Apresentação ensio de tração ALEX - Caracterização de Materiais Metálicos

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PPGEM - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Disciplina: Caracterização de Materiais Metálicos
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Disciplina:Tópicos Especiais em materiais e processos 
Mestrando: Alex Amaral Cabral
Professor: Dr. José Maria do Vale Quaresma
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SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA - PPGEM
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CONSIDERAÇÕES INICIAIS
Ensaio de tração 
	É um dos ensaios mais utilizados na determinação das propriedades mecânicas da maioria dos materiais. 
	
Principais características mecânicas obtidas:
Limite de Resistência à Tração (σu);
Limite de escoamento (σe);
Módulo de resiliência (Ur);
Módulo de tenacidade (Ut);
Ductilidade;
Coeficiente de encruamento (n);
Coeficiente de resistência (k); 
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Corpo de Prova
Chama-se Corpo de Prova à amostra de material que é submetida a ensaio.
As extremidades dos Corpos de Provas são constituídas por cabeças as quais permitem a fixação às garras da máquina.
Normas utilizadas na execução do ensaio de tração:
ABNT NBR ISO 6892-1:2013 Versão Corrigida 2:2018; e
ASTM E8 / E8M - 16a - Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials.
 
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CARACTERISTICAS DO ENSAIO 
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ENSAIO DE TRAÇÃO E RECOMENDAÇÕES PREVISTAS NAS NORMAS
Placas, Chapas, Lâminas – Seção Retangular;
Forjados, Fundidos, Grandes Espessuras, Forma Irregular – Seção Circular;
Arame, Fio, Tubo – Seguimento do Próprio Material; e
Barra Nervuradas – Deve-se pesar a barra.
Figura 1 – Representação de alguns tipos de corpos de prova.
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CARACTERISTICAS DO ENSAIO – EXEMPLO DE UTILIZAÇÃO DA NORMA 
Exemplo de utilização da norma ASTM E8:
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CARACTERISTICAS DO ENSAIO 
- Neste ensaio um corpo de prova é submetido à uma força de tração uniaxial que tende a esticá-lo ou alongá-lo
Figura 1 .1– Representação esquemática do corpo de prova de um ensaio de tração.
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Velocidade do Ensaio:
Taxa de Deformação do Corpo-de-Prova;
Taxa de Tensionamento do Corpo-de-Prova; e
Velocidade de Deslocamento do Atuador.
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CARACTERISTICAS DO ENSAIO 
Figura 2 – Representação esquemática de uma máquina de ensaio de tração .
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Figura 2.1 – máquina de ensaio de tração .
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CARACTERISTICAS DO ENSAIO
Para determinação coerente da deformação recomenda-se a adoção de um clip-gage para assegurar que a deformação será coletada de modo correto, assim proporcionando condições para determinar com segurança o limite de escoamento e demais propriedades que estão relacionadas com a deformação.
Figura 2.2 – (a) Corpo-de-prova com fratura dentro da região da afixação do clipe-gage (b) Corpo-de-prova com fratura fora da região da afixação do clipe-gage.
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Figura 2.3 – máquina de ensaio de tração .
CARACTERISTICAS DO ENSAIO
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CARACTERISTICAS DO ENSAIO 
A figura 3, apresenta a curva de ensaio de tração característica: 
Figura 3
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TENSÃO-DEFORMAÇÃO CONVENCIONAL
A Tensão de Tração resulta de forças exteriores que tendem a aumentar o comprimento e a reduzir a área da secção transversal da referida barra.
A tensão de engenharia, σ, é definida como:
σc = tensão (Pa);
P = carga aplicada (N); e
S0 = seção transversal original (m2).
A deformação convencional ou alogamento (εc), é dada por: 
εc = (m/m);
l = comprimento de referência para cada carga P aplicada (m); e
l0 = comprimento de referência (carga zero) (m).
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A deformação elástica ocorre quando a um corpo é aplicada uma força e posteriormente retirada, e após isso o elemento se comporta como uma mola, ou seja, recupera toda a deformação sofrida, portanto retorna as dimensões originais. A deformação elástica de um corpo-de-prova é dada pela lei de Hooke: 
σc = tensão (Pa);
E = módulo de elasticidade J/m3 
e = deformação (m/m) 
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TENSÃO-DEFORMAÇÃO CONVENCIONAL
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DEFORMAÇÃO ELÁSTICA X PLÁSTICA
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Figura 4
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Anelasticidade 
 Até agora, consideramos que, na deformação elástica, ao cessar a aplicação da carga, volta-se de imediato ao comprimento original. 
 No entanto, é praxe que haja um intervalo de tempo transcorrido desde o fim da aplicação da carga até o retorno ao comprimento original – esse comportamento dependente do tempo é conhecido como anelasticidade. 
 A anelasticidade se deve a processos microscópicos dependentes do tempo que acompanham a deformação. Para os metais, a componente anelástica é pequena, sendo comumente desprezada, mas, para alguns polímeros, por exemplo, ela pode ser muito relevante. 
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TENSÃO-DEFORMAÇÃO CONVENCIONAL – REGIÃO DE ESCOAMENTO
Limite de escoamento. É a tensão que separa o comportamento elástico do plástico. Como, em alguns casos, é difícil determinar-se a tensão máxima para a qual não há deformação residual plástica, define-se o limite de escoamento para uma deformação permanente de 0,2%.
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Figura 5 – Curvas esquemáticas para determinação do limite de escoamento.
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CARACTERISTICAS DO ENSAIO – ESCOAMENTO
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CARACTERISTICAS DO ENSAIO – ESCOAMENTO
Observação:
Para ligas em geral a deformação que deverá ser adotada para determinar o limite de escoamento é de 0,002 ou 0,2%;
Para cobre e suas ligas a deformação que deverá ser adotada para determinar o limite de escoamento é de 0,005 ou 0,5%;
Para ligas metálicas muito duras a deformação que deverá ser adotada para determinar o limite de escoamento é de 0,001 ou 0,1%.
Figura 6 – Curvas esquemáticas para determinação do limite de escoamento.
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Comportamento Mecânico dos Metais 
Para a maior parte dos materiais metálicos, o regime de deformação elástica persiste apenas até deformações da ordem de 0,005.
 Além desse ponto, não mais vigora a lei de Hooke, e tem lugar uma deformação permanente, não-recuperável, denominada deformação plástica.
Na curva deformação x tensão, a transição entre regimes é gradual para a maioria dos metais. Surge uma curvatura no ponto de mudança, e ela se acentua com o aumento da tensão.
Do ponto de vista microscópico, ocorre o rompimento de ligações atômicas originais e a formação de novas ligações com outros átomos vizinhos. Com a remoçãoda tensão, não há retorno às posições originais.
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Pico de Escoamento Descontínuo 
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Alguns aços que obedecem à lei de Hooke até determinada deformação e, então, no limite superior de escoamento, ocorre uma queda abrupta de tensão (escoamento descontínuo). 
A deformação que se segue flutua em torno de determinado valor (limite inferior de escoamento), até que volte a ocorrer um crescimento na curva.
Toma-se então a média desse limite inferior como tensão limite de escoamento, uma vez que ela é bem determinada. 
As tensões limite de escoamento podem variar de 35 MPa para um alumínio de baixa resistência até 1400 MPa para aços de elevada resistência. 
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Os resultados fornecidos pelos ensaios de tração são fortemente influenciados pela temperatura, pela velocidade de deformação, pela anisotropia do material, pelo tamanho de grão, pela percentagem de impurezas, bem como pelas condições ambientais (GARCIA, SPIM e SANTOS, 2000).
 
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Figura 7– Curva de um ensaio de tração de um aço 1020.
TENSÃO-DEFORMAÇÃO CONVENCIONAL – REGIÃO DE ESCOAMENTO
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MODULO DE ELÁSTICIDADE
E = Módulo de elasticidade (Pa) ou J/m3
So= Area do corpo de prova (m2);
lo = Comprimento inicial (m); e
P = Carregamento (N). 
O módulo de elasticidade fornece uma indicação da rigidez do material e depende fundamentalmente das forças de ligação interatômicas, devido a isso o modulo se comporta de maneira inversamente proporcional à temperatura. A formula, a seguir também proporciona a relação do módulo. 
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MODULO DE ELÁSTICIDADE – INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA
Figura 8 – Influência da Temperatura sob o Modulo de Elasticidade (Modulo de Young) 
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INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NAS DEFORMAÇÕES
Figura 9 – Influência da Temperatura sob a deformação 
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COEFICIENTE DE POISSON
Relaciona a deformação elástica longitudinal produzida por uma tensão de tração ou compressão com a deformação transversal que ocorre simultaneamente:
O coeficiente de Poisson na região elástica é de aproximadamente 0,3 , na zona elástica.
Mede a rigidez do material na direção perpendicular à direção de aplicação de carga uniaxial. 
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RELAÇÃO DO MODULO DE ELÁSTICIDADE LONGITUDINAL (E) E MÓDULO DE ELASTICIDADE TRANSVERSAL (G)
O módulo de elasticidade transversal corresponde a uma situação particular do modo de elasticidade em que a carga é aplicada em cisalhamento, e não em compressão ou tração;
Essa propriedade é definida mais propriamente no ensaio de torção;
A expressão que relaciona modulo de elasticidade longitudinal e transversal é:
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 Assim, materiais resilientes são aqueles que possuem altas forças de escoamento e baixos módulos de elasticidade; tais ligas são usadas em aplicações de molas.
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REGIME PLÁSTICO
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Limite de resistência. É a tensão (de engenharia) máxima que o corpo de prova resiste. A partir desta tensão, as tensões (de engenharia) caem, devido à estricção do corpo de prova.
Tensão de ruptura. É a tensão (de engenharia) na qual ocorre ruptura.
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REGIME PLÁSTICO
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REGIME PLÁSTICO
Alongamento Percentual (alongamento percentual) – quantifica a deformação plástica permanente quando ocorre uma fratura.
Redução percentual de área – quantifica a deformação plástica permanente quando ocorre uma fratura.
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MÓDULO DE TENACIDADE
Tenacidade – Corresponde à capacidade que o material apresenta de absorver energia até a fratura. É quantificada através da energia absorvida por unidade de volume, desde de o início do ensaio de tração até a fratura. Essa grandeza pode ser quantificada através da medição da área total abaixo da curva de tensão-deformação.
 Observação: 
Tanto para materiais dúcteis, quantos frágeis não há uma expressão analítica que possa determinar a área abaixo da curva de tensão-deformação. 
Para determinar esse parâmetro utiliza-se as expressão a seguir. 
Figura 10 – Esquema sobre a determinação do modulo de tenacidade.
Material dúctil
Material frágeis
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A curva de tensão-deformação de engenharia (convencional), não apresenta uma informação real das características de tensão e deformação do material;
A referida curva se baseia nas dimensões originais do corpo-de-prova, as quais são continuamente alteradas no decorre do ensaio;
Portanto, são necessárias medições das dimensões instantâneas do ensaio (GARCIA, SPIM e SANTOS, 2000). 
 
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TENSÃO-DEFORMAÇÃO REAL
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TENSÃO-DEFORMAÇÃO REAL
Tensão real (σr) é dada por:
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P = carga (N); e
S = Área da seção transversal instantânea (m2). 
Observação: A variação da área na região plástica fica bem mais caracterizada, já que não se toma mais a seção transversal inicial como referência, e a tensão cresce continuamente até a fratura.
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Figura 11 – Curva tensão-deformação de engenharia e real.
TENSÃO-DEFORMAÇÃO REAL
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Deformação real (εr) é dada por:
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Observação: Relação válida para uma taxa de deformação uniaxial uniforme.
A equação acima somente é valida até a deformação que corresponde ao LRT (Limite de Resistência a Tração) da curva de tensão-deformação de engenharia. Para que se possa avaliar a deformação na região após o limite de escoamento (região de empescoçamento). Temos que adotar uma relação que envolva a quantificação da redução de área.
TENSÃO-DEFORMAÇÃO REAL
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Como volume permanece constante na região plástica, desprezando as variações elásticas (V=V0)
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Rearranjando:
Observação: A relação deformação real em função da área instantânea somente é valida entre o Limite de escoamento e Limite de resistência a fratura. 
TENSÃO-DEFORMAÇÃO REAL
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RELAÇÕES ENTRE TENSÕES E DEFORMAÇÕES REAIS E CONVENCIONAIS (ENGENHARIA)
A deformação real pode ser determinada, da seguinte forma:
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Rearranjando:
Observação: Está equaçãosó é valida até o inicio da estricção, um vez que a partir desse ponto prevalece um estado triaxial de tensões . 
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RELAÇÕES ENTRE TENSÕES E DEFORMAÇÕES REAIS E CONVENCIONAIS (ENGENHARIA)
A tensão real pode ser determinada, da seguinte forma:
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Rearranjando:
Observação: Está equação só é valida até o inicio da estricção, um vez que a partir desse ponto prevalece um estado triaxial de tensões . 
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ALGUNS OUTROS FATORES QUE AFETAM O ENSAIO DE TRAÇÃO
Influência da microestrutura e processamento:
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Figura 12 – Influência da microestrutura sob a curva tensão deformação.
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TIPOS DE FRATURAS PRESENTES NO ENSAIO DE TRAÇÃO
Fatura Dúctil
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Figura 13 – Estricção de um corpo de prova de um metal dúctil.
Figura 14 – Aspecto da fratura de um material dúctil .
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Fatura Frágil 
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Figura 15 – Aspecto da fratura de um material frágil.
TIPOS DE FRATURAS PRESENTES NO ENSAIO DE TRAÇÃO
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TENSÃO REAL E DEFORMAÇÃO REAL – COEFICIENTE DE RESISTÊNCIA E DE ENCRUAMENTO
A curva de tensão real-deformação real pode ser expressa pelas relações a seguir:
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K – coeficiente de resistência, que quantifica o nível de resistência que o material pode suportar (Pa)
n – coeficiente de encruamento, que representa a capacidade com que o material distribui a deformação (adimensional). 
Figura 16 – Influência do valor do coeficiente de encruamento (n) na região plástica da curva tensão-deformação.
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VIDEO SOBRE ENSAIO DE TRAÇÃO
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REFERÊNCIAS
 CALLISTER W.D. “Ciência e Engenharia dos Materiais: Uma Introdução”. 
 GARCIA, A.; SPIM, J. A.; SANTOS, C. A. D. Ensaios dos Materiais. 1ª. ed. Rio de Janeiro: LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2000.
 DE REZENDE TEIXEIRA, Aurélio; ASSIS, Amanda Figueirêdo. ANÁLISE DO ENSAIO DE TRAÇÃO EM CHAPAS DE AÇO 1020 SOLDADAS POR ELETRODO REVESTIDO. The Journal of Engineering and Exact Sciences, v. 3, n. 1, p. 028-030, 2017.
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