Relatório Final - ENSAIO DE MATERIAIS

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Relatório Final – Ensaios Mecânicos para caracterização de um Aço, Grupo 3
Guilherme Feijão; Julio Henrique; Maiara Ranieri; Monithelle Pereira; Natália Rezende e Silva;
Departamento Acadêmico de Engenharia de Materiais – UTFPR – Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Campus Londrina – Av. dos Pioneiros, 3131 – 86036-370 – Londrina – PR - Brasil 
e-mail: monithelle@alunos.utfpr.edu.br, natalias@alunos.utfpr.edu.br
Resumo:O presente relatório objetiva a identificar o material que compõe os corpos de aço carbono, sendo que são ligas metálicas que em sua composição são constituídos de ferro e o carbono tendo em vista que a quantidade de carbono pode variar de 0,08% a 2,11%, está quantidade de carbonotem uma influência direta nas propriedades dos materiais. Através de ensaios mecânicos: tração, dureza, impacto e frequência natural por vibração por meio daanálise dos resultados obtidos em cada ensaio pode-se concluir que o material analisado tem propriedades semelhantes às do Aço SAE 4340, tendo em sua composição 0,43% de carbono.
Palavras chave: aço SAE 4340, tração, dureza, impacto, Frequência natural por vibração, caracterização de materiais.
Introdução
Saber comportamento mecânico dos materiais é de suma importância na engenharia. Os vários parâmetros que regem as propriedades mecânicas dos materiais são obtidos a partir de ensaios mecânicos, estes são divididos em estáticos ou dinâmicos e destrutivos ou não-destrutivos. (GARCIA, 2000).
O ensaio de tração consiste em submeter o material a um esforço que tende a alongá-lo até a ruptura. Os esforços são medidos na própria máquina de ensaio, no ensaio de tração o corpo é deformado por alongamento, até o momento em que se rompe. Os ensaios de tração permitem conhecer como os materiais reagem aos esforços detração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento se rompem.[6]
O ensaio de impacto consiste em medir a quantidade de energia absorvida por uma amostra do material, quando submetida à ação de um esforço de choque de valor conhecido. O método mais comumpara o ensaio de metais é o do golpe, desferido por um peso em oscilação. A máquina correspondente é o martelo pendular. O pêndulo é levado a uma certa posição, onde adquire uma energia inicial.[6]
No ensaio de dureza Rockwell, a carga do ensaio é aplicada em etapas, primeiro se aplica uma pré carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o material ensaiado, e depois aplica-se a carga do ensaio propriamente dita. A leitura do grau de dureza é feita diretamente na máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à faixa de dureza do material.
Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 120º de conicidade).
No ensaio de dureza Vickers, a dureza se baseia na resistência que o material oferece à penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma determinada carga. O valor de dureza Vickers (HV) é o quociente da carga aplicada (F) pela área de impressão (A) deixada no corpo ensaiado.
Para aplicações específicas, utiliza-se o ensaio de microdureza Vickers. A microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento prático que o ensaio Vickers, só que utiliza cargas menores que 1 kgf.[6]
No ensaio de Frequência natural por vibração, por meio de um emissor, ondas que se propagam através do material que desejamos analisar. Pelo eco captado no receptor, determina-se a existência ou não de descontinuidades.[6]
O ensaio consiste em fazer com que o ultra-som, emitido por um transdutor, percorra o material a ser ensaiado, efetuando-se a verificação dos ecos recebidos de volta, pelo mesmo ou por outro transdutor.[6]
Procedimentos Experimental
Ensaio de Tração
Foram realizados três vezes o ensaio de tração utilizando uma máquina universal de ensaios AROTEC WDW – 100E e a velocidade de deformação igual 0,5 e 1mm/min para CP01 e CP02 respectivamente.
Após a devida fixação do corpo de prova na máquina de ensaio, a mesma, que é projetada para alongar o corpo de prova, mediu continua e simultaneamente a carga instantânea aplicada nos fornecendo os dados obtidos para extrair seguintes informações: Módulo de elasticidade; Limite de proporcionalidade; Limite de escoamento; Limite de resistência a tração; Fratura; Tenacidade e Resiliência.
Ensaio De Vibração Mecânica Em Flexão
O ensaio de vibração mecânica em flexão foi realizado com o equipamento e software Sonelastic. As dimensões do corpo de prova utilizado foram anotadas. O corpo de prova foi posicionado nos suportes (fios) utilizando a fórmula que relaciona a distância entre a extremidade e um apoio fixo.
Após estar devidamente posicionado, o corpo de prova foi excitado através de uma leve pancada mecânica. A resposta acústica captada pelo microfone é processada pelo software que calcula os módulos elásticos a partir das frequências naturais de vibração.
Ensaio de Dureza Rockwell
No ensaio de dureza Rockwell (HR), foi utilizado o endentador de diamante sob ação uma carga escolhida de 1471 N (portanto, escala HRc). Aproximou-se o corpo de prova do endentador, de forma que o diamante ficasse perpendicular a ele. Após realizar os ajustes necessários, foi dado o comando para iniciar e a carga foi aplicada em etapas:umapré carga foi aplicada para garantir um contato firme do penetrador com o material, e depois aplicada a carga do ensaio indicada, a uma velocidade constante por 5 segundos. Com isso, pode-se observar um valor exibido no leitor do aparelho em unidade de medida de Dureza Rockwell (HR).
Ensaio de Dureza Vickers
No ensaio de dureza Vickers (HV), o corpo de prova foi ajustado à máquina afim de deixa-lo perfeitamente plano, para que o endentador não penetrasse na peça com inclinação e gerasse erros de medida. Foram aplicadas cargas de 50gf e 500gf. O local para a penetração era selecionado com auxílio de uma lente de aumento e então a carga era aplicada. Na marca registrada no corpo de prova, alinhou-se as linhas de medida e mediu-se as duas diagonais da marca. A partir dessa medida, o valor de dureza Vickers era indicado no visor do equipamento.
Ensaio de Impacto
Primeiramente fez-se a verificação se há algum erro na medida do equipamento, posicionando o marcador de energia no nulo, e soltando o martelo. Anotou-se então qual o valor de energia que o marcador nos dava sem a presença de nenhum corpo de prova.
Os corpos de prova foram expostos a diferentes temperaturas, sendo elas: -147ºC, -6ºC, -5ºC, 1.2ºC, 21.1ºC, 53ºC e 100ºC. Com a temperatura estabilizada, anotou-se a temperatura, e posicionou o corpo de prova com o auxílio de um pinça de modo a realizar o ensaio de impacto Charpy.
Após o posicionamento do corpo de prova, soltou-se o martelo para que seja feita a medida. Este procedimento deve acontecer com o menor tempo possível para que não haja troca de calor entre a amostra e o ambiente. Anotou-se então o valor de energia marcado para o ensaio de impacto.
Resultados e Discussões
Ensaio De Tração
O ensaio de tração foi feito com dois corpos de prova denominados III. Os diâmetros inicial e final estão presentes na Tabela 1.
Tabela 1 - Diâmetro do comprimento útil do corpo de prova
	
	di(mm)
	df(mm)
	Ai(mm2)
	Af(mm2)
	CP 01
	5,97
	4,95
	27,99
	19,24
	CP 02
	6,00
	4,87
	28,27
	18,63
Na Figura 1 temos o gráfico de ensaio de tração para o CP 01.
Figura 1 - Ensaio de tração CP 01.
Através dos dados do gráfico, calculou-se os valores de Tensão máxima, limite de escoamento, módulo de elasticidade, limite de proporcionalidade, módulo de resiliência, porcentagem de alongamento e de redução de área, que estão apresentados na Tabela 2.
Tabela 2 - Resultados do Ensaio de tração para o CP 01.
	Limite de proporcionalidade
	995 Mpa
	Módulo de Elasticidade
	170 GPa
	Módulo de Resiliência
	2,91 N.mm/mm3
	% Alongamento
	14,06 %
	% Redução de Área
	31,94%
	Tensão Máxima
	1078 Mpa
	Limite de Escoamento
	1035 Mpa
Na Figura 2 temos o gráfico de ensaio de tração para o CP 02.
Figura 2 - Ensaio de tração CP 02.
Os mesmos resultados foram calculados a partir do gráfico obtido pelo CP 02 e serão apresentados abaixo na Tabela 3.
Tabela 3 - Resultados do Ensaio de tração para o CP 02.
	Limite de proporcionalidade
	975Mpa
	Módulo de Elasticidade
	184 GPa
	Módulo de Resiliência
	2,58 N.mm/mm3
	Alongamento
	11,84 %
	Redução de Área
	33,45 %
	Tensão Máxima
	1079 Mpa
	Limite de Escoamento
	1015 Mpa
Para comparar os resultados obtidos nos ensaios de tração utilizou-se a Tabela 4, com os valores fornecidos pela LG STEEL. 
Tabela 4 - Propriedades mecânicas dos aços.
	
	Aço SAE 4150
	Aço SAE 4340
	Resistência À Tração
	1160 MPa
	1280MPa
	Limite de escoamento 
	740 MPa
	860 MPa
	Alongamento 
	11,7%
	12,2%
	Redução de Área 
	31%
	36%
FONTE:<http://lgsteel.com.br/propriedades-mecanicas-do-carbono.htm>
A partir dos resultados encontrados, pode-se comparar os valores com os fornecidos na Tabela 4, e então foi visto que as propriedades do material analisado estão próximas de um Aço SAE 4150, porém sabe-se que os aços fornecidos para os ensaios foram SAE 1020, SAE 1045 e SAE 4340, entre eles o que mais se aproxima dos valores fornecidos pela LG STEEL com os encontrados no ensaio de tração foi o SAE 4340. Portanto, caracterizando o material pelo ensaio de tração, obteve-se que o material é possivelmente um aço SAE 4340. 
Ensaio de Frequência Natural por Vibração
O ensaio de frequência natural por vibração foi feito diversas vezes para os mesmos três tipos de aço utilizados no ensaio de tração, a partir do momento que se insere os dados da amostra e o martelo toca a amostra o software já nos dá diretamente o valor do módulo de elasticidade do material. Todos os valores encontrados por todos os grupos estão dispostos na Tabela 5. 
Tabela 5 - Dados obtidos através do ensaio de Frequência Natural por Vibração.
	Módulo de Elasticidade Aço SAE 4340 (GPa)
	206,37
	207,12
	209,99
	207,55
Utilizando a Tabela 5, calculou-se uma média do Módulo de Elasticidade do Aço 4340, entrando então o valor de AÇO SAE 4340 – 207,76 GPa.
Segundo Garcia, os módulos de elasticidade para os aços são de aproximadamente 206 GPa, todos os valores encontrados na prática possuem um valor próximo ao obtido pela literatura, portanto todos os metais analisados são de fato aço.
Ensaio De Dureza Rockwell
O ensaio de dureza Rockwell foi realizado para o mesmo corpo de prova utilizado no ensaio de tração, e os valores obtidos estão presentes na Tabela 6. 
Tabela 6 - Dureza Rockwell
	Medida
	Dureza(HRc)
	1
	32,9
	2
	29,9
	3
	27,0
	4
	28,8
De acordo com a Tabela 6, temos que o valor médio da dureza do corpo de prova no comprimento de fixação fabricado é de aproximadamente 29,7HRc.
De acordo com a LG STEEL o valor de dureza para um Aço SAE 4340 é de aproximadamente 363HB no ensaio de tração obteve-se valores próximos ao um aço SAE 4150 que possui uma dureza no valor de 319HB, utilizando uma tabela de conversão disponível em < http://www.omel.com.br/artigos-tecnicos/escola-de-bombas/artigos-tecnicos/tabela-de-conversao-de-dureza/> encontrou-se os valores de dureza 39HRc e 34HRc respectivamente. 
Ensaio De Dureza Vickers
A endentação é medida pelo equipamento, bem como descrito no procedimento. A Figura 3 nos mostra aendentação microscópica e sua medida sendo feita.
Figura 3 - Foto da medida da endentação no durômetroVickers.
Tabela7 - Diâmetro da endentação e dureza Vickers
	Medida
	Carga (gf)
	D1(μm)
	D2(μm)
	Dureza (HV)
	1
	50
	16,91
	16,96
	323,3
	2
	50
	17,25
	16,66
	322,5
	3
	500
	53,21
	53,42
	326,2
	4
	500
	53,21
	52,64
	331,0
	5
	500
	53,57
	53,35
	324,4
A partir das medidas fornecidas pela Tabela 7 foi tirada uma média dos valores que é de 322,9 HV para a menor carga e 327,2 para a maior carga.
De acordo com a LG STEEL o valor de dureza para um Aço SAE 4340 é de aproximadamente 363HB no ensaio de tração obteve-se valores próximos ao um aço SAE 4150 que possui uma dureza no valor de 319HB, utilizando uma tabela de conversão disponível em < http://www.omel.com.br/artigos-tecnicos/escola-de-bombas/artigos-tecnicos/tabela-de-conversao-de-dureza/> encontrou-se os valores de dureza 382HV e 336HV respectivamente.
Ensaio de Impacto
O ensaio de impacto nos dá vários valores de energia para diferentes temperaturas, o que irá nos proporcionar a temperatura de transição dúctil-frágil, existem três métodos de encontrar essa temperatura, dentre estes métodos, utilizou-se o valor de 50% da região de transição e o mais conservador. O gráfico utilizado para encontrar esta temperatura está disponível na Figura 4.
Figura 4 – Gráfico do ensaio de impacto.
A partir da Figura 4, fazendo o cálculo de 50% da região de transição, obteve-se que a temperatura de transição dúctil-frágil do Aço SAE 4340 é de aproximadamente 12,5ºC. Já o método mais conservador nos dá que essa transição acontece próxima de 75ºC.
O ensaio de impacto foi realizado para os seguintes aços: SAE 1020; SAE1045 E SAE4340. Como em experimentos anteriores chegou-se a conclusão de que o material de estudo é o Aço SAE4340, foi feita uma análise de impacto apenas deste material.
Na Figura 5, temos a curva de transição dúctil-frágil do aço SAE 4340, como se sabia previamente, era possível que os dados que tínhamos de impacto não seria suficientes para criar uma curva adequada. Se observarmos a curva da literatura, observamos que este material possui uma temperatura de transição dúctil-frágil bem abaixo de 0ºC. Isso poderia ser observado apenas com a realização de vários ensaios em várias temperaturas.
Figura 5 - Gráfico de temperatura vs energia absorvidade um ensaio de impacto.
FONTE: GARCIA, 2000.
Conclusão
A partir dos materiais fornecidos tendo como o objetivo da caracterização mecânica do material fornecido, através do conhecimento tácito de densidade, oxidação e brilho que o mesmo apresentava, chegou-se ao grupo dos aços, sendo eles os de nomenclatura SAE 1020, SAE 1045 e SAE 4340.
Com a finalidade de ter uma maior precisão e exatidão, houve utilização dos ensaios mecânicos sendo que os resultados de cada ensaio foram comparados com valores dos catalogados de diferentes materiais para confirmar que o material utilizado nos ensaios é de composição próxima ao encontrado na literatura.
Portanto, mesmo que nem todos os dados apontem, sem sombra de dúvidas que seja um aço AISI 4340, a grande maioria dos resultados apresentam tendência à este material, e conduzem à concluir que a amostra ensaiada é dele constituída.
Os resultados provenientes dos ensaios dos materiais é explicada por diversos fatores. Entre eles, o não conhecimento da procedência do corpo de prova, erros oriundos dos equipamentos utilizados, erros que podem ter surgido na realização do ensaio, a inexperiência dos alunos sobre o modo de operar os dispositivos, e as variações em relação as normas seguidas na realização dos ensaios, como dimensões dos corpos de prova e das cargas aplicadas, são os principais a serem citados.
Conclui-se que é muito relevante a utilização de ensaios mecânicos para os materiais, pois permite a caracterização das propriedades de novos materiais, impor situações de interesse à aplicação de um determinado material. Sendo assim, se mostra importante estas análises para que desta forma seja possível o dimensionamento de componentes em projetos com a devida segurança proporcionada por estes ensaios prevenindo assim possíveis falhas e limitações de peças e por isso deve-se sempre ter controle rigoroso dos método e das normas vigentes.
Aplicações
Ao concluir o relatório observou-se que o material de estudo é o aço SAE4340, para este material tem-se as seguintes aplicações segundo a GGD Metals: É utilizado em componentes para sistemasmecânicos, principalmente estruturais, onde se necessita uma homogeneidade de dureza ao longo da seção transversal em pequenas ou grandes seções. Suas principais aplicações são; eixos, engrenagens, engrenagens planetárias, colunas, mangas e cilindros. E segundo a Villares MetalsVirabrequins de avião, tratores, caminhões, e automóveis; Bielas, engrenagens, eixos sujeito a grandes esforços e peças que necessitam boas características mecânicas em seções grandes.
Referências
[1]GARCIA, A.; SPIM, J. A.; SANTOS, C. A.; Ensaios dos materiais. Rio de Janeiro: LTC, 2000.
[2] Propriedades Mecâncias dos Aços. LG STEEL. Disponível em: <http://lgsteel.com.br/propriedades-mecanicas-do-carbono.htm> Acesso em Set. 2017.
[3] OMEL – TABELA DE CONVERSÃO DE DUREZA – Disponível em: < http://www.omel.com.br/artigos-tecnicos/escola-de-bombas/artigos-tecnicos/tabela-de-conversao-de-dureza/> Acesso em Nov. 2017.
[4] GGD Metals – Ficha Técnica de um Aço SAE 4340 – Disponível em < http://www.ggdmetals.com.br/produto/sae-4340/> Acesso em Nov. 2017.
[5] Villares Metals – Ficha Técnica de um Aço SAE 4340 – Disponível em < http://www.villaresmetals.com.br/pt/Produtos/Acos-Ferramenta/Aplicacoes/Aplicacao-mecanica/V4340T> Acesso em Nov. 2017.
[6] <http://essel.com.br/cursos/> Acesso em: 29 nov. 2017