Relatório de ensaio mecânico de tração em aço - Ciência dos materiais

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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS 
GERAIS 
 
 
 
 
 
 
CIÊNCIA DOS MATERIAIS 
ENGENHARIA DE PRODUÇÃO CIVIL / 4º PERÍODO 
 
 
 
AULA PRÁTICA 
ENSAIOS MECÂNICOS DE TRAÇÃO EM BARRAS DE 
AÇO 
 
 
 
 
 
Ana Luiza Gomes Madureira – Grupo 02 
 
 
 
 
 
 
BELO HORIZONTE, 01 DE MAIO DE 2015. 
1.1 – Introdução 
Um ensaio mecânico tem a finalidade de prever o real desempenho mecânico de um 
material, fornecendo parâmetros essenciais para a caracterização e especificação dos 
materiais. Os ensaios mecânicos mais comuns são os de compressão e os de tração. O ensaio 
de tração consiste, basicamente, em tracionar uma amostra (corpo de prova) até a sua ruptura 
ou até um determinado nível de deformação, gerando uma curva de carregamento capaz de 
fornecer diversos parâmetros mecânicos. Entre eles, tem-se: 
 Módulo de Elasticidade (E): Parâmetro que mede a rigidez do material, ou seja, o 
quanto o material é resistente à deformação. Pela Lei de Hooke, 𝜎 = 𝐸. ɛ 
 Tensão de escoamento (σe): É o valor de tensão a partir do qual as deformações 
reversíveis se tornam permanentes, o que caracteriza a transição entre o regime 
elástico e plástico. 
 Resistência à tração (σu): É o valor máximo de tensão obtido na curva de 
carregamento. 
 Deformação na ruptura (εf): É o parâmetro de ductilidade correspondente à 
deformação acumulada pelo material até o momento da falha. 
 Resiliência (Ur): É a energia absorvida na fase elástica. Na curva de carregamento, 
corresponde à área abaixo da curva no trecho que corresponde à fase elástica, isto 
é, área de um triângulo com vértices correspondentes à origem, tensão de 
escoamento (σe) e deformação de escoamento (εe) . 
 
1.2 - Objetivo 
Determinar os parâmetros mecânicos do aço utilizado baseado em dois ensaios de tração, 
em que um deles faz uso de um dispositivo, denominado clip-gauge, diferenciando as duas 
curvas de carregamento obtidas. Logo após, comparar os valores obtidos e discutir a respeito 
da influência do uso do clip-gauge sob os resultados. 
1.3 – Material utilizado 
 Computador com interface para registrar ponto a ponto os valores de carga aplicada e 
alongamento da barra 
 Paquímetro 
 Máquina universal de ensaios mecânicos 
 Dois corpos de prova - barras de aço estrutural cilíndricas 
 Extensômetro do tipo “clip-gauge”. 
 
1.4 – Parte experimental 
O experimento feito no laboratório próprio para a realização de ensaios mecânicos se 
dividiu em duas partes: 
Inicialmente, utilizou-se uma barra de aço como corpo de prova para realizar o ensaio de 
tração em uma Máquina universal de ensaios mecânicos, alongando a amostra até a sua 
ruptura. O comprimento inicial da amostra utilizado para os cálculos é dado pela dimensão do 
corpo de prova que se localiza no espaço entre os mordentes. Além disso, o diâmetro da barra 
também pôde ser medido através de um paquímetro. Para esse corpo de prova, 𝑙0 = 98,00 𝑚𝑚 
e 𝑑0 = 10,03 𝑚𝑚. Durante o ensaio, houve um controle de deslocamento, em que a velocidade 
vertical do travessão da máquina era constante e igual a 5 mm/min. Para a obtenção da curva 
da primeira parte do ensaio, considerou-se que o alongamento do corpo de prova é igual ao 
deslocamento do travessão. 
Na segunda parte do ensaio, um corpo de prova de mesmo material e diâmetro foi 
tracionado até pouco antes de sua ruptura a fim de preservar o dispositivo, denominado clip-
gauge, acoplado ao corpo de prova. O objetivo do acessório é considerar o deslocamento 
ocorrido apenas entre dois pontos do corpo de prova, desconsiderando os movimentos do 
travessão provenientes do escorregamento da peça. Neste caso, o comprimento inicial a ser 
considerado deve ser a dimensão da peça que estará fixa entre as extremidades do clip-gauge. 
Portanto, 𝑙0 = 25,00 𝑚𝑚. 
1.5 – Resultados dos ensaios 
A partir dos gráficos gerados durante cada ensaio mecânico, é possível determinar 
diversos parâmetros para comparar a influência das duas configurações sobre os resultados 
obtidos. 
1) Ensaio mecânico com ruptura: 
Inicialmente, a curva obtida através da interface com o computador relaciona as variáveis 
‘força’ e ‘alongamento’, medidas, respectivamente, em Newtons e milímetros: 
 
Gráfico 1: Força (N) x Alongamento (mm) para o corpo de prova que sofreu a ruptura 
 
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
0 5 10 15 20 25
fo
rç
a 
(N
) 
alongamento (mm) 
Para realizar uma análise inicial dos pontos registrados no gráfico, é necessário 
transformar a curva de alongamento (mm) x força (N) para uma de tensão (Mpa) x deformação 
utilizada na engenharia. Para isso, temos que dividir os valores de força pela área da seção 
transversal do aço e os alongamentos pelo comprimento inicial considerado na barra, que já foi 
determinado anteriormente. Portanto, o cálculo da área da seção transversal inicial é o que 
falta para obtermos a curva de carregamento de engenharia necessária para encontrar os 
parâmetros mecânicos do material, sem distorções devido à influência da geometria da peça. 
𝐴0 = 𝜋. (0,01003)
2.
1
4
= 7,9012𝑥10−5𝑚2 = 79,01 𝑚𝑚2 
Após as devidas transformações, obtêm-se o gráfico 2: 
 
Gráfico 2: Tensão (Mpa) x Deformação para o corpo de prova que sofreu a ruptura 
 Parâmetros mecânicos: 
 Módulo de elasticidade, E: 
 
Gráfico 3: Tensão (MPa) x Deformação ao longo da reta que define a fase elástica 
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
T
e
n
s
ã
o
 (
M
p
a
) 
Deformação 
y = 13900x - 626,56 
0
100
200
300
400
500
600
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
T
e
n
s
ã
o
 (
M
p
a
) 
Deformação 
Regime elástico do aço durante a 
tração 
Através do coeficiente angular da reta que define a fase elástica, é possível determinar o 
módulo de elasticidade. Logo, 
E = 13900 Mpa = 13,9 Gpa 
 Tensão de escoamento, 𝝈𝒆: 
Através de uma análise visual do gráfico, sabe-se que a tensão de escoamento, ou 
seja, o valor limite de tensão em que o material deixa o regime elástico para entrar no regime 
plástico, pode ser estimado em: 
𝜎𝑒 = 540 𝑀𝑝𝑎 
 Resistência à tração, 𝝈𝒖: 
Sabe-se que a resistência à tração do material aparece na curva de carregamento 
como sendo a tensão máxima do gráfico. Analisando o gráfico 1, estima-se que: 
𝜎𝑢 = 807 𝑀𝑝𝑎 
 Deformação na ruptura, ɛ𝒇: 
Como o ensaio é interrompido no momento em que o corpo de prova sofre a ruptura, 
sabe-se que a deformação na ruptura é a abscissa correspondente ao último ponto da curva. 
Sendo assim, pode-se estimar que: 
ɛ𝑓 = 0,236 
Em outras palavras, o corpo de prova, no momento exatamente anterior à ruptura, 
deformou-se cerca de 23,6%, de acordo com os dados do gráfico 2. 
 Resiliência, 𝑼𝒓: 
A resiliência, ou seja, a energia de deformação por unidade de volume absorvida pelo 
material na fase elástica é dada pela área do gráfico que está contida sob o regime elástico. 
Logo, 𝑈𝑟 = 
1
2
. ɛ𝑒. 𝜎𝑒 
Porém, sabe-se que, no regime elástico, a lei de Hooke é sempre válida. Portanto, 
ɛ𝑒 = 
𝜎𝑒
𝐸⁄ . Logo, a resiliência também é dada por 𝑈𝑟 = 
𝜎𝑒
2
2𝐸
⁄ . 
 𝑈𝑟 = 
(540𝑥106𝑃𝑎)2
2. (13,9𝑥109𝑃𝑎)
⁄ 
 𝑈𝑟 = 10,5 
𝐽
𝑚3
⁄ 
2) Ensaio mecânico com clip-gauge: 
Realizando um procedimento análogo ao do primeiro ensaio mecânico, tem-se, 
inicialmente, a curva força (N) x alongamento (mm) do ensaio mecânico de tração: 
 
Gráfico 4: Força (N) x Alongamento (mm) para o corpo de prova acoplado ao clip-gauge 
Para transformaro gráfico 4 em uma curva de carregamento utilizada na engenharia, 
os valores de força serão divididos pela mesma área da seção transversal do aço no ensaio em 
que ocorreu a ruptura, já que o diâmetro da barra é o mesmo. Já os alongamentos serão 
divididos pelo comprimento inicial considerado no clip-gauge, como discutido anteriormente. 
Logo, 
𝐴0 = 79,01 𝑚𝑚
2 e 𝑙0 = 25,00 𝑚𝑚 
Após as devidas transformações, obtêm-se o gráfico 5: 
 
Gráfico 5: Tensão (Mpa) x Deformação para o corpo de prova acoplado ao clip-gauge 
Parâmetros mecânicos: 
 Módulo de elasticidade, E: 
Através do coeficiente angular da reta que define a fase elástica, é possível determinar 
o módulo de elasticidade: 
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
-0,05 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45
fo
rç
a 
(N
) 
alongamento (mm) 
0
100
200
300
400
500
600
700
800
-0,005 0 0,005 0,01 0,015 0,02
T
e
n
s
ã
o
 (
M
P
a
) 
Deformação 
 
Gráfico 6: Tensão (MPa) x Deformação ao longo da reta que define a fase elástica 
Portanto, 
E = 185759 Mpa = 185,8 Gpa 
 Tensão de escoamento, 𝝈𝒆: 
Através de uma análise visual do gráfico, sabe-se que a tensão de escoamento, ou 
seja, o valor limite de tensão em que o material deixa o regime elástico para entrar no regime 
plástico, pode ser estimado em: 
𝜎𝑒 = 520 𝑀𝑝𝑎 
 Resiliência, 𝑼𝒓: 
A resiliência, ou seja, a energia de deformação por unidade de volume absorvida pelo 
material na fase elástica é dada pela área do gráfico que está contida sob o regime elástico. 
Como detalhado anteriormente, sabe-se que a resiliência é dada por 𝑈𝑟 = 
𝜎𝑒
2
2𝐸
⁄ . Portanto, 
 𝑈𝑟 = 
(520𝑥106𝑃𝑎)2
2. (185,8𝑥109𝑃𝑎)
⁄ 
 𝑈𝑟 = 7,28 𝑥 10
5 𝐽 𝑚3
⁄ 
1.6 – Conclusão 
Os ensaios mecânicos de tração do aço foram realizados em duas condições diferentes, 
uma levando o corpo de prova à ruptura e outra encerrando o ensaio antes da ruptura, com o 
uso de um clip-gauge. Ao comparar os gráficos obtidos, principalmente em relação à escala 
dos eixos, percebe-se que o primeiro ensaio relatou um alongamento muito maior que o 
segundo. Também foi possível verificar que o primeiro ensaio extrapolou o valor real do 
alongamento, através de uma comparação entre o comprimento total da peça após a ruptura e 
outra amostra semelhante ao corpo de prova inicial. Isso ocorre porque, durante a tração, a 
y = 185759x + 137,99 
0
100
200
300
400
500
0 0,0005 0,001 0,0015 0,002
T
e
n
s
ã
o
 (
M
p
a
) 
Deformação 
Regime elástico - Com clip-gauge 
peça costuma escorregar entre os apoios, distorcendo os valores de alongamento medidos, já 
que estes consideram apenas o movimento do travessão. 
Já o segundo ensaio apresentou alongamentos significativamente menores, pois pôde 
obter uma medida mais precisa, desconsiderando os efeitos de escorregamento da peça. 
Assim sendo, a deformação no corpo de prova em cada ensaio, por ser diretamente 
dependente do alongamento medido, sofreu grandes variações, influenciando na medida do 
módulo de elasticidade do material, devido à sua relação com a lei de Hooke. Apesar da 
grande influência do uso do clip-gauge sob a deformação do material, o acessório não interfere 
nas medidas de força e, consequentemente, de tensões registradas. 
No primeiro ensaio, o módulo de elasticidade encontrado foi de 13,9 GPa e a resiliência foi 
10,5 𝐽 𝑚3
⁄ . Já com o uso do clip-gauge, o módulo de elasticidade foi 185,8 GPa e a resiliência 
foi 728.000 𝐽 𝑚3
⁄ . A grande diferença entre os valores obtidos nos permite afirmar que o 
segundo ensaio apresentou resultados mais precisos e fiéis à realidade, pois o alongamento 
apontado pela curva é mais próximo ao verificado na prática e o módulo de elasticidade 
registrado é compatível com os valores conhecidos para um modelo de aço estrutural.