Determinação de Propriedades Mecânicas de Materiais

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Determinação de um material metálico através dos ensaios de tração, 
ressonância, dureza e impacto. 
Ana Menezes; Diego Penachini; Francislaine dos Santos; Miguel Wu; Pedro Franzin; 
Renata Loddi. 
Departamento de Engenharia de Materiais – Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Londrina – Paraná – Brasil 
e-mail: pfranzin@uvic.ca 
Resumo: O uso de técnicas para determinar as propriedades mecânicas dos materiais tem representado um 
dos fatores indispensável para o avanço presentes nas construções civis, indústria automotiva e aeroespacial. O 
ensaios mecânicos são capazes de determinar as propriedades como módulo de Young, dureza, transição dúctil-
frágil entre outros que serão apresentadas nesse trabalho. Através do uso desses parâmetros foi determinado o 
material do corpo de prova ofertado ao grupo, foi utilizado o porcentual de área reduzido e limite de resistência 
retirados do ensaio de tração, com valores respectivamente de 28,22% e 1060,5 MPa, juntamente com as 
durezas Brinell, que foi calculada através do resultado do ensaio na escala Rockwell C , e Vickers que tiveram 
seu valores respectivamente de 246 HB e 333,28 HV valores bem próximos ao do aço 4340, levando nos a 
acreditar que é o aço que compõem o corpo de prova fornecido ao grupo. 
Palavras-chave: Aço 4340, propriedades mecânicas, ensaios. 

1.Introdução 
Muitos materiais quando em serviço são 
submetidos a forças ou cargas. Em tais situações, é 
necessário conhecer as características dos materiais 
e projetar o membro a partir do qual ele e feito de 
maneira que qualquer deformação resultante não 
se j a excess iva e não cause f r a tu ra . O 
comportamento mecânico de um material reflete a 
relação entre sua resposta ou deformação a uma 
carga ou força aplicada. [1] 
A determinação das propriedades mecânicas de 
um material metálico é realizada por meio de vários 
ensaios. Geralmente esses ensaios são destrutivos, 
pois promovem a ruptura ou a inutilização do 
material. Existem também os ensaios chamados 
não-destrutivos, utilizados para determinação de 
algumas propriedades físicas do metal, bem como 
para detectar falhas internas. [2] 
Nos métodos quase-estáticos são realizados 
ensaios mecânicos usualmente destrutivos nos quais 
os corpos de prova ficam inutilizados após a 
realização. Estes consistem na aplicação de uma 
carga, lentamente, simultaneamente com a 
monitoração da deformação induzida. [3] 
Entre os diversos tipos de ensaios existentes 
para a avaliação das propriedades mecânicas dos 
materiais, o mais amplamente usado é o ensaio de 
tração. Essa aplicabilidade se deve ao fato de ser 
um tipo de ensaio relativamente simples e de 
realização rápida, além de fornecer informações 
importantes e primordiais para projeto e fabricação 
de peça e componentes. Consiste na aplicação de 
carga de tração uniaxial crescente nas extremidades 
de um corpo de provas padronizado até a ruptura. O 
levantamento da curva de tensão de tração pela 
deformação sofrida pelo corpo consiste no resultado 
do teste. [4] 
Os métodos dinâmicos permitem obter 
informações tanto quantitativas (módulos elásticos) 
quanto qualitativas sobre a integridade de um 
componente mecânico, além do controle de suas 
propriedades, como mudanças de fase. O corpo de 
prova não fica inutilizado após o ensaio e pode ser 
empregado em sua função normalmente ou 
ensaiado outras vezes. [3] 
Uma técnica de grande importância industrial e 
também muito utilizada para materiais cerâmicos 
consiste em medir a frequência natural de 
ressonância de uma barra de seção transversal 
definida, excitada mecanicamente por meio de uma 
batida (impacto) aplicada em um ponto específico 
da barra utilizando-se uma ferramenta apropriada 
(martelo), o qual reage com a emissão de uma 
resposta acústica (som). Esse método possui a 
vantagem de permitir a determinação dos 
parâmetros elásticos em elevadas temperaturas e 
temperaturas criogênicas. [4] 
Outro processo de caracterização de materiais 
que é aplicado por séculos é a dureza do material, 
ou seja, quanta resistência ao risco um material 
oferece em relação a outro, a primeira escala criada 
foi a de Mohs, no qual foi determinado que o 
diamante tem dureza igual a 10 e o talco igual a 1. 
Com o passar dos tempos foi-se tornando 
necessário criar escalas e métodos com uma maior 
precisão para isso foram desenvolvidos os métodos 
e escalas de Brinell, Rockwell, Vickers e Knopp. 
Tendo a sua diferença básica no tipo de endentador, 
podendo variar seus endentadores desde esferas de 
carbeto de tungstênio à diamante, outro fatores que 
podem variar é a carga e o intervalo de tempo que a 
mesma será aplicada.[4] 
Atualmente a maioria dos esquipamentos 
fornecem a medida diretas sendo apresentadas 
diretamente no visor, somente o método de Vickers 
e Knopp que o equipamento necessita de maior 
participação do operador, pois para determinar a 
dureza é necessário informar as diagonais do 
quadrilátero para que ele consiga então fornecer a 
dureza. 
Outra propriedade que gerou maior interesse 
dos pesquisadores e engenheiros ao passar dos anos 
foi a descoberta e estudo de uma características dos 
materiais chamado de transição dúctil-frágil. O 
estudo dessa transformação tornou-se fundamental 
após algumas estruturas apresentarem fraturas 
frágeis quando submetidos a condições de 
temperatura abaixo do normal para os mesmo. 
A transição dúctil-frágil é observada em peças 
constituídas de materiais normalmente com 
características dúcteis que quando submetidos 
abaixo de uma temperatura fraturam de forma 
frágil. Para a determinação dessa transição um dos 
ensaios utilizados é o de impacto, ao realiza-lo em 
di feren tes tempera turas , var iando-as de 
temperaturas negativa a temperatura elevadas é 
possível observar a diferença de energia necessária 
para romper o material, sendo então traçada uma 
curva de energia absorvida versus temperatura.[4] 
O ensaio de impacto pode ser realizado por dois 
métodos: Charpy e Izod. A diferença principal entre 
eles é o direcionamento no posicionamento do 
corpo de prova, no Charpy o corpo é posicionado 
na horizontal enquanto que no Izod na vertical, 
ambos os métodos os corpos apresentam um 
entalhe que ajuda a garantir que o ponto 
concentrador de tensão seja conhecido. Esse ensaio 
pode tanto ser realizado em metais e polímeros, 
sendo necessário somente a troca do martelo, já que 
a diferença entre as energias necessárias para cada 
material é muito diferente. [4] 
2.Procedimento Experimental 
2.1 Ensaio de tração 
Para o ensaio de tração mediu-se o corpo de 
prova e fixou-se na máquina universal de ensaios, 
um extensômero foi preso ao corpo de prova. O 
ensaio foi realizado com velocidades de 1mm/min 
em dois corpos de prova cilindros, foi utilizado a 
norma ASTM E8M-95A como base. 
2.2 Ensaio pelo método de excitação por 
impulso (ressonância) 
Este ensaio teve início com as medidas do corpo 
de prova com o auxílio de um paquímetro e da sua 
massa. O corpo de prova foi então posicionado 
corretamente no aparelho de ensaio com distância 
entre os apoios e as extremidade de 0,224 x L. O 
pulsador foi direcionado em uma extremidade e o 
transdutor em outra. Foi utilizado a norma ASTM 
E1876 como base. 
2.3 Ensaio de Dureza 
O ensaio de dureza por penetração foi realizado 
em duas escalas, sendo elas Rockwell C e Vickers, 
para os dois processos foi necessário o preparo de 
do corpo de prova do ensaio, para isso foi-se 
cortado partes do corpo de prova usado o ensaio de 
tração, esses novos corpos de provas foram então 
lixados com malhas de 200, 300, 400, 600 e 1200, 
sendo sempre realizado um rotacionando de 90 
graus na direção de movimentação do corpo de 
prova quando passado de uma lixa para a outra. 
Para uma melhor qualidade foi por fim feito um 
ataquea superfície. Os equipamentos utilizados 
apresentam o resultado direto no visor sendo 
necessário informar o endentador escolhido, 
podendo ser de carbeto de tungstênio ou diamante , 
e também a carga aplicada e o intervalo de tempo 
para o ensaio na escala Rockwell. O processo do 
ensaio em Vickers ainda necessita a determinação 
das diagonais para o equipamento conseguir 
determinar o valor da dureza. Os ensaios foram 
baseados nas normas ASTM E-18 e E-92. 
2.4 Ensaio de Impacto 
O ensaia de impacto foi realizado no método de 
Charpy, os corpos de provas (Charpy tipo A) foram 
preparados em diferentes temperaturas. Na intensão 
de conseguir determinar o ponto de transição dúctil-
frágil. Foi-se usados corpos de prova de dois 
diferentes metais, sendo eles os aços: 1045 e 4340. 
O ensaio usou como base a norma ASTM D-6110. 
3.Resultados e Discussão 
3.1 Ensaio de tração 
O ensaios de tração foi realizado em dois corpos 
de prova, na tentativa de adquirir um maior número 
de dados para ajudar na determinação do material, 
os corpos foram tracionado em uma taxa de 
deformação igual. 
Os dados adquiridos foram analisados e 
posteriormente plotados em uma curva de tensão 
por deformação de engenharia, os gráficos 
apresentaram um comportamento muito similar ao 
teórico, sendo possível observar o efeito da lei de 
Hooke em ambos. 
Os dados de cada ensaio podem ser vistos nas 
figuras abaixo: 
Figura 1: Gráfico tensão x deformação de 
engenharia corpo de prova 1 
Figura 2: Gráfico tensão x deformação de 
engenharia corpo de prova 2 
Os dados obtidos foram bem similares, 
mostrando uma coerência na execução do ensaio, 
não foi detectado marcas de escorregamento do 
corpo de prova e as diferenças de diâmetros dentro 
da área útil do corpo de prova ficaram dentro do 
limite permitido pela norma, tornando assim valido 
os ensaios realizados. Foi observado nos corpos de 
prova depois do rompimento o fenômeno de uma 
trinca mais frágil, dando o indicio da possibilidade 
do material conter uma quantidade significativa de 
carbono na sua composição. 
 Na tabela 1, encontram-se os dados obtidos nos 
ensaios de tração para os corpos de prova um e 
dois, que foram posteriormente utilizados para a 
comparação com dados tabelados dos aços. 
Tabela 1: Dados obtidos nos ensaios de tração 
Analisando a literatura e artigos científicos foi 
possível encontrar uma curva e dados que mais se 
assemelham aos resultados dos ensaios, o material 
que apresentou esse resultado foi o do aço 4340 
normalizado. Os dados para esse material podem 
ser encontrado na tabela 2. 
Tabela 2: Propriedades mecânicas fornecidas pelo 
fabricante LG Steel para os aço: 1020, 1045 e 4340 
normalizados. 
3.2 Módulo de Elasticidade por Ressonância 
O ensaio de ressonância foi realizado em 
conjunto com outros grupos, sendo que cada grupo 
realizou a medida em dois corpos de provas 
diferentes, sendo possível a escolha entre os aços 
1020, 1045 e 4340. 
As medidas dos corpos de provas retangular 
estão expostas na tabela 3, sendo referente ao aço 
1020. 
Tabela 3: Dimensões dos parâmetros para o ensaio. 
Foram realizadas 2 leituras no corpo de prova, 
onde a cada leitura o programa nos forneceu o 
Módulo de Elasticidade com base na frequência 
após o toque do pulsador no corpo de prova, esses 
resultados estão apresentados na tabela 4. 
Tabela 4: Valores de módulo elástico das duas 
leituras. 
Como mencionado anteriormente, os outros 
grupos trabalharam com outros corpos de diferentes 
aços, sendo os resultados obtidos demonstrados na 
tabela 5. 
Tabela 5: Módulo Elástico obtido para os diversos 
aços no ensaio de ressonância. 
CP LE (MPa)
LR 
(MPa)
RA 
(%)
E 
(GPa)
1 928 1056 28,32 185,3
2 990 1065 28,12 178,3
Média 959 1060,5 28,22 181,8
LE 
(MPa)
LR 
(MPa)
RA 
(%)
E 
(GPa)
1020 345 440 68 200
1045 370 595 55 205
4340 860 1280 36,3 207
Parâmetros Dimensões
CP1 CP2
Comprimento(mm) 53,31 76,42
Espessura (mm) 9,45 9,44
Largura (mm) 9,45 9,44
Massa (g) 36,62 52,80
Módulo de Elasticidade (GPa)
201,77 ± 0,31
204,36 ± 0,31
 Média 203,06 ± 0,31
Aços Módulo de Elasticidade (GPa)
1020 205,47 205,48 199,41 201,77
1045 201,09 208,49 203,94 204,41
4340 206,37 207,12 209,99 207,55
Os valores médios para cada aço foram alocados 
na tabela 6 e foi possível observar que os valores 
encontrados foram bem próximos ao encontrado na 
literatura que determina o módulo para um aço nas 
proximidades de 207 GPa. 
Tabela 6: Módulos médios para os diferentes tipos 
de aços. 
Como o ensaio de ressonância foi realizado em 
corpos diferentes dos que foram estipulados para a 
análise e determinação, os resultados obtidos não 
influência diretamente no estudo do material, no 
entretendo eles foram utilizados para comparar o 
valor obtido no ensaio de tração. 
3.3 Dureza Rockwell 
Os resultados encontrados para as 4 
medidas do ensaio de dureza Rockwell na 
escala C foram dispostos na tabela 7. 
Tabela 7: dados do ensaio de dureza Rockwell 
O ensaio foi realizado com uma carga de 150kgf 
com por um intervalo de 5s, o valor médio 
encontrado para a dureza foi de HRC = 23,6. 
Para realizar-se uma comparação entre os 
valores tabelados dos possíveis aços esse valor foi 
convertido para a escala Brinell (HB) sendo o valor 
igual a 246. 
O aço que mais se aproximou do valor 
encontrado foi o aço 4340 normalizado, sendo 
importante ressaltar que o valor tabelado é de 
363HB[5], porém o corpo de prova não apresentou 
sua superfície totalmente plano, o que inferi em 
valores menores que os reais, já que a força não é 
aplicada na sua total capacidade, levando nos a 
considerar mais ainda a possibilidade de se tratar de 
uma aço 4340 normalizado, já que os valores para 
os aços 1020 e 1045 ficam em valores abaixo do 
encontrado. 
3.4 Dureza Vickers 
O resultados dos ensaios de dureza Vickers 
foram dispostos na tabela 8, foram realizados 6 
medidas, no intuito de se ter uma maior precisão. 
Tabela 8: dados do ensaio de dureza Vickers 
A carga utilizada foi de 50gf, durante a 
realização da medida três foi detectado uma falta de 
precisão na determinação das diagonais, sendo o 
motivo principal da discrepância em relação aos 
outro valores, devido a esse fator ele foi 
desconsiderado no processo para determinar o valor 
médio da dureza Vickers, sendo o mesmo igual a 
333,28 HV. 
Como todos os materiais propostos apresentam 
valores tabelados para a dureza Vickers o processo 
de conversão não se demonstrou necessário, 
novamente o material que apresentou maior 
proximidade ao valor medido da dureza foi o do 
aço 4340 que tem seu valor tabelado de 384 HV[5], 
a diferença pode ser devido a irregularidade na 
superfície ou ao polimento da peça. 
O valor encontrado para a dureza chega a ser 
quase duas vezes maior que dos aço 1020 e 1045. 
3.5 Impacto (método de Charpy) 
Foram realizados os ensaios nas três opções de 
aços, as curvas traçadas a partir dos dados obtidos 
foi traçada e pode ser vistas nas figuras 4, 5 e 6. 
Aço Média do Módulo de Elasticidade (GPa)
1020 203,34
1045 204,48
4340 207,76
n Dureza Rockwell (HRC)
1 17,0
2 25,5
3 25,1
4 26,8
Figure 3: representação gráfica do comportamento 
dúctil-frágil do aço 1020.
n Dureza Vickers (HV)
1 358,6
2 330,9
3 292,8
4 326,4
5 315,6
6 334,9
Em todas as curvas ficou evidente o momento 
que ocorre a mudança no comportamento mecânico 
dos aço, sendo ainda possível observar que os aços 
1045 e 4340 apresentaram comportamento 
similares, sendo o ponto de inflexão da transição 
dúctil-frágil próximo 0ºC. Para o aço 1020 a 
transição ocorreu próximo a 40ºC, no entretanto a 
faixa de variação da temperatura exercida sobre o 
menos não chegou pertoda escala utilizada nos 
demais aços não chegando a nenhuma temperatura 
abaixo de zero graus Celsius. Fica evidente a 
diferença de energia absorvida entre os aços sendo 
explicada pela dureza do material e a relação de 
carbono presente no seu interior, quando menor for 
essa relação maior é a energia absorvida pela peça, 
já que ele apresenta uma maior deformação plástica 
antes do rompimento. 
4.Conclusão 
Através dos ensaios realizados no material que 
desejávamos determinar foi possível concluir que o 
aço 4340 normalizado foi o que melhor descreveu o 
comportamento observado nos ensaios, tendo os 
valor de tensão de ruptura, redução de área e 
durezas mais próximos. 
O ensaio de ressonância foi capaz de demonstrar 
uma técnica mais rápida e não destrutiva para a 
determinação do modulo elástico de metais, tendo 
os valor encontrado dentro do esperado para cada 
material. 
O ensaio de impacto exemplificou como é 
possível determinar a região de transição dúctil-
frágil, que é de grande importância na etapa de 
seleção do material para um projetos de engenharia. 
5.Referencias 
[1] CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D. G., 
Ciência e Engenharia de Materiais uma 
Introdução. 8 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2013. 
[2] Souza, Sérgio de Augusto de. Ensaios 
mecânicos de materiais metálicos – Fundamentos 
teóricos e práticos. 5ª ed. 
[3] Métodos de caracterização. Disponível 
em:<ht tp : / /www.a tcp .com.br /p t /p rodutos /
caracterizacao-materiais/propriedades-materiais/
modulos-elasticos/metodos-caracterizacao-.html>. 
Acesso em 26 de setembro de 2017. 
[4] Garcia, Amauri, Sim, Jaime Alvares, dos 
Santos, Carlos Alexandre, Ensaio dos materiais. 2ª 
ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. 
[5]Philip D. Harvey, editor, Engineering 
Properties of Steels, American Society for Metals, 
Metals Park, OH, 1982.Figure 5: representação gráfica do comportamento 
dúctil-frágil do aço 4340.
Figure 4: representação gráfica do comportamento 
dúctil-frágil do aço 1045.