Tensão X Deformação

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João Cardoso Junior
Larissa Vicente
lislaine cristina silva da luz
Lucas Gabriel Ribeiro
Relatório de Ensaio de Tração
Telêmaco Borba - PR
2018
João Cardoso Junior
Larissa Vicente
lislaine cristina silva da luz
Lucas gabriel Ribeiro
Relatório de Ensaio de Tração
Trabalho apresentado para a disciplina de Mecânica dos Sólidos, do Curso de Engenharia Civil, da Faculdade de Telêmaco Borba, como requisito parcial para avaliação desta disciplina.
Orientador: Prof. Marcel Andrey de Goes
Telêmaco Borba - PR
2018
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Gráfico de Tensão X Deformação do Alumínio.	11
Figura 2: Dados coletados no ensaio de tração - AL	12
Figura 3: Gráfico de TensãoX Deformação do Aço-304	13
Figura 4: Dados coletados no ensaio de tração - 304	14
Figura 5: Gráfico de TensãoX Deformação do Aço-1020	15
Figura 6: Grafico de TensãoX Deformação do Aço-1045	15
Figura 7: Dados coletados no ensaio de tração - 1020	16
Figura 8: Dados coletados no ensaio de tração - 1045	16
Figura 9: Gráfico de Tensão X Deformação de Materiais	18
 INTRODUÇÃO
Seja qual for o projeto de engenharia, é necessário ter um bom conhecimento das propriedades mecânicas de cada material que será usado, compreendendo como as inúmeras propriedades podem ser mensuradas e como essas propriedades podem afetar todo o projeto. 
De uma maneira geral, é possível entender que as propriedades mecânicas dos materiais é o comportamento de cada material quando submetidos a determinadas cargas, e sua capacidade de reagir a essas cargas sem se fraturar ou deformar de forma incontrolada (MARQUES, 2013).
As propriedades mecânicas são averiguadas por ensaios a fim de demonstrar de forma coerente os possíveis esforços que o material irá sofrer nas condições reais de uso. Existem diversos ensaios possíveis para se calcular e obter as informações sobre a resistência de cada tipo de material.
De acordo com as palavras de Dalcin (2007), com o ensaio de tração, o qual é abordado neste trabalho, pode-se afirmar que as deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas por toda extensão do corpo de prova, pelo menos até ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio, com a ruptura do material. Como o ensaio de tração possibilita aplicar uma carga crescente numa velocidade razoavelmente e lenta durante todo o teste, o ensaio permite medir satisfatoriamente a resistência do material.
 Em um contexto geral, o método experimental consiste na deformação de uma determinada amostra de qualquer tipo de material até sua ruptura. Esta ruptura ocorre devido à força de tração que esta sendo aplicado no corpo de prova. 
Segundo Dalcin (2007), “Os corpos de prova têm características especificadas de acordo com as normas técnicas. Normalmente utilizam-se corpos de prova de seção circular ou retangular.” Eles possuem dimensões padronizadas definidas a fim de que os resultados obtidos de cada material possam ser comparados facilmente. 
Os dados fornecidos através do ensaio de tração são plotados em um gráfico de tensão-deformação, o qual possibilita analisar o seu comportamento, e obter informações essenciais sobre a resistência e as características de cada material.
 OBJETIVOS
 OBJETIVO GERAL
A prática deste trabalho tem como objetivo observar e analisar os dados obtidos a partir da realização do teste de tração pelo qual tem como finalidade o estudo das propriedades mecânicas de cada material.
 OBJETIVO ESPECÍFICO
Analisar os dados fornecidos do ensaio de tração;
Realizar a plotagem do gráfico tensão-deformação;
Considerar os resultados do gráfico;
Avaliar os pontos cruciais de cada material como: Deformação elástica e plástica, módulo elástico, tensão de escoamento, tensão limite de resistência à tração e tensão de ruptura;
 MATERIAIS E MÉTODOS
 MATERIAIS
 Máquina para ensaio de tração;
1 Peça de Alumínio(diâmetro=9,25mm, comprimento = 45mm);
1 Peça de Aço-304 (diâmetro =9,15mm, comprimento = 45mm);
1 Peça de Aço-1020 (diâmetro = 10,0mm, comprimento = 45mm);
1 Peça de Aço-1045 (diâmetro = 9,30mm, comprimento = 45mm);
 MÉTODOS
 Ensaio de tração.
Com a máquina de tração, submeter os corpos de prova de geometria definida a um esforço crescente na direção axial do corpo de prova, levando-o a se romper, segundo ASTM E8M. Utilizar os esforços e o alongamento dos corpos de prova para o cálculo de Tensão X Deformação, tais resultados são medidos na própria máquina tração.
 Deformação (ɛ)
A deformação é a variação de uma dimensão qualquer do corpo de prova por unidade da mesma dimensão quando submetido a um esforço, e este pode ser encontrado utilizando a seguinte equação:
Onde:
ɛ = Deformação
 Tensão (σ)
A tensão corresponde à força dividida pela área da seção sobre a qual a força é aplicada, e para isto utilizamos a seguinte equação:
Onde:
σ = Tensão 
F = Força aplicada
 Deformação Elástica
Com os cálculos de tensão e deformação, criar o gráfico de Tensão X Deformação, e neste pode ser observar a deformação elástica, região do gráfico onde a deformação é totalmente reversível e proporcional à tensão, geralmente respeitando a Lei de Hooke.
 Módulo Elástico
É uma propriedade específica de cada metal e está relacionado com sua rigidez, sendo que quanto maior o módulo menor será a deformação elástica e consequentemente o material será mais rígido. Graficamente pode ser encontrado pela tangente da reta que representa a deformação elástica do corpo. Podendo ser encontrado também pela seguinte equação:
Onde:
α = ângulo da reta
E = Módulo Elástico
σ = Tensão
 Deformação Plástica
Através do gráfico Tensão X Deformação pode ser observado a deformação plástica, correspondendo ao ponto do gráfico onde termina a deformação plástica (deformação proporcional a tensão) e começa a deformação permanente (descontinuidade). O ponto na qual estas deformações permanentes começam a se tornar significativas é chamado de limite de escoamento.
 Limite de escoamento
É determinado a partir da observação da curva obtida no gráfico de Tesão X Deformação, correspondendo a seguinte equação:
Onde:
σe= Tensão de escoamento 
Fe = Força de escoamento
Quando este não é evidente no gráfico é necessário traçar uma paralela ao regime elástico com início no ponto de deformação 0,002 e encontrar o ponto em que esta intercepta a curva.
 Encruamento
Corresponde ao período após ser atingido o limite de escoamento, onde altera-se também sua cadeia molecular ou sua estrutura, período pelo qual a deformação passa a ser permanente, sendo necessária uma carga cada vez maior para que ocorra a deformação, podendo ser afirmado então que o encruamento é o endurecimento por deformação plástica (MAZOTTI, 2011).
 Limite de Resistência Mecânica
Corresponde a máxima tensão suportada pelo corpo de prova e pode ser determinada através da observação do gráfico ou pela seguinte equação:
Onde:
σmax= Tensão máxima (LRT);
Fmax = Força máxima aplicada;
 Estricção
Corresponde ao período após ser atingida a tensão máxima, para a qual passa a ocorrer o estrangulamento da peça, ou seja, o corpo de prova passa a afinar-se rapidamente, tendo sua tensão reduzida devido à menor exigência de força axial, até que se ocorra à ruptura final. Pode caracterizar a ductilidade do material, pois quanto maior for à estricção mais dúctil será o metal (ALCINDO, 2009 e FREITAS 2010).
 RESULTADOS E DISCUSÃO
Os resultados obtidos neste trabalho estão dispostos abaixo, juntamente com suas respectivas considerações a cerca do assunto abordado (ensaio de tração e gráfico Tensão-Deformação). Os valores apresentados foram determinados a partir das equações exibidas na seção de 3.2 (Métodos) deste relatório.
 ENSAIO DE TRAÇÃO ALUMÍNIO - Al
As Figuras 1 e 2, expostas abaixo, apresentam respectivamente o gráfico Tensão-Deformação do Alumínio e os Resultados obtidos através do ensaio de tração. Através das figuras apresentadas podem-secompreender as propriedades mecânicas do Alumínio, tais como: Tensão, Tensão de Escoamento, Módulo elástico, Limite de Resistência a Tração (Tensão Máxima), Tensão de Ruptura, Módulo Elástico, Deformação Elástica, Deformação Plástica, etc. 
Figura 1: Gráfico de Tensão X Deformação do Alumínio.
Fonte: autores (2018).
Em geral estruturas e componentes mecânicos são projetados para resistirem a tensões elásticas, entretanto torna-se necessário conhecer o nível de tensão onde se inicia a deformação plástica, o limite de resistência à tração e o ponto de ruptura do material, para isto foi analisado o gráfico presente na Figura 1 e identificado tais pontos como mostrado na Figura 2. 
No início do escoamento geralmente ocorre maior deformação em relação à tensão aplicada, o que torna este ponto perceptível como apresentado na Figura 2, neste material a transição do regime elástico para o plástico ocorre de modo praticamente gradual, sendo quase imperceptível.
A inclinação (coeficiente angular α) do segmento linear no gráfico tensão-deformação (Figura 2) corresponde ao módulo de elasticidade (E) do material e pode ser considerado como sendo uma medida de rigidez ou de resistência do material à deformação elástica, ou seja, quanto maior esse módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma determinada tensão (maior rigidez) (ALCINDO, 2009).
Figura 2: Dados coletados no ensaio de tração - AL
Fonte: autores (2018).
Ainda analisando os resultados encontrados na Figura 2, pode-se perceber que a região elástica, da curva Tensão-Deformação do alumínio, não é linear, apresentando um período de deformação elástica, localizado no início do teste, que não segue a Lei de Hooke. Com isto para análise do módulo elástico e o ângulo, foi traçada uma reta tangente à curva.
Pode ser observado também, na Figura 2, o ponto de estricção do material, onde segundo Alcindo (2009) e Mazotti et. al. (2011), ocorre o estrangulamento da peça, ou seja, onde a tensão para de ser distribuída ao logo da peça e se localiza em um só ponto alongando a peça no formato de um fio até a ruptura total.
 ENSAIO DE TRAÇÃO AÇO CROMO-NÍQUEL- 304
Nas Figuras 3 e 4, expostas abaixo, apresentam respectivamente o gráfico Tensão X Deformação do Aço Cromo-Níquel 304 e os Resultados obtidos através do ensaio de tração, onde podem ser compreendidas as propriedades mecânicas do Aço Cromo-Níquel.
Figura 3: Gráfico de Tensão X Deformação do Aço-304
Fonte: autores (2018).
O inicio de um gráfico de tensão- deformação geralmente é marcado por uma reta na qual a tensão e a deformação são proporcionais, sendo chamado de período de deformação elástica, e assim como relatado por Pereira (2018), quando interrompida a carga aplicada a um material deformado elasticamente, os átomos retornam às posições originais e o material tem as suas dimensões originais restabelecidas. 
Entretanto a deformação elástica do Aço-304, apresentada na Figura 3, é pequena e não proporcional, não correspondendo então com a Lei de Hooke, ou seja, não forma a reta característica da deformação elástica e nem é possível neste caso identificar com clareza o ponto de tensão de escoamento. 
Conforme relato por Pereira (2018), para a maioria dos materiais a transição elastoplástica ocorre de maneira gradual, não sendo nítido o seu ponto de escoamento (e), como mostra a Figura 3. Convencionou-se assim traçar uma linha reta paralela à porção elástica da curva σ x ε, a partir de uma pré-deformação de geralmente 0,002, de acordo com o material. O ponto de encontro da linha paralela com a curva caracteriza o limite de escoamento convencional de 0,2% como demonstra a Figura 4.
Figura 4: Dados coletados no ensaio de tração - 304
Fonte: autores (2018).
 ENSAIO DE TRAÇÃO AÇO CARBONO- 1020 E 1045
Nas Figuras 5, 6, 7 e 8, expostas a seguir, apresentam respectivamente os gráficos Tensão-Deformação do Aço Carbono 1020 e Aço Carbono 1045 e os Resultados obtidos através do ensaio de tração para ambos. 
Portanto, através das figuras apresentadas podem-se compreender as propriedades mecânicas do Aço Carbono 1020 e Aço Carbono 1045, tais como, Tensão, Tensão de Escoamento, Tensão Máxima, Tensão de Ruptura, Módulo Elástico, Deformação Elástica, Deformação Plástica, etc.
Figura 5: Gráfico de Tensão X Deformação do Aço-1020
Fonte: autores (2018).
Figura 6: Gráfico de Tensão X Deformação do Aço-1045
Fonte: autores (2018).
Nesse caso, como observado nas Figuras 5 e 6, para ambos os materiais a mudança elastoplástica é bem definida, sucedendo-se de uma maneira abrupta, designada como fenômeno do pico de escoamento descontínuo. Desta forma pode-se observar que em relação à deformação elástica ambos apresentam proporcionalidade apresentando a reta típica desta deformação. Já em relação à deformação plástica, esta se inicia na tensão limite de escoamento superior, e posteriormente apresenta uma diminuição real na tensão, e após a conhecida tensão limite de escoamento inferior, a tensão aumenta com o aumento da deformação, conforme identificado nas Figuras 7 e 8.
Figura 7: Dados coletados no ensaio de tração - 1020
Fonte: autores (2018).
Figura 8: Dados coletados no ensaio de tração - 1045
Fonte: autores (2018).
Conforme pode ser observado nas Figuras 7 e 8, após o escoamento a tensão necessária para a continuidade do processo de deformação plástica aumenta até alcançar um valor máximo (ponto de σmax). A partir desse ponto, a tensão diminui até a ruptura do material (ponto de σR), isso acontece devido à acelerada diminuição da parte resistente do corpo de prova ao se transpor a tensão máxima. O limite de resistência à tração, σmax (algumas vezes indicada pela sigla LRT), é a tensão no ponto máximo da curva, a qual corresponde à tensão máxima que uma estrutura sob tração pode suportar. 
A diferença entre os aços 1020 e 1045 está relacionado à sua especificação, onde esta é classificada de acordo com as Normas ABNT/SAE (SocietyofAutomotiveEngineers – EUA). 
Segundo a Norma ABNT 87:2000, o número 10 representa a classe do aço, ou seja, aço carbono simples. No aço 1020, o número 20 caracteriza esse aço com 0,20% percentual médio de carbono. Logo, no aço 1045, o número 45 caracteriza esse aço com 0,45% percentual médio de carbono.
De modo geral ambos os materiais apresentaram curvas no gráfico Tensão-Deformação bem parecidas, porém obtendo valores diferenciados, onde o aço carbono 1045 apresentou valores de tensão maiores, como mostrado no gráfico da Figura 8, para os pontos como tensão máxima (σmáx = 526,767 Mpa), resistência à ruptura (σR= 429,81 Mpa), em relação ao aço 1020, conforme apresento no gráfico da Figura 7, que obteve valores menores (σmáx = 385,39; σR= 262,929 Mpa).
 COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS
A Figura 9 abaixo apresenta os gráficos de Tensão-Deformação obtido através dos valores encontrados nos ensaios de tração dos seguintes materiais Alumínio, Aço 304, Aço Carbono 1020 e Aço Carbono 1045. Através desta figura podemos identificar os diferentes comportamentos de tais materiais submetidos ao mesmo tipo de teste e sob as mesmas condições.
Analisando todas as curvas é perceptível que o Aço-304 apresenta uma maior resistência à tração e maior deformação, já o Alumínio é o material que apresenta tensão e deformação inferiores, tornando-se então o material mais frágil analisado.
Assim como dito anteriormente, se compararmos as curvas do aço carbono 1020 e 1045, estas apresentam curvaturas semelhantes, com a diferença de que o aço carbono 1045 suporta uma maior tensão e o aço carbono 1020 obteve uma maior deformação até a ruptura final. Em relação às demais curvas, ambos são os únicos materiais que apresentam o fenômeno de pico de escoamento descontinuo bem definido, com escoamento superior e inferior, o que é característico dos aços. 
Em relação à deformação elástica destes materiais, podemos observar que o aço 1045 suporta uma tensão maior dentro do regime elástico, porém não apresenta grande deformação nesteperíodo, e o aço 1020, de todos os materiais, é o que apresenta maior deformação neste regime. 
Figura 9: Gráfico de Tensão X Deformação de Materiais
Fonte: autores (2018).
Após o limite de resistência a tração, ocorre a diminuição do diâmetro do corpo denominada de estricção. Uma diminuição da carga aplicada é suficiente para manter a deformação até a ruptura - σR: tensão de ruptura (PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MATERIAIS, 2017).
A estricção tem relação com a ductilidade do material, sendo que quanto maior for à estricção maior será sua ductilidade. Ter conhecimento da ductilidade de materiais é extremamente importante para engenheiros, visto que esta dá a indicação do grau segundo o qual uma estrutura ou material irá se deformar plasticamente antes de sofrer a fratura final. Desta forma podemos perceber que o aço-304 juntamente com o aço carbono 1020, apresentam uma maior ductilidade (propriedade do material de se afinar sem se quebrar) em relação aos demais, já que visivelmente apresentam uma maior deformação e maior área de estricção em relação aos matérias analisados.
 CONCLUSÃO
REFERÊNCIAS
ALCINDO. Relatório sobre ensaio de tração convencional. Disponível em:< http://www.ebah.com.br/content/ABAAABUw4AH/relatorio-tracao>. Acesso em 23 de maio de 2018.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 87:2000 Aço carbono e ligados para construção mecânica - Designação e composição química. Rio de Janeiro, 2000. Disponível em: < https://pt.scribd.com/document/38571645/ABNT-1020>. Acesso em: 20 de maio de 2018.
DALCIN, Gabrieli Bortoli. Ensaios dos Materiais. 2007. URI-Universidade Regional integrada do alto Uruguai e das missões. Disponível em: <http://www.urisan.tche.br/~lemm/arquivos/ensaios_mecanicos.pdf>. Acesso em 
FREITAS, João Paulo de Oliveira. Relatório 2- Ensaio de Tração. Disponível em< http://www.ebah.com.br/content/ABAAABodgAA/relatorio-ensaio-tracao>. Acesso em 20 de maio de 2018 
MARQUES, Héglison. Propriedade física e mecânica do aço. 2013. Disponível em: <https://pt.scribd.com/document/169738584/Sem-titulo-1>. Acesso em 19 de maio de 2018.
MAZOTTI, Adriano Cesar. Ensaio de tração. Disponível em:< http://www.ebah.com.br/content/ABAAAejLwAK/ensaio-tracao>. Acesso em 26 de maio de 2018
PEREIRA, Gedeon. Estrutura e Propriedades dos Materiais Diagramas Tensão-Deformação. Disponível em: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgTWUAG/propriedades-dos-materias-digramas>. Acesso: 07 de maio de 2018.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MATERIAIS. 2017. Disponível em: <http://www.foz.unioeste.br/~lamat/downmateriais/materiaiscap10.pdf>. Acesso em: 20 maio 2018.