Relatório do Ensaio de Tração

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ - UFPA
INSTITUTO DE TECNOLOGIA - ITEC
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA - FEM
ANDREZA NASCIMENTO VAZ
ARIANA DE FREITAS AZEVEDO
GUEBER ELIAS MENDES SANTOS JÚNIOR
MARIA LUÍSA JOSINO DA COSTA NEMER
ENSAIO DE TRAÇÃO
Belém - PA
2018
ANDREZA NASCIMENTO VAZ
ARIANA DE FREITAS AZEVEDO
GUEBER ELIAS MENDES SANTOS JÚNIOR
MARIA LUÍSA JOSINO DA COSTA NEMER
ENSAIO DE TRAÇÃO
Relatório apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Laboratório de Ensaios Mecânicos, no curso de Engenharia Mecânica, na Universidade Federal do Pará.
Prof. Dr. Eduardo de Magalhães Braga
Belém – PA
2018
ANDREZA NASCIMENTO VAZ
ARIANA DE FREITAS AZEVEDO
GUEBER ELIAS MENDES SANTOS JÚNIOR
MARIA LUÍSA JOSINO DA COSTA NEMER
ENSAIO DE TRAÇÃO
Relatório apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Laboratório de Ensaios Mecânicos, no curso de Engenharia Mecânica, na Universidade Federal do Pará.
Belém, 30 de abril de 2018.
BANCA EXAMINADORA
___________________________________________
Prof. Dr. Eduardo de Magalhães Braga
RESUMO
Para definir propriedades mecânicas de um material como deformação elástica, resistência à tração, resiliência e limite de escoamento, se faz o Ensaio de Tração. Sua importância é grande devido à necessidade de se conhecer materiais a serem usados em sistemas mecânicos. O ensaio consiste de colocar o corpo de prova fixo em uma máquina que aplica uma carga unilateral em sua extremidade que vai crescendo com o tempo. A partir do gráfico obtido de tensão-deformação pode-se ter várias de suas propriedades mecânicas. Foram realizados dois experimentos. O primeiro teve uma velocidade de aplicação de 0,1 mm/s, força inicial de 0,018750 kN e tensão inicial de 0,253728 MPa. O segundo ensaio teve as mesmas condições, porém a velocidade aplicada foi de 0,5 mm/s com uma força incialmente aplicada de 0,022500 kN e tensão inicial de 0,304473 MPa. Dois diagramas Tensão-Deformação foram obtidos. 
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO............................................................................................................6
2. ENSAIO DE TRAÇÃO................................................................................................7
2.1. Deformação Elástica.................................................................................................8
2.2. Limite de Escoamento...............................................................................................9
2.3. Limite de Resistência à Tração...............................................................................10
2.4. Módulo de Resiliência.............................................................................................11
2.5. Tenacidade...............................................................................................................12
3. O EXPERIMENTO...................................................................................................13
4. CONCLUSÃO
5. REFERÊNCIAS
1. INTRODUÇÃO
Para que um engenheiro projete sistemas utilizando materiais, é necessário ter conhecimento de seus comportamentos quando submetidos a tensões e forças externas, afim de selecionar aqueles que são mais apropriados para cada finalidade. Há em cada material uma relação entre a carga a ele aplicada e sua resposta, seja ela deformação ou fratura, e através da interpretação de tais dados, é possível quantificar ou qualificar algumas de suas propriedades mecânicas. O módulo de elasticidade, o limite de escoamento, o limite de resistência à tração, a rigidez, resistência e tenacidade são alguns exemplos que características que podemos obter de um ensaio de tração.
Ele está entre os mais populares ensaios mecânicos de tensão-deformação, fazendo parte das categorias de ensaio estático e destrutivo, e consiste na deformação de um corpo até a fratura devido à aplicação de uma carga de tração de forma uniaxial e que aumenta gradativamente ao longo do eixo do corpo de prova. As etapas a se seguir, bem como os valores significativos para o ensaio devem ser padronizados segundo normas internacionais e nacionais para que seus resultados sejam significativos para cada material e possam ser facilmente separados.
Devido à variedade de características possíveis de se obter e analisar com o auxílio deste ensaio, diversos grupos ou profissionais têm interesse em realizar este procedimento, como por exemplo, os produtores e consumidores de materiais, organizações de pesquisa, engenheiros de estruturas, engenheiros de materiais, engenheiros metalúrgicos e, inclusive, engenheiros mecânicos que necessitam desses conhecimentos para uma eficiente seleção de materiais, levando em consideração não só as propriedades que o projeto exigirá do material, mas também economia e fatores de segurança.
2. ENSAIO DE TRAÇÃO
É imperativo para engenheiros conhecer as propriedades mecânicas de um material a ser usado e é através de um ensaio mecânico de tensão-deformação que chegamos a valores de diversas delas. Existem três maneiras de realizá-lo, – que dizem respeito à maneira que a carga é aplicada – e são elas: torção, cisalhamento (muitas vezes incorporando torção) e tração, que é a natureza do ensaio realizado e consiste em submeter uma amostra a uma carga aplicada unilateralmente em sua extremidade. Esse corpo de prova, normalmente com secção transversal circular, é fixado numa máquina de ensaio que aplica esforços crescentes em sua direção axial, até que, normalmente, chegue ao ponto de fratura. Outra configuração comum desses corpos de prova é a forma de “osso de cachorro”, escolhida para que a deformação fique confinada à região central mais estreita, assim como reduzir a probabilidade de fratura em suas extremidades.
Figura 2: Um corpo de provas-padrão para ensaios de tração com secção transversal circular.[2]
O diâmetro padrão é de aproximadamente 12,8 mm, enquanto o comprimento da seção reduzida deve ser o equivalente a pelo menos quatro vezes esse diâmetro e o comprimento de 60 mm é comum. A máquina usada para o ensaio possui garras de fixação para as extremidades do corpo de prova e é projetada para alongá-lo de acordo com uma taxa constante, ao mesmo tempo que mede simultâneamente a carga instantânea que está sendo aplicada de forma contínua e os alongamentos resultantes, utilizando um extensômetro. Esse tipo de ensaio tipicamente leva vários minutos e é de natureza destrutiva devido à deformação permanente e as frequentes fraturas.Figura 1: Ilustração esquemática de como uma carga de tração produz um alongamento e uma deformação linear positiva. As linhas tracejadas representam a forma antes da deformação; as linhas contínuas, após a deformação.[1]
O resultado é registrado na maioria das vezes em um computador e fornece a carga em função do alongamento as quais são dependentes do corpo de prova, fazendo-se assim necessário padronizar estes parâmetros, através da tensão de engenharia e deformação de engenharia
A tensão de engenharia é definida como :
Em que F é a carga instantânea aplicada em uma direção perpendicular à secção transversal do corpo de prova em Newton ou libras-força; e A0 é a área da secção transversal original antes da aplicação de qualquer carga, em m2 ou in2. As unidades para essa tensão são o megapascal MPa e libras-força por polegada quadrada, psi. 
A deformação de engenharia é dada por:Figura 3: Representação esquemática do dispositivo usado para a condução de ensaios de tensão-deformação sob tração.[3]
Em que l0 é o comprimento original antes de qualquer carga ser aplicadae li é o comprimento instantâneo. Ela não possui unidades, mas “metro por metro” ou “polegada por polegada” são termos usados frequentemente. 
De acordo com o gráfico obtido ao se realizar esse ensaio, pode-se analisar seu comportamento em diferentes estados e quantificar ou qualificar várias propriedades mecânicas do material, que serão discutidas a seguir.
2.1. Deformação Elástica
 A deformação elástica é caracterizada por sua não permanência e é um processo em que a deformação e a tensão são proporcionais, resultando em uma relação linear. A inclinação desta linha corresponde ao módulo de elasticidade E que pode ser considerado como rigidez ou uma resistência do material à deformação elástica, em que quanto maior o for, mais rígido será ou terá uma menor deformação resultante de uma dada tensão. Ela não é permanente, o que significa que quando a carga aplicada é librada, a peça retorna à sua forma original. No gráfico esta deformação pode ser identificada pelo movimento para cima a partir da origem, em que, se ela for librada, resulta em um movimento no sentido oposto. Essa linearidade é devido à lei de Hooke em que, para a maioria dos metais submetidos a uma tensão de tração em níveis relativamente baixos, a tensão e a deformação obedecem à relação:
Sendo que a a constante de proporcionalidade é o próprio módulo de elasticidade, ou módulo de Young. Para a maioria dos metais típicos, a magnitude desse módulo varia entre 45 GPa, para o magnésio e 470 GPa para o tungstênio. Existem alguns materiais para os quais essa proporção não é linear, não permitindo a determinação do módulo de elasticidade como foi descrito anteriormente, fazendo-se necessário usar o módulo tangente ou módulo secante.
Figura 4: Diagramas esquemáticos em que, à esquerda, tem-se a tensão-deformação linear e à direita, um comportamento elástico não linear.[4]
	Pelo fato de existir certa deformação elástica dependente do tempo, ou seja, uma deformação elástica que permanecerá após a aplicação de uma longa tensão, é necessário haver um tempo finito para uma recuperação completa. A esse comportamento elástico dependente do tempo dá-se o nome de anelasticidade, sendo em metais normalmente pequena e frequentemente desprezada.
2.2. Limite de Escoamento
Quando a tensão não é mais proporcional à deformação, ocorre uma deformação permanente, não recuperável, ou deformação plástica, com transição entre esses comportamentos de forma gradual para a maioria dos metais. Para conhecer o nível de tensão no qual tem início a deformação plástica, também chamado de escoamento, analisa-se o ponto em que ocorre o afastamento inicial da linearidade na curva de tensão-deformação. Este ponto é algumas vezes chamado de limite de proporcionalidade, e está indicado pelo ponto P na figura 5. Pela dificuldade de se medir com precisão, foi estabelecida uma convenção na qual uma linha reta é construída paralelamente à porção elástica da curva em alguma pré-deformação especificada - geralmente de 0,002. A tensão correspondente à interseção dessa linha com a curva tensão-deformação é definida como limite de escoamento (σe), de unidade MPa ou psi.
Figura 5: Em (a) tem-se o comportamento típico de um metal, evidenciando o limite de proporcionalidade P e σe. Em (b) mostra-se o fenômeno do limite de escoamento descontínuo.[5]
Para materiais que não possuem região elástica linear, a prática usual consiste em se definir o limite de escoamento como a tensão necessária para produzir uma determinada quantidade de deformação. E em outros a transição é muito bem definida e ocorre de forma abrupta, obtendo-se o fenômero do limite de escoamento inferior e superior, com ele sendo considerado a média entre eles.
2.3. Limite de Resistência à Tração
	Após o escoamento, a tensão necessária para continuar o processo de deformação plástica nos metais aumenta até um valor máximo (M) e então diminui até a eventual fratura do material, no ponto F. O limite de resistência à tração (LRT) corresponde à tensão no ponto máximo da curva tensão-deformação de engenharia que uma estrutura pode suportar sob tração. Se essa tensão for aplicada e mantida, ocorrerá a fratura. A deformação que até então foi uniformemente distribuída por toda a região estreita do corpo de prova, começa a gerar uma pequena constrição ou pescoço que confina a deformação ali, em um fenômeno denominado empescoçamento. É nesse lugar que a fratura ocorrerá e a resistência à fratura corresponde à tensão no ponto de fratura.
Figura 6: Comportamento típico da curva tensão-deformação de engenharia até a fratura, o ponto F. O limite de resistência à tração LRT está indicado pelo ponto M.[6]
2.4. Módulo de Resiliência
A resiliência é a capacidade de um material de absorver energia quando ele é deformado elasticamente e, depois, com a remoção da carga, permitir a recuperação dessa energia. A propriedade associada é o módulo de resiliência U, que é a energia de deformação por unidade de volume necessária para tensionar o material desde um estado sem carga até o limite de escoamento. Em termos de cálculo tem-se:
Assumindo uma região elástica linear:
Em que ϵl é a deformação no escoamento.
Figura 7: Representação esquemática que mostra como o módulo de resiliência (que corresponde à área sombreada) é determinado a partir do comportamento tensão-deformação em tração de um material.[7]
As unidades da resiliência são o produto das unidades de cada um dos eixos do gráfico tensão-deformação. Em unidades S.I. é Joule por metro cúbico enquanto nos Estados Unidos é polegadas-libras-força por polegada cúbica. Tanto Joule quanto polegadas-libras-força são unidades de energia, portanto, essa área sob a curva representa a absorção de energia por unidade de volume do material.
	Ou seja, materiais resilientes são aqueles que possuem limite de escoamento elevados e módulos de elasticidade baixos e metais assim podem ser aplicados como molas.
2.5. Tenacidade
A tenacidade pode ser entendida de várias formas, entre elas, pode ser definida como uma propriedade indicativa da resistência de um material à fratura quando uma trinca está presente ou a habilidade de um material absorver energia e se deformar plasticamente antes de fraturar. Como é praticamente impossível e economicamente inviável fabricar materiais sem defeitos (ou previnir danos durante o serviço), a tenacidade à fratura é uma das principais considerações para todos os materiais estruturais.
Para uma situação estática (pequena taxa de deformação), uma medida de tenacidade nos metais pode ser determinada a partir dos resultados de um ensaio de tração, sendo a área sob a curva tensão-deformação até o ponto de fratura, tendo as mesmas unidades que a resiliência. Para que um material seja tenaz, é preciso exibir tanto resiliência quanto ductilidade.
3. O EXPERIMENTO
Foram realizados dois ensaios. Durante o primeiro ensaio, o corpo de prova não normatizado, composto por aço 1020 com 9,7 mm de comprimento, foi posicionado adequadamente no aparelho que iria medir suas propriedades mecânicas a partir da aplicação de forças de tração.Figura 9: Corpo de prova 1 ainda posicionado no aparelho após a ruptura.
Figura 8: Máquina utilizada durante os ensaios de tração nas dependências do LCAM.
A máquina funciona juntamente com um software específico onde as variáveis levadas em consideração durante o ensaio podem ser controladas e, também é feita a aquisição de dados por meio deste. No primeiro ensaio, a velocidade de aplicação da força de tração definida pelo operador foi de 0,1 milímetros por segundo. A força inicial aplicada foi de 0,018750 kN e a tensão inicial de 0,253728 MPa, e ambas foram aumentando até o momento em que ocorreu a ruptura do corpo de prova analisado.
Ao fim do primeiro ensaio, obteve-se o seguinte diagrama Tensão x Deformação de engenharia:
Os pontos destacados no gráfico, da esquerda para a direita são, respectivamente, o nível de tensão mais ou menos constante referente àzona de escoamento, limite de resistência à tração e o limite de ruptura. Figura 11: Comparação entre as dimensões inicial e final do corpo de prova após o ensaio de tração.
Figura 10: Diagrama Tensão x Deformação gerado pelo software referente ao primeiro ensaio.
Após a retirada do primeiro corpo de prova do aparelho, comparou-se as dimensões finais com as dimensões iniciais do segundo corpo de prova, pois são as mesmas dimensões iniciais do corpo de prova 1. 
O segundo ensaio ocorreu sob as mesmas condições, porém, a velocidade aplicada foi de 0,5 milímetros por segundo com uma força aplicada inicialmente de 0,022500 kN e tensão inicial de 0,304473 MPa, que foram aumentando até a ruptura do segundo corpo de prova analisado.Figura 12: Corpo de prova 2 ainda posicionado no aparelho após a ruptura.
Ao final, obteve-se o seguinte diagrama Tensão x Deformação de engenharia:Figura 13: Diagrama Tensão x Deformação gerado pelo software referente ao segundo ensaio
	
Ao analisarmos o diagrama produzido pelo segundo ensaio, nota-se a presença de quatro pontos em destaque que correspondem, respectivamente, ao limite de elasticidade quase que coincidente com o limite de escoamento, limite de resistência à tração e o limite de ruptura. 
5. CONCLUSÃO
	Devido à importância do ensaio de tração, ele é realizado por diversos grupos diferentes com interesses próprios, assim como engenheiros de diversas áreas, para adquirir conhecimentos necessários sobre o material sendo ensaiado e então aplicá-lo a seus projetos. O ensaio permite conhecer várias propriedades mecânicas utilizando-se do gráfico Tensão x Deformação, como limite de resistência à tração, módulo de elasticidade, limite de escoamento, resiliência, tenacidade, entre outros. É obrigação do engenheiro conhecer o que essas propriedades representam para realizar uma boa seleção que leve em conta não só suas propriedades, mas também economia e medidas de segurança.
6. REFERÊNCIAS
CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. “Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução”. 9ª ed. Editora LTC, 2016. 
SOUZA, Sérgio Augusto. “Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos: fundamentos teóricos e práticos”. 5ª ed. São Paulo; Editora Edgar Blücher; 1982.283p.
[1]: CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. “Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução”. 9ª ed. Editora LTC, 2016. 
[2]: CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. “Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução”. 9ª ed. Editora LTC, 2016. 
[3]: CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. “Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução”. 9ª ed. Editora LTC, 2016. 
[4]: CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. “Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução”. 9ª ed. Editora LTC, 2016. 
[5]: CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. “Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução”. 9ª ed. Editora LTC, 2016. 
[6]: CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. “Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução”. 9ª ed. Editora LTC, 2016. 
[7]: CALLISTER, William D.; RETHWISCH, David G. “Ciência e engenharia dos materiais: uma introdução”. 9ª ed. Editora LTC, 2016.