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Ensaios e Conformação Mecânica INTRODUÇÃO Professora: Rafaela Azevedo Engenheira Mecânica Ensaios e Conformação Mecânica Introdução aos materiais: O homem sempre utilizou-se de materiais para satisfazer suas necessidades. Nos tempos mais remotos os materiais serviam para obtenção de utensílios de caça, de uso doméstico e para o vestuário. Depois de extraídos da natureza os materiais eram utilizados quase que diretamente em suas aplicações, com pouco ou quase nenhum processamento. Com o passar dos tempos o homem foi dominando o conhecimento a respeito dos materiais e seu processamento. Pode-se visualizar na tabela a seguir, a cronologia da utilização dos materiais no decorrer do tempo. Ensaios e Conformação Mecânica Introdução aos materiais: Ensaios e Conformação Mecânica Introdução aos materiais: Como exemplo da utilização de materiais na construção mecânica, temos o automóvel. Na fabricação de um carro, os materiais dos quais obtém-se os componentes, tem que apresentar desempenho suficiente para sua aplicação. Alguns dos materiais que compõe o automóvel são: aços, vidros, plásticos, alumínio, borracha e outros. Porém só os aços apresentam mais de 1200 tipos, então como escolhê-los? Os parâmetros utilizados, para escolha de um material adequado para um determinado componente, centram-se nas propriedades como: resistência mecânica, a condutibilidade térmica/elétrica, a densidade e outras. Também se deve observar o comportamento do material durante o processamento e o uso, onde a plasticidade, usinabilidade, durabilidade química são essenciais, assim como custo e disponibilidade. Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? Em primeiro lugar, o engenheiro deve caracterizar quais as condições de operação que será submetido o referido material e levantar as propriedades requeridas para tal aplicação, saber como esses valores foram determinados e quais as limitações e restrições quanto ao uso dos mesmos. A segunda consideração na escolha do material refere-se ao levantamento sobre o tipo de degradação que o material sofrerá em serviço. • Por exemplo, elevadas temperaturas e ambientes corrosivos diminuem consideravelmente a resistência mecânica. Quais os critérios que um engenheiro deve adotar para selecionar um material entre tantos outros? Finalmente, a consideração talvez mais convincente é provavelmente a econômica: Qual o custo do produto acabado??? Um material pode reunir um conjunto ideal de propriedades, porém com custo elevadíssimo. Em raras ocasiões um material reúne uma combinação ideal de propriedades, ou seja, muitas vezes é necessário reduzir uma em benefício da outra. Seleção e Substituição dos Materiais Com o objetivo de tornar produtos e serviços competitivos no mercado, as indústrias projetam os bens de consumo com materiais mais adequados a satisfação do cliente e ao mesmo tempo, preocupam-se com análise de custos de produção e disponibilidade do material no mercado. A partir de 1930 o que se percebe é o acentuado aumento no emprego de materiais com baixa densidade, como é o caso do alumínio e dos polímeros. Estes, como citado anteriormente, vêm de encontro a necessidade de produção de veículos automotores com peso final cada vez menor. Para se ter uma idéia, em 1978 no Estados Unidos um veículo médio pesava 1800 Kg, constituído por 70 por cento de ligas ferrosas, 10 a 25 por cento de plásticos e borracha, e 3 a 5 por cento eram alumínio. No ano de 1993 seu peso havia diminuído para 1430 kg e consistia em 50 a 60 por cento de aço e ligas ferrosas, 20 a 30 por cento de plásticos de borrachas e 5 a 10 por cento de alumínio. Desta maneira, a significativa redução de peso deve-se a utilização de uma quantidade maior de materiais de mais baixa densidade que as ligas ferrosas, até então de fundamental utilização nos veículos. Seleção e Substituição dos Materiais COMO PROCEDER A COMPRA DE UM MATERIAL PARA SUBSTITUIÇÃO? - Descrição correta para aquisição. O QUE ESPECIFICAR? - Qualidade da matéria – prima; - Qualidade do processo de fabricação; - Idoneidade do fabricante e do fornecedor. Ensaios e Conformação Mecânica Normalização: No Brasil, isto é feito pela Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT – que elabora e emite tais normas. Uma vez aprovadas, elas são publicadas com o nome de Normas Brasileiras – NBR. Um método descreve o correto procedimento para se efetuar determinado ensaio mecânico. De modo que os resultados para o mesmo material e ensaio sejam reprodutíveis, semelhantes em qualquer parte do mundo. Determina os requisitos exigidos para o equipamento e as dimensões do material que será utilizado, além de como os resultados devem ser divulgados. Ensaios e Conformação Mecânica Normalização: Neste contexto, normalização pode ser entendido como: - A especificação do material; - Método de ensaio e de análise; - Normas de cálculo e segurança; - Processos de fabricação; - Padronização dimensional e; - Simbologia para representação de fórmulas e desenhos. Tais normas são produzidas em fóruns dos quais participam: - Produtores; - Consumidores e; - Órgãos do governo. Ensaios e Conformação Mecânica Normalização: As principais associações que padronizam os ensaios são: - ISO (International Organization for Standardization ou Organização Internacional para Padronização); - SAE (Society of Automotice Engineers ou Sociedade dos Engenheiros Automotivos dos EUA); - ABNT (Associação Brasileira de Norma Técnica); - ASTM (American Society for Testing and Materials ou Sociedade Americana de Testes e Materiais); - ASME (American Society os Mechanical Engineers ou Sociedade Norte-americana de Engenheiros Mecânicos); Ensaios e Conformação Mecânica Normalização: Resumindo, a normalização têm as seguintes vantagens: - Tornar a qualidade do produto mais uniforme; - Reduzir os tipos similares de materiais; - Orientar o projetista na escolha do material adequado; - Permitir a comparação dos resultados obtidos em diferentes laboratórios; - Reduzir desentendimento entre produtor e consumidor; Ensaios e Conformação Mecânica Por que estudar as propriedades mecânicas dos materiais? É obrigação dos engenheiros compreenderem como as várias propriedades são medidas e o que essas propriedades representam. Elas podem ser necessárias para o projeto de estruturas/componentes que utilizam materiais predeterminados, a fim de que não ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou falhas. As propriedades definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir os esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Cada material possui características próprias: o ferro fundido é duro e alguns são considerados frágeis, o aço é bastante resistente, o vidro é transparente e frágil, a borracha é elástica, etc. Dureza, fragilidade, resistência, elasticidade, condução de calor, são exemplos de propriedades próprias de cada material. Essas propriedades podem ser reunidas em três grupos: - Propriedades Físicas; -Propriedades Químicas; - Propriedades Tecnológicas. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Físicas: As propriedades físicas determinam o comportamento do material em todas as circunstâncias do processo de fabricação e de utilização, e são divididas em propriedades mecânicas, propriedades térmicas e propriedades elétricas. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Físicas: Propriedade Mecânica; - Elasticidade; - Plasticidade; - Fragilidade; - Tenacidade; - Ductibilidade; - Fadiga; Propriedades Térmicas: - Ponto de fusão; - Dilatação térmica; - Condutividade térmica; Propriedades Elétricas: - Condutividade elétrica; - Resistividade; Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Mecânica: As propriedades mecânicas aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica. Isso quer dizer que essas propriedades determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados. Essa capacidade é necessária não só durante o processo de fabricação, mas também durante sua utilização. Do ponto de vista da indústria mecânica, esse conjunto de propriedades é considerado o mais importante para a escolha de uma matéria-prima. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Mecânica: Elasticidade: A elasticidade é a capacidade que o material tem de se deformar quando submetido a um esforço, e de voltar à forma original quando o esforço termina. Plasticidade: A plasticidade é a capacidade que o material tem de se deformar quando submetido a um esforço, e de manter essa forma quando o esforço desaparece. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Mecânica: Fragilidade: A fragilidade é também uma propriedade mecânica, na qual o material apresenta baixa resistência aos choques. O vidro, por exemplo, é duro e bastante frágil. Tenacidade: É determinada pela resistência que o material oferece aos choques mecânicos, isto é, ao impacto, pancadas. Afirmamos que um material é tenaz quando ele resiste o forte impacto sem se romper. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Mecânica: Ductibilidade: Corresponde à capacidade de um material poder ser deformado apreciavelmente antes de romper. O aço de baixo carbono, por exemplo, é uma liga de grande ductilidade. Fadiga: É a ruptura de componentes, sob uma carga bem inferior à carga máxima suportada pelo material, devido a solicitações cíclicas repetidas. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Térmicas: As propriedades térmicas determinam o comportamento dos materiais quando são submetidos a variações de temperatura. Isso acontece tanto no processamento do material quanto na sua utilização. É um dado muito importante, por exemplo, na fabricação de ferramentas de corte. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Térmicas: Ponto de fusão: O ponto de fusão é uma propriedade térmica do material que se refere à temperatura em que o material passa do estado sólido para o estado líquido. Dentre os materiais metálicos, o ponto de fusão é uma propriedade importante para determinar sua utilização. O alumínio, por exemplo, se funde a 660ºC, enquanto que o cobre se funde a 1.084ºC. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Térmicas: Dilatação Térmica: É a propriedade que faz com que os materiais, em geral, aumentem de tamanho quando se eleva a temperatura. Por causa dessa propriedade, as grandes estruturas de concreto como prédios, pontes e viadutos, por exemplo, são construídas com pequenos vãos ou folgas, para que elas possam se acomodar nos dias em que a temperatura esta alta. Condutividade Térmica: É a capacidade que determinados materiais têm de conduzir calor. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Elétricas: As propriedades elétricas determinam o comportamento dos materiais quando são submetidos à passagem de uma corrente elétrica. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Elétricas: Condutividade elétrica: É uma propriedade dos metais que está relacionada com a capacidade de conduzir a corrente elétrica. Resistividade: É uma medida da oposição de um material ao fluxo de corrente elétrica. Quanto mais baixa for a resistividade mais facilmente o material permite a passagem de uma carga elétrica. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Químicas: As propriedades químicas são as que se manifestam quando o material entra em contato com outros materiais ou com o ambiente. - Resistência a corrosão: Capacidade de o material resistir à deterioração causada pelo meio no qual está inserido. O alumínio, por exemplo, é um material que, em contato com o ambiente, resiste bem à corrosão. O ferro na mesma condição, por sua vez, enferruja, isto é, não resiste à corrosão. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Tecnológicas: - Usinalibidade; - Conformabilidade; Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Tecnológicas: No processamento de componentes mecânicos, certas propriedades tecnológicas devem ser consideradas, para que o material ao ser processado tenha um comportamento que não comprometa seu desempenho tanto durante o processamento, como em sua utilização. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Tecnológicas: - Usinabilidade: É todo o processo pelo qual a forma de uma peça é modificada pela remoção progressiva de cavacos. Essas operações são realizadas manualmente ou por uma grande variedade de máquinas-ferramenta que empregam as mais variadas ferramentas. Um exemplo de usinagem manual é a operação de limar. Tornear por sua vez, só se faz com uma máquina-ferramenta denominada torno. Outra coisa que temos de lembrar é que qualquer material oferece certa resistência ao corte. Essa resistência será tanto maior quanto maiores forem a dureza e a tenacidade do material a ser cortado. Por isso, quando se constrói e se usa uma ferramenta de corte, deve-se considerar a resistência que o material oferecerá ao corte. Ensaios e Conformação Mecânica Propriedade dos Materiais: Propriedades Tecnológicas: - Conformabilidade: É a capacidade do material de ser deformado plasticamente, através de processos de conformação mecânica. Essa propriedade está associada a ductilidade ou plasticidade do material. Ensaios e Conformação Mecânica Algumas definições: Medição: Refere-se a um ato isolado de medir alguma grandeza dimensional ou física, como por exemplo, medidas de extensão (distâncias, dilatação), temperatura ou pressão. Inspeção: Refere-se ao exame de um material ou produto, utilizando-se aparelhos de medida e instrumentos. Um exemplo comum é a inspeção dimensional, onde se verificamas dimensões de uma peça. Amostragem: Refere-se à quantidade de amostras representativas de um lote de materiais ou produtos. Ensaios e Conformação Mecânica Classificação dos ensaios: Os ensaios de materiais podem ser classificados de três maneiras, como as exemplificadas a seguir: A – Quanto à integridade geométrica e dimensional da peça ou componente: - Destrutivos; - Não destrutivos; B – Quanto à velocidade de aplicação de carga: - Estáticos; - Dinâmicos; - Carga constante; C – Quanto às condições de realização do ensaio: - Práticos; - Tecnológicos; Ensaios e Conformação Mecânica Classificação dos ensaios: A – Quanto à integridade geométrica e dimensional da peça ou componente: Destrutivos e Não destrutivos; Ensaios Destrutivos: são aqueles que deixam algum sinal na peça ou corpo de prova submetido ao ensaio, mesmo que estes não fiquem inutilizados. Os ensaios destrutivos abordados são: Tração, compressão, cisalhamento, flexão, torção, dureza, fluência, fadiga e impacto. Ensaios e Conformação Mecânica Classificação dos ensaios: A – Quanto à integridade geométrica e dimensional da peça ou componente: Destrutivos e Não destrutivos; Ensaios Não Destrutivos: são aqueles que após sua realização não deixam nenhuma marca ou sinal e, por consequência, nunca inutilizam a peça ou corpo de prova. Por essa razão, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados e semi-acabados. Os ensaios não destrutivos abordados são: Visual, líquido penetrante, partículas magnéticas, ultra-som e radiografia industrial. Ensaios e Conformação Mecânica Classificação dos ensaios: B – Quanto à velocidade de aplicação de carga: Estáticos, Dinâmicos e Carga constante. Ensaios Estáticos: em que o corpo de prova é submetido a esforços progressivos e lentamente a partir de zero até um máximo correspondente à ruptura. Os ensaios estáticos abordados são: Tração, compressão, cisalhamento, flexão, torção e dureza. Ensaios e Conformação Mecânica Classificação dos ensaios: B – Quanto à velocidade de aplicação de carga: Estáticos, Dinâmicos e Carga constante. Ensaios Dinâmicos: o corpo de prova é submetido a cargas extremamente variáveis podendo ser consideradas como choques dinâmicos. Os ensaios dinâmicos abordados são: Fadiga e impacto. Ensaios e Conformação Mecânica Classificação dos ensaios: B – Quanto à velocidade de aplicação de carga: Estáticos, Dinâmicos e Carga constante. Ensaios de Carga Constante: a carga é aplicada durante um longo período. O ensaio de carga constante abordados é: Fluência. Ensaios e Conformação Mecânica Classificação dos ensaios: C – Quanto às condições de realização do ensaio: Práticos e Tecnológicos; Ensaios práticos: Não necessitam de equipamentos especiais e, geralmente, baseiam seus resultados na observação direta de amostras do material. Como exemplo de ensaio prático, podemos citar o ensaio de centelha. Nesse ensaio, um material é classificado segundo as centelhas que emite ao ser atritado em um esmeril. Outro ensaio prático, é o ensaio de lima, utilizado para verificar a dureza de um material, pela maior ou menor facilidade de soltar cavaco. Ensaios e Conformação Mecânica Onde são realizado os ensaios: Ensaio por lima - É utilizado para verificar a dureza por meio do corte do cavaco. Quanto mais fácil é retirar o cavaco, mais mole o material. Se a ferramenta desliza e não corta, podemos dizer que o material é duro. Ensaios e Conformação Mecânica Onde são realizado os ensaios: Ensaio pela análise da centelha - É utilizado para fazer a classificação do teor de carbono de um aço, em função da forma das centelhas que o material emite ao ser atritado num esmeril. Ensaios e Conformação Mecânica Onde são realizado os ensaios: As principais características utilizadas para analisar as fagulhas são a quantidade de fagulhas geradas, o formato da trajetória descrita pelas fagulhas e a cor das fagulhas. De modo simples pode-se entender o processo da seguinte forma: para os aços de baixo teor de carbono (abaixo de 0,2%C) as centelhas aparecem apenas como traços luminosos, sem a formação de “estrelinhas” ou ramificações. Porém, a medida que o teor de carbono aumenta, as estrelinhas aparecem em número cada vez maior e com ramificações mais numerosas, formando-se com maior rapidez e mais próximo da raiz. Ensaios e Conformação Mecânica Onde são realizado os ensaios: Ensaios e Conformação Mecânica Classificação dos ensaios: C – Quanto às condições de realização do ensaio: Práticos e Tecnológicos; Ensaios tecnológicos: São mais complexos, tanto no que se refere as normas técnicas que devem ser observadas, quanto ao equipamento necessário. Ensaios e Conformação Mecânica Onde são realizado os ensaios: Os ensaios podem ser realizados: - Na própria oficina ou; - Em ambientes especialmente equipados para essa finalidade: os laboratórios de ensaios. Ensaios e Conformação Mecânica Onde são realizado os ensaios: Ensaios na oficina: Por meio desses tipos de ensaios não se obtêm valores precisos, apenas conhecimentos de características específicas dos materiais. Os ensaios que são realizados na oficina são: - Ensaio por lima; - Ensaio pela analise de centelha; Ensaios e Conformação Mecânica Onde são realizado os ensaios: Ensaio no laboratório: Os ensaios fornecem resultados gerais, que são aplicados a diversos casos, e podem ser repetidos em qualquer local que apresente as mesmas condições adequadas. Ensaios e Conformação Mecânica Finalidade dos ensaios: Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos padronizados que compreendem testes, cálculos, gráficos e consultas a tabelas, tudo isso em conformidade com normas técnicas. Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente a situações que simulam os esforços que eles vão sofrer nas condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação. Ensaios e Conformação Mecânica Porque ensaiar? Tanto o superdimensionamento como o subdimensionamento de produtos podem trazer consequências graves: o primeiro porque gera desperdício de material, maior consumo de energia e baixo desempenho; o segundo porque o produto vai falhar e, além do prejuízo, pode causar sérios acidentes, com danos irreparáveis. Atualmente, entende-se que o controle de qualidade precisa começar pela matéria-prima e deve ocorrer durante todo o processo de produção, incluindo a inspeção e os ensaios finais nos produtos acabados. Ensaios e Conformação Mecânica Evolução do ensaio: Nos séculos passados, como a construção dos objetos era essencialmente artesanal, não havia um controle de qualidade regular dos produtos fabricados. Avaliava-se a qualidade de uma lâmina de aço, a dureza de um prego, a pintura de um objeto simplesmente pelo próprio uso. Um desgaste prematuro que conduzisse à rápida quebra da ferramenta era o método racional que qualquer um aceitava para determinar a qualidade das peças, ou seja, a análise da qualidade era baseada no comportamento do objeto depois de pronto. Ensaiose Conformação Mecânica Realização do ensaio: Os ensaios podem ser realizados em protótipos, no próprio produto final ou em corpos de prova e, para serem confiáveis, devem seguir as normas técnicas estabelecidas. Protótipos: é uma versão preliminar de um produto, produzida em pequena quantidade, e utilizada durante a fase de testes. Produto final: é o resultado do investimento dado a transformação da matéria – prima, ou seja, peça finalizada e pronta para ser encaminhada para a venda. Corpo de prova: é uma amostra do material que se deseja testar, com dimensões e forma especificadas em normas técnicas. Ensaios e Conformação Mecânica Ensaio de Rotina ou de Produção: Quando os ensaios visam controlar a produção de uma determinada industria, eles são chamados de ensaios de rotina. Ensaio ao qual é submetido cada lote fabricado, durante ou após a fabricação, para verificar a conformidade do produto em relação aos critérios previamente definidos. Esses ensaios podem ser efetuados em máquinas industriais ou em laboratórios de análise. Ensaios e Conformação Mecânica Escolha do Ensaio: A escolha do ensaio mais interessante ou mais adequado para cada produto, depende da finalidade do material, dos tipos de esforços que esse material vai sofrer e das propriedades que se desejar medir. Sempre que possível, deve-se procurar saber qual a especificação do material que vai usar, a fim de realizar somente os ensaios e as análises necessárias. Ensaios e Conformação Mecânica Material Frágil: O material é classificado como frágil, quando submetido a ensaio, e NÃO apresenta deformação plástica, passando da deformação elástica para o rompimento. Exemplos: - Concreto; - Vidro; - Cerâmica; - Gesso; Ensaios e Conformação Mecânica Material Dúctil: O material é classificado como dúctil, quando submetido a ensaio, apresenta deformação plástica, precedida por uma deformação elástica, para atingir o rompimento. Exemplos: - Aços; - Alumínio; - Cobre; - Bronze; - Latão; - Níquel; Ensaios e Conformação Mecânica Sistema Internacional de Unidades utilizados nos Ensaios: As unidades mais usadas em ensaios são as seguintes: - Área: mm2 ou cm2 ou m2; - Força: Newton (1N = 0,102 kgf) ou quilograma-força (1kgf = 9,8 N); - Tensão: 1 MPa = 0,102 kgf/mm2 ou 9,8 MPa = 9,8 N/mm2; - Tensão: 1 Pa = 1 N/m2; - Energia: Joule (1 J = 0,102 kgf.m) ou (1 kgf.m = 9,8 J) Ensaios e Conformação Mecânica Exercício: Sabendo que a tensão sofrida por um corpo é de 20 N/mm2, como você expressa esta mesma medida em: a) MPa; b) kgf/mm2; Ensaios e Conformação Mecânica Exercício: Sabendo que a tensão sofrida por um corpo é de 20 N/mm2, como você expressa esta mesma medida em: a) MPa; 20 MPa b) kgf/mm2; 2,04 kgf/mm2
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