Análise de Propriedades Mecânicas em Metais

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
MARCELLO FELIPE DE MOURA SANTOS – 12011EMC043
MATHEUS HENRIQUE DE M. SANTOS – 12011EMC042
ANÁLISE DE PROPRIEDADES MECÂNICAS ATRAVÉS DE ENSAIOS
UBERLÂNDIA – MG
2021
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
MARCELLO FELIPE DE MOURA SANTOS – 12011EMC043
MATHEUS HENRIQUE DE M. SANTOS – 12011EMC042
ANÁLISE DE PROPRIEDADES MECÂNICAS ATRAVÉS DE ENSAIOS
Relatório sobre propriedades mecânicas aplicadas à metais para disciplina de Princípio de Ciências dos Materiais.
Docente: Regina Paula Garcia
UBERLÂNDIA – MG
2021
SUMÁRIO
2. RESUMO	2
3. INTRODUÇÃO	3
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 	5
5. MATERIAIS E MÉTODOS 	7
5.1. ENSAIO DE DUREZA VICKERS 	7
5.2. ENSAIO DE TRAÇÃO 	7
5.3. ENSAIO DE IMPACTO CHARPY 	8
6. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS 	9
6.1. ENSAIO DE DUREZA VICKERS 	9
6.2. ENSAIO DE TRAÇÃO 	10
6.3. ENSAIO DE IMPACTO CHARPY 	11
7. CONCLUSÃO 	12
8. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA 	13
9. REFERÊNCIA FOTOGRÁFICA 	14
4
2. RESUMO
Este relatório tem como objetivo, discorrer as propriedades mecânicas dos metais através de ensaios do Alumínio, Aço SAE 1020 e Aço SAE 1045 a partir dos dados fornecidos previamente. 
Para caracterização de um material, podem ser realizadas diferentes técnicas de ensaio, que reproduzem da maneira mais fiel possível, as condições de trabalho em que o material será submetido.
A correta caracterização das propriedades, permite a um engenheiro a elaboração de projetos que levem em consideração as necessidades de uso com as características intrínsecas do material. Além disso, minimizam e/ou previnem a ocorrência de falhas, que podem causar acidentes, perdas econômicas, e interferência na oferta de produtos e serviços.
3. INTRODUÇÃO
Propriedades mecânicas são as características de um material que refletem o seu comportamento mecânico em relação à sua resposta ou deformação a uma carga ou força aplicada. Dentre as diversas propriedades existentes, as mais mensuradas são a rigidez, a resistência, a dureza, a ductilidade e a tenacidade. Tais propriedades são essenciais durante a fase de elaboração e validação de projetos mecânicos, no controle de qualidade e na causa de identificação de falhas.
Entre as técnicas mais utilizadas para medir o comportamento de um material, estão o ensaio de dureza Vickers, o ensaio de tração e o ensaio de impacto Charpy, que fornecem parâmetros específicos para serem analisados.
O ensaio de dureza tem por objetivo, medir a resistência de um material à deformação plástica e quantificá-la por meio do emprego de uma força perpendicular à superfície de um corpo de prova, sendo independente da carga aplicada. Para aplicação desta força, faz-se o uso de um penetrador específico e mais duro do que o material a ser testado. O método Vickers, tem como uma de suas vantagens, o fato de não ser destrutivo, ser relativamente simples e barato, além da ampla aplicação à uma grande variedade de materiais, do mais mole ao mais duro.
Fig. 1 – Esquema de um ensaio de dureza Vickers.
O ensaio por tração é um dos métodos de ensaio tensão – deformação mais utilizados, embora tenha algumas desvantagens quando comparado a outros métodos, como ser menos severo ao replicar o ambiente de trabalho no qual o material será submetido. É um método destrutivo, uma vez que inutiliza o material ou peça permanentemente. Neste, um corpo de prova preso a garras é tensionado de maneira gradativa e axial até sua ruptura. Quando a tensão máxima suportada pelo material é alcançada, o corpo de prova não sofre mais deformação, ocorrendo a partir de então, a estricção, ou seja, diminuição localizada em uma área do corpo de prova. Uma célula de carga e um extensômetro, geralmente conectados à um computador, medem a carga aplicada e o alongamento causado, sendo fornecido um diagrama de tensão e deformação.
 Fig. 2 – Esquema de um ensaio de tração.
Por sua vez, o ensaio de impacto se contrapõe ao ensaio por tração, pois tenta reproduzir as condições mais severas de trabalho de um material. Neste ensaio, o corpo de prova de um material é submetido a um impacto por meio de um pêndulo com determinada carga, solto a partir de determinada altura. O ensaio, mensura a energia necessária para deformação e ruptura do material, através da diferença entre a altura inicial e final do pêndulo.
 Fig. 3 – Esquema de um ensaio de impacto Charpy.
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Segundo Callister e Rethwisch (2016), a rigidez ou módulo de elasticidade (E) pode ser considerado como uma resistência do material a deformação elástica, isto é, aquela que não é permanente. O mesmo vale para dureza, onde a consideram uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica, ou seja, permanente. 
Outras propriedades podem ser obtidas a partir da dureza, como o limite de resistência à tração – LRT (σu), que é a tensão máxima suportada por um material sob tração e que ser for aplicada e mantida, sofrerá fratura. É neste ponto que se inicia uma pequena constrição e onde toda deformação subsequente fica confinada.
Fredel, Ortega e Bastos (2015) definem a ductilidade como a medida da capacidade de deformação plástica de um material metálico até a ruptura, medida em termos de alongamento percentual e redução de área Além disso, consideram a tenacidade (UT) como a capacidade de um material em absorver energia até o momento da fratura. 
O módulo expressa a energia absorvida por unidade de volume, desde o início do ensaio de tração até a fratura do corpo de prova. Esta característica pode ser visualizada através da área total da curva tensão-deformação. Materiais frágeis apresentam deformação reduzida antes da ocorrência de uma fratura, ao contrário dos materiais dúcteis, que exibem deformação maior antes da sua fratura.
A fluência é definida por Callister e Rethwisch (2016) como a deformação permanente e dependente do tempo de materiais submetidos a uma carga ou tensão constantes, servindo como fator limitante na vida útil de uma peça.
O limite de escoamento, para Fredel, Ortega e Bastos (2015) corresponde ao ponto da tensão onde se inicia a deformação plástica. Por convenção, uma linha reta paralela à porção elástica da curva tensão-deformação é traçada, a partir de uma pré-deformação de geralmente 0,002. O ponto de encontro desta linha paralela com a curva representa o limite de escoamento. 
Este método foi desenvolvido para quando não quando não haver a existência de um ponto bem definido para a curva tensão deformação, ou seja, o fim da deformação elástica e o início da deformação plástica, então o limite de escoamento a ser obtido é definido pelo ponto onde inicia o afastamento da linearidade da curva tensão-deformação. A classificação de materiais em dúcteis ou frágeis não é algo muito rígido, pois o mesmo pode mudar suas características de comportamento, por influência de diversos fatores como por exemplo, a temperatura de trabalho, que possui grande influência na absorção de energia de ruptura.
Para Van Vlack (1970), a tenacidade é a medida da energia necessária para romper um material. Esta energia, está intimamente relacionada à área da curva tensão-deformação. Dentre os fatores que influenciam a tenacidade de um material, está a velocidade suficientemente alta de aplicação da carga, uma trinca ou entalhe, além da temperatura em que o material será submetido.
A tensão de ruptura (σrup) corresponde à tensão necessária para causar ruptura do material.
Algumas das propriedades citadas anteriormente, como módulo de elasticidade, tensão de escoamento, deformação e porcentagem de alongamento, são determinadas por meio do ensaio de tração.
5. MATERIAIS E MÉTODOS
5.1. ENSAIO DE DUREZA VICKERS
Para o ensaio de dureza foi utilizado um durômetro da marca Wolpert, com penetradores do tipo Pirâmide de Diamante de base retangular e 136º entre as faces. 
Foram utilizados três corpos de prova para cada material, Alumínio, Aço SAE 1020 e Aço SAE 1045, submetidos à aplicação de cargas por períodos pré-determinados (50kg e 30s paraos Aços SAE 1020 e 1045 e 30kg e 60s para o Alumínio) durante três vezes.
Após a realização do ensaio, foram medidas as dimensões das diagonais impressas pelo penetrador e calculadas suas médias para obtenção do número de dureza.
 Fig. 4 – Máquina de ensaio de dureza Wolpert.
Fig. 5 – Vista lateral e superior do penetrador. 
5.2. ENSAIO DE TRAÇÃO
Para a realização do ensaio foi utilizado a máquina de tração Instron. Os corpos de prova dos materiais Alumínio e Aço SAE 1020 foram preparados seguindo as normas técnicas NBR 6152 e ASTM E 8M e com as seguintes dimensões: 10mm de diâmetro e 50mm de comprimento inicial. As cabeças dos corpos de prova possuíam a seção maior do que a parte útil, para que a ruptura não ocorresse nelas.
 
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Fig. 6 – Máquina de tração Instron. Fig. 7 – Esquema de um corpo de prova.
5.3. ENSAIO DE IMPACTO CHARPY
Seguindo a norma ASTM E23, o corpo de prova para realização do ensaio de impacto, tinha as seguintes dimensões: 55mm de comprimento, 10mm de largura e 10mm de altura. O entalhe estava localizado na região central do comprimento, com 2mm de profundidade e 45º entre as faces. O corpo de prova foi alinhado à trajetória do pêndulo, de modo que o entalhe estivesse oposto e ocorresse uma flexão ao ser atingido.
 
Fig. 8 – Máquina de ensaio de impacto. Fig. 9 – Posicionamento do corpo de prova.
6. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
6.1. ENSAIO DE DUREZA VICKERS
Após as medições das diagonais impressas, foi usada a fórmula e posteriormente calculada a média das três medições. Para o cálculo do valor de dureza, foi utilizada a equação para cada medição e posteriormente e em seguida foi calculada a média das durezas obtidas para determinar um ponto de equilíbrio entre os resultados de cada medição. Os resultados obtidos e calculados foram inseridos nas tabelas 1 e 2.
	
	(mm)
	1ª Medição
	2ª Medição
	3ª Medição
	Aço SAE 1020
	d1
	0,82
	0,83
	0,84
	
	d2
	0,83
	0,82
	0,85
	
	dméd
	0,825
	0,825
	0,845
	
	Aço SAE 1045
	d1
	0,72
	0,75
	0,73
	
	d2
	0,76
	0,77
	0,74
	
	dméd
	0,74
	0,76
	0,735
	
	Alumínio
	d1
	1,04
	0,97
	1,01
	
	d2
	1,02
	1,01
	0,97
	
	dméd
	1,03
	0,99
	0,99
Tabela 1 – Diagonais e diagonal médios obtidos pela impressão do penetrador. 
	
	Aço SAE 1020
	Aço SAE 1045
	Alumínio
	HV1
	136,198
	169,284
	52,427
	HV2
	136,198
	160,492
	56,749
	HV3
	129,827
	171,595
	56,749
	HVméd
	134,074
	167,124
	55,308
Tabela 2 – Números de dureza e número de dureza média obtidos no ensaio;
6.2. ENSAIO DE TRAÇÃO
Gráfico 1 – Curva tensão – deformação do Aço SAE 1020.
Gráfico 2 – Curva tensão - deformação do Alumínio.
Analisando o gráfico 1, para o limite de escoamento (σesc) do Aço SAE 1020 a 0,2%, foi encontrado um valor de 165 MPa, utilizando o método descrito na revisão bibliográfica. Por sua vez, o limite de resistência à tração (σu) é de 276 MPa, localizado no ponto máximo da curva, enquanto que a tensão de ruptura (σrup) foi de 200 MPa. Para o módulo de elasticidade, utilizando a equação foi encontrado o valor de 90 MPa.
Para o gráfico 2, adotando os mesmos procedimentos para descritos para análise do gráfico anterior, foram encontrados os seguintes valores: 52 MPa para o limite de escoamento (σesc) a 0,2%, 56 Mpa para o limite de resistência à tração (σu), 50 MPa para a tensão de ruptura (σrup) e finalmente 20 MPa para o módulo de elasticidade ().
Observando os gráficos, pode-se perceber que há um deslocamento considerável enquanto as cargas estão negativas, indicando um erro experimental, comuns em materiais dúcteis como o Alumínio. Tal erro, pode estar ocorrendo por diversos motivos, dentre eles, o corpo de prova pode não estar bem fixado à garra e se deslocar em relação a mesma. O que se vê nos gráficos não equivale a um nível de deformação do material, mas apenas ao deslocamento do corpo de prova. Desta forma, como os dados não são adequados e confiáveis, não é possível determinar os valores do limite de escoamento. Uma possível correção, seria refazer o ensaio.
6.3. TESTE DE IMPACTO CHARPY
	
	Aço SAE 1020
	Aço SAE 1045
	Alumínio
	Temp. Ambiente
	13,4 kgfm
	2,1 kgfm
	7,2 kgfm
	Temp. Nitrogênio
	0,6 kgfm
	0,9 kgfm
	6,3 kgfm
Tabela 3 – Parâmetros obtidos após o ensaio Charpy.
Observando a tabela 3, nota-se que a temperatura na qual o ensaio é realizado, tem grande influência na energia absorvida por alguns materiais. Para o alumínio, houve uma redução de 12,5% na energia absorvida com a mudança de temperatura, enquanto que para o Aço SAE 1045, a redução foi de 57,2%. Em contraste a esses materiais, pode se observar que o Aço SAE 1020 apresentou a maior diferença entre todos os materiais testados, com uma redução na ordem de 95,6% da energia absorvida.
7. 
CONCLUSÃO
Após a realização dos testes e análise dos resultados obtidos, é possível consumar alguns fatos. Dentre os metais analisados, o Aço SAE 1045 apresentou a maior dureza, inclusive em relação ao Aço SAE 1020. Essa diferença se deve maior teor de carbono em sua composição. O alumínio, além da menor dureza, apresenta o menor o limite de resistência à tração, isto é, apresenta riscos ou formação de marcas permanentes com maior facilidade. Portanto, pode-se verificar uma correlação proporcional entre a dureza e o limite de resistência à tração, maiores nos aços.
O Aço 1020 apresentou um limite de escoamento três vezes maior que o do alumínio, isto é, ele possui maior capacidade de suportar tensões, mas também mantendo sua capacidade de retornar ao estado inicial sem se deformar. A maior rigidez do Aço 1020 também é explicada pelo maior módulo de elasticidade, que resulta em deformações elásticas menores resultantes da aplicação de carga. Também apresenta, um maior limite de resistência à tração, ou seja, a tensão de tração máxima que suporta.
Devido a menor diferença de energia necessária para ruptura do alumínio, conclui-se que este não apresenta uma faixa de transição dúctil-frágil, mantendo relativa energia de impacto mesmo com a diminuição da temperatura, ou seja, permanecendo tenaz. O oposto ocorre com os aços, em especial o SAE 1045, que com o aumento no teor de carbono, eleva sua resistência, mas também sua faixa de transição dúctil-frágil, fazendo com que pouca energia seja necessária para a ruptura com a diminuição da temperatura, portanto, menos tenaz e mais frágil. Com o aumento da temperatura, os valores para o módulo de elasticidade, limite de resistência à tração e a resistência ao escoamento diminuem, enquanto a ductilidade aumenta.
As diferentes características obtidas não tornam um material melhor ou pior que outro. São estas diferenças que auxiliam na escolha adequada de um material para atender as necessidades específicas que se espera em projeto.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CALLISTER, Willian D., RETHWISCH, David G., “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução”, 9ª Edição, LTC, 2016.
VAN VLACK, Lawrence H., “Princípio de Ciência dos Materiais”, 1ª Edição, Blucher, 1970.
FREDEL, Márcio C., ORTEGA, Patricia, BASTOS, Edson, ‘’Propriedades Mecânicas: Ensaios Fundamentais – Vol. 1’’, Cermat Cerâmica.
https://pt.slideshare.net/RenaldoSilva/aula-04-ensaio-de-trao-procedimentos-normalizados
https://pt.slideshare.net/RenaldoSilva/aula-13-dureza-de-vickers
https://pt.slideshare.net/RenaldoSilva/aula-16-ensaio-de-impacto
9. REFERÊNCIAS FOTOGRÁFICA
Figura 1 - https://pdfcoffee.com/relatorio-de-ensaio-de-dureza-brinell-e-vickers-pdf-free.html.
Figura 2 - CALLISTER, Willian D., RETHWISCH, David G., “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução”, 9ª Edição, LTC, 2016.
Figura 3 - CALLISTER, Willian D., RETHWISCH, David G., “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução”, 9ª Edição, LTC, 2016.
Figura 4 - https://www.buehler.com.es/assets/images/Product-Images/Hardness-Testing/Legacy/Wolpert-DiaTestor-2RC.png.
Figura 5 - CALLISTER, Willian D., RETHWISCH, David G., “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução”, 9ª Edição, LTC, 2016.
Figura 6 - https://www.instron.com.br/pt-br/products/testing-systems/dynamic-and-fatigue-systems/servohydraulic-fatigue/8801---8802.Figura 7 - http://www.smm.eesc.usp.br/smm/images/material-didatico/smm342/AULA%20%205-%20Ensaio%20de%20Tracao.pdf.
Figura 8 - https://www.hydraulicuniversaltestingmachine.com/pt/manual-charpy-impact-testing-machine.html.
Figura 9 - CALLISTER, Willian D., RETHWISCH, David G., “Ciência e Engenharia de Materiais – Uma Introdução”, 9ª Edição, LTC, 2016.