10-B Tenacidade-Ensaio de Impacto

Prévia do material em texto

TENACIDADE - ENSAIO DE IMPACTO
1. Conceito
Um componente mecânico pode estar sujeito a vários tipos de carregamento.
Conforme o tipo de carregamento a temperatura e a presença de concentradores de tensão o comportamento pode mudar: por exemplo: materiais dúcteis poderão romper de modo frágil.
A propriedade que melhor avalia se o comportamento do material será dúctil ou frágil é a Tenacidade .
A Tenacidade está relacionada com a capacidade do material absorver energia. 
1. Conceito
A avaliação da tenacidade do material considera todas estes fatores e por este motivo é avaliada em diferentes condições: 
 Quando o carregamento é estático (as cargas não se alteram com o tempo ou a aplicação da carga é realizada de forma lenta-baixas taxas de carregamento) a tenacidade é avaliada através de um teste de tração.
 Quando o carregamento é repentino (a aplicação da carga é realizada de forma rápida ou com altas taxas de carregamento), existem concentradores de tensão e influencia da temperatura a tenacidade é avaliada através de um Ensaio de impacto
 Quando há presença de uma trinca a Tenacidade é avaliada através de um Ensaio de Tenacidade à fratura.
2. Avaliação da Tenacidade em Carregamento Estático
Diz-se carregamento estático: quando a carga aplicada não se altera ou é aplicada lentamente (baixas taxas de carregamento)
No carregamento estático a tenacidade pode ser determinada a partir da curva do ensaio de tração e corresponde a área abaixo da curva σ x ε até o ponto de ruptura.
Qual é a unidade para o Módulo de tenacidade?
2. Avaliação da Tenacidade em Carregamento Estático
Unidade: N/mm2 x mm/mm = N.mm/mm3 N.m = J (joule)= J/mm3
 Energia/unidade de volume
2. Avaliação da Tenacidade em Carregamento Estático
A característica de um Material tenaz é ter um balanço adequado de resistência e ductilidade
Nem sempre o material com maior ductilidade será o mais tenaz.
Qual é o mais dúctil?
Qual o mais resistente?
Qual o mais tenaz?
A
B
C
(Alta resistência, baixa ductilidade e 
baixa tenacidade)
Alta resistência, alta ductilidade e alta tenacidade
Baixa resistência, Alta ductilidade e Baixa tenacidade
3. Avaliação da Tenacidade para Altas Taxas de Carregamento
3.1 Introdução
Os fatos demonstraram que os resultados do ensaio de tração (baixas taxas de carregamento) não conseguem prever integralmente o comportamento do material quando o carregamento não é estático
Materiais dúcteis se comportam como materiais frágeis sob determinadas conduções como: altas taxas de carregamento, baixas temperaturas e/ou presença de concentrador de tensões
Nem sempre o material de maior tenacidade com carregamento estático é o de maior tenacidade com carregamento dinâmico
3. Avaliação da Tenacidade para Altas Taxas de Carregamento
3.2 História: Navios Liberty
Navios da série Liberty construídos durante a 2ª Guerra Mundial para abastecimento das tropas aliadas.
Foram construídos 4694 navios deste tipo, dos quais 1289 sofreram fratura frágil. Destas, 233 foram catastróficas, com perda completa e, em 19 casos, os navios partiram-se ao meio.
3. Avaliação da Tenacidade para Altas Taxas de Carregamento
3.2- História: Navios Liberty
3. Avaliação da Tenacidade para Altas Taxas de Carregamento
3.2 História: Navios Liberty
Causas da Fratura frágil dos navios:
Má qualidade da soldagem: presença de concentradores de tensão como cantos vivos, descontinuidades, defeitos concentradores de tensão, além da presença de tensões residuais. Trincas em estruturas soldadas se propagam sem impedimentos ao longo de grandes distâncias
Concentradores de tensões: presença de cantos vivos no projeto (escotilhas)
3. Avaliação da Tenacidade para Altas Taxas de Carregamento
3.2 História: Navios Liberty
Causas da Fratura frágil dos navios:
D) Qualidade do aço: presença de impurezas no aço (elevada quantidade de inclusões não metálicas) e tamanho de grão grosseiro
C) Desconhecimento do fato que materiais dúcteis podem mudar seu comportamento em baixas temperaturas
3. Avaliação da Tenacidade para Altas Taxas de Carregamento
3.2 História: Navios Liberty
Foram realizados ensaios de impacto no material tendo sido verificado que as chapas de aço do navio que apresentavam valores acima de 25J em uma temperatura de -10ºC não ocasionavam o problema.
25 J
-10ºC
3. Avaliação da Tenacidade para Altas Taxas de Carregamento
3.2 História: Navios Liberty
A solução dos engenheiros da época para o problema foi:
Melhoria da qualidade da solda e do projeto: sem cantos vivos e outros concentradores de tensão e realizado alívio de tensões.
Melhoria da qualidade do aço (menor teor de inclusões, impurezas (P e S), menor percentual de carbono e menor tamanho de grão)
Realização de Ensaios de impacto para avaliar o comportamento do aço a ser utilizado: se acima de 25J matéria prima era aprovada.
4. Ensaio de Impacto
4.1 Introdução: 
O ensaio de impacto consiste em medir a quantidade de energia absorvida por uma amostra do material, quando submetida à ação de um esforço de choque de valor conhecido.
O choque ou impacto representa um esforço de natureza dinâmica, porque a carga é aplicada repentina e bruscamente.
Ensaio simples e prático, razão pela qual é amplamente utilizado
Norma ASTM E-23
4. Ensaio de Impacto
4.1 Introdução: 
O Ensaio de impacto é muito útil para avaliar a tenacidade considerando as seguintes condições de serviço: 
Alta taxa de carregamento (carga dinâmica aplicada de forma repentina: impacto
Presença de entalhe (o entalhe no c.p siimula a condição de elevada concentração de tensões)
Realizado em temperatura ambiente e abaixo da temperatura ambiente conforme a finalidade.
Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=tpGhqQvftAo
4. Ensaio de Impacto
4.1 Introdução: 
Existem dois ensaios padrão: Charpy e Izod
Charpy é mais utilizado nos Estados Unidos
Izod na Europa
A diferença entre estes ensaios é essencialmente o corpo de prova, a forma como são fixados e o lado de carregamento
4. Ensaio de Impacto 
4.2 Corpo de prova do Ensaio Charpy:
Charpy V-notch (CVN)
O Ensaio de impacto Charpy pode ser utilizado com corpos de prova sem entalhe, ou com entalhe em “U” ou entalhe em “V”. A presença do entalhe é para assegurar que haja ruptura do corpo de prova. Entalhe em “V são os de maior severidade (CVN)
A direção na qual é retirado o corpo de prova assim como o sentido onde é realizado o entalhe podem influenciar nos resultados (constar em especificação ou relatório)
4. Ensaio de Impacto 
4.3 Equipamento/ Descrição do ensaio de Impacto:
A carga é aplicada como um impacto instantâneo transmitida a partir de um martelo pendular balanceado que é liberado de uma posição predeterminada a uma altura fixa h. 
O corpo de prova fica posicionado na base. A aresta afilada do pêndulo atinge e fratura o corpo de prova. 
A ruptura ocorre em função da presença do entalhe que concentra as tensões e devido a alta velocidade do impacto. 
O pêndulo continua seu trajeto elevando-se até uma altura h’ . A absorção de energia é calculada a partir da diferença de Energia potencial devido as posições h e h’.
4. Ensaio de Impacto
4.4 Transição dúctil-frágil:
Uma das principais aplicações do ensaio de Impacto consiste em determinar se um material apresenta uma transição dúctil-frágil com a diminuição da temperatura, e se essa for a situação qual o intervalo de temperatura na qual isto ocorre.
Em temperaturas mais elevadas as energias absorvidas são maiores, e a fratura é dúctil
Para alguns materiais à medida que a temperatura vai reduzindo vai diminuindo a energia de absorção até a fratura apresentar-se de modo totalmente frágil
A transição entre a fratura dúctil e frágil nem sempre é fácil de determinar pois muitos materiais apresentam um intervalo de transição. Não existe um critério normatizado para tal. Assim as empresas especificam um determinado valor de energia de impacto para umadeterminada temperatura conforme o produto.
4. Ensaio de Impacto
4.4 Transição dúctil-frágil:
Exercício: Fazer gráfico da Energia de Impacto (J) x Temperatura (ºC) para o aços carbono: Aço A: com 0,1% C e Aço B com 0,25% C conforme dados da tabela abaixo
	Temperatura
 (ºC)	A - Aço com 0,1%C
Energia de
 Impacto (J)	B- Aço com 0,25%C
Energia de
 Impacto (J)
	40	320	250
	20	320	250
	0	310	200
	-20	300	50
	-40	20	10
	-60	10	10
	-80	10	10
4. Ensaio de Impacto
4.4 Transição dúctil-frágil:
Exercício: Fazer gráfico da Energia de Impacto (J) x Temperatura (ºC) para dois aços carbono: Aço A com 0,1% C e Aço B com 0,25% C conforme dados da tabela abaixo
As estruturas construídas a partir de materiais que exibem esse comportamento dúctil-frágil devem ser utilizadas somente em temperaturas acima da temperatura de transição
4. Ensaio de Impacto
4.4 Transição dúctil-frágil:
A) Efeito do teor de Carbono
O que acontece com a temperatura de transição à medida que aumenta o teor de carbono? 
Qual a situação onde a transição dúctil-frágil é mais brusca?
Se a temperatura de serviço é de -25ºC qual o percentual de Carbono mais apropriado para ser utilizado considerando apenas a energia de impacto?
4. Ensaio de Impacto
 4.4 Transição dúctil-frágil:
 B) Outros fatores que influenciam na temperatura de transição dúctil-frágil
Os Efeitos Nocivos são aqueles que aumentam a temperatura de transição dúctil-frágil.
A temperatura de transição irá aumentar quando:
Aumentar o percentual de Fósforo (P ) no aço.
Aumentar a quantidade de Inclusões duras nos aços (óxidos: Al2O3; aluminato de cálcio, silicatos, etc.) 
Aumentar o Tamanho de grão
Aumentar o grau de encruamento do metal.
4. Ensaio de Impacto
 4.4 Transição dúctil-frágil:
 B) Outros fatores que influenciam na temperatura de transição dúctil-frágil
Os Efeitos benéficos são àqueles que diminuem a temperatura de transição dúctil-frágil
A temperatura de transição dúctil-frágil irá diminuir quando:
Aumentar o teor de Manganês em aços de baixo carbono. 
Adicionar Níquel ao aço
Diminuir o Tamanho de grão
Diminuir o nível de inclusões no aço.
4. Ensaio de Impacto
4.4 Transição dúctil-frágil:
Os metais com estrutura cristalina CCC de baixa resistência como é o caso dos aços de baixo carbono são os mais sensíveis à transição dúctil-frágil. 
Metais que apresentam estrutura cristalina CFC são menos sensíveis a temperatura de transição dúctil-frágil, como por exemplo: os aços inoxidáveis austeníticos, e o alumínio.
C) Influencia da estrutura cristalina na temperatura de transição dúctil-frágil
Aços Inoxidáveis CFC
Aços com 0,06% C - CCC
5. Aumento da Tenacidade
5.1 Como aumentar a tenacidade do componente em situações de carregamento dinâmico?
Diminuir concentradores de tensão (cantos vivos, entalhes, trincas, mudanças bruscas de secção, pontos de corrosão), etc.
Conhecer e trabalhar acima da temperatura de transição dúctil-frágil
Melhorar a qualidade do aço: refinar o grão, utilizar aços com carbono mais baixo se possível, aços com maior pureza (menor nível de inclusões, diminuir o teor de P). 
6. Aplicações e Limitações do 
Ensaio de Impacto
Aplicações do Ensaio de Impacto:
Amplamente utilizado pela indústria e em especificações de materiais, pelo fato de representar as condições mais severas em relação a ocorrência de uma fratura, visto que não é possível controlar todas as ocorrências de defeitos
Estimar a temperatura de transição dúctil-frágil
Útil para verificar a fragilidade dos materiais em função de tratamentos térmicos, fragilidade devido ao hidrogênio, etc.
Útil na verificação de alterações do material, mesmo que sutis: composição química (ex. presença de P, tamanho de grão, inclusões etc.) que podem passar desapercebidos mesmo por análises de corrida de aço pela usina. 
Limitações do Ensaio de Impacto: 
Os resultados obtidos sevem para uma aplicação específica: para cada aplicação deve ser verificado qual a energia de impacto mais apropriada. Atualmente tem sido pesquisado alternativos para o ensaio de impacto como o ensaio de Tenacidade à fratura
6. Aplicações e Limitações do 
Ensaio de Impacto
7. Tenacidade à Fratura
7.1 Ensaio: 
A tenacidade à fratura é importante em situações onde está presente uma trinca sendo muito utilizado por algumas indústrias como aeronáutica e de petróleo e gás
O procedimento de teste é o seguinte: 
O corpo de prova para o Ensaio é confeccionado nas condições da Figura acima
Posteriormente o corpo de prova é submetido a fadiga até o aparecimento de uma trinca.
Finalmente o corpo de prova é levado à ruptura através de um ensaio de flexão. 
7. Tenacidade à Fratura
7.1 Ensaio: 
KIc= σc * √πa 
No ensaio é calculado o valor de “KIc” que é a tenacidade à fratura do material. O valor de Kic segue a equação: 
Sendo σc a tensão crítica para propagação de uma trinca, o valor “a” é o comprimento da trinca A unidade de Kc é MPa √m.
A tenacidade à fratura tem sido utilizada como uma propriedade do material em aplicações de projetos considerando a Mecânica da Fratura. 
Uma vez conhecido os valores de KIc de diferentes materiais assim como a tensão imposta sobre o material, e o tamanho da trinca, é possível fazer um cálculo de tal modo a decidir quais destas variáveis deverá ser restringida: limitar a tensão, limitar o tamanho máximo da trinca (defeito) ou selecionar um material com KIc adequado. Uma vez designado dois desses parâmetros o outro estará fixado automaticamente.
7. Tenacidade à Fratura
7.2 Valores de KIC): 
O valor obtido no teste (KIC) é uma propriedade característica do material, e permite sua utilização na seleção de materiais.
Norma: ASTM E399 - Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness KIc of Metallic Materials
A Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente, e depois com a remoção da carga, permitir a recuperação dessa energia (sem haver deformação permanente).
Unidade: Módulo de Resiliência (Ur) Energia de deformação por unidade de volume
8. Resiliência
Materiais de alto módulo de resiliência devem possuir alto valor de tensão de escoamento (σy) e menores valores para o Módulo de elasticidade. 
Materiais empregados como molas devem apresentar um alto valor para o Módulo de resiliência
8. Resiliência
Resiliência de um aço para molas e de uma estrutural
9. Ensaio de impacto em 
materiais poliméricos
O teste de impacto também é realizado em materiais poliméricos conforme ASTM D 6110.
Os polímeros também apresentam transição dúctil-frágil
10. Caso Titanic
10. Caso Titanic
10. Caso Titanic
Influência da Composição química do aço
	C (%)	Mn (%)	P (%)	S (%)	Si (%)	
	0,21	0,47	0,045	0,069	0,017	Aço do Titanic
	0,21 max.	0,80-1,20	0,035 max.	0,035 max.	0,35 max.	ASTM A 131
b) Metalografia do aço do Titanic: Presença de grande quantidade de inclusões de MnS 
c) Tamanho do grão entre 4,5 a 5,5 ASTM
a) Aços utilizados atualmente em casco de navios apresentam menor teor de P e de S que aumentam a temperatura de transição dúctil-frágil e maior teor de Mn que diminui essa temperatura.
10. Caso Titanic
d) Teste de impacto nas amostras do aço do caso do Titanic:
A temperatura de transição dúctil-frágil para uma energia de impacto de 20 J é de -27ºC para o aço ASTM A 36, 32ºC para o aço do casco em teste com c.p em sentido longitudinal e 56ºC com c.p em sentido transversal.
Durante a colisão a temperatura da água do mar era de -2ºC
Aço típico utilizado para cascos de navios atualmente: ASTM A 131