Como é o processo de ensaio de tração dos materiais?

O ensaio de tração consiste em submeter um corpo de prova de geometria definida a um esforço crescente na direção axial do corpo de prova, levando-o a se romper. Os esforços utilizados para realização do ensaio são medidos na própria máquina.

O ensaio de tração é feito em corpos de prova de dimensões padronizadas por normas nacionais e internacionais.

Para a escolha da dimensão padronizada do corpo de prova também deve ser levada em consideração a capacidade da máquina de tração, disponível para a realização do ensaio.

O ensaio de tração é um dos ensaios mecânicos mais utilizados; tem como objetivo fornecer dados relativos à capacidade de um sólido de suportar solicitações aplicadas a uma estrutura.

Corpo de prova

O corpo de prova é constituído de cabeças e parte útil, unidas por concordância.

As cabeças são as partes extremas, utilizadas para fixar o corpo de prova à máquina. A parte útil é a secção reduzida do corpo de prova onde acontece a ruptura; esta é a região onde serão feitas as diversas determinações.

Quando não é possível retirar o corpo de prova do material a ser ensaiado, realiza-se o ensaio em toda a secção do material, como acontece com os tubos de pequeno diâmetro. Neste caso, a fixação do tubo à máquina é feita por meio de garras colocadas de cada lado do tubo e de um mandril na parte interna.

Os corpos de prova mais utilizados são os de secção circular ou retangular.

Curva tensão/deformação

No ensaio de tração, o registro da curva tensão/ deformação é feito através de medições simultâneas da força F aplicada e da variação do comprimento sofrido pelo corpo de prova durante a realização do ensaio.

A tensão cr, que é expressa em megapascal (Mpa), Newton por milímetro quadrado (N/mm2) ou em quilograma por milímetro quadrado (Kg/mm2), é calculada dividindo a força F ou carga aplicada, pela área da secção inicial da parte útil do corpo de prova, S0.

Deformação ou alongamento é a variação de comprimento entre dois pontos do corpo de prova. A deformação e, normalmente expressa em porcentagem, é determinada dividindo a variação de comprimento inicial e final medido entre dois pontos A€, pelo próprio comprimento inicial L0.

Dividindo o valor F por S0, e o valor do alongamento At por L0, que é o comprimento inicial da parte útil, tem-se o gráfico tensão/deformação que apresenta duas regiões: uma é a região elástica e a outra é a plástica.

A região elástica representa o comportamento elástico do material; nesta região a deformação é diretamente proporcional à carga aplicada, obedecendo a lei de Hooke:

O módulo de elasticidade representa a rigidez do material; assim, quanto maior for o módulo de elasticidade, menor será a deformação elástica provocada por uma dada tensão, e mais rígido será o metal. Se a carga for aliviada nesta região, em qualquer ponto da reta, o material volta ao ponto de origem (ponto 0), seguindo a reta sem qualquer deformação residual ou permanente.

Terminada a zona elástica, no ponto A do gráfico, inicia-se a zona de deformação plástica, na qual o material exibe deformação permanente após descarregamento total.

A curva de A para B representa o escoamento do material, onde ocorre uma grande deformação com pouco ou nenhum acréscimo de carga. Existem materiais que não apresentam o limite de escoamento nítido.

A curva BC é a região de encruamento uniforme; após sofrer grande deformação durante o escoamento, o material adquire maior resistência à tração pois está no estado encruado ou endurecido, prolongando-se até o ponto C; neste ponto inicia-se uma deformação localizada, em algum ponto da parte útil do corpo de prova. Essa deformação chama-se estricção, isto é, a diminuição da secção transversal do corpo de prova na região onde se localiza a ruptura; a ruptura ocorre no ponto D.

Propriedades mecânicas

As propriedades mecânicas do ensaio de tração são: limite de escoamento, limite de resistência à tração, limite de ruptura, alongamento percentual e coeficiente de estricção.

limite de escoamento

Limite de escoamento é a tensão na qual ocorre o fenômeno de escoamento no material; a tensão é obtida pela expressão:

O limite de escoamento do material é utilizado pelos projetistas após a consideração de um coeficiente de segurança, como garantia de que o metal especificado trabalhará no regime elástico, pois a deformação plástica deverá ser evitada.

Durante o ensaio de tração, o limite de escoamentoðe(ponto 1) corresponde à carga que se mantém constante ou diminui, enquanto inicia a deformação plástica no corpo de prova. O limite de escoamento se caracteriza por uma oscilação ou uma parada do ponteiro da máquina durante toda a duração do fenômeno.

Existem materiais que não apresentam nitidamente o limite de escoamento; neste caso para substitui-lo é adotado, por convenção internacional, o limite n ou limite convencional n de escoamento, definido pela expressão:

Isto significa que o limite n (o-n) é a tensão aplicada que, após seu descarregamento, provoca n por cento de deformação permanente.

Para os aços de baixo teor de carbono, especifica-se n como 0,2%, o que corresponde a uma deformação plástica de 0,002 por unidade de comprimento.Por exemplo, para determinar a tensão correspondente ao limite 0,2%, toma-se a deformação e igual a 0,2%, medida a partir do ponto 0 de origem, no eixo das abcissas do diagrama tensão/deformação; obtém-se, então, o ponto A, e desse ponto obtido traça-se uma linha paralela à porção reta da curva da zona elástica. A intersecção B da reta com a curva determina a tensão a0,2%, que é o limite de escoamento convencional 0,2%.

Para ligas metálicas com uma região plástica muito pequena, como é o caso de aços de médio e alto teor de carbono e ligas não ferrosas muito duras, pode-se considerar n como 0,1 % ou mesmo 0,01 %, quando se trata de aços para molas.

No caso de cobre e diversas ligas de cobre, que têm grande plasticidade, a determinação do limite convencional é feita tomando para n como 0,5% ou seja 0,005 por unidade de comprimento.

limite de resistência à tração

O limite de resistência serve para especificar os materiais, da mesma forma que a análise química identifica os materiais. O limite de resistência à tração do material ensaiado é calculado pela carga máxima atingida no ensaio e corresponde à tensão máxima at (ponto 2). O cálculo é feito dividindo-se a força máxima pela área inicial da secção transversal do corpo de prova segundo a fórmula:

limite de ruptura

Atingindo o ponto 2, correspondente à carga máxima durante o ensaio, começa a redução sensível da secção transversal do corpo de prova, e a carga diminui até que aconteça sua ruptura total.

Quanto mais dúctil é o material, maiores são a deformação e o alongamento antes da ruptura, o que provoca uma deformação localizada no corpo de prova, chamada estricção.

A ruptura do corpo de prova, ponto 3, determina o término doensaio;atensãocorrespondentenãoédeterminada durante o ensaio por não ter nenhum significado prático.

O alongamento percentual corresponde ao acréscimo percentual do comprimento final do corpo de prova após o ensaio em relação ao seu comprimento inicial.

O cálculo do alongamento do corpo de prova fraturado pode ser realizado segundo etapas.

Na primeira etapa, determina-se o comprimento inicial de medida (L0) na parte útil do corpo de prova e divide-se esse comprimento em partes iguais por meio de pequenos riscos transversais, traçados sobre a tinta aplicada nessa área. Os riscos devem ser traçados levemente para evitar entalhes que possam contribuir para localizar a ruptura do corpo de prova durante o ensaio.

A segunda etapa corresponde à realização do ensaio, em que o corpo de prova será rompido.

Na terceira etapa, juntam-se, da melhor forma possível, as duas partes rompidas do corpo de prova e mede-se o comprimento L final. Quando o comprimento inicial for de 50mm ou menor, a determinação do comprimento final deve ser feita com precisão de 0,25mm; casoo comprimento inicial seja maior que 50mm, a precisão a ser utilizada é de 0,5% do comprimento adotado.

cálculo do comprimento L

A determinação do comprimento final é feita da seguinte maneira: supondo que o comprimento L0 seja de 50mm e que contenha 10 divisões, e se a ruptura ocorrer no meio ou próximo ao meio da parte útil do corpo de prova, juntam-se as partes e contam-se 5 divisões de cada lado (10 divisões por 2) e mede-se o comprimento L final.

Considerando o mesmo corpo de prova, se a ruptura ocorrer próximo ao fim da parte útil do corpo de prova, de modo a não haver 5 divisões em um dos lados, conta-se o número máximo de divisões possível do lado menor da parte útil rompida, por exemplo 3 divisões; do outro lado contam-se as 3 divisões correspondentes mais 2 divisões que ficaram faltando no primeiro lado. O comprimento será dado pela medida das 8 divisões (três de um lado e cinco do outro) e mais duas que correspondem à parte faltante do lado menor.

Na quarta e última etapa calcula-se o valor do alongamento percentual por meio da fórmula:

coeficiente de estricçáo Z

O alongamento permite definir de maneira comparativa a ductilidade de diferentes materiais; assim, quanto maior for o valor do alongamento obtido pelo ensaio, mais dúctil será o material.

O coeficiente de estricção Z é a relação, em percentual, entre a diferença das áreas da secção inicial S0 e secção final S pela área da secção S0.

Equipamento

O equipamento utilizado para a realização do ensaio de tração é constituído basicamente de um dispositivo de fixação do corpo de prova acoplado a uma máquina, dotada de sistema eletromecânico ou hidráulico de aplicação de forças crescentes de tração; essa tração é aplicada de maneira contínua até a ruptura do corpo de prova. O equipamento apresenta, também, um sistema de indicação e registro das forças aplicadas durante o ensaio.

Avaliação dos resultados

A avaliação dos resultados é feita pela comparação entre os valores das propriedades mecânicas do material, obtidos no ensaio de tração, com os valores mínimos especificados por normas, quando os valores obtidos no ensaio são iguais ou maiores que os especificados, o material ensaiado é considerado aprovado.

O processo de tracao consiste em um forca uniaxial nos materiais fazendo que o corpo de prova se alongue ate romper

Um ensaio de tração é realizado em um corpo de prova padrão. 

Prende-se a peça na máquina do teste em suas duas extremidades. A máquina começa a tracionar o corpo de prova de modo que é possível determinar a força aplicada e a deformação da peça em todos os tempos. O teste é finalizado no momento da ruptura do material.

A partir dos dados obtidos, obtem-se o diagrama tensão x deformação para esse material, observando-se o intervalo de regime elástico e plástico do material e suas tensões máximas e de escoamento.