6- Impacto

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GRUPO DE ESTUDOS SOBRE FRATURA DE MATERIAIS 
DEMET/EM/UFOP
ENSAIO DE IMPACTO
ENSAIOS MECÂNICOS 
DE MATERIAIS
Ensaio de impacto
Ensaio de Impacto : objetivo
Para antecipar o pior conjunto de circunstâncias
que poderiam provocar uma falha, este teste
emprega condições experimentais que suprimem a
capacidade do material de se deformar
plasticamente, através do aumento de sua
resistência mecânica : baixa temperatura, elevada
taxa de deformação, e um estado multiaxial de
tensões causado pela presença de um entalhe ou
um defeito no corpo de prova.
Diagrama esquemático de Davidenkov.
DBTT: ductile brittle transition temperature
NDTT : nil ductility transition temperature
FATT : fracture appearance transition temperature
Testes de impacto Charpy e Izod.
Ensaio de Impacto : equipamento GESFRAM
Ensaio de impacto – CDTN/CNEN
 
Pêndulo 
Registro da energia 
absorvida pelo CP 
Energia de impacto Charpy em função da temperatura
para diversas ligas de engenharia.
-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
0
20
40
60
80
100
120
140
Settling curve:
y=57,717+59,939*tanh[(x+2,166)/60]
Correlation coefficient (R)=0,97398
Temperature (ºC)
E
ne
rg
y 
(J
)
-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
0
20
40
60
80
Settling curve:
y=34,094+33,801*tanh[(x+34,094)/45]
Correlation coefficient (R)=0,9882
E
ne
rg
y 
(J
)
Temperature (ºC)
Junta soldada de aço USI-SAC 50
(a) Entalhe ao longo da espessura;
(b) Entalhe ao longo do cordão.
Teste CHARPY
Fratografia de impacto, junta
soldada. Entalhe na ZTA, ao
longo do cordão, -1970C.
Fratografia de impacto, junta
soldada. Entalhe na ZTA, ao
longo do cordão, 00C.
-200 -100 0 100 200
0
50
100
150
200
250
E = 102,6 + 96,4*tanh[(5,2+T)/36,7]
E
ne
rg
ia
 a
bs
or
vi
da
 (
J)
Temperatura (
0
C)
 Aço tipo AISI 1020
 3 ensaios por temperatura
 
Superfície de fratura de corpo-de-prova
de impacto, direção longitudinal,
temperatura ambiente. E = 207 J.
Superfície de fratura de corpo-de-prova
de impacto, direção tangencial,
temperatura ambiente. E = 122 J.
Duto de aço API X60, fraturado. Microestrutura do aço fraturado, seção longitudinal.
Superfície de fratura de corpo-de-prova de impacto, direção longitudinal, temperatura ambiente. E = 6 J.
Eixo de aço AISI 1045, fraturado. Microestrutura do aço fraturado, seção transversal.
Energia de impacto Charpy em função da orientação
do corpo-de-prova.
Ensaio de Impacto : Teste CHARPY
Expansão lateral do corpo de prova
Ensaio de Impacto : Teste CHARPY
Análise de fratura
Ensaio de Impacto : Teste CHARPY
Material LE (MPa)
LR (MPa)
Temperatura de transição, oC
20 J 0,38 mm 50% fibrosa
Aço C-Mn 
laminado a quente
210
442
27 17 46
Aço baixa liga 
laminado a quente
385
570
-24 -22 12
Aço temperado 
e revenido
618
688
-71 -67 -54
Dados da temperatura de transição para diversos aços.
Ensaio de Impacto : Teste CHARPY
Ensaio de Impacto : métodos adicionais 
Dispositivo para o ensaio de 
queda de peso.
Exemplos de comportamento
do material, como quebrado
e não quebrado.
 
Pêndulo 
CP 
Base 
Cordão de 
solda entalhado 
Parada da 
deflexão 
 
Não fraturado Fraturado Fraturado 
Ensaio de Impacto : métodos adicionais
Tmin  NDTT : permitida quando a tensão aplicada  for menor do que 35-55MPa;
Tmin  NDTT + 17
oC : permitida quando   ys/2 ;
Tmin  NDTT + 33
oC : permitida quando   ys ;
Tmin  NDTT + 67
oC : permitida desde que a falha não ocorra abaixo do limite de
resistência do material.
 
Temperatura 
Ensaio de Impacto : correlações entre a energia de impacto e a 
tenacidade à fratura
 
Nível de energia onde 
se mede o desajuste de 
temperatura 
Desajuste de 
temperatura na faixa 
da temperatura de 
transição 
Desajuste 
no nível 
superior 
Impacto 
Flexão lenta 
Temperatura 
Energia Charpy 
 
Ensaio de Impacto : correlações entre a energia de impacto e a tenacidade à fratura
Ensaio Charpy instrumentado :
Ensaio Charpy instrumentado :
Esquema de uma curva carga-tempo em um 
ensaio de impacto Charpy instrumentado. 
Ensaio Charpy instrumentado :
Partição de energia e correspondência com a
superfície de fratura.
Ensaio Charpy instrumentado :
 
Energia determinada pelo pêndulo (J) 
Energia 
calculada 
pela área 
da curva 
P x t 
(J) 
Comparação entre a energia à fratura medida
pelo pêndulo do ensaio Charpy e pela
instrumentação.
Ademir Duarte (CETEC), Leonardo Godefroid e Luiz C. Cândido (UFOP)
Vitória,ES - 24.07.2007
Metodologia básica para produção de materiais de referência 
para calibração indireta de máquinas pendulares 
de impacto Charpy
Mecânica de Fratura 
e Integridade 
Estrutural
 Agregar conhecimentos para a fabricação de materiais de
referência para calibração de máquinas de impacto
 Avaliar os principais fatores de influência na obtenção da 
tenacidade de um aço empregando o ensaio de 
impacto Charpy
 Caracterizar corpos-de-prova Charpy de aço AISI SAE 4340 
em diferentes níveis de temperatura, empregando duas 
máquinas pendulares
Objetivos
 Ensaio Charpy: metodologia simples e barata para 
avaliação da tenacidade de materiais.
 No Brasil, os pedidos anuais de calibração de máquinas 
pendulares de impacto do tipo Charpy giram em torno de 50.
 A aquisição de materiais de referência pelos laboratórios 
objetiva o aumento da confiabilidade dos resultados de
ensaios produzidos.
Justificativas
Ensaio Charpy 
CP
brocha
cavacos
O princípio do ensaio de impacto Charpy
Esquema de uma máquina 
pendular com martelo formato C
Detalhe da atuação do martelo 
no CP 
Ensaio Charpy 
O princípio do ensaio de impacto Charpy
1. Desenvolvimentos iniciais: padronização dos procedimentos de
ensaios.
2. Fase da fratura frágil: período até o início dos anos 1950 incluindo
a história da fratura frágil e os conceitos da temperatura de
transição (Navios Liberty).
3. Desenvolvimento da mecânica de fratura
4. Fase atual: ensaio de impacto com instrumentação, ensaio de
impacto em corpos-de-prova reduzidos, etc.
Materiais de Referência
A ABNT define MR como um material ou substância que tem um ou
mais valores de propriedades que são suficientemente homogêneos e
bem estabelecidos para ser usado na calibração de um aparelho, na
avaliação de um método ou atribuição de valores a materiais.
O material de referência certificado (MRC) é definido pelo ISO Guia 30
como um material de referência, acompanhado por um certificado, com
um ou mais valores de propriedades, e certificado por um procedimento
que estabelece sua rastreabilidade à obtenção exata da unidade na qual
os valores de propriedade são expressos.
Materiais de Referência 
Corpos-de-Prova (CPs) confeccionados pelo NIST:
Aço do tipo AISI/SAE 4340.
SRM 2092 – baixo nível de energia de impacto (< 20J).
SRM 2096 – alto nível de energia de impacto (< 136J).
Características: estabilidade dimensional, 
homogeneidade microestrutural, 
valores conhecidos de dureza HRC e 
resistência ao impacto Charpy.
Materiais de Referência 
20% dúctil a -40o C
51% dúctil a -40o C
Materiais e Métodos 
Materiais de referência (MR) Corpos-de-prova confeccionados de 
aço AISI SAE 4340
Corpos-de-Prova (CPs)
Materiais e Métodos 
As temperaturas empregadas para os ensaios de impacto Charpy
foram: -80°C, -60°C, -40°C, -20°C, 0°C, +23°C, +50°C, +100°C e
+150°C.
Para cada nível de temperatura foram utilizados 17 CPs.
Nos estudos comparativos com os Materiais de Referência foram
ensaiados 68 CPs na temperatura de -40°C dos 204 CPs
selecionados aleatoriamente de uma produção de 270 CPs .
Materiais e Métodos 
(a) (b
)
CPprogressão da profundidade
brocha
cavacos
Detalhe da remoção de cavacos
Processo de brochamento
Abertura do entalhe em “V”
Materiais e Métodos 
cavacos
As Máquinas Pendulares 
Máquina pendular, 300J 
(Lab . Ensaios Mecânicos - CDTN/CNEN)
Máquina pendular, 406,7J 
(Lab . Robert Hooke - STF/CETEC)
Materiaise Métodos 
cavacos
As medições dimensionais dos corpos-de-prova confeccionados e
selecionados foram determinadas com instrumentos compatíveis
com a natureza da medição.
O desempenho operacional das máquinas pendulares de impacto
Charpy dos laboratórios envolvidos nos ensaios foi verificado de
acordo com procedimentos normalizados. Os testes aplicados
incluíram: (a) verificação da perda de energia por atrito nos
mancais, (b) verificação da perda de energia em 11 ciclos e, (c)
verificação do tempo para realizar 100 ciclos.
As características geométricas das duas máquinas foram avaliadas
pelo Laboratório de Metrologia Dimensional – SENAI-IEL
(Contagem/MG).
Materiais e Métodos 
cavacos
Para a determinação das medidas de expansão lateral e porcentagem
do aspecto fibroso apresentado pelos corpos-de-prova rompidos,
foram feitas no Laboratório de Metalografia do CDTN/CNEN,
fotografias das superfícies de fratura.
Para a medição da expansão lateral e da superfície de fratura foram
utilizados programas de computador (“Firegraphic” e “Origin”) para
análise das imagens.
Para avaliar o grau de dispersão dos dados obtidos, foi empregado
além do desvio padrão, a amplitude. Para a especificação de um
valor típico da propriedade medida, foi determinada a média dos
dados. Nas situações em que verificou-se a possibilidade da
existência de diferença entre duas médias de uma propriedade
medida, foi empregada a estatística para o teste desta diferença –
testes de hipóteses.
Resultados
CP
brocha
Elemento C Mn Si P S Ni Cr Mo
Composição 0,39 0,65 0,22 0,02 0,009 1,68 0,75 0,23
Composição química do aço (% em peso)
Resultados
CP
brocha
Referência 
do CP
Tratamento 
térmico
Dureza (HRc) Dureza(a)
(HB)
Medição 
LaboratórioMédia Desvio 
padrão
Amplitude
T8 estado de entrega 44,0 0,82 3,0 475 A
T9 estado de entrega 43,3 2,23 7,0 475 B
SRM 2092 estado de entrega 44,5 0,50 1,0 475 A
T10 recozimento 27,8 0,43 1,5 285 A
T11 recozimento 29,3 1,05 4,0 293 B
SRM 2096 recozimento 31,9 0,22 0,50 340 A
(a) Os valores apresentados foram obtidos da tabela de conversão de dureza e referem-se ao valor
médio da dureza HRc.
Resultados
CP
brocha
Gráfico da expansão lateral versus temperatura para o aço AISI/SAE 4340.
2,115,4691,55SRM 2096-40
2,425,9019,10SRM 2092-40
4,3313,0318,88T8 CETEC-40 (estado de entrega)
3,6713,8820,01T9 CDTN-40 (estado de entrega)
2,1310,2090,74
T10 
CETEC
-40 (recozido)
1,786,1389,39T11 CDTN-40 (recozido)
Desvio PadrãoAmplitudeMédia ensaiado
Temperatura de 
ensaio / °C
Energia absorvida - KV / JMaterial
B
a
ix
a
 E
n
e
r
g
ia
A
lt
a
E
n
e
r
g
ia
Valor 
certificado 
pelo NIST 
para os SRMs
16,0
90,6
Resultados
Resultados
CP
brocha
Alguns prováveis fatores de influência no valor da tenacidade dos 
materiais avaliados (ASTM E 23 )
1. Atrito excessivo nas partes móveis da máquina
2. Meio de condicionamento dos CPs inadequado 
3. Dimensões incorretas dos apoios e cutelos 
4. Afrouxamento de componentes da máquina 
Conclusões
CP
Pela análise dos testes estatísticos (testes de hipóteses, comparando-se
a igualdade entre as médias dos resultados) realizados observou-se
que as máquinas pendulares dos Laboratórios A e B apresentaram
desempenhos similares nos ensaios de impacto Charpy. No entanto, as
máquinas pendulares dos dois laboratórios não foram classificadas
como máquinas de referência para um nível baixo (<20J) de energia
de impacto Charpy. Estudos adicionais devem ser realizados para
determinar as causas da “grande dispersão” entre as energias de
impacto observadas principalmente nos SRM 2092.
Conclusões
CPA metodologia utilizada neste trabalho, servirá como uma das fontes de 
estudo para o desenvolvimento de programas interlaboratoriais para 
máquinas de impacto Charpy.
Os procedimentos adotados neste trabalho serviram como um estudo 
preliminar para o desenvolvimento futuro de MR destinados a 
calibração de máquinas de impacto Charpy. 
Agradecimentos
• Laboratório de Metrologia Dimensional do SENAI-EL, Contagem, MG
• Laboratório de Ensaios Mecânicos do CDTN/CNEN
• Laboratório Robert Hooke do STF/CETEC
• Rede Temática em Engenharia de Materiais - REDEMAT
• FAPEMIG
CARACTERIZAÇÃO 
DE UMA 
MÁQUINA PENDULAR DE 
IMPACTO CHARPY COMO 
PADRÃO DE REFERÊNCIA
Cuzco, Peru : 23-25.10.2007
A.S.Duarte1, L.C.Cândido2 , L.B.Godefroid2
1 Centro de Tecnologia do Estado de Minas Gerais (CETEC –MG)
2 Departamento de Engenharia Metalúrgica da UFOP
 
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Objetivos
1. Apresentar os processos de calibração (direta e indireta) de 
uma máquina Charpy. 
2. Apresentar alguns fatores de influência na determinação da 
tenacidade de um aço AISI/SAE 4340.
3. Estabelecer uma metodologia para a produção de materiais 
de referência para calibração indireta de máquinas Charpy. 
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Ensaio Charpy
Ensaio Charpy: metodologia simples e barata para avaliação da
tenacidade à fratura de materiais.
No Brasil, os pedidos anuais de calibração de máquinas
pendulares de impacto do tipo Charpy giram em torno de 50.
A produção de materiais de referência pelos nossos
laboratórios objetiva diminuir os elevados custos de
importação.
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
O princípio do ensaio de impacto Charpy
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Calibração direta de uma máquina para Ensaio Charpy
A calibração direta envolve principalmente a medição
dimensional das características geométricas do cutelo,
comprimento do pêndulo, distância entre os apoios de
assentamento do corpo-de-prova na máquina, além da
verificação de nivelamento da base da máquina, alinhamento
vertical do pêndulo e determinação do percentual de perda de
energia por atrito nos mancais de rolamento.
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Máquina Charpy, modelo Satec – Instron DI-300
Máquina pendular, 406,7J
(Laboratório Robert Hooke - STF/CETEC, MG - BRASIL
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Exemplos de etapas da calibração direta 
Máquina pendular, 406,7J
(Laboratório Robert Hooke - STF/CETEC, MG - BRASIL
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Exemplos de etapas da calibração direta
Máquina pendular, 406,7J
(Laboratório Robert Hooke - STF/CETEC, MG – BRASIL)
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Máquina Charpy, modelo Satec – Instron DI-300
Máquina pendular, 406,7J
(Laboratório Robert Hooke - STF/CETEC, MG - BRASIL
O processo de instalação da máquina foi 
conduzido de acordo com as instruções do 
fabricante, do NIST e da ASTM E 23. 
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Calibração indireta de uma máquina para Ensaio Charpy
A calibração indireta é realizada com o emprego de Materiais de
Referência Certificados (MRC), cuja tenacidade, medida em termos
de energia absorvida, é previamente conhecida.
A ABNT define um MRC como um material de referência
acompanhado por um certificado, com um ou mais valores de
propriedades, e certificado por um procedimento que estabelece sua
rastreabilidade à obtenção exata da unidade da qual os valores da
propriedade são expressos.
Os MRC são produzidos e certificados por organismos
internacionais (p.ex. NIST) em termos de tenacidade em três níveis
de energia: baixo (< 20J), alto (< 140J) e elevado (acima de 175J).
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Materiais de Referência Certificados do NIST
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Detalhe da remoção de cavacos
Abertura do entalhe em “V”
Corpos-de-prova confeccionados de aço AISI SAE 4340
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Exemplos de variáveis que influenciam a tenacidade
• Atrito nos mecanismos móveis da máquina
• Acondicionamento incorreto do corpo-de-prova
• Dimensões incorretas dos apoios e cutelos
• Dimensões irregulares do corpo-de-prova
Desvios significativos entre as medições
2,115,4691,55
SRM 
2096
-40
2,425,9019,10
SRM 
2092
-40
4,3313,0318,88
T8 
CETEC
-40 (estado deentrega)
3,6713,8820,01T9 CDTN
-40 (estado de 
entrega)
2,1310,2090,74
T10 
CETEC
-40 (recozido)
1,786,1389,39T11 CDTN-40 (recozido)
Desvio PadrãoAmplitudeMédia ensaiado
Temperatura de 
ensaio / °C
Energia absorvida - KV / JMaterial
B
a
ix
a
 E
n
e
rg
ia
A
lt
a
 E
n
e
rg
ia
16,0
90,6
Resposta na calibração indireta com MRC
Nos estudos comparativos com os Materiais de Referência foram ensaiados 68
CPs na temperatura de -40°C dos 204 CPs selecionados aleatoriamente de uma
produção de 270 CPs .
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Resultados – Calibração Indireta 0
15
30
45
60
75
90
105
120
1,85 1,88 1,90 1,93 1,95 1,98 2,00 2,03 2,05 2,08 2,10 2,13 2,15
Profundidade de entalhe (mm)
En
er
gi
a a
bs
or
vi
da
 (J
)
SRM 2092 SRM2096 CPs 4340 - energia baixa CPs 4340 - energia alta
ASTM - energia alta ASTM - energia baixa ASTM - energia muito alta
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Resultados – Calibração Indireta 
0
20
40
60
80
100
120
0 0,09 0,18 0,27 0,36 0,45
Raio da base do entalhe (mm)
En
er
gi
a 
ab
so
rv
id
a 
(J
)
SRM 2092 SRM 2096 CPs 4340 - energia baixa
CPs 4340 - energia alta ASTM - energia alta ASTM - energia baixa
ASTM - energia muito alta
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Resultados – Calibração Indireta 
Desempenho da Máquina Pendular com os MR de baixa energia 
0
5
10
15
20
25
1 2 3 4 5
Quantidade de MRC
 T
en
ac
id
ad
e 
/ j
ou
le
s
Valores determinados Valor de referência
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Resultados – Calibração Indireta 
Desempenho da máquina pendular com os MR de alta energia 
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
1 2 3 4 5
Quantidade de MRC
 T
en
ac
id
ad
e 
/ j
ou
le
s
Valores determinados Valor de referência
Metrologia / Materiais e 
Metalurgia
Conclusões
• Os procedimentos adotados neste trabalho serviram como um 
parâmetro inicial para a implantação de um Programa Interlaboratorial (PI) 
de ensaio Charpy promovido pela Rede Metrológica de Minas Gerais, Brasil 
- RMMG
• As observações sobre o desempenho da máquina Charpy - modelo Satec 
- Instron DI-300, objeto de estudo, serviram para o aprimoramento dos 
procedimentos operacionais dos ensaios de impacto do Laboratório Robert 
Hooke, STF/CETEC – Minas Gerais -
Brasil