Ensaio de Tração e Impacto

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SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CAMPUS BLUMENAU
www.blumenau.ufsc.br/blumenau@contato.ufsc.br
Relatório VII : Visita Altona
Ludivar Junior de Souza (14203756) 
Prof. Dr. Wanderson Santana da Silva
Ensaio de materiais
Blumenau
2018
Resumo
Sob supervisão do Professor Dr. Wanderson Santana da Silva foi realizado a visita técnica à empresa Altona localizada em Blumenau/SC, onde nos foi apresentada sua parte fabril e de desenvolvimento laboratorial. Também foram realizados ensaios de tração para uma amostra de aço inoxidável martensítico e de impacto para uma amostra de mesmo material. Para o ensaio de tração o próprio software acoplado a máquina fornecia a curva de força x deslocamento, no entanto, também foi realizada outra curva a partir da extração de pontos desta curva. A partir destes valores foi realizada uma curva de engenharia e outra verdadeira. Para o ensaio de impacto foi obtido o valor da energia absorvida durante o impacto, no entanto devido à falta de dados somente foi estimado o valor do concentrador de tensões. 
1. Introdução	4
2. Revisão Bibliográfica	5
2.1 Propriedades mecânicas	5
2.1.1 Ensaio de Tração	7
2.1.2 Tensão Verdadeira e Deformação Verdadeira	9
2.2 Ensaio de Impacto	10
2.3 Aço Inoxidável Martensítico	13
3. Descrição de Metodologia	15
3.1 Ensaio de Tração	15
3.2. Ensaio de impacto Charpy	16
4. Resultados e Discussões	17
4.1 Ensaio de Tração	17
4.2 Ensaio de impacto	21
5. Conclusão	22
6. Referências Bibliográficas	23
1. Introdução
Sob supervisão do Professor Dr. Wanderson Santana da Silva foi realizado a visita técnica à empresa Altona, o qual primeiramente houve uma introdução sobre a história da empresa e as atividades realizadas, assim como as normas de segurança a qual seriam seguidas durante a visita no parque fabril. Posteriormente a essa breve introdução nos encaminhamos para o laboratório de ensaios, o qual nos foi introduzido os ensaios realizados no dia-a-dia da empresa pelo responsável do setor. 
Após a breve introdução presenciamos a realização de um ensaio de tração em um aço inoxidável martensítico. A máquina possui origem alemã, adquirido ainda na década de 50 pela empresa. Em seguida foi realizado um ensaio de impacto tipo Charpy em uma amostra também de aço inoxidável martensítico. A visita no parque fabril foi acompanhada por dois técnicos de segurança e um estagiário, o qual é aluno de graduação da eng. de materiais do nosso campus. Os setores que nos foi possibilitado visita foram os de moldagem, acabamento, tratamento térmico e usinagem. 
O presente relatório tem como objetivo avaliar o comportamento do aço inoxidável martensítico ensaiado junto a empresa Altona ao estar sob esforço trativo ou de impacto com o intuito de verificar as propriedades mecânicas do mesmo. 
	
2. Revisão Bibliográfica
2.1 Propriedades mecânicas
Muitos materiais em sua aplicação estão sujeitos a forças ou cargas, portanto torna-se necessário conhecer suas características e particularidades de maneira que não ocorra falha do mesmo ao estar em uso. O comportamento deste material é definido a partir da relação entre sua resposta e a carga aplicada.[1] 
Para a maioria dos metais ao estarem submetidos a um esforço de de tração a tensão e a deformação são proporcionais entre si, de acordo com,
σ=Eε (Lei de Hooke)
	
sendo E o módulo de elasticidade, σ tensão aplicada e ε deformação. Podemos denominar essa relação proporcional como deformação elástica, ao realizarmos um gráfico de tensão x deformação visualizamos essa característica, assim como podemos extrair o módulo de elasticidade através da inclinação da curva. [1]
Quanto maior esse módulo, mais rígido será o material. A deformação elástica não é permanente, portanto ao retornarmos a carga o material irá voltar a sua forma original. 
Nem todos os materiais apresentam uma relação linear entre a tensão e a deformação, tais como: ferro fundido, concreto e muitos polímeros. de modo que é mais conveniente utilizar um módulo tangencial (inclinação da curva em uma tensão específica). De modo geral, os cerâmicos apresentam modo de elasticidade maior que os metais, para os polímeros são menores. Essa diferença é decorrente das diferentes ligações químicas nesses materiais. Para a temperatura, temos que o módulo de elasticidade tende a diminuir, independente do tipo de material. [1] 
Através da análise do gráfica também podemos obter a tensão limite de escoamento, o qual é estabelecido a partir da intersecção da curva tensão x deformação com uma linha inserida em paralelo com uma pré-deformação de 0002. Para os casos de materiais que que se comportam na região elástica de uma maneira não-linear é mais conveniente estabelecer a tensão limite de escoamento como sendo a tensão necessária para deformar 0,005. Após o regime elástico temos então que a deformação não irá se recuperar, de modo que a partir daí o material entrará no regime plástico. [1]
Figura 1 - Curva TensãoxDeformação - Regime plástico[1]
Sob o ponto de vista atômico podemos descrever a deformação plástica como quebra de ligações dos átomos com seus vizinhos originais e formação de novas ligações com novos átomos vizinhos. Para materiais cristalinos temos que a deformação ocorre através de sistemas de escorregamento, sendo grande parte através de discordâncias, já em sólidos amorfos é através de mecanismo de escoamento viscoso. 
No decorrer da deformação plástica chegaremos a uma tensão máxima (limite de resistência a tração), no qual uma pena constrição (pescoço) começa a se formar, de modo que toda a deformação posterior será restrita a esse pescoço e a fratura ocorrerá neste pescoço (figura 2 ilustra esse processo).
Figura 2 - Desenho esquemático da formação do pescoço e fratura.
Um material que apresenta pouca ou nenhuma deformação plástica é denominado frágil. Outras propriedades importantes são a ductilidade, a qual representa a quantidade de deformação plástica que foi suportada até a fratura, a resiliência, na qual consiste na capacidade do material de absorver energia durante sua deformação elástica e tenacidade, que mede a habilidade do material de absorver energia até sua ruptura. [1]
 (Resiliência)
 (Tenacidade)
As propriedades mecânicas podem ser verificadas pela execução de experimentos que reproduzem as condições de serviço, podemos citar entre eles: ensaio de tração, ensaio de compressão. 
2.1.1 Ensaio de Tração
Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais comuns é conduzido sob tração. Uma amostra é deformada, geralmente até sua fratura, por uma carga de tração aumentada gradativamente aplicada uniaxialmente a um corpo-de-prova. 
As configurações do corpo de prova padrão têm a forma de “osso de cachorro”, pois durante o ensaio a deformação fica confinada à região central mais estreita, entretanto a fratura pode não ocorrer nesta seção. O corpo de prova é preso por suas extremidades nas garras de fixação do dispositivo de testes. 
A máquina de ensaios de tração é projetada para alongar o corpo-de-prova a uma taxa constante e medir, contínua e simultaneamente, a carga instantânea aplicada (com uma célula de carga) e os alongamentos resultantes (usando um extensômetro). [1]
Figura 3 - Desenho esquemático do corpo de prova.[1]
O resultado de um ensaio de tração desse tipo é registrado (geralmente em um computador) como carga ou força em função do alongamento. Essas características carga-alongamento são dependentes do corpo-de-prova. [1]
Figura 4 - Desenho esquemático da máquina de ensaio de tração.[1]
2.1.2 Tensão Verdadeira e Deformação Verdadeira
	No ensaio de tração a tensão calculada geralmente é feita com base na área da seção reta original, não levando em conta a diminuição da área na região do pescoço, no entanto conforme ocorre a formação do pescoço a área irá mudar instante a instante, em alguns casos de fato não a necessidade de se considerar essa diminuição de área, de modo que, podemos denominar essa tensão x deformação comosendo de engenharia, para o caso em que se é levado em conta essa diminuição denominamos verdadeira, Em outros casos é necessário trabalhar com tensão verdadeira x deformação verdadeira, de modo que a tensão agora é calculada a partir da seguinte forma,
Figura 5 – Equação para cálculo da tensão de engenharia.[1]
enquanto a deformação verdadeira pode ser calculada a partir da seguinte expressão, 
Figura 6 – Equação para cálculo da deformação de engenharia.[1]
para casos em que o volume não se altera no decorrer da deformação podemos relacionar a tensão verdadeira com a tensão de engenharia e a deformação verdadeira com a deformação de engenharia, de modo com as seguintes expressões:
Figura 7 – Equações para cálculo da tensão e deformação verdadeira.[1]
No entanto, essas equações somente são válidas até o surgimento do pescoço, após esse ponto a tensão e a deformação devem ser estimadas ponto a ponto. A região plástica da curva verdadeira é descrita pela equação de Hollomon, o qual consiste em:
Figura 8 – Equação de Hollomon.[1]
A figura 9 ilustra uma comparação entre tensão verdadeira e tensão de engenharia, a qual visualizamos que a manter a deformação em crescente a tensão continua a aumentar, entretanto, após a formação do pescoço a região começa a apresentar um estado complexo de tensões, não apresentando somente tensão uniaxial. 
Figura 9 - Ilustração comparativa entre tensão de engenharia e tensão verdadeira.[1]
2.2 Ensaio de Impacto
Pode ocorrer dois modos de fratura: frágil e dúctil. Essa classificação está baseada na capacidade de um material em deformar-se plasticamente na região de fratura. A fratura frágil ocorre sem nenhuma deformação siginificativa, rompendo de forma brusca. Em uma observação visual percebe-se um aspecto cristalino. Já a fratura dúctil apresenta uma extensa deformação plástica no material, absorvendo muita energia e dissipando-a antes da ruptura. A superfície de fratura apresenta um aspecto fibroso. Três fatores principais contribuem para o surgimento da fratura frágil em materiais que são normalmente dúcteis à temperatura ambiente: existência de um estado triaxial de tensões, baixas temperaturas e velocidade da deformação elevada.
Figura 10 - Superfície de fratura após ensaio de impacto Charpy [2]
O comportamento dúctil-frágil dos materiais pode ser estudado através de ensaios de impacto. A carga é aplicada através de esforços por choque (dinâmicos), e o impacto é obtido por meio da queda de um martelo ou pêndulo, de uma altura determinada, sobre a peça a examinar. Os pesos utilizados nos ensaios são intercambiáveis, portanto possuem diferentes pesos e podem cair de alturas variáveis. Os ensaios mais conhecidos são denominados Charpy e Izod,de modo que sua diferenciação dependendo da configuração geométrica do entalhe e do modo de fixação do corpo de prova na máquina. A aplicação da propriedade de transição dúctil para a frágil como função da temperatura possibilita a determinação da faixa de temperaturas na qual um material muda de dúctil para frágil. [2]
Figura 11- Representação esquemática ensaio de impacto [2]
Figura 12- Curva de Resposta do ensaio de impacto [2]
Em ambos os casos tanto para o ensaio Charpy quanto o Izod o corpo de prova tem o formato de uma barra de seção transversal quadrada, na qual é usinado em um entalhe em forma de V, U ou key-hole. [2] 
A carga é aplicada pelo impacto de um martelo pendular, que é liberado a partir de uma posição padronizada e de uma altura fixada. Após o pêndulo ser liberado, sua ponta choca-se e fratura o corpo de prova no entalhe, que atua como um concentrador de tensões. O pêndulo continua seu movimento após o choque, até uma altura X menor que a altura de liberação do pêndulo X1. A energia absorvida no impacto é determinada a partir da diferença entre e, ambas medidas na escala do equipamento. [2] 
As diferenças fundamentais entre os ensaios Charpy e Izod residem na forma em que o corpo de prova é montado (horizontal ou vertical), e na face do entalhe, localizada ou não na região de impacto. Variáveis como o tamanho e a forma do corpo de prova e a profundidade e a configuração do entalhe influenciam os resultados dos testes. 
Figura 13- Representação esquemática corpos de prova Charpy. [2]
 	
Figura 14- Representação esquemática corpos de prova Izod. [2]
2.3 Aço Inoxidável Martensítico
Os aços inox martensíticos são descrito como ligas de ferro-cromo, com teores de de cromo na faixa de 11,5 a 18,0%. As propriedades mais importantes são: 
· Ferro-magnéticos;
· Facilmente trabalhados, boa resistência a corrosão.
· Podem ser endurecíveis através de um processo de têmpera, a qual também melhora a resistência à corrosão. 
Os aços inoxidáveis martensíticos mais utilizados são:
· 403 – baixo teor de carbono são fáceis de conformar a frio no estado recozido. São amplamente empregados em lâminas forjadas ou usinadas de turbina e compressores, tesouras, canos de fusil, componentes de micrômetros e instrumentos de medida;
· 416 – Possui boa usinabilidade, portanto é empregado em parafusos, porcas, hastes de válvulas, lâminas de turbina e cutelaria;
· 420 – Alto valor de dureza e razoável tenacidade após tratamento térmico. São empregados em cutelaria, instrumentos cirúrgicos, eixos de bomba, válvulas, peças de motores a jato e parafusos;
Nos aços inox martensíticos ocorre um fenômeno denominado “fragilidade pelo hidrogênio”, o qual ocorrem quando a dureza e o carbono estão elevados. Tem como origem o processo de fusão do aço ou durante seu tratamento devido a atmosfera utilizada. Também pode ocorrer durante o tratamento químico de decapagem. Para prevenir essa ocorrência pode ser realizado através de um aquecimento até uma temperatura máxima de 400ºC. 
3. Descrição de Metodologia
3.1 Ensaio de Tração
Os ensaios foram feitos em um corpo de prova(CP) de aço inoxidável martensítico com área transversal circular, o qual apresentou as seguinte dimensões:
Tabela I – Dimensões Corpo de Prova Aço Inoxidável Martensítico. 
	Amostra
	Diâmetro(mm)
	Área(mm²)
	Inoxidável Martensítico
	12,70
	126,68
O CP foi submetido à aplicação de carga crescente em tempo constante até a ruptura, para qual se gerou um gráfico de acordo com suas propriedades mecânicas. A partir desta curva foi proposto extrair pontos aleatórios da curva para plotagem de uma nova curva de engenharia. Para os pontos extraídos foi utilizado como referência os valores de força, de modo que os valores de deformação correspondentes foram estimados através da utilização de uma régua. A tabela dois fornece os dados extraídos da curva.
Tabela II – Valores Extraídos. 
	Deformação (mm)
	Força (Kgf)
	4,20
	2000,00
	4,50
	4000,00
	4,80
	6000,00
	5,20
	8000,00
	5,60
	9329,52
	7,00
	11000,00
	9,80
	11174,75
	13,00
	10000,00
	14,30
	9000,00
	15,60
	7800,00
 Para as curvas de engenharia foi necessária a utilização das seguintes equações:
 Plotando os dados adquiridos através destas equações se adquiriu curvas que se assemelhavam com a de força por deformação. 
Já para o caso da curva real a equação para a deformação é dada como,
 e para a tensão temos,
3.2. Ensaio de impacto Charpy 
O ensaio de impacto Charpy foi realizado em temperatura ambiente em um corpo de prova de mesmo material do utilizado para o ensaio de tração.
O corpo de prova ensaiado foi: 
· Aço inoxidável martensítico, seção transversal de 10x10 mm e comprimento de 55 mm, entalhe em V de 2 mm com angulação de 45º no centro horizontal do corpo de prova. 
A máquina era composta por um pêndulo, o qual ficava suspenso e travado por um pino de segurança, um apoio para que a amostra ficasse presa de modo que com que o pêndulo acertasse o meio da face oposta do entalhe em sua trajetória de descida, e marcadores com os valores de energia que o entalhe poderia absorver. Com o corpo de prova devidamente posicionado e maquina devidamente zerada, o pino de segurança foi destravado fazendo com que o pendulo fosse liberado colidindo com a amostra,fraturando-a. Os dados quanto à energia absorvida pela amostra foram coletadas.
4. Resultados e Discussões
4.1 Ensaio de Tração
	Para o aço inoxidável martensítico observarmos a ocorrência de grande deformação, assim como a formação do pescoço típica de materiais com comportamento dúctil. Na figura quinze está apresentado o gráfico Força x deslocamento plotado na empresa Altona. 
Figura 15 – Curva de Engenharia Aço Inoxidável Martensítico Temperado.
Para este ensaio os resultados obtidos estão apresentados na tabela três:
Tabela III - Propriedades Mecânicas estimadas
	Propriedade Mecânica
	Valor Encontrado
	Força máxima aplicada no limite de resistência a tração
	11174,75 Kgf
	Limite de resistência a tração – S
	88,21 Kgf/mm²
	Força aplicada no limite do escoamento
	9329,52 Kgf
	Tensão limite de escoamento
	73,648 Kgf/mm²
	Comprimento inicial
	50,00 mm
	Comprimento final
	60,00 mm
	Alongamento elástico
	10,95 %
	Alongamento final
	20 %
	Estricção
	53,072 %
A partir dos valores extraídos do gráfico foram calculados os valores de tensão e deformação de engenharia, assim como os valores de tensão e deformação verdadeira. A tabela três apresenta estes valores. 
Tabela IV – Valores de Tensão Calculados
	Deformação (mm)
	Força (Kgf)
	σ(MPa)
	e(mm/mm)
	σv(MPa)
	ɛ(mm/mm)
	4,20
	2000,00
	154,82
	0,08
	167,51
	0,08
	4,50
	4000,00
	309,64
	0,09
	337,51
	0,09
	4,80
	6000,00
	464,46
	0,10
	509,05
	0,09
	5,20
	8000,00
	619,28
	0,10
	683,68
	0,10
	5,60
	9329,52
	722,19
	0,11
	803,08
	0,11
	7,00
	11000,00
	851,51
	0,14
	970,72
	0,13
	9,80
	11174,75
	865,03
	0,20
	1034,58
	0,18
	13,00
	10000,00
	774,10
	0,26
	--
	--
	14,30
	9000,00
	696,69
	0,29
	--
	--
	15,60
	7800,00
	603,79
	0,31
	--
	--
A partir desta tabela foi plotado o gráfico de força por deformação:
Figura 16- Gráfico Força por deslocamento.
Também a partir da tabela foram plotados as curvas de engenharia e verdadeira. 
Figura 17- Gráfico Curva de Engenharia.
Figura 18 - Gráfico Curva Real.
Figura 19 - Gráfico Curva Comparativa
.
As propriedades mecânicas obtidas pelas curvas estão presentes na tabela cinco.
Tabela V – Propriedades mecânicas calculadas.
	Módulo Elasticidade (GPa)
	19,5
	Tensão de escoamento(MPa)
	722
	Tensão de resistência MPa)
	865
	Tensão de ruptura (MPa)
	605
	Tensão escoamento real (MPa)
	803
	Tensão resistência real (MPa)
	1035
	Módulo tenacidade (MJ/m³)
	943,55
	Módulo resiliência (MJ/m³)
	50,01
	Coeficiente de Encruamento(m)
	0,20
	H(MPa)
	1452,45
O módulo de elasticidade foi obtido a partir da linearização da região elástica da curva de engenharia, de modo a encontrar a equação: y = 19444x - 1412,5. O valor do coeficiente angular é o próprio valor do módulo de elasticidade. Não foi possível estimar a tensão de ruptura real, pois não foi fornecido o valor do diâmetro após a ruptura do material. Para obter valor do coeficiente de encruamento (n) e do coeficiente de resistência a deformação (H) foi realizado uma curva linearizada a partir da aplicação logarítmica na equação de Hollomon, de modo a obter a seguinte equação
A partir do gráfico linearizado encontramos a equação: y = 0,1975x + 3,1621, de modo que o coeficiente linear pode ser correlacionado com o coeficiente de resistência a deformação, basta aplicar a base 10 para encontrar o valor e n é o valor do coeficiente angular. Em relação à superfície de fratura, observamos que a amostra apresentou aspecto dúctil. A formação do pescoço (estricção) tem início no ponto em que atinge a máxima tensão (limite de resistência). Após a o surgimento de um estado complexo de tensões, de modo que a trinca cresce na direção de cisalhamento máximo (45°).
4.2 Ensaio de impacto 
O dado obtido neste ensaio prove do choque dinâmico entre o pêndulo e a amostra, ocorrendo absorção de energia por parte da amostra. Para amostra ensaiado foi obtido um valor de energia de 90 J. A alta dureza presente forneceu ao material uma fratura frágil, portanto não a deformação plástica. 
Somente foi possível realizar o ensaio de uma única amostra, portanto não é possível plotar um gráfico com a variação da energia pela temperatura. A superfície da análise fraturada também não será possível analisar, pois conforme regra interna, não é possível para visitantes tirar fotos em localidades dentro da empresa. Portanto a única análise possível é estimar o valor do concentrador de tensão, pois este unicamente depende do ângulo de entalhe estabelecido (45º).
5. Conclusão
Oportunidades como as de visitar uma empresa como a Altona permitem com que se tenha um maior contato com a área de atuação que um engenheiro de materiais possui. 
Demonstrando assim a inclusão dos mais diversos departamentos, podendo trabalhar com as mais variadas propriedades que os materiais podem vir a possuir. O ensaio de tração demostrou a importância de verificar as propriedades mecânicas fornecidas pelo material, de modo a otimizar o projeto da peça, desde seu processamento até a aplicação final.
 Para o ensaio de impacto não foi possível realizar uma curva de transição dúctil-frágil, no entanto, durante a visita foi observado que o comportamento dúctil-frágil tem caráter importante na elaboração do projeto de uma peça. 
6. Referências Bibliográficas
[1]D., CALLISTER Jr. William. Fundamentos Da ciência e Engenharia De Materiais. LTC Editora, 2006.
[2] Garcia A, Alvares. J.S, Santos C. Ensaios dos materiais, 1° edição, 2000.
[3] MURI, Pedro. Uma breve revisão dos aços martensíticos e supermartensíticos utilizados na indústria do petróleo. Trabalho de conclusão de curso(Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Materiais), Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2009.
Força x Alongamento
Kgf Força	4.0999999999999996	4.5	4.8	5.2	5.6	7	9.8000000000000007	13	14.3	15.6	15.6	2000	4000	6000	8000	9329.52	11000	11174.75	10000	9000	7800	7800	Deformação (mm)
Força (Kgf)
Curva de Engenharia
MPa Força	8.199999999999999E-2	0.09	9.6000000000000002E-2	0.10400000000000001	0.11199999999999999	0.14000000000000001	0.19600000000000001	0.26	0.28600000000000003	0.312	0.312	154.81910813656157	309.63821627312313	464.45732440968459	619.27643254624627	722.19398287110687	851.50509475108845	865.03241432452057	774.09554068280761	696.68598661452688	603.79452173258994	603.79452173258994	Deformação e (mm/mm)
Tensão S (MPa)
Curva Real
MPa Força	7.8811180424289848E-2	8.6177696241052412E-2	9.1667188525823867E-2	9.8939947854903648E-2	0.10616019582839072	0.13102826240640419	0.17898265552843995	167.51427500375962	337.50565573770422	509.04522755301434	683.68118153105593	803.0797089526709	970.71580801624089	1034.5787675321267	Deformação ε (mm/mm)
Tesnão σ (MPa)
Curva Real x Curva de Engeharia
Curva engenharia	8.199999999999999E-2	0.09	9.6000000000000002E-2	0.10400000000000001	0.11199999999999999	0.14000000000000001	0.19600000000000001	0.26	0.28600000000000003	0.312	0.312	154.81910813656157	309.63821627312313	464.45732440968459	619.27643254624627	722.19398287110687	851.50509475108845	865.03241432452057	774.09554068280761	696.68598661452688	603.79452173258994	603.79452173258994	Curva real	7.8811180424289848E-2	8.6177696241052412E-2	9.1667188525823867E-2	9.8939947854903648E-2	0.10616019582839072	0.13102826240640419	0.17898265552843995	167.51427500375962	337.50565573770422	509.04522755301434	683.68118153105593	803.0797089526709	970.71580801624089	1034.5787675321267	Deformação ε (mm/mm)
Tesnão σ (MPa)