumínio utilizada:
E = 0,069 GPa.
Analisando os corpos de prova dos dois materiais ao romperem, vemos que ambos apresentaram a superfície do tipo taça-cone, na região aonde ocorreu a fratura, uma vez que ambos tratam-se de materiais dúcteis. O experimento mostra que o alumínio possui menor módulo de elasticidade que o aço 1020. Também foi possível observar que o aço 1020 recozido apresenta um alongamento bem maior que o alumínio puro, antes da ruptura, além de suportar maior tensão e maior carga de ruptura, entretanto, apresenta uma menor tensão de escoamento. A estricção do aço também é maior do que a que ocorre no alumínio.
CONCLUSÃO
Os ensaios de tração Real e Convencional são bastante significativos, uma vez que podemos analisar varias propriedades do material ensaiado, tais como tenacidade, ductilidade, resistência dentre outros. Comparando com a literatura, os resultados obtidos foram satisfatórios
O ensaio de tração real possui uma análise um pouco mais demorada do que o convencional, mas com ele nota-se que de acordo com o aumento do alongamento as tensões suportadas pelo aço 1020 recozido são bem maiores que as apresentadas pelo ensaio convencional, o que mostra uma certa imprecisão na avaliação convencional, mas para a engenharia o ensaio convencional é mais que suficiente, pois os projetos mecânicos trabalham na zona elástica, região que tanto através do ensaio convencional quanto através do ensaio real apresentam, praticamente, as mesmas tensões. Assim não influenciando no sucesso do projeto, pois mesmo que existam pequenas diferenças na zona elástica o projeto mecânico sempre conta com um coeficiente de segurança ideal.
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REFERÊNCIAS
 1. WILLIAM D. CALLISTER, Jr. – Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução.
2. SOUSA, S.A. - Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos: Fundamentos teóricos e Práticos. 
3. AMAURI GARCIA, JAIME ALVARES SPIM, CARLOS ALEXANDRE DOS SANTOS; Ensaios dos Materiais.
4. Corpos de Prova para o Ensaio de Tração. Disponível em: http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6543-corpos-de-prova-para-o-ensaio-de-trao acesso em: 17 de Maio 2011
5. Ensaio de Tracção. Disponível em:
 http://pt.encydia.com/es/Ensaio_de_trac%C3%A7%C3%A3o acesso em: 17 de Maio 2011
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