Relatório Ensaio de Materiais

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Universidade Federal de Lavras
Departamento de Engenharia
GNE121 – Tecnologia de Materiais I
Professor: Tomás de Aquino Ferreira
Relatório:
Ensaio de Materiais
Aluno:
Danilo Cezar Gonçalves Fernandes
Turma 22B
Lavras – MG
Dezembro/2014
Introdução
Todo projeto de um componente mecânico, ou, mais amplamente, qualquer projeto de engenharia, requer, para sua viabilização, um vasto conhecimento das características, propriedades e comportamento dos materiais disponíveis. 
Os critérios de especificação ou escolha de materiais impõem, para a realização dos ensaios, métodos normalizados que objetivam levantar as propriedades mecânicas e seu comportamento sob determinadas condições de esforços.
Essa normalização é fundamental para que se estabeleça uma linguagem comum entre fornecedores e usuários dos materiais, já que é prática comum a realização de ensaios de recebimento dos materiais encomendados, a partir de uma amostragem estatística representativa do volume recebido.
Finalidade dos Ensaios em Materiais:
Permitir a obtenção de informações rotineiras do produto – ensaios de controle: no recebimento de materiais de fornecedores e no controle final do produto acabado.
Desenvolver novas informações sobre materiais – no desenvolvimento de novos materiais, de novos processos de fabricação e de novos tratamentos.
Sabendo disso, esse relatório visa apresentar brevemente um estudo sobre Ensaios Mecânicos em Materiais Metálicos, mostrando uma descrição geral sobre os vários tipos de Ensaios Mecânicos, bem como apresentar e analisar os dados da atividade prática da disciplina de Tecnologia dos Materiais realizada no laboratório de Mecânica de Estruturas da Universidade Federal de Lavras na sexta-feira dia 12 de dezembro de 2014.
Noções básicas
A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente.
As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável.
Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças ou cargas: um exemplo é a liga de alumínio a partir da qual a asa de um avião é construída e o aço no eixo de um automóvel. Em tais situações, torna-se necessário conhecer as características do material e projetar o membro a partir do qual ele é feito, de tal maneira que qualquer deformação resultante não seja excessiva e não ocorra fratura. 
O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre sua resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada. Algumas propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductibilidade e a rigidez.
Os ensaios fornecem importantes dados para aplicação nos diversos campos da engenharia. As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de experimentos de laboratório cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições de serviço. Dentre os fatores a serem considerados incluem-se a natureza da carga aplicada e a duração da sua aplicação, bem como as condições ambientais. A carga pode ser de tração, compressiva, ou de cisalhamento, e a sua magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então flutuar continuamente.
A escolha do ensaio mecânico mais adequado para cada produto depende da finalidade a que o material se destina e do tipo de esforços que será submetido como parte integrante de um equipamento.
Esse relatório tem a finalidade de relatar a atividade prática que foi realizada, que já adiantando, foi escolhido um experimento com um Ensaio Mecânico de Tração aplicado a dois corpos de prova de dois tipos de metais diferentes na forma e composição. Mais a frente o experimento será relatado mais aprofundadamente.
Principais Propriedades Mecânicas
Se uma carga é estática ou se ela se altera de uma maneira relativamente lenta ao longo do tempo e é aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um membro, o comportamento mecânico pode ser verificado mediante um simples ensaio de tensão-deformação. Existem três maneiras principais segundo uma carga pode ser aplicada: tração, compressão e cisalhamento. Em engenharia, muitas cargas são de natureza torcional, e não de natureza puramente cisalhante.
A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos. Utilizam-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal.
Geralmente, usam-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.
Resistência à Tração
É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, paulatinamente crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento.
É a máxima tensão que o material resiste antes de haver sua ruptura. Calcula-se dividindo a carga máxima (em quilogramas) aplicada durante o ensaio, pela seção transversal em milímetros quadrados do corpo-de-prova.
O valor aumenta em função da liga, do trabalho a frio e do tratamento térmico (quando possível).
Elasticidade
A elasticidade é a capacidade que o material deve ter de se deformar quando submetido a um esforço, e de voltar à forma original quando o esforço termina.
Plasticidade
O material já não consegue recuperar sua forma e dimensões originais pois o mesmo é submetido a tensões que ultrapassam um certo limite (chamada de limite elástico) no qual o material sofre um deformação permanente.
Na conformação plástica dos metais, não basta somente considerar os efeitos mecânicos das forças atuantes, os efeito metalúrgicos dos materiais sendo conformados também constitui importante condição a ser levada em consideração. Os materiais metálicos podem responder diferentemente a uma mesma solicitação mecânica (tenso de tensões) de acordo com: 
 O histórico de carregamento mecânico sofrido pelo metal;
A temperatura onde esta solicitação ocorre;
A velocidade na qual este carregamento é imposto;
As condições de contato entre o metal e os moldes ou atuadores de carga;
A capacidade de dissipação de calor presente no meio.
Dureza
É a resistência do material à penetração, à deformação plástica permanente e ao desgaste. Em geral os materiais duros são também frágeis. 
Ductibilidade e 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. 
É a capacidade que um material tem em deforma-se plasticamente até sua ruptura. Um material que se rompe sem sofrer uma quantidade significativa de carga no regime plástico é denominado de frágil.
Tenacidade
É a capacidade que um material tem em absorver energia ate a sua ruptura. Também pode ser definida como a energia mecânica necessária para levar um material à ruptura.
Resiliência
É a capacidade que o material tem em absorver energia no regime elástico (quando é deformado elasticamente).
Após a tensão cessar poderá ou não haver uma deformação residual causada pela histerese do material - como um elástico ou uma vara de salto em altura, que verga-se até um certo limite sem se quebrar e depois retorna à forma original dissipando a energia acumulada e lançando o atleta para o alto.
Principais Ensaios Mecânicos
Antigamente avaliava-se a qualidade de um objeto através do seu uso contínuo, um desgaste rápido que levasse algum defeito da ferramenta era o método para avaliar a sua adequação ao uso. A avaliação era feita depois que o produto estivesse pronto. Nesse ponto entra os chamados “ensaios mecânicos”.
As propriedades mecânicas de um material são determinadasa partir de ensaios mecânicos. Esses ensaios são realizados a partir de CP (corpos de prova) com dimensões e forma especificadas em normas técnicas. Os ensaios mecânicos simulam esforços que os materiais iram sofrer sobre condições reais de “trabalho”.
As normas técnicas mais comuns  que são utilizadas nos ensaios são:
- ABNT (Associação Brasileira de Normas técnicas)
- ASTM (American Society for Testing and Materials)
Corpos de prova: são amostras do material padronizado por normas técnicas que são submetidos a um tipo especifico de ensaio.
Todo ensaio mecânico  pode ser classificado em:
Ensaios Mecânicos Destrutivos: A amostra testada (corpo de prova)  é deformada permanentemente até sua fratura, ou seja, deixam algum sinal no CP, mesmo que não fique inutilizado.
Alguns Ensaios Mecânicos Destrutivos estão listados abaixo;
Tração;
Compressão;
Fluência;
Dobramento;
Dureza.
Ensaios Mecânicos não Destrutivos: são ensaios que não provocam nenhum tipo de alteração nas propriedades do CP.
Alguns Ensaios Não-Destrutivos estão listados abaixo:
Líquido Penetrante;
Emissão Acústica;
Exame Visual;
Ensaio radiográfico.
Como já comentado, nossa atividade prática foi realizar um Ensaio de Tração, logo, iremos nos aprofundar mais nesse ensaio que é o tipo de ensaio destrutivo utilizado com mais freqüência (comum) nas indústrias.
Ensaio de Tração
O ensaio de tração consiste em  aplicar uma força uniaxial no material, tendendo-o a alongá-lo até o momento de sua fratura. Os CPs (corpos de prova) na maioria das vezes são circulares podendo também ser retangulares. 
O corpo de prova (sempre padronizado por normas técnicas) é fixado pelas suas extremidades nas garras de fixação da máquina de tração.
 O corpo de prova é então submetido a um esforço, aplicando uma carga gradativa e registrando cada valor de força correspondente a um diferente tipo de alongamento do material (alongamento este medido por um extensomêtro como mostra a figura). 
O ensaio termina quando o material se rompe. Para efeitos de reduzir as diferenças entre as dimensões de diferentes corpos de prova, utiliza-se o conceito de tensão convencional ou tensão de engenharia definido por:
F: Força aplicada;
Ao: Área da seção transversal do corpo.
SI: [N/mm²]
Já a deformação sofrida pelo CP pode ser calculada em função do alongamento ou deformação sofrido durante o ensaio.
Lf: Comprimento final;
Lo: Comprimento inicial.
Os resultados obtidos através do ensaio de tração são “plotados” (fornecidos pela própria máquina de ensaio) em um gráfico chamado de tensão x deformação (σ x ε).
A partir da análise do diagrama Tensão x Deformação, podemos destacar pontos importantes que merecem ser estudados.
Fase Elástica (Deformação elástica)
O grau ao qual uma estrutura se deforma ou se esforça depende da magnitude da tensão imposta. Para a maioria dos metais que são submetidos a uma tensão de tração em níveis baixos, são proporcionais entre si.
É a fase na qual o material recupera suas dimensões originais após a retirada dos esforços externos sobre ele. A fase elástica obedece a Lei de Hooke representada algebricamente por . O “E” representado na fórmula é denominado de módulo de elasticidade ou módulo de Young. É a resistência mecânica do material  ou rigidez. O módulo de elasticidade pode ser obtido através da inclinação da reta na fase elástica.
Porém a lei de Hooke não é válida para todos os valores de deformação, ela é uma aproximação quando a tensão é relativamente baixa. Também, a deformação elástica não é permanente o que significa que quando a carga aplicada é liberada, a peça retorna a sua forma original. Em uma escala atômica, a deformação elástica macroscópica é manifestada como pequenas alterações no espaçamento interatômico e na extensão das ligações interatômicas.
Como conseqüência, a magnitude do módulo de elasticidade representa uma medida da resistência à separação de átomos adjacentes, isto é, as forças de ligação interatômicas.
Limite de Proporcionalidade
É o limite no qual as tensões são diretamente proporcionais às deformações.
Escoamento
Inicio da deformação plástica, consiste propriamente dito em um grande alongamento do material sem acréscimo significativo de carga, com oscilações na velocidade de deformação.
Fase Plástica (Deformação plástica)
É a fase a partir do qual  o material sofre uma deformação permanente (não consegue recuperar suas dimensões originais após a retirada das cargas).
Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste até deformações de aproximadamente 0,005. À medida que o material é deformado além desse ponto, a tensão não é mais proporcional à deformação, ocorrendo então uma deformação permanente não recuperável, ou, deformação plástica. (A lei de Hooke não é mais válida).
A figura mostra os gráficos de tensão x deformação típicos para alguns tipos de aço. Percebe-se que a baixas tensões existe uma região linear, que aos poucos entra em uma região não-linear, a chamada região de deformação plástica.
A partir de uma perspectiva atômica, a deformação plástica corresponde à quebra de ligações com os átomos vizinhos originais e em seguida formação de novas ligações com novos átomos vizinhos, uma vez que um grande número de átomos ou moléculas se move em relação uns aos outros; com a remoção da tensão, eles não retornam ás suas posições originais. O mecanismo dessa deformação é diferente para materiais cristalinos amorfos. No caso de sólidos cristalinos, a deformação ocorre mediante um processo chamado de escorregamento, que envolve o movimento de discordâncias, que será discutido mais a frente.
Encruamento
Endurecimento provocado pela quebra dos grãos que formam o material quando deformados a frio. Como o material resiste cada vez mais à força de tração aplicada, é necessário que exista uma tensão cada vez maior para que ele se deforme.
Limite de Resistência
Corresponde à máxima tensão que o material suporta sem romper-se. É calculada por:
Fmax: Carga máxima aplicada no material;
So: Área da seção inicial do corpo de prova.
Limite de ruptura
Correspondente ao ponto de fratura do material.
É importante saber que quando o material é submetido a uma tensão máxima suportada, logo em seguida observamos um decréscimo de carga, ou seja, o limite de ruptura é inferior ao limite de resistência, uma vez que o material sofre uma redução de sua área, denominado de estricção. Ela determina o grau de ductilidade do material. Quanto maior for o grau de estricção, mais dúctil ou mais deformável é o material. A estricção pode ser calculada pela redução percentual de área (RA%) por:
Ao: Área da seção transversal inicial do material;
Af: Área da seção transversal final do material.
A figura abaixo demonstra duas características importantes de um corpo que foi ensaiado por tração; seu alongamento e sua redução de área.
Máquina Universal de Tração
O ensaio de tração pode ser realizado por uma máquina universal, que também executa ensaios de compressão e flexão. Abaixo, consta um desenho esquemático da máquina universal, e seus componentes:
A função básica destas máquinas é criar um diagrama de carga x deslocamento. Uma vez gerado o diagrama, pode-se calcular a tensão de escoamento manualmente com recurso geométrico de lápis e régua, ou via um algoritmo computacional acoplado. Neste caso, são também calculados o módulo de elasticidade E, a tensão limite de ruptura e o alongamento total. Quanto ao tipo de operação, as máquinas de ensaio podem ser eletromecânicas ou hidráulicas. A diferença entre elas é a forma como a carga é aplicada. Em qualquer caso a referência é para máquinas de carregamento estático ou quase-estático.
Fixação do Corpo de Prova
Para a maioria dos ensaios mecânicos, o corpo de prova deve concentrar as tensões dentro da região de medida, sendo assim, o teste exige um formato especifico de CP. Caso o mesmo não tenha sido bem fabricado, poderá até mesmo quebrar forada região de medida, acarretando assim erros na deformação. Além disso, deve-se assegurar que os equipamentos de medição usados para a tomada de dimensões, estejam devidamente calibrados.
A forma e a magnitude da curva levantada pelo ensaio podem ser afetadas pela velocidade do carregamento, pois alguns materiais podem apresentar um significativo aumento da resistência à tração quando as velocidades de carregamento são aumentadas. Com a introdução dos sistemas de teste com micro-processamento, as cargas podem inadvertidamente ser zeradas, resultando em leituras reduzidas para as tensões. Para evitar este erro recomenda-se fixar o corpo de prova na morsa superior, zerar a carga, e finalmente fixar a extremidade inferior.
Experimentos da Atividade Prática
1° Ensaio de Tração: Aço de Construção Civil (CA-50)
Objetivo: Analisar os resultados do primeiro ensaio de tração realizado em um corpo de prova de aço de viga de construção civil, bem como analisar o gráfico tensão x deformação comparando com a normalização legal desse tipo de material.
Procedimentos:
Medir o diâmetro e o comprimento do corpo de prova;
Encaixar o corpo de prova na máquina de ensaio;
Fechar a pinça e verificar se o corpo de prova foi colocado corretamente;
Começar a aplicar uma força axial sobre o corpo de prova, que marcou um valor inicial de 14,88 KN, a uma velocidade de 20 mm/min;
Acompanhar o gráfico de tensão e deformação pelo monitor, observar até a onde será o ápice do gráfico, pois quando este começa a declinar, quer dizer que haverá uma ruptura no corpo de prova.
	Dados corpo de prova inicial
	Dados corpo de prova final
	Diâmetro: 15,70 mm
	Diâmetro: 14,50 mm 
	Comprimento: 280,0 mm
	Comprimento: 364,0 mm
Tempo de todo o processo foi de 152,845 segundos. Ele é obervado desde o momento em que a máquina começa a realizar tração no corpo de prova até o momento da ruptura. A força máxima aplicada foi de 147,9 KN.
Abaixo analisaremos o gráfico tensão x deformação sistematicamente, obervando e calculando os valores mais importantes para estudo.
Gráfico tensão x deformação do 1º experimento.
Analisando o gráfico de acordo com os pontos observados:
A: limite elástico
A’: limite de proporcionalidade
B: limite de resistência
C: limite de ruptura
Gráfico tensão x deformação com as fases e pontos identificados.
Vamos calcular os parâmetros observados com os dados do experimento.
Fase elástica
Módulo da elasticidade:
Limite de proporcionalidade:
Ponto A’ do gráfico: 117,48 KN.
Fase Plástica
Deformação plástica:
Limite de Resistência:
Limite de Ruptura:
Ponto C do gráfico:128,0 KN.
Redução Percentual de Área:
Considerações sobre o 1º experimento:
No primeiro experimento tivemos um problema do rompimento do corpo de prova próximo à pinça da máquina universal. Neste caso, não conseguimos visualizar muito bem a região de ruptura que ficou “afinada”. Apesar da ruptura não ter acontecido no centro do corpo de prova, já esperávamos uma pequena ductilidade do material, visto que ele é utilizado em estruturas para construções civis.
Tivemos uma maior região de escoamento, onde o corpo de prova sofreu alterações significativas em seu comprimento com variações na velocidade de deformação.
2º Ensaio de Tração: Aço Ferro Fundido (CP fino)
Objetivo: Analisar os resultados do primeiro ensaio de tração realizado em um corpo de prova de aço de ferro fundido, bem como analisar o gráfico tensão x deformação comparando com a normalização legal desse tipo de material.
Procedimentos:
Medir o diâmetro e o comprimento do corpo de prova;
Encaixar o corpo de prova na máquina de ensaio;
Fechar a pinça e verificar se o corpo de prova foi colocado corretamente;
Começar a aplicar uma força axial sobre o corpo de prova, que marcou um valor inicial de 2,90 KN, a uma velocidade de 10 mm/min;
Acompanhar o gráfico de tensão e deformação pelo monitor, observar até a onde será o ápice do gráfico, pois quando este começa a declinar, quer dizer que haverá uma ruptura no corpo de prova.
	Dados corpo de prova inicial
	Dados corpo de prova final
	Diâmetro: 7,40 mm
	Diâmetro: 4,04 mm 
	Comprimento: 300,0 mm
	Comprimento: 410,0 mm
Tempo de todo o processo foi de 397,865 segundos. Ele é obervado desde o momento em que a máquina começa a realizar tração no corpo de prova até o momento da ruptura. A força máxima aplicada foi de 27,02 KN.
Abaixo analisaremos o gráfico tensão x deformação sistematicamente, obervando e calculando os valores mais importantes para estudo.
Gráfico tensão x deformação do 2º experimento.
Analisando o gráfico de acordo com os pontos observados:
A: limite elástico
A’: limite de proporcionalidade
B: limite de resistência
C: limite de ruptura
Gráfico tensão x deformação com as fases e pontos identificados.
Vamos calcular os parâmetros observados com os dados do experimento.
Fase elástica
Módulo da elasticidade:
Limite de proporcionalidade:
Ponto A’ do gráfico: 20,66 KN.
Fase Plástica
Deformação plástica:
Limite de Resistência:
Limite de Ruptura:
Ponto C do gráfico: 18,89 KN.
Redução Percentual de Área:
Considerações sobre o 2º experimento:
No segundo experimento usamos um corpo de prova de ferro fundido, com diâmetro pequeno e comprimento próximo do primeiro corpo de prova utilizado no primeiro experimento. A visualização da ruptura prestes a acontecer conseguiu ser vista perfeitamente, bem como o andamento do gráfico tensão x deformação. A ruptura aconteceu bem próxima do centro do CP.
Tivemos uma região de escoamento menor, onde o corpo de prova sofreu alterações significativas em seu comprimento com pequenas variações de carga e apenas variações na velocidade de deformação.
Esse tipo de material se mostrou muito mais dúctil, ou seja, o aço fundido possui maior chance de deformação.
Referências Bibliográficas
FERREIRA, T. A. . Tecnologia de Materiais. Lavras/ M G: Gráfica da UFLA, 1996 (Monografia).
CALLISTER, W. D. JR. Ciência de Engenharia de Materiais: uma Introdução. 5.ed.Disponível em: 
<http://www.supertrat.com.br/SuperTrat/Informacoes_Tecnicas_files/
pmm20.pdf>
Aulas online no YouTube do Telecurso 2000 – Nível profissionalizante. Módulo: Ensaio de Materiais.
Disponível em: <http://www.lami.pucpr.br/cursos/estruturas/parte03/Mod23/Curso1
Mod23-03.htm>.
Disponível em: <http://www.spectru.com.br/Metalurgia/diversos/choque%5B1%
5D.pdf>.
Disponível em: <http://www.dem.isel.ipl.pt/seccoes/pagspm/disciplinas/EP/
laboratorio/Ensaio_de_flexao.pdf>.
Disponível em: <http://www.angelfire.com/ma/Mnzs/fadiga.html>.
Disponível em: <http://www.poli.usp.br/d/pmt2100/Aula08_2005%201p.pdf>.