Relatório de Tração - BCT028 Laboratório de Ciências dos Materiais

Prévia do material em texto

Universidade da Integração Internacional da Lusofonia
Afro-Brasileira
Instituto de Engenharia e Desenvolvimento Sustentável
Bacharelado em Engenharia de Energias
II RELATÓRIO - TENSÃO
Turma: BCT
Orientador: Prof. Dr. Carlos Cáceres
1) OBJETIVO
Determinação das propriedades mecânicas de um metal utilizando tabela de “força x
comprimento de deformação” informada em sala de aula. Também determinar através do
gráfico de “tensão x deformação” o modulo de elasticidade, limite de escoamento (0,2%),
limite de resistência, limite de ruptura e ductilidade em termos de variação e comprimento de
área. 
2) INTRODUÇÃO
2.1) Ensaio de Tração
Em um ensaio de tração, um corpo de prova é submetido a um esforço que tende a
alongá-lo ou esticá-lo até à ruptura. Geralmente, o ensaio é realizado num corpo de prova de
formas e dimensões padronizadas, para que os resultados obtidos possam ser comparados ou,
se necessário, reproduzidos. Este é fixado numa máquina de ensaios que aplica esforços
crescentes na sua direção axial, sendo medidas as deformações correspondentes. Os esforços
ou cargas são mensurados na própria máquina, e, normalmente, o ensaio ocorre até a ruptura
do material.
Figura 6.2 do Callister
Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformações
promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o seu corpo, pelo menos até
ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio e, como é possível fazer com que a
carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de tração
permite medir satisfatoriamente a resistência do material. A uniformidade da deformação
permite ainda obter medições para a variação dessa deformação em função da tensão
aplicada. Essa variação, extremamente útil para o engenheiro, é determinada pelo traçado da
curva tensão-deformação a qual pode ser obtida diretamente pela máquina ou por pontos. A
uniformidade termina no momento em que é atingida a carga máxima suportada pelo
material, quando começa a aparecer o fenômeno da estricção ou da diminuição da secção do
provete, no caso de matérias com certa ductilidade. A ruptura sempre se dá na região mais
estreita do material, a menos que um defeito interno no material, fora dessa região, promova
a ruptura do mesmo, o que raramente acontece.
A precisão de um ensaio de tração depende, evidentemente, da precisão dos aparelhos
de medida que se dispõe. Com pequenas deformações, pode-se conseguir uma precisão maior
na avaliação da tensão ao invés de detectar grandes variações de deformação, causando maior
imprecisão da avaliação da tensão. Mesmo no início do ensaio, se esse não for bem conduzido,
grandes erros pode ser cometidos, como por exemplo, se o provete não estiver bem alinhado,
os esforços assimétricos que aparecerão levarão a falsas leituras das deformações para uma
mesma carga aplicada. Deve-se portanto centrar bem o corpo-de-prova na máquina para que
a carga seja efetivamente aplicada na direção do seu eixo longitudinal.
Em um ensaio de tração, obtém-se o gráfico tensão-deformação, na qual é possível
analisar o comportamento do material ao longo do ensaio. Do início do ensaio, até a ruptura,
os materiais geralmente passam pelas deformações elásticas e plásticas.
Gráfico coleta da Wikipedia
2.1.1) Deformação Elástica
Para a maioria dos metais que são solicitados em tração e com níveis de tensão
relativamente baixos, a tensão e a deformação são proporcionais de acordo com a relação
abaixo.
Esta é a conhecida lei de Hooke uniaxial e a constante de proporcionalidade “E” é o
módulo de elasticidade, ou módulo de Young.
As deformações elásticas não são permanentes, ou seja, quando a carga é removida, o
corpo retorna ao seu formato original. No entanto, a curva tensão-deformação não é sempre
linear, como por exemplo, no ferro fundido cinzento, concreto e polímeros.
Até este ponto, assume-se que a deformação elástica é independente do tempo, ou
seja, quando uma carga é aplicada, a deformação elástica permanece constante durante o
período em que a carga é mantida constante. Também é assumido que após a remoção da
carga, a deformação é totalmente recuperada, ou seja, a deformação imediatamente retorna
para o valor zero.
2.1.2) Deformação Plástica
Acima de uma certa tensão, os materiais começam a se deformar plasticamente, ou
seja, ocorrem deformações permanentes. O ponto na qual estas deformações permanentes
começam a se tornar significativas é chamado de limite de escoamento.
Para metais que possuem transição gradual do regime elástico para o plástico, as
deformações plásticas se iniciam no ponto na qual a curva tensão-deformação deixa de ser
linear, sendo este ponto chamado de limite de proporcionalidade (ou tensão limite-
elasticidade). No entanto, é difícil determinar este ponto precisamente. Como conseqüência,
criou-se uma convenção na qual é construída uma linha reta paralela à porção elástica,
passando pela deformação de 0,2% da deformação total. A tensão correspondente à
intersecção desta linha com a curva tensão-deformação é o limite de escoamento (ou tensão
de cedência).
A magnitude do limite de escoamento é a medida da resistência de um material à
deformação plástica e pode variar muito, como por exemplo, entre 35 MPa para uma liga de
alumínio de baixa resistência até 1400 MPa para um aço de alta resistência.
Durante a deformação plástica, a tensão necessária para continuar a deformar um
metal aumenta até um ponto máximo, chamado de limite de resistência à tração (ou tensão
de ruptura), na qual a tensão é a máxima na curva tensão-deformação de engenharia. Isto
corresponde a maior tensão que o material pode resistir; se esta tensão for aplicada e
mantida, o resultado será a fractura. Toda a deformação até este ponto é uniforme na seção.
No entanto, após este ponto, começa a se formar uma estricção, na qual toda a deformação
subseqüente está confinada e, é nesta região que ocorrerá ruptura. A tensão corresponde a
fractura é chamada de limite de ruptura.
Assim, é possível obter o gráfico tensão-deformação, que varia conforme o material
analisado. Por exemplo, os materiais frágeis, como cerâmicas e concreto, não apresentam um
limite de escoamento. Já os materiais dúcteis, como o alumínio, não apresentam o limite de
escoamento bem definido.
 
Diagrama tensão-deformação para
uma liga típica de alumínio:
1. Tensão máxima de tração
2. Limite de escoamento
3. Tensão limite de proporcionalidade
4. Ruptura
5. Deformação "offset" (tipicamente
0,002).
Diagrama tensão-deformação para
um material frágil:
1. Tensão máxima de tração
2. Ruptura
2.1.3) Módulo de Elasticidade (E)
Esta é uma propriedade específica de cada metal e corresponde à rigidez deste.
Quanto maior o módulo menor será a deformação elástica. Esta propriedade pode ser obtida
através da fórmula do módulo de elasticidade, que é E = / (Lei de Hooke) , onde é aσ ε σ
tensão dada por Força/ Área e “ ” é a deformação dada por ΔL / L0. Graficamente podemosε
achar E pela tangente da reta que representa a deformação elástica do corpo.
2.1.4) Limite de Escoamento ( e) σ
O escoamento corresponde a transição entre a deformação elástica e a plástica. O
limite de escoamento superior é a tensão máxima durante o período de escoamento. Essa
tensão é seguida por uma queda repentina da carga que representa o início da deformação
plástica. Após isso a curva se estabiliza e o valor desta tensão equivale ao limite de
escoamento inferior. Tais resultados não dependem apenas do material, mas também de
outros fatores como a geometria e as condições do corpo de prova. O limite de escoamento
pode ser obtido pela intersecção da curva tensão x deformação com uma reta paralela a parte
querepresenta a deformação elástica do gráfico deslocada de 0,2%.
2.1.5) Limite de Resistência Mecânica ( u)σ
Corresponde a tensão máxima obtida durante o ensaio de tração tendo pouca
importância na resistência dos metais dúcteis.
2.1.6) Limite de Ruptura ( r) σ
O limite de ruptura corresponde à tensão na qual o material se rompe.
2.1.7) Módulo de Tenacidade (UT )
Tenacidade de um metal é a sua habilidade de absorver energia na região plástica. Já
o módulo de tenacidade é a quantidade de energia absorvida por unidade de volume até a
fratura. Esse valor corresponde à área total abaixo da curva de Tensão x Deformação.
2.1.8) Módulo de Resiliência (UR)
Resiliência de um metal é a sua capacidade de absorver energia e depois descarregá-la
quando deformado elasticamente. Já o módulo de resiliência é a energia de deformação por
unidade de volume necessária para tensionar o metal até o final da região elástica. Esse valor
corresponde a área total abaixo do gráfico até o final da região elástica.
2.1.9) Alongamento Total (A)
Corresponde ao aumento percentual de comprimento na região útil do corpo de prova
observado até a ruptura do corpo de prova. Pode ser determinado pela expressão: 
A = ( Lf – L0) / L0 x 100
2.1.10) Estricção ()
É uma medida do estrangulamento da seção. Também pode caracterizar a ductilidade
do material, pois quanto maior for a estricção mais dúctil será o metal. É obtida pela
fórmula: 
 = (S0 – Sf) / S0 x 100
3) MATERIAIS UTILIZADOS
Devido ao problema ocorrido na maquina de tração da universidade não foi possível
fazer o levantamento dos dados e também descrever como realizar o ensaio, porém o Prof.
Alcindo passou um levantamento utilizado anteriormente para aplicação neste relatório,
portanto os materiais utilizados e o procedimento informado abaixo fazem parte da pesquisa.
- Corpo de prova conforme figura abaixo:
Figura 6.2 do Callister
- Maquina de tração conforme exemplo abaixo:
Figura Telecurso 2000, aula 4
4) PROCEDIMENTO
O primeiro procedimento consiste em identificar o material do corpo de prova. Corpos
de prova podem ser obtidos a partir da matéria-prima ou de partes específicas do produto
acabado.
Depois, deve-se medir o diâmetro do corpo de prova em dois pontos no comprimento
da parte útil, utilizando um micrômetro, e calcular a média.
Por fim, deve-se riscar o corpo de prova, isto é, traçar as divisões no comprimento
útil. Num corpo de prova de 50 mm de comprimento, as marcações devem ser feitas de 5 em
5 milímetros.
Figura Telecurso 2000, aula 4
Assim preparado, o corpo de prova estará pronto para ser fixado à máquina de ensaio.
Fixa-se o corpo de prova na máquina por suas extremidades, numa posição que
permite ao equipamento aplicar-lhe uma força axial para fora, de modo a aumentar seu
comprimento.
A máquina de tração é hidráulica, movida pela pressão de óleo, e está ligada a um
dinamômetro que mede a força aplicada ao corpo de prova.
A máquina de ensaio possui um registrador gráfico que vai traçando o diagrama de
força e deformação, em papel milimetrado, à medida em que o ensaio é realizado.
5) RESULTADOS
O ensaio foi realizado em um corpo de prova em alumínio com diâmetro de 12.8mm e
comprimento útil de 50.8mm, obtendo-se o diâmetro final de 6.4mm. Foram coletados os
seguintes dados:
CARGA (N) COMPRIMENTO “L”
(mm)
0 50,8
7330 50,851
15100 50,902
30400 51,003
41300 51,816
44800 52,832
46200 53,848
47500 54,880
44800 57,658
36400 59,182 (ruptura)
Através dos dados acima foi confeccionada a tabela abaixo de tensão( ) x deformação( ),σ ε
obtendo-se os cálculos abaixo:
 ε = 
(li−l0)
l0
=Δl
l0
 e σ= F
A
 
 
COMPRIMEN
TO "L" (mm)
Alongamento
“ ” (mm/mm)ε CARGA (N) (Mpa)σ
50,8 0,0000 0 0
50,851 0,0010 7330 57,0
50,902 0,0020 15100 117,3
51,003 0,0040 30400 236,2
51,816 0,0200 41300 321,0
52,832 0,0400 44800 348,2
53,848 0,0600 46200 359,0
54,88 0,0803 47500 369,1
57,658 0,1350 44800 348,2
59,182 0,1650 36400 282,9
Segue abaixo a curva característica do material testado:
Em um ensaio de tração, a primeira parte do diagrama apresenta-se como uma
reta e é chamada de fase linear. O módulo de elasticidade (E) é o coeficiente angular
desta reta e também pode ser escrito como o quociente entre a tensão e a deformação.
Logo “ E” é: 58,9 GPa
Limite de Escoamento é determinado a partir da curva obtida no ensaio de
deformação, traçando-se uma paralela ao regime elástico com início no ponto de
deformação 0,002 e encontrando o ponto em que esta intercepta a curva.
Logo “ e” é: 250 MPaσ
O limite de resistência mecânica corresponde a tensão referente ao ponto
máximo da curva obtida.
Logo “ u” é: 369,1 MPaσ
Para o limite de ruptura, esse corresponde a tensão referente no ponto de
ruptura do corpo de prova, ou seja, “ u” é 282,9 MPa.σ
A dutilidade pode ser expressa quantitativamente tanto como porcentagem de
elongação quanto como porcentagem de redução de área. A porcentagem de
elongação, %EL, é a porcentagem de deformação plástica na fratura:
%EL = [(lf - lo) / lo] x 100
Porcentagem de Redução de Área %RA é definida como:
Limite de Escoamento
Limite de Resistência 
Mecânica
%RA = [(Ao - Af)/Ao] x 100
Efetuando os cálculos acima obtemos:
%EL = [(59,182-50,8)/50,8] x 100 = 16,5% (Alongamento Total)
%RA = [(128,7-32,2)/128,7] x 100 = 75% (Estricção)
6) CONCLUSÃO
Observando o gráfico do material ensaiado (alumínio) podemos observar que
trata-se de um material dutil.
O ensaio foi bastante útil para verificação como retirar de um corpo de prova
todas as propriedades necessárias à engenharia de determinado material.
Abaixo seguem os dados calculados e valores de propriedades mecânicas
pesquisadas em diversos sites da internet.
Propriedades Mecânicas Valor Experimental Valor Pesquisado naInternet
Módulo de Elasticidade 58,9 GPa 70 GPa
Limite de Escoamento 250 MPa 255 MPa
Limite de Resistência 369,1 MPa 320 MPa
Limite de Ruptura 282,9 MPa 230 MPa
Alongamento 16,5% 15%
Estricção 75% 65%
7) REFERÊNCIAS
Sites:
Portal CIMM
HTTP://www.cimm.com.br – Materiais didáticos
Acesso em 20/04/09
Wikipedia
http://www.wikipedia.org.br - palavra chave: Ensaio de Tração
Acesso em 20/04/09
University of Liverpool
http://www.matter.org.uk – AluMatter
Acesso em 21/04/09
Livros:
Livro Telecurso 2000 - Mecânica – Ensaio de Materiais; aulas 2, 3, 4 e 5; editora Globo –
10/2003
Callister, William D., Ciência e Engenharia dos materiais, Editora LTC, São Paulo, Brasil.
2000
Souza, Sérgio Augusto de; Ensaios Mecânicos em materiais metálicos,Editora Edgard Blucher
Ltda, São Paulo, Brasil, 1974 
Normas Técnicas
ASTM E18-90a - Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials [Metric],
EUA, 1989.
ABNT NBR-6152; Determinação das Propriedades Mecânicas à Tração, 1980.
ASTM E8 / E8M - Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, EUA,
2008