Relatório Propriedades Mecânicas

Prévia do material em texto

PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS 
MATERIAIS 
 
 
 
Pós- Graduandos: Fernanda de Oliveira Tavares 
 Laura Adriane de Moraes Pinto 
 Michel Lincoln Domingues 
 
 
Disciplina: Caracterização de Materiais. 
Profa. Dra. Silvia Luciana Favaro Rosa. 
 
 
 
Maringá – PR 
2016 
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA 
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
1. MATERIAIS E MÉTODOS 
 
1.1. Ensaio de Tração 
O ensaio de tração seguiu a norma ASTM D638. Para o ensaio utilizou-se a máquina de testes 
EMIC (DL10000), com célula de carga de 5.000N (Figura 1) e velocidade do ensaio de 30 mm por 
minuto com corpos de prova de polietileno reforçado com 60% de casca de arroz. 
 
 
Figura 1. Equipamento utilizado no ensaio de tração. 
 
A tensão aplicada pode ser determinada a partir dos dados de força, deformação e área 
por meio da Eq. 1. 
 
𝜎 =
𝐹
𝐴
 (1) 
Onde: 
σ = tensão. 
F= força aplicada ao corpo de prova. 
A= área da seção transversal do material. 
 
Já a deformação específica é obtida a partir da relação entre o comprimento inicial e 
final do corpo de prova (Eq. 2). 
 
𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎çã𝑜(𝜀) =
𝑙𝑓−𝑙𝑜
𝑙𝑜
 (2) 
 Assim: 
ε= deformação específica do material, 
lf= comprimento final do corpo de prova, 
lo= corresponde ao comprimento inicial do corpo de prova. 
 
A partir do gráfico de tensão em função da deformação específica, é possível conhecer 
diversos parâmetros relacionados ao material em estudo, como por exemplo, o módulo de 
elasticidade, resiliência, tenacidade, tensão máxima aplicada, tensão de ruptura, ductilidade do 
material e limite de escoamento. 
O módulo de elasticidade pode ser calculado pela lei de Hooke conforme apresentado 
(Eq. 3): 
 
𝜎 = 𝐸. 𝜀 (3) 
Em que: 
σ= tensão aplicada, 
E= módulo de elasticidade ou módulo de Young, 
ε= deformação específica do material. 
 
O limite de escoamento está associado à deformação irrecuperável do material. 
Quando não se observa nitidamente o fenômeno de escoamento, a tensão de escoamento 
corresponde à tensão necessária para promover uma deformação permanente no material que 
pode variar para cada tipo de material conforme apresentado na Tabela 1. 
 
Tabela 1. Padrão para definição do limite de escoamento para diferentes tipos de materiais. 
Material Parâmetro 
Metais e ligas em geral n=0,2% (𝜀 = 0,002) 
Cobre e suas ligas n=0,5% (𝜀 = 0,005) 
Ligas metálicas duras n=0,1% (𝜀 = 0,001) 
Cerâmicos n=0,1% (𝜀 = 0,001) 
Polímeros n=0,5% (𝜀 = 0,005) 
 
A resiliência pode ser obtida através da integral da área referente à deformação 
elástica do material, já a tenacidade refere-se à área pertinente à deformação elástica e plástica 
do material. Uma ilustração gráfica para estas medidas pode ser observada na Figura 2. 
 
Figura 2. Ilustração gráfica dos módulos de resiliência (a) e tenacidade (b) para os materiais. 
 
 A ductilidade pode ser calculada em termos de alongamento, conforme apresentado na 
Eq. 4. 
 
% 𝑎𝑙𝑜𝑛𝑔𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =
𝑙𝑓−𝑙𝑜
𝑙𝑜
∗ 100 (4) 
 Em que: 
lf= comprimento final do corpo de prova, 
lo= comprimento inicial do corpo de prova antes do ensaio. 
 
1.2. Ensaio de Dureza Rockwell C 
Para o ensaio de dureza Rockwell C, utilizou-se um durômetro digital acoplado com 
penetrador cônico com ponta de diamante com ângulo interno médio de 120° ± 0,1°. (Figura 
3). 
 
Figura 3. Durômetro digital. 
 
A leitura da dureza das amostras foi realizada em triplicata. Primeiramente fez-se a 
leitura de corpos de prova de dureza conhecida e posteriormente, na superfície de estudo. Os 
ensaios foram realizados na escala vermelha, onde o valor é atribuído diretamente na escala 
previamente determinada. O número de dureza é sempre citado com o símbolo HR, seguido 
da escala utilizada. O valor da Dureza Rockwell C é um número arbitrário proporcional à 
profundidade de penetração. 
 
1.3. Ensaio de Impacto Izod 
Para o ensaio de impacto Izod foram utilizados corpos de prova de polietileno reforçado com 
20% de casca de arroz. Os ensaios de impacto seguiram a norma ASTM D256. 
Inicialmente os corpos de prova tiveram sua espessura medida com o auxílio de um 
paquímetro e em seguida foram entalhados com recorte de 1,4 mm de profundidade na forma de V 
(45°). Para o procedimento de entalhe, foi utilizado um entalhador manual CEAST (Figura 4). Os 
ensaios foram realizados em um Resil Impactor Júnior Tester CEAST (Figura 5). 
 
 
Figura 4. Entalhador manual. 
 
 
 Figura 5. Resil Impactor Júnior Tester CEAST. 
 
Quando um ensaio de impacto (Figura 5) é realizado, a energia lida na escala do equipamento 
não corresponde exatamente à energia absorvida pelo corpo de prova ensaiado. Este fato é devido as 
forças que realizam trabalho oposto a força gravitacional, como por exemplo, a existência do ar, 
devendo-se descontar essa parcela de energia referente às perdas na efetivamente da energia absorvida 
pela resistência à quebra do corpo de prova. 
𝛽𝑚á𝑥 = 𝑎𝑟𝑐 𝑐𝑜𝑠 [1 − (
𝑎
𝑅
) ∗ (1 −
𝐸𝑎
𝐸𝑚
)] (5) 
 
Em que: 
 βmáx= é o ângulo máximo atingido pelo pêndulo sem um corpo de prova, 
 Ea= é a primeira energia livre sem o corpo de prova, 
Em= é a energia nominal do pêndulo. 
Quando o corpo de prova é posicionado, a equação é representada pela equação 6 em que Es é a 
energia registrada pela máquina de ensaio. 
𝛽 = 𝑎𝑟𝑐 𝑐𝑜𝑠 [1 − (
𝑎
𝑅
) ∗ (1 −
𝐸𝑠
𝐸𝑚
)] (6) 
A correção de energia, Et, é expressa por: 
𝐸𝑡 = (
𝐸𝑎− 
𝐸𝑏
2
𝛽𝑚á𝑥
) ∗ 𝛽 +
𝐸𝑏
2
 (7) 
Em que: 
 Eb= é a energia associada à segunda queda sem corpo de prova (no caso de mostrador 
analógico, realiza-se a segunda oscilação sem zerar o ponteiro da primeira oscilação). 
Para o cálculo de resistência ao impacto real do corpo de prova, Is, tem-se: 
𝐼𝑠 = 
𝐸𝑠 − 𝐸𝑡
𝑡
 (8) 
Em que: 
 t= é a espessura do corpo de prova. 
Para o simples cálculo de resistência ao impacto sem correção, Isn, se desprezam as energias de 
perdas tal que: 
𝐼𝑠𝑛 = 
𝐸𝑠
𝑡
 (9) 
Para efeitos de cálculo, a resistência do ar foi considerada a partir da liberação do pêndulo em 
oscilação livre sem o corpo de prova por duas vezes. Este valor foi descontado na equação. 
A fixação do corpo de prova no equipamento de ensaio de impacto foi feita conforme o 
método Izod, onde a face do entalhe se encontra voltada para o martelo. 
 
2. RESULTADOS E DISCUSSÃO 
 
2.1. Ensaios de Tração 
As dimensões dos corpos de prova (Figura 6) utilizados no ensaio de Tração estão 
apresentadas na Tabela 2. 
 
Figura 6. Corpos de provas utilizados no ensaio de tração. 
(*A amostra 3 fraturou durante o manuseio. Dessa forma, a mesma foi retirada dos cálculos posteriores). 
 
 
 Tabela 2. Dimensões das amostras para o ensaio de tração. 
Amostras (a) Altura (mm) (b) Largura (mm) (c) Espessura (mm) 
1 65 11,90 3,21 
2 65 11,95 3,20 
3 65 12,10 3,20 
4 65 12,20 3,20 
5 65 12,20 3,20 
 
 
 
Figura 7. Gráficos tensão versus deformação específica. 
 
A partir dos gráficos de tensão-deformaçãoconforme apresentado na Figura 7, foram 
calculados os parâmetros de limite de resistência à tração, resiliência, tenacidade, módulo de 
elasticidade, ductilidade e limite de escoamento. 
 
Módulo de Elasticidade 
Para o cálculo do módulo de elasticidade é necessário se delimitar a parte elástica da 
curva de tensão-deformação, sendo representada no gráfico por meio da relação linear entre 
tensão-deformação, em que a inclinação da reta corresponde ao modulo de elasticidade do 
material. 
 Nos gráficos contidos na Figura 8 é apresentada a região utilizada para o cálculo do 
módulo de elasticidade. 
 
Figura 8. Gráficos do módulo elástico dos materiais em estudo. (A) material 1; (B) 
material 2; (C) material 4 e (D) material 5. 
 
Os valores dos módulos de elasticidade obtidos por meio dos cálculos referentes à 
cada material estão apresentados na Tabela 3. 
 
Tabela 3. Módulo de elasticidade dos materiais. 
Amostra 1 2 4 5 
Módulo de elasticidade calculado (Mpa) 397,39 423,89 268,61 320,71 
 
 
Limite de escoamento 
É de extrema importância conhecer o nível de tensão no qual inicia-se a deformação 
plástica, ou seja, quando ocorrerá o fenômeno de escoamento. Para os diversos tipos de 
materiais que apresentam transição gradual de deformação elástica para deformação plástica, 
o ponto de escoamento pode ser determinado como aquele onde ocorrerá o afastamento da 
linearidade na curva tensão-deformação, representando assim, o início da deformação 
plástica. Por convenção, estabeleceu-se a construção de uma linha reta paralela a porção 
elástica da curva em alguma deformação pré especificada. A interseção dessa linha com a 
curva tensão deformação, conforme essa se inclina na região plástica é definida como limite 
de escoamento. 
 A avaliação do limite de escoamento neste trabalho foi delimitada com base em uma 
reta distante 0,005 do valor inicial de deformação específica, sendo o último valor numérico 
referente à deformação elástica do material. Os resultados encontram-se apresentados na 
Tabela 4. 
 
Tabela 4. Deformação dos compósitos por meio do ensaio de tração. 
Amostra 1 2 4 5 
Limite de escoamento (N/mm2) 9,99 7,37 11,23 10,53 
 
Ductilidade 
Os valores de ductilidade em termos de alongamento foram avaliados considerando o 
último ponto dos respectivos gráficos e o comprimento inicial do material (65 mm). Como os 
dados estão dispostos em medida de deformação específica, é necessário apenas verificar o 
último ponto da curva de tensão-deformação antes da ruptura do material, conforme 
apresentado na Eq.4. Os resultados de deformação para as amostras encontram-se 
apresentados na Tabela 5. 
 
Tabela 5. Deformação dos compósitos por meio do ensaio de tração. 
Amostra 1 2 4 5 
Deformação (%) 3,97 2,91 5,24 4,56 
 
Os materiais frágeis são considerados, de maneira aproximada, como aqueles que 
possuem uma deformação de fratura menor que 5%, enquanto matérias dúcteis apresentam 
deformação superior. Desta forma, os materiais 1, 2 e 5 apresentaram comportamento frágil. 
O comportamento frágil observado para amostra 4 não se repetiu, apresentando perfil dúctil 
de acordo com o cálculo realizado. Tal fato, pode estar associado à uma desuniformidade em 
relação as fibras disposta no material de estudo, sendo necessário testes específicos de 
caracterização de materiais para verificação e confirmação do resultado obtido. Uma 
porcentagem menor de fibras ou até mesmo uma pequena mudança na orientação das destas, 
podem ser o motivo da alteração das propriedades verificadas em tal amostra. 
 
Limite de resistência à tração 
O limite de resistência a tração é obtido por meio do ensaio de tração, sendo este a 
máxima tensão que um material pode suportar ao ser esticado ou puxado antes do 
rompimento. Os valores de limite de resistência à tração dos materiais estudados encontram-
se na Tabela 6. 
 
Tabela 6. Tensão máxima e tensão de ruptura para o ensaio de tração. 
Amostra 1 2 4 5 
Limite de resistência à tração (MPa) 13,79 14,56 13,20 13,44 
 
Resiliência 
Os valores de resiliência foram obtidos por meio da área referente ao comportamento 
elástico da curva de tensão-deformação. Os resultados obtidos por meio do ensaio realizado 
encontram-se dispostos na Tabela 7. 
 
Tabela 7. Valores de resiliência das amostras estudadas. 
Amostra 1 2 4 5 
Resiliência (J/mm3) 0,13 0,06 0,23 0,17 
 
Tenacidade 
 A tenacidade foi calculada a partir dos ensaios de tração, sendo representada pela área 
sobre a curva de tensão versus deformação até o ponto de fratura, conforme apresentado na 
Tabela 8. 
 
Tabela 8. Valores de tenacidade dos materiais estudados. 
Amostra 1 2 4 5 
Tenacidade (J/mm3) 0,31 0,19 0,35 0,33 
 
Para que um material seja tenaz, ele precisa exibir tanto resistência quanto ductilidade. 
Devido ao material em estudo ser um material experimental não comercial (Polietileno 
reforçado com aproximadamente 60% de fibra de arroz), a comparação das propriedades 
mecânicas deste foram comparadas à dados encontrados na literatura conforme pesquisa de 
Fávaro e colaboradores (2009), em que os valores médios encontrados para o material 
ensaiado (polietileno reforçado com 60% de casca de arroz), do polietileno de alta densidade 
puro e do polietileno reciclado reforçado com 60% de fibra de casca de arroz, encontram-se 
apresentados na Tabela 9. 
 
Tabela 9. Valores médios dos parâmetros no material em estudo. 
 Parâmetros Material em estudo PEAD Puro PE/60C 
Resiliência (J/mm3) 0,15 
Tenacidade (J/mm3) 0,30 
Módulo de elasticidade (N/mm2) 352,65 ~450 ~ 620 
Limite de escoamento (N/mm2) 9,78 
Limite de resistência à tração (N/mm2) 13,75 ~21 ~14,9 
Ductilidade (%) 4,17 
 
 
Ao se comparar os valores médios obtidos para polietileno reforçado com 60% de 
casca de arroz aos valores descritos na literatura, podemos notar uma divergência no Módulo 
de Elasticidade encontrado para as amostras deste estudo. Este diferença pode ser devido a um 
erro de medição, já que o módulo de elasticidade calculado por nossa equipe se baseou na 
delimitação da parte elástica da curva de tensão-deformação. Se o alongamento registrado 
durante o ensaio estiver incorreto (devido aos primeiros instantes do ensaio, uma vez que um 
mal encaixe do corpo de prova na máquina de tração, registra um deslocamento inexistente na 
realidade), os valores da deformação específica também apresentam erros que refletiram no 
Módulo de Elasticidade. Já em relação ao limite de resistência à tração, os valores obtidos 
neste estudo encontram-se próximos ao valor encontrado na literatura. 
 
2.2. Dureza 
Os valores teóricos e experimentais coletados estão representados na Tabela 10. 
Tabela 10. Valores obtidos com o ensaio de Rockwell C 
Amostra 
Medida 
HR1 
Medida 
HR 2 
Medida 
HR 3 
Média 
Valor 
teórico 
Padrão I 19,6 20,3 20,1 20,0 21,2 
Padrão II 41,7 42,3 42,2 42,1 43,3 
Padrão III 60,9 61,2 61 61,0 62,1 
Amostra 19,3 19,3 19,3 19,1 - 
 
Com os valores médios experimentais e teóricos referentes aos padrões I, II e III, 
plotou-se o gráfico dureza teórica versus dureza experimental, em que ao se fazer o uso da 
equação da reta, obteve-se o valor real da amostra estudada. 
 
O valor real calculado a partir da equação da reta para a amostra foi de 20,3 HRC, 
sendo o erro experimental calculado em relação ao valor teórico, de 6%. 
 
2.3. Impacto 
Inicialmente o pêndulo foi liberado em oscilação livre para considerar a resistência do 
ar, registrando como valores de impacto de 0,032 J e 0,032 J, respectivamente. Estes valores 
foram descontados nos valoresde impacto das amostras avaliadas. A Tabela 11 apresenta os 
resultados da energia absorvida (J) pelos corpos-de-prova ensaiados, as resistência ao impacto 
não corrigida (RInc) bem como a resistência ao impacto corrigida dos compósitos (RIc). 
 
Tabela 11. Valores de energia e resistência ao impacto obtidos no ensaio de impacto. 
Amostra Espessura 
(mm) 
Energia 
(J) 
RInc 
(J/m) 
RIc 
(J/m) 
1 3,31 0,144 43,50 34,20 
2 3,23 0,176 54,49 45,04 
3 3,22 0,228 70,81 61,45 
4 3,22 0,142 44,10 34,53 
Valor médio 3,24 0,172 53,16 43,75 
 
Com o valor médio da resistência ao impacto sem correção (53,16 ± 12,7 J/m) e a 
resistência ao impacto corrigida (43,75 ± 12,8 J/m) foi possível observar que a correção da 
resistência ao impacto resultou num decréscimo de 17,7%. O alto desvio padrão encontrado se 
deve a amostra 4, que apresentou valor de resistência bem acima das outras amostras. 
Se considerarmos que o material da amostra 4 é igual ao das outras amostras, a 
diferença encontrada no valor da resistência ao impacto provavelmente pode estar relacionada 
a erros de operação e manuseio durante o ensaio. Um mal posicionamento da amostra na 
máquina ou mal dimensionamento do entalhe, podem causar modificações na análise. Um 
provável erro durante o entalhe da amostra pode ter ocorrido, uma vez que entalhes de menor 
profundida podem propiciar o aumento da resistência de impacto durante o ensaio. 
 
3. CONCLUSÃO 
 
Quanto aos resultados obtidos, acreditamos que apesar destes serem condizentes, a 
diferença das médias pode estar associadas tanto as variações das propriedades dos materiais 
compósitos somadas aos erros experimentais; tais como, erro de medições durante os ensaios 
mecânicos devido à má calibração dos equipamentos utilizados, erro na preparação das 
amostras e/ou a falta de um ambiente controlado (variação de temperatura, umidade, etc), 
possíveis falhas humanas no desenvolvimento do ensaio devido por ao mal encaixe do corpo 
de prova, manuseio dos equipamentos; entre outros fatores. 
A realização dos ensaios para determinação das propriedades mecânicas dos materiais 
contribui não apenas para a ampliação dos conceitos apresentados em sala, como também 
para o entendimento prático e forma de aplicação desses conceitos. 
 
4. REFERÊNCIAS 
 
ASTM D638-14, Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics, ASTM 
International, West Conshohocken, PA, 2014. 
 
ASTM D256-10e1, Standard Test Methods for Determining the Izod Pendulum Impact 
Resistance of Plastics, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2010. 
 
CALLISTER, W. D. J. Ciência e engenharia dos materiais Uma introdução, 8 ed. Rio de 
Janeiro: LTC, 2008. 
 
FÁVARO, S. L.; NETO, A. G. V. C.; GANZERLLI, T. A.; SUGUINO, B. S.; RADOVANOVIC, E. 
Análise química, morfológica e mecânica de compósitos de polietileno pós-consumo reforçados com 
casca de arroz. Anais do 10º Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro, 2009.