Relatório 19 - Impacto

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA 
SETOR DE CIENCIAS AGRÁRIAS E DE TECNOLOGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 
AUGUSTO ARAUJO VUITIK 
KAROLINA MAIA 
WILLIAN DA MAIA 
 
 
 
 
 
 
IMPACTO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PONTA GROSSA 
OUTUBRO/2014
 
AUGUSTO ARAUJO VUITIK 
KAROLINA MAIA 
WILLIAN DA MAIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
IMPACTO 
 
 
Relatório apresentado à disciplina de 
Ensaios e Caracterização de Materiais do 
Curso de Engenharia de Materiais, 3ª 
série, da Universidade Estadual de Ponta 
Grossa – UEPG. 
 
Prof. Msc. Guilherme Forbeck 
 
 
 
 
 
 
 
PONTA GROSSA 
OUTUBRO/2014 
 
 
SUMÁRIO 
 
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................ 3 
1.1 ENSAIO DE IMPACTO CHARPY ..................................................................... 4 
1.2 ENSAIO DE IMPACTO IZOD ........................................................................... 5 
1.3 FATORES QUE INFLUENCIAM A TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO ............ 6 
2 OBJETIVOS ..................................................................................................... 7 
3 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................ 7 
3.1 MATERIAIS ...................................................................................................... 7 
3.2 PROCEDIMENTO ............................................................................................ 8 
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................... 9 
5 CONCLUSÃO ................................................................................................. 11 
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 12 
 
3 
 
 
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
 
O ensaio de impacto caracteriza-se por submeter o corpo de prova 
ensaiado a uma força brusca e repentina, a qual deve rompê-lo. Ensaio é 
ilustrado na figura 1 [1]. 
 
Figura 1: Esquema do ensaio de Impacto. 
 
Fonte: [1] 
 
É um ensaio empregado no estudo da fratura frágil dos metais, o qual 
analisa a propriedade de um metal atingir a ruptura sem sofrer uma 
deformação apreciável. 
Neste ensaio o corpo de prova é padronizado e provido de um entalhe 
para localizar a sua ruptura e produzir um estado triaxial de tensões, quando 
ele é submetido a uma flexão por impacto, produzida por um martelo pendular. 
A energia absorvida pelo corpo de prova, até deformar-se e romper-se, é 
medida pela diferença entre a altura atingida pelo martelo antes e após o 
impacto, multiplicada pelo peso do martelo [1]. 
Quando menor for à energia absorvida, mais frágil será o 
comportamento do material à aquela solicitação dinâmica [1]. 
O entalhe produz um estado triaxial de tensões, suficiente para provocar 
uma ruptura de caráter frágil. 
4 
 
 
Há alguns fatores que podem influenciar na resistência ao impacto, tais 
como entalhe ou descontinuidade, composição do metal de base, composição 
do metal de adição, tratamento térmico, temperatura, entre outros [1]. 
No caso dos materiais metálicos, a temperatura tem um efeito acentuado 
na resistência ao impacto, tal que, à medida que a temperatura diminui, o corpo 
de prova se rompe com fratura frágil e pequena absorção de energia. Acima 
dessa temperatura, as fraturas do mesmo material passam a ser dúcteis e com 
absorção de energia bem maior em relação a aquela ocorrida em temperaturas 
baixas [1]. 
As fraturas produzidas por impacto podem ser frágeis ou dúcteis. As 
fraturas frágeis caracterizam-se pelo aspecto cristalino e as fraturas dúcteis 
apresentam aparência fibrosa. Os materiais frágeis rompem-se sem nenhuma 
deformação plástica, de forma brusca. Por isso, esses materiais não podem ser 
utilizados em aplicações nas quais sejam comuns esforços bruscos. Para estas 
aplicações são desejáveis materiais que tenham capacidade de absorver 
energia e dissipá-la, para que a ruptura não aconteça, ou seja, materiais que 
apresentem tenacidade. Esta propriedade está relacionada com a fase plástica 
dos materiais e por isso se utilizam as ligas metálicas dúcteis neste tipo de 
aplicação [2]. 
 
1.1 ENSAIO DE IMPACTO CHARPY 
 
O ensaio de impacto Charpy está relacionado com o comportamento do 
material sujeito a carregamento dinâmico (altas taxas de carregamento) e a um 
estado triaxial de tensões associado a um entalhe em V [2]. 
O problema da fratura por clivagem – forma de fratura mais frágil que 
pode ocorrer em materiais cristalinos – é tão sério que o ensaio de impacto 
Charpy é frequentemente usado em controle da qualidade para a determinação 
da temperatura de transição e da energia absorvida na fratura em 
determinadas temperaturas. Porém, o ensaio de impacto Charpy não fornece 
uma determinada temperatura de transição, mas uma faixa de transição [2]. 
 
 
5 
 
 
Figura 2: Corpo de Prova Charpy. 
 
Fonte: [3] 
 
1.2 ENSAIO DE IMPACTO IZOD 
 
O corpo de prova Izod tem a mesma forma de entalhe do Charpy tipo A, 
localizada em posição diferente (não centralizada). O corpo de prova Charpy é 
apoiado na máquina e o Izod é engastado, o que justifica seu maior 
comprimento [3]. 
A única diferença entre o ensaio Charpy e o Izod é que no Charpy o 
golpe é desferido na face oposta ao entalhe e no Izod é desferido no mesmo 
lado do entalhe [3]. 
 
Figura 3: Corpo de prova Izod. 
 
Fonte: [3] 
 
 
6 
 
 
1.3 FATORES QUE INFLUENCIAM A TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO 
 
Diferenças na temperatura de transição superiores a 40°C podem ser 
produzidas por mudanças na composição química ou na microestrutura dos 
aços doces. O carbono e o manganês são os principais responsáveis por 
variações na temperatura de transição [4]. 
A temperatura de transição referente à energia de 2 Joules para corpos 
de prova Charpy entalhados em V (transição de ductilidade) aumenta em cerca 
de 14°C para cada acréscimo de 0,1% no conteúdo de carbono. Esta 
temperatura de transição é diminuída em cerca de 6°C para cada acréscimo de 
0,1% no teor de manganês [4]. A variação desse comportamento com o teor de 
carbono pode ser vista na figura abaixo: 
Figura 4: Absorção de energia em diferentes temperaturas para amostras com teores de 
carbono variados. 
 
Fonte: [5] 
A tenacidade ao entalhe é particularmente influenciada pelo oxigênio. Ao 
se aumentar o conteúdo de oxigênio de 0,001 para 0,057 %, a temperatura de 
transição aumenta de -15 para 343°C. Em vista destes resultados, não é 
surpresa que a prática de desoxidação tenha um efeito importante na 
temperatura de transição. O aço efervescente, com seu elevado teor de óxido 
7 
 
 
de ferro, geralmente apresenta uma temperatura de transição acima da 
temperatura ambiente [4]. 
O tamanho de grão exerce um forte efeito sobre a temperatura de 
transição. Um aumento de um número ASTM no tamanho do grão ferrítico (o 
que na realidade corresponde a um decréscimo no tamanho de grão) pode 
levar a uma diminuição de 17°C na temperatura de transição do aço doce. A 
temperatura de transição correspondente à energia de 1,35 J no ensaio Charpy 
com entalhe em V pode variar de 21 para 751°C ao se diminuir o diâmetro do 
grão do número ASTM 5 para 10 [4]. 
 
2 OBJETIVOS 
 
Essa prática teve como objetivo a análise das amostras de aço 
submetidas ao ensaio de Impacto Charpy, fazendo um gráfico de energia para 
fratura versus temperatura para determinar a temperatura de transiçãode 
fratura dúctil e frágil. 
 
3 MATERIAIS E MÉTODOS 
 
3.1 MATERIAIS 
 
 Máquina para ensaio de Impacto Heckert; 
 12 amostras de aço SAE 1020; 
 Nitrogênio Líquido; 
 Etanol; 
 Água quente; 
 Pinça. 
 Termopar 
 Cronômetro 
 
 
8 
 
 
3.2 PROCEDIMENTO 
 
As amostras de aço SAE 1020 já estavam preparadas para o uso, 
assumindo dimensões superiores às regulamentadas pela norma ASTM E-23 
para um teste de Impacto Charpy. A norma previa uma seção quadrada de 
10mm, mas as peças ensaiadas tinham 12mm de lado. 
Uma face retangular de cada amostra foi entalhada no sentido da 
largura. Esse entalhe era de 1,2 mm, tendo uma abertura de aproximadamente 
45º. O braço do martelo da máquina de impacto tinha 790 mm onde o martelo 
pesava 19, 962 Kg. 
Com as amostras, foram realizados vários testes de impactos em 
diferentes temperaturas, as quais variavam entre -100ºC até 80ºC. A 
temperatura dos corpos de provas foi controlada com misturas de nitrogênio 
líquido e etanol até alcançar as temperaturas desejadas. Esses valores foram 
controlados utilizando um termopar e um cronômetro. 
As amostras foram posicionadas horizontalmente para o golpe do 
martelo. Mediu-se e anotou-se a energia necessária para romper os corpos de 
prova, durante os testes de impacto. Plotou-se o gráfico da energia para fratura 
versus temperatura. 
 
 
9 
 
 
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
Abaixo estão listadas as energias absorvidas durante o ensaio de 
impacto nas diferentes temperaturas. 
Tabela 1: Valores de energia absorvida em Joules para as temperaturas em graus Celsius. 
AÇO SAE 1020 
Temperatura (°C) Energia (J) 
-100 4,5 
-80 24,7 
-70 127 
-60 119,9 
-40 160 
-30 12 
-20 155 
-10 30 
0,3 282 
24 286 
64 292 
80 289 
 
Além desta tabela, consultaram-se dados coletados em experimentos 
anteriores, os quais estavam mais próximos das condições normatizadas. 
Tabela 2: Valores obtidos em experimentos anteriores. 
AÇO SAE 1020 
Temperatura (°C) Energia (J) 
-180 2,4 
-50 4 
-30 6,5 
-20 15,5 
-10 17 
-5 20 
0 28 
5 47 
10 212 
20 250 
25 191 
50 174 
70 188 
96 184 
 
10 
 
 
De posse dessas tabelas, foram construídos os seguintes gráficos; para 
os dados mais recentes e de experimentos anteriores, respectivamente. 
 
Gráfico 1: Obtido a partir do experimento mais recente. 
 
 
Gráfico 2: Energias absorvidas pelo aço 1020 em experimentos anteriores. 
 
0
50
100
150
200
250
300
350
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
En
e
rg
ia
 (
J)
 
Temperatura (°C) 
AÇO SAE 1020 
0
50
100
150
200
250
300
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
En
e
rg
ia
 (
J)
 
Temperatura (°C) 
AÇO SAE 1020 
11 
 
 
Os dois gráficos, principalmente o segundo, apresentam forma muito 
semelhante à curva de 0,22 da Figura 4. As curvas apresentadas sofrem um 
salto na energia absorvida quando a temperatura está próxima de 0°C. 
É possível que a amostra analisada no experimento para construir o 
Gráfico 1 possua um teor de carbono ligeiramente mais baixo, o que abaixaria 
sua temperatura de transição. No entanto, é mais provável que a diferença 
esteja ligada ao procedimento, especificamente nas taxas de resfriamento 
utilizadas nas amostras com temperatura de -20°C e abaixo de -40°C. Da 
mesma forma, para temperaturas superiores, a amostra pode ter aquecido 
alguns graus entre a leitura do termopar e o momento do impacto. 
No que diz respeito às energias absorvidas, as amostras utilizadas 
possuíam áreas de seção transversal 44% maior do que o especificado pela 
norma. Uma área maior proporciona maior absorção de energia. 
A utilização de banhos de resfriamento com quantidades precisas de 
álcool e nitrogênio em solução, bem como um controle adequado do banho 
poderiam ter reduzido esses erros. Além disso, é claro que resultados mais 
confiáveis seriam obtidos se as dimensões da peça estivessem de acordo com 
a norma ASTM E-23:2012. 
 
5 CONCLUSÃO 
 
O ensaio de impacto é uma forma simples de determinar a temperatura 
de transição dúctil-frágil de metais. Esse parâmetro é extremamente importante 
no que diz respeito à seleção de materiais, pois permite selecionar a 
temperatura adequada de utilização de modo a evitar a falha catastrófica. 
O teor de carbono exerce grande influência nessa temperatura de 
transição, sendo que para o aço 1020 ela está em torno de 0°C. Entretanto, 
para determinar esse valor de forma confiável, é preciso atentar para as 
técnicas de resfriamento e aquecimento das amostras, bem como suas 
corretas dimensões. 
 
12 
 
 
REFERÊNCIAS 
1. CHAWLA, K. K.; MEYERS, M. A. Mechanical Behavior of Materials. 2ª. ed. 
Cambridge: Cambridge University Press, 2009. 
2. BHADESHIA, H. K. D. H.; HONEYCOMBE, R. W. K. Steels - Microstructure 
and Properties. 3ª. ed. Cambridge: Elsevier, 2006. 
3. ASTM Standard A255,2010, "Standard Test Methods for Notched Bar Impact 
Testing of Metallic Materials", ASTM International, West Conshohocken, PA, 
2012, DOI: 10.1520/E0023-12C, www.astm.org.