Ensaios Tecnologicos Dos Materiais 6n4d4a

CEETEPS - ETE ANNA DE OLIVEIRA FERRAZ Àpostila de Ensaios Tecnológicos dos Materiais

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1 - NOÇÕES GERAIS Os ensaios ou testes de materiais são importantes ferramentas tecnológicas e científicas na medida em que seus resultados permitem tecer considerações ao menos qualitativas e comparativas sobre o desempenho dos materiais em uso. Neles, são estudadas as respostas dadas pelos materiais quando submetidos a esforços, radiações, etc. Por exemplo, se um material for puxado, logicamente seu comprimento aumentará: a relação força resistente ao puxão x aumento do comprimento será transformada num gráfico, do qual poderemos extrair importantes informações sobre o comportamento do material. Entre as informações que podem ser retiradas de vários ensaios estão propriedades importantes como densidade, condutividade térmica e elétrica, além de tensões issíveis, tensões de escoamento, tempo de vida útil, comportamento à quente, tenacidade, etc. Dessa maneira, os testes são importantes tanto para projetos, na medida em que podem ser obtidos parâmetros fundamentais para estes, como para a confecção de catálogos e para controle de qualidade. Qualquer pessoa pode inventar um teste para medir certas características de um material. Se cada fábrica criar o seu próprio ensaio porém, seus resultados só podem ser considerados para efeitos de controle interno, uma vez que não podem ser comparados com resultados obtidos em outros lugares. Para evitar este tipo de problema, costuma-se seguir normalizações nacionais ou estrangeiras para a realização de alguns ensaios. Normas são conjuntos de procedimentos que são considerados padrões para a obtenção de certos resultados e, quando seguidos, permitem comparações com resultados obtidos em outros laboratórios. Normalmente são especificados desde o tipo de equipamento que vai fazer o ensaio, até o formato da peça que será ensaiada, bem como a obtenção de seus resultados. Normalizações importantes no mundo são da ISO (International Standards Organization - Organização Internacional de Padrões), ASTM (American Society of Testing Materials - Sociedade Americana de Ensaios de Materiais), SAE (Society of Automotive Engineers, também americana) e ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Cada ensaio necessita de uma norma e dependendo, cada tipo de material também. Não é de se estranhar que as normas sejam conjuntos de fascículos em número muito

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grande, subdivididos em volumes de acordo com o ensaio, finalidade e material a ser ensaiado. Estudaremos com mais detalhes a norma do ensaio de tração, no capítulo 3, (página 7). Podem ser ensaiados: protótipo - peça piloto feita antes da comercialização definitiva, para medir sua aceitação e condições sob uso, tendo o ensaio a finalidade de conhecer o comportamento do material em uso ou no formato do uso; peça final - já em comercialização, tendo o ensaio mais a finalidade de controle de qualidade; corpo de prova - peça feita especificamente para o ensaio, em formato conforme normalização e bem diferente do comercializado, tendo o ensaio a finalidade de obter informações que possam ser comparadas. Os ensaios podem ser feitos em laboratórios específicos, com umidade do ar e temperatura controladas, equipamentos e infraestrutura para análise de dados (calculadora, computador, livros e catálogos para comparação, tabelas de conversão de unidades, etc) ou em quaisquer outros lugares, seguindo ou não normalizações. Os principais materiais usados em construção e máquinas são metais, madeiras, cimento, cerâmicos em geral, borrachas e plásticos. A principal função de materiais de construção civil ou mecânica é desenvolver resistência, rigidez e durabilidade adequadas ao serviço necessário. Estes requisitos definem as propriedades que os materiais devem possuir e ainda determinam a natureza dos testes que devem ser feitos nos materiais para medi-las. Uma boa noção da significância do ensaio requer um conhecimento razoável de ciência dos materiais e mecânica esgtrutural. Estes serão ados na medida em que forem necessários para o entendimento de determinados testes. Com o desenvolvimento tecnológico sugiram grandes melhoramentos em materias mais antigos bem como novos materiais, o que faz com que sejam cada vez mais necessários ensaios apara avaliar as reais condições de uso destes. Uma classificação parcial de propriedades dos materiais é dada na tabela 1.1. Geralmente, a determinação de qualquer destas propriedades é assunto de determinado teste. Entretanto, o maior trabalho em laboratórios de ensaio é com propriedades mecânicas, medidas em testes mecânicos. Devido ao fato de que durante a vida útil do material a peça é sujeita a forças, a resistência dos materiais é de fundamental importância, sendo que um primeiro requisito para


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qualquer material é ter a resistência adequada, ou uma adequada dificuldade de inutilização do material em uso. Tabela 1.1 - Propriedades de materiais de aplicação em mecânica ou construção civil [1] Classe

Propriedade

Classe

Propriedade

Geral

Densidade

Mecânica

Resistência a tração, compressão,

Química

Porosidade

cisalhamento, flexão e impacto

Quantidade de umidade

Elasticidade, Plasticidade

Macroestrutura

Dutilidade, Fragilidade

Microestrutura

Dureza

Composição

Térmica

Calor específico

Acidez ou alcalinidade

Expansão

Resistência à corrosão

Condutividade

Res. ao envelhecimento Físico-

Absorção de água

Elétrica e

Condutividade

Química

Repulsão de água

Magnétic

Permeabilidade Magnética

a Acústica

Transmissão do Som Reflexão do Som

Ótica

Cor Transmissão e Reflexão de Luz

A título de distinção, cabe aqui dividir os testes em: destrutivos e não destrutivos. Ensaios destrutivos são testes em que o protótipo, peça ou corpo de prova sofre algum tipo de esforço que o deixa visivelmente marcado, inviabilizando sua utilização futura. Mesmo uma pequena marca, causada por um teste de medição de dureza, por exmeplo, já é suficiente para caracterizar o ensaio como destrutivo. Os testes não destrutivos são justamente o contrário, não deixam marca nenhuma nas peças. É o caso do raio-X, que fazemos e não saímos marcados, o mesmo acontecendo com peças.



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EXERCÍCIO: Com o auxílio de seu professor, que explicará rapida e simplificadamente como são feitos cada um dos testes abaixo, classifique-os como destrutivos (D) e não-destrutivos (N): ( ) Raio-X ( ) Líquidos Penetrantes ( ) Resistência ao Impacto ( ) Dureza ( ) Compressão ( ) Infra-vermelho ( ) Ressonância Nuclear Magnética ( ) Tração ( ) Flexão ( ) Fadiga ( ) Tomografica ( ) Fluência ( ) Ultra-som ( ) Torção


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2 - TENSÃO O conceito que temos de tensão (quando dizemos que uma pessoa está tensa) não denota o real significado da palavra, porém advém do uso correto. Quando medimos nossa pressão arterial, medimos a força que o nosso sangue faz nas nossas artérias. Quando a pessoa tem problema crônico de pressão alta, dizemos que tem hipertensão. Ou seja, pressão e tensão significam a mesma coisa. Não é bem assim: pressão é um tipo de tensão, assim como são tipos de tensão a tensão de tração, flexão, cisalhamento, etc. Tensão pode ser definida então como a força realizada sobre uma determinada área, que produz deformação sobre ela. A tensão é um artifício para que possa ser previsto com boas chances de acerto, a partir do estudo de peças simples (corpos de provas, p.ex.), o desempenho de peças mais complexas, reais. Por exemplo: sabemos que um tronco de eucalipto e um palito de dente feito da mesma madeira devem ter comportamento mecânico semelhante, porém, instintivamente, sabemos que o tronco é mais "forte", dado que é muito mais difícil de quebrá-lo. Logo, se usássemos somente a força para denotar a resistência dos materiais estaríamos cometendo o errro de levar em conta não somente o material e sim todo o formato da peça de que é feito. Ao dividirmos pela área na qual a força está atuando, tal efeito pode ser minimizado. É como se medíssemos a força que o tronco faz para evitar que seja quebrado e obtivéssemos 1000 kgf, contra 10 kgf do palito. As áreas também seriam diferentes: 20 cm2 e 0,2 cm2, respectivamente. A tensão, nos dois casos, seria igual a 50 kgf/cm2. Ou seja: estudando uma peça muito mais simples do que o tronco, no caso o palito, conseguiríamos obter a resistência do eucalipto! Assim, uma das etapas mais importantes no estudo de tensões é a determinação da área em que atua. As tensões dependem do sentido da força, podendo ser, por exemplo de: -(com)pressão: quando a força empurra toda a área do corpo; -flexão: quando a força empurra somente parte da área de um corpo; -tração: quando a força puxa o corpo; -cisalhamento: quando a força tende a cortar o corpo. Voltemos ao exemplo da pressão arterial: de modo bem grosseiro, trata-se da força que o sangue faz sobre a área das artérias (“veias” que saem do coração para o corpo). Se um indivíduo



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tem pressão alta ou baixa, só se pode mexer nessas duas variáveis (força e área) para controlá-la. Deve-se ainda ficar alerta para elementos químicos que "agitam"o sangue, aumentando sua força, como o sal. Fazer a dosagem de remédios e elementos que podem abaixar ou levantar a pressão de modo responsável e correto é um grande desafio dos médicos, que devem levar em conta o histórico de cada paciente. Para pressão alta, deve-se diminuir a força ou aumentar a área. A força pode ser diminuída com calmantes ou até com a doação de sangue (prática mais comum antigamente); para aumentar a área somente com remédios vaso-dilatadores. A ingestão de diuréticos fará com que o sal seja mais facilmente eliminado pela urina, sendo que a água é parte fundamental nesse processo. Para pressão baixa, deve-se aumentar a força ou diminuir a área (o que pode ser perigoso para pacientes com problemas cardíacos). Para aumentar a força, além de remédios, o médico costuma incetivar o paciente a comer comida com mais sal que o comum. A longo prazo, a ingestão de água (que facilita num primeiro momento o abaixamento da pressão por forçar o paciente a urinar, eliminando sal) também pode fazer com que a pressão aumente, pois a água é matéria-prima para a produção de sangue. É interessante incluir aqui o conceito de tensão issível: a tensão máxima a ser permitida, seja para projeto, execução ou uso. É normalmente obtida a partir da tensão de ruptura (aquela registrada no ensaio no momento em que o material se quebra) dividido por um fator de segurança, um número cuja função é diminuir o valor da tensão issível. Dessa maneira, a peça, se projetada, executada e usada com tensões máximas inferiores à issível, teoricamente (ver ensaio de fadiga) nunca se romperá.



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3 - TRAÇÃO Uma definição de tração é que é a tensão exercida por rodas motoras cujo resultado permite o movimento do conjunto mecânico, como carros. Se todas as rodas fizerem isso, significa que o carro tem "tração nas quatro rodas", típicos de veículos de carga. Carros de eio comuns têm tração somente nas duas rodas (normalmente as dianteiras) que são motoras (as outras duas são movidas). A definição que usaremos então é que tração é o tipo de tensão gerada quando a força a qual o material está submetido tende a puxá-lo ou esticá-lo. Neste sentido, muitos elementos de máquina são fortemente tracionados, como os cabos de aço, ou sujeitos à várias tensões, entre elas a tração, como é o caso de molas, eixo, amortecedores, etc. Basicamente, o teste consiste em puxar um corpo de prova até seu rompimento, registrando a tensão de oposição ao puxamento feita pelo corpo de prova versus a deformação sofrida pelo mesmo. No caso do teste de Tração, a deformação é o quanto o material se alongou, também conhecida como Elongação. Qualquer sistema de carregamento e registro que permita tais resultados pode ser considerado um sistema para testes de tração. Porém, para a realização de um Ensaio de Tração em que seja necessário e conveniente comparações, deve-se seguir a normalização existente. A ASTM D638, referente ao ensaio para plásticos, será abordada como exemplo, cujo título é “Propriedades de Tração de Plásticos”. O título está no plural (propriedades) uma vez que existem várias propriedades que podem ser obtidas de um único ensaio de tração. Esta razão, e o fato de algumas destas propriedades serem de extremada importância (como módulo de rigidez e deformação na ruptura) explicam a grande popularidade do teste de tração. Lembre-se que tratase de apenas de um exmeplo, sendo que as normas para outros materiais seguem o mesmo esquema. A normalização inicialmente informa que a abrangência do teste cobre a determinação de propriedades de tração para plásticos na forma de corpos de prova quando testados sob condições definidas de pré-tratamento, temperatura, umidade e velocidade do equipamento. Informa ainda que as propriedades de tração podem variar de acordo com a preparação do corpo de prova, e que se deve tomar cuidado ao efetuar comparações. As propriedades de tração podem ter grande utilidade em projetos, porém, para os plásticos, que são muito sensíveis a alterações



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no procedimento de teste, a projeção de seus resultados para o projeto deve ser cuidadosa. Os resultados porém, têm grande utilidade em controle de qualidade, especificação de materiais e pesquisa. A norma dá ainda detalhes da a maquinaria que deve se ter para realizar um ensaio deste tipo, com alguns ítens básicos como: garras superior e inferior para a fixação do corpo de prova (mecânicas ou pneumáticas); dispositivo de puxamento da garra superior (a garra inferior deve ficar fixa); indicador de carga x extensão do corpo de prova; e órios como paquímetros e micrômetros. Lista-se a seguir as especificações do corpo de prova, que devem ser de preferência no formato da figura 3.1; para casos de barras (tubos maciços), é necessário também uma usinagem de modo a dexiar a parte central do corpo de prova com 60% do diâmetro original.

Figura 3.1 - Corpo de Prova Padrão Ainda, a superfície dos corpos de prova devem estar livres de falhas ou imperfeições visíveis (trincas, vazios, etc). Se necessário fazer marcas no corpo de prova para acompanhar o estiramento, fazer com tinta e não com punções, etc. O último ponto do ítem diz respeito a anisotropia, que trata-se de uma característica que alguns materiais possuem de resistir numa determinada direção (por exemplo, paralela ao esforço) e apresentar baixa resistência em outra (por exemplo, perpendicular ao esforço). É o caso de materiais orientados como fibras: a resistência a tração paralela à direção de fiação é muito mais alta do que comparada à mesma resistência na direção perpendicular à fiação. Para casos de materiais com suspeita de anisotropia, a norma recomenda um número dobrado de ensaios em ambas as direções. A seguir, no ítem Acondicionamento, uma série de restrições a como guardar a amostra, quanto tempo esperar para ensaiá-la após sua confecção e condições do teste: em boa parte dos testes mecânicos este ítem é sempre idêntico, sendo necessário deixar os corpos de prova a serem


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ensaiados pelo menos por 40horas a 23oC e 50% de umidade (alguma tolerância é aceita). Tais condições são as mesmas de ensaio, o que fazem com que os laboratórios que contenham tal equipamento sejam providos de ar-condicionado, o que ajuda os aparatos mais modernos, dotados de computador. O Número de Corpos de Prova é estabelecido em no mínimo cinco para materiais isotrópicos (os que não tem anisotropia) e dez para os anisotrópicos. Materiais que porventura romperem em falhas ou em locais que não a parte útil do corpo de prova (página 14, chamada de distância inicial entre as garras L0) devem ser descartados, o que faz com que seja de bom grado a existência de pelo menos 7 corpos de prova de cada amostra. A Velocidade do Teste varia de acordo com o conhecimento prévio do material e, se não existente, de tentativas e erros. A norma estabelece quatro velocidades, como a 2,5mm/min (recomendada a plásticos muito rígidos), 5,1mm/min (para plásticos rígidos e semi rígidos), 51 mm/min (plásticos não rígidos) e 510 mm/min (para borrachas, geralmente). A velocidade pode ser escolhida de modo a garantir um estiramento mínimo para o material: quanto mais rígido, menos ele estira, menor deve ser a velocidade do teste para que o “puxão” não cause rompimento imediato e permita um acomodamento microscópico de átomos e moléculas de modo a ar por mais tempo o teste. Para materiais que estiquem bastante, o próprio estiramento do corpo de prova denotará sua elongação. Para casos de materiais que estiquem pouco (como vidros), usa-se um medidor bem sensível localizado geralmente na região central do corpo de prova dotado de um e fixador e de uma espécie de fio altamente extensível, de modo que o mais ínfimo estiramento seja acusado e medido. Tal dispositivo é chamado extensômetro. O ítem a seguir diz respeito ao Procedimento, sendo iniciado com a advertência que as dimensões (como espessura e largura, ou diâmetro) do corpo de prova deve ser medida em vários pontos ao longo do corpo de prova antes do início do teste. A fixação do corpo de prova nas garras deve ser feita com cuidado, deixando-o reto (corpo de prova torto significa teste errado). Apertar as garras o suficiente é recomendado para que o material não escorregue durante o teste e, para materiais frágeis, o suficiente para não esmagá-lo. Se necessário, o extensômetro deve ser colocado e a velocidade do teste acertada. Antes de tudo isto, é necessário verificar a célula de carga do equipamento. Normalmente, laboratórios adquirem máquinas de tração relativamente grandes, com capacidade para ensaiar materiais muito resistentes e pouco resistentes pela simples troca da célula de carga. Este é um dispositivo ligado ao módulo de comando da máquina que indica o máximo de força que a máquina pode fazer. Se faz necessário usar a célula mais próxima possível do nível de



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carga pedido pelo material, ou seja, não é necessário usar a célula de carga normalmente usada para aços, materiais altamente resistentes, para ensaiar borrachas, materiais pouco resistentes, o que poderia acarretar erros de precisão. O contrário pode ser um fator impeditivo do teste, na medida em que uma célula subdimensionada (para borrachas) pode simplesmente não esticar um corpo de prova feito de aço. A seguir, deve-se ajeitar o indicador de carga: se for por computador é só ligar. Se for manual, o procedimento deve ser mais cuidadoso. O gráfico a ser desenhado (força que a máquina faz para deformar o material na velocidade determinada versus o quanto que o corpo de prova esticou, deve ocupar espaço suficiente no papel, geralmente toda a altura do papel, por um comprimento máximo de 30 cm. Tais medidas permitem uma visualização rápida e precisa de pontos importantes, a serem comentados posteriormente. Gráficos com a altura pequena ou muito curtos dificultam as medidas, e gráficos muito compridos gastam muito papel, além de dificultar o manuseio. Dessa maneira, é fundamental o acerto do fundo de escala do papel e de sua velocidade. Normalmente o primeiro corpo de prova funciona como uma cobaia para este acerto. Com quaisquer fundo de escala e velocidade do papel, se traça um gráfico (por pior que seja) e se estuda um pouco seus resultados: por exemplo, se o material impõe uma resistência máxima de 35Kg, um bom valor para fundo de escala é 40 Kg; se o material estica muito pouco, a velocidade do papel deve ser maior; se estica muito, deve ser menor. A obtenção de um gráfico cujo tamanho seja adequado para uma boa leitura, significa que se está pronto para a captura dos resultados. Resultados Comentou-se por alto que o gráfico feito pela máquina é uma curva “força que a máquina faz para manter a velocidade de teste determinada versus o quanto o material esticou”. Vamos chamar este “o quanto o material esticou” de deslocamento (no caso, é o deslocamento da garra móvel) e resumimos o nome do gráfico para “força x deslocamento”. Porém, os resultados recebem nomes um tanto diferentes como tensão de escoamento (ou máxima ou de ruptura) ou elongação no escoamento (ou na tensão máxima ou na ruptura). Como então, a partir do gráfico, chegarmos nestes resultados? Elongação x deformação Antes de chegarmos aos resultados porém, devemos diferenciar deformação de elongação. Todos temos uma noção do que seja um e outro, porém é necessário padronizar suas



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diferenças: deformação é todo aumento ou diminuição em uma ou várias dimensões de um corpo (lembrando que só existem três dimensões: largura, espessura e altura); elongação é quando esta deformação se dá axialmente, ou seja, parelela ao esforço. Um material se alonga (ou elonga) quando sua altura aumenta mediante um puxamento. O alongamento, fundamental antes do início de uma série de exercícios físicos, têm como função aquecer os músculos a partir do esticamento das fibras que os compõem. Quando comprimimos uma borracha ela diminui sua altura e aumenta sua largura: não é uma elongação, mas não deixa de ser uma deformação. Ou seja, quando em tração falarmos de deformação, certamente estaremos falando (a não ser quando especificado) de elongação. Elasticidade e Plasticidade O teste de tração é considerado como básico dentro de uma variada gama de testes mecânicos e por isso ocupará quase metade desta apostila. Essa importância se deve, entre outros fatores, pela facilidade de estudo da elasticidade e da plasticidade na tração. Assim, ao estudarmos estes efeitos, citaremos deformação (e não elongação) uma vez que ocorrem com todos os outros esforços mecânicos (compressão, cisalhamento, torção, flexão, etc. Quando um material é submetido a um esforço de tração, ou seja, quando um material é puxado, internamente e microscopicamente, os átomos são forçados a abandonar a posição de equilíbrio que caracteriza uma peça em repouso. Lembre-se que as ligações atômicas são como cordas que prendem um átomo no outro e, quando um material é puxado esta “corda” é puxada (na realidade não existe nada amarrando átomos e sim uma atração química e física semelhante à atração gravitacional que prende a lua, satélites, seres humanos, etc, para perto da Terra). Agora imagine essa corda como um fio de borracha: ao ser esticado ele se deforma e, dependendo do nível de esforço, ao ser interrompido o esticamento, o fio volta ao tamanho original. Se o esforço for maior que um dado limite, o fio começa a se deformar e, mesmo se o esforço for retirado, a deformação permanece. Se o esforço continuar, o material pode inclusive romper-se. Zona elástica é a uma faixa de esforços que o material a que, ao serem retirados, o material volta à suas dimensões originais. Por exemplo, a zona elástica de um dado semicondutor cerâmico varia de 0 a 50 Kg: qualquer esforço feito nessa faixa, ao ser retirado, provoca um imediato retorno às medidas originais. Todo material possui uma zona elástica, mas para alguns materiais (como vidros, p.ex.) é difícil de ser notada visualmente. Porém durante a realização do ensaio se observa uma linha reta


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no gráfico “força x deslocamento”. Logo, existe uma relação de proporcionalidade entre a força e o deslocamento (página 17). A retirada do esforço faz com que o deslocamento volte paralelo à reta, o que no caso é coincidente com sentido contrário (figura 3.2). Deve ser ressaltado que qualquer esforço, o mínimo que seja, faz com que haja uma deformação elástica no material: tal deformação pode ser tão pequena que não seja possível de notar a olho nu. Microscopicamente, a “corda” imaginária que liga dois átomos é puxada, mas num nível de esforço suficientemente baixo para, ao ser retirado, permitir a reaproximação de ambos nos mesmos níveis anteriores. Por esta razão, a zona elástica exige esforços menores que esforços que provoquem uma deformação permanente do material ou até mesmo sua ruptura completa. A região de esforços que provoquem a deformação permanente do material (ou seja, mesmo retirado o esforço, o material não volta às dimensões originais) é chamada de zona plástica. Pelo fato de apresentarem níveis de esforços relativamente baixos para atingir esta região e por permitirem deformações permanentes visíveis, os plásticos receberam este nome. É difícil observarmos no dia a dia deformações permanentes de materiais (que não sejam plásticos), principalmente estruturais. São deformações que devem ser evitadas em uso, seja por alterar o projeto e as especificações iniciais, seja por que está mais próxima da fratura do material; Microscopicamente, a “corda” se quebra, seprando os átomos. Se vários átomos vizinhos dentro de uma dimensão do material (como no caso dos corpos de prova,a largura) se separarem, o material se romperá. No gráfico, a região plástica é representada por uma curva: retirado o esforço, o deslocamento volta paralelo à reta da zona elástica, não coincidindo com o caminho de ida, de modo a obter, no esforço igual a zero um deslocamento diferente de zero, chamado deslocamento residual ou permanente (figura 3.3). Força

Força

Deslocamento Figura 3.2 - Zona Elástica

Deslocamento Figura 3.3 - Zona Plástica


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O gráfico mais estudado em ensaios mecânicos não é o gráfico Força x deslocamento e sim o gráfico Tensão x % Deformação. Já vimos que tensão é força/área, e que a força é dada no gráfico feito pelo equipamento. Já a área relativa ao ensaio de tração é a área que é esticada durante o ensaio, ou seja a seção transversal do corpo de prova (dada pela largura multiplicada pela espessura ou por π x d2 / 4, dependendo d formato da seção transversal), como na figura 3.4. A altura será aumentada durante o ensaio, e é levada em conta na deformação. Diâmtro ou Largura e espessura também variarão (provavelmente diminuirão, diminuindo a área) durante o ensaio, porém a geometria indefinida faz com que o cálculo da área seja difícil senão impossível, razão pela qual se usa normalmente a área da seção transveral inicial do corpo de prova. Isso ainda facilita as projeções para uso, na medida em que diminui as tensões calculadas, diminuindo o risco da deformação plástica ou mesmo da ruptura durante o desempenho, pois só ocorrem em tensões superiores (reais).

Figura 3.4 - Seção Transversal do corpo de prova (fatia hachurada) No gráfico que sai da máquina, não é dada deformação e sim o deslocamento. É mais comum entretanto, o uso da deformação percentual (% Deformação), ou seja, o quanto o deslocamento representa com relação ao comprimento inicial, segundo a equação 3.1. Def = (deslocamento) / (altura inicial) (1) Por altura inicial compreende-se a distância entre as duas garras no início do teste e por deslocamento, se entende a diferença entre a altura final pela inicial (percurso da garra móvel), como na figura 3.6a e 3.6b. A fórmula fica então, chamando a altura inicial de Lo e a final de Lf (onde indica-se a ruptura do corpo de prova), conforme a equação 3.2:


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% Def ( ε ) =

Lf - Lo

x 100

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(3.2)

Lo ∆L

a multiplicação por 100 garante o resultado ser dado em percentual .

Lf L0

Figura 3.5a. Altura inicial máquina desligada

Figura 3.5b Altura final teste terminado

Não é necessário porém medir o percurso da garra imediatamente após o término do ensaio, mesmo porque fica difícil a determinação do momento exato da ruptura do corpo de prova, instante em que deve ser desligada novamente a máquina: Por meio de relações entre a velocidade do teste (Vt, definido no início do teste, página 9), a distância percorrida pelo papel do início à ruptura (D, medido no gráfico), a velocidade do papel (Vp, também definido no início do teste, página 10), pode ser encontrado o deslocamento do corpo de prova (∆L) pela equação 3.3. ∆L = Vt

x

D

(3.3)

Vp,

onde ∆L = deslocamento da garra móvel (Lf - L0); Vt = velocidade do teste; D = distância percorrida pelo papel e Vp = velocidade do papel.

Escoamento e Empescoçamento A deformação pela qual o material a durante o ensaio pode ter efeitos no gráfico força x deslocamento, e consequentemente no gráfico tensão x deformação. Os efeitos podem ser


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melhor observados no final da parte reta e no início da parte curva, ou seja, a saída da zona elástica e a entrada da zona plástica. Ao ponto que marca a fronteira entre as duas regiões é dado o nome de ponto de escoamento. Este ponto pode aparecer no gráfico de forma sutil (difí-cil de ser determinado), tanto quanto um pouco óbvia, como uma descontinuidade marcante. Macroscopicamente, alguns materiais reagem à deformação plástica apresentando uma estricção ou empescoçamento, redução da seção transversal do corpo de prova, formando uma espécie de pescoço. A estricção faz com que a ruptura se localize na região empescoçada, uma vez que possui menor área para a mesma força puxar. Existem casos de materiais que simplesmente não empescoçam, outros que espescoçam somente próximos à ruptura, e outros que chegam ao final do teste como fios bem finos. As figuras 3.6a e 3.6b mostram o gráficos onde são mostrados o escoamento sutil e o óbvio (respectivamente) e a figura 3.8 mostra o empescoçamento. Tensão

Tensão

Deformação Deformação (a) (b) Figuras 3.6 - Escoamentos (a) Sutil e (b) Óbvio Figura 3.7 - Empescoçamento Os gráficos apresentados nas figuras 3.6a e 3.6b não estão completos. Não se determinou se o material foi ensaiado até fraturar (o que representaremos por um X). Um material pode romper-se ainda na fase elástica, fazendo com que o gráfico seja apenas uma parte da reta. Outro material pode ter sua fase elástica completa e invadir a região plástica de modo a necessitar de cada vez mais tensão para manter a deformação exigida, fazendo com que, mesmo curva, esta parte do gráfico tenha tendência de subida. O rompimento pode se dar no ponto mais alto ou, após um pico de valor máximo de tensão um abaixamento, fazendo com que o material rompa num valor menor ao que ele já aguentou. Estes três tipos de gráficos estão nas figuras 3.8a, 3.8b e 3.8c. Nestes gráficos a tensão está representada por σ e a deformação por ε. Surge então a pergunta: como que um material pode romper-se com uma tensão menor que a máxima já ada por ele, como na figura 3.9c?


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Àpostila de Ensaios Tecnológicos dos Materiais σ

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σ

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σ

X

x

x

(a)

ε

(b)

ε

(c)

ε

Figura 3.8 -Gráficos Tensão x deformação (a) de material que se rompe na fase elástica; (b) de material que se rompe no ponto mais alto da curva e (c) de material que se rompe num ponto de tensão menor que a máxima que ele já ou. Para respondermos esta pergunta, devemos lembrar de como foi feito o ensaio: foi dada uma velocidade de deformação e a máquina puxa com uma força suficiente para mantê-la; se o corpo de prova empescoçou, significa que existe menos material na seção transversal para resistir ao puxão que a máquina faz; logo, é necessário menos força para manter a mesma deformação. A tensão dessa maneira também deve cair quando feita a transformação para a tensão pois o denominador continua sendo a área inicial do corpo de prova. O gráfico da figura 3.8c é muito comum em metais e principalmente em aços médio e baixo carbonos; o gráfico da figura 3.8b é mais comum em plásticos, ferros fundidos e aços alto carbono e o da figura 3.8a acontece com mais frequência em vidros e outros materiais cerâmicos. Com o gráfico 3.8c iremos fazer a denominação de pontos importantes do gráfico: - a tensão de escoamento é o valor correspondente, no eixo y, no ponto de esocamento (descontinuidade) - marcar com o número 1; a deformação no esocamento, é o valor no eixo x no mesmo ponto marcar com o número 2; - a tensão máxima é o maior valor, no eixo y, da curva - marcar com o número 3; a deformação na tensão máxima é o valor no eixo x correspondente - marcar co o número 4; - a tensão de ruptura é o valor no eixo y do ponto de ruptura - marcar com o número 5; a deformação na ruptura é o valor no eixo x correpondente - marcar com o número 6. Destes, os pontos 4 e 5 não apresentam muita aplicação prática: a tensão de ruptura (a não ser para a determinação de tensões issíveis, página 18) e a deformação na tensão máxima não são muito importantes porque não representam os máximos valores de tensão e deformação alcançados pelo amterial. Ou seja, de importante, deve se destacar os pontos de esocamento (tensão e elongação) e os pontos de tensão máxima e elongação máxima. Note que no gráfico 3.8b os pontos 3 e 5, asim como os pontos 4 e 6 coincidem. É comum encontrarmos autores que



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chamam tensão de escoamento de limite de escoamento, além da tensão máxima ser comumente chamada de limite de resistência. Dos resultados que podem ser retirados de um gráfico tensão x deformação talvez o mais importante talvez seja o Módulo de Elasticidade (também chamado de Módulo de Young ou Módulo de Rigidez). Advém da Lei de Hooke (ver disciplina de Resistência dos Materiais) aplicada ao esforço de tração: é a grandeza que, multiplicada pela deformação, fornece a tensão que provocou a deformação. Tem a mesma unidade da tensão, já que %deformação não possui unidade. No gráfico tensão x deformação não aparece diretamente, mas pode ser encarada como a inclinação da reta: quanto maior o ângulo de inclinação, maior o módulo e mais rígido será o material. A figura 3.10 ilustra o comentado. σ α ε

cateto oposto (c.o.)

tg α = co / ca

cateto adjacente (c.a.)

Figura 3.13 - Representação gráfica e matemática do Módulo de Elasticidade. O valor do Módulo de Rigidez é numericamente igual à tangente do ângulo de inclinação da reta (ou o coeficiente angular "a" da reta de equação y=ax +b, onde y=tensão, x=deformação e b=0), a partir de um triângulo cujo cateto oposto pode ser qualquer faixa de valor de y dentro da região elástica e o cateto adjacente, qualquer faixa de valor de x dentro desta região. Dúctil x Frágil Num ensaio de tração podem ser tiradas informações sobre a fragilidade ou a ductili-dade do material. Frágil é o material que deforma pouco para ser quebrado e dútil é aquele que deforma bastante. Logo, um material com um valor de %def (ε) maior que outro é mais dúctil.

Limite Elástico e Fator de Segurança Outra informação útil advinda de um gráfico tensão x deformação é o limite elástico, que é a tensão máxima que o material a imediatamente antes de adentrar na fase plástica ou numa descontinuidade caracterísitca de escoamento. O limite elástico pode não ser visível em alguns casos. Em casos deste tipo, conveciona-se o final da fase elástica a partir de valores de



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deformação pré-determinados, em linha reta paralela à fase elástica (0,2% para metais e ligas metálicas; e 0,1% para aços e ligas não ferrosas, por exemplo). Para que o material não se rompa ou mesmo nem entre na zona de deformação plástica, é necessário dividir a tensão de ruptura (ou de escoamento) por um número maior que 1 para que a tensão seja diminúida e utilizada como máxima em projetos e execuções. Este número é o já comentado fator de segurança. Este fator têm a função de fornecer uma tensão cujo valor é menor que o máximo que o material aguentaria, mas que fica a favor da segurança, ando inclusive uma série de defeitos não previstos. Por exemplo, se o alicerce feito tem, segundo os cálculos feitos, de ar a tensão equivalente a presença de 20 andares e o fator de segurança vale 2, o projetista só aprova a construção de no máximo 10 andares. Se a empresa executora resolve fazer um andar a mais e se o prédio cair, a culpa cai na executora e não no projetista, apesar de todos saberem que o alicerce teria condições de aguentar bem mais tensão que a aprovada. É por isso que o resultado da divisão da tensão de ruptura pelo fator de segu-rança chama-se tensão issível ou de projeto, pois é o máximo que se ite no projeto de uma peça ou estrutura feita com o material. Os catálogos de materiais devem informar se a as propriedades mecânicas listadas já foram convenientemente tratadas com fatores de segurança. Cabos de aço são típicos elementos de máquinas solicitados a forças que tendem a esticálos, ou seja, são constantemente tracionados. Se a cabine de um elevador pesa 200 kg e a tensão issível do aço de que é feito o cabo que leva o elevador para cima e para baixo é, segundo seu catálogo, 1360 kgf/cm2 (lembrando que 1 kgf é numericamente igual a 1 kg), qual a capacidade do elevador? Dada que a seção transversal do elevador tem diâmetro de 0,8cm, a área vale (π x 0,82)/4, ou seja, 0,50 cm2. Ainda: Tensão = Força , logo

Força = Tensão x Área = 1360 x 0,5 = 680 kgf ou

Área

680 kg.

680 kg - 200 kg (peso da cabine) = 480 kg de pessoas. Se cada pessoa tiver em média 80 kg, o elevador a 6 pessoas. A placa do elevador terá que ser escrita da seguinte maneira: "Capacidade máxima: 6 pessoas ou 480 kg". Parece claro pelos exemplos que foram dados que a determinação do fator de segurança de um material não é uma tarefa simples, dada a enorme responsabilidade jogada sobre a tensão issível. Se o cabo do elevador calculado anteriormente estourar com pouco mais de 500 kg, a culpa pode ser atribuída aos próprios usuários, que desrespeitaram o escrito pela placa. Se isto acontecer porém com menos de 480 kg a responsabilidade civil vai para a empresa que fez o


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cabo de aço, com todas as providências legais como indenizações, cassação de registros profissinais, honorários de advogados, etc. Assim, é mais ou menos lógico que se tenha algumas regras para estabelecer com boa dose de confiança o valor do fator de segurança. Isto pode depender tanto do material quanto da aplicação. Quanto maior a responsabilidade de aplicação, maior deve ser o fator de segurança e menor a tensão issível ou de catálgo. A tabela 3.1 mostra valores de fatores de segurança adotados para cabos de aço. Nota-se uma grande diferença que existe no fator de segurança um mesmo aço para diferentes aplicações, itindo, por consequência, uma tensão maior. Provavel-mente, para tais casos, o prejuízo em caso de falha ou a frequência de falhas sejam menores. Tabela 3.1 - Fatores de Seguraça comumente empregados para cabos de aço Aplicação Cabos estáticos (parados)

Fatores de Segurança 3a4

Cabo para tração horizontal (carro puxando outro carro)

4a5

Guinchos, pás, guindastes, escavadeiras

5

Pontes Rolantes

6a8

Elevadores de Baixa Velocidade (carga)

8 a 10

Elevadores de Alta Velocidade (ageiros)

10 a 12

Se usarmos o fator de segurança para o elevador dimensionado de 10, podemos calcular a tensão de ruptura do aço de que é feito: Tensão issível (T.A.) = Tensão de Ruptura (T.R.) Fator de Segurança (f.s) Tensão de Ruptura = 1360 x 10 = 13600 kgf/cm2.

,

logo

T.R. = T.A. x f.s.

Dimensionando o elevador com este valor de tensão ao invés da tensão issível, obteremos: Tensão = Força , logo Força = 13600 x 0,5 = 6800 kgf. Área 6800 - 200 (peso da cabine) = 6600 / 80 = 82,5 pessoas!, ou seja, um valor mais de 13 vezes maior que as 6 pessoas. Provavelmente nem caberiam na cabine!


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EXERCÍCIOS: Dados as dimensões do corpo de prova (diâmetro ou largura e espessura, e Lo), vários Fs e ds, traçar gráfico tensão x deformação e achar a tensão de escoamento, máxima e de ruptura (com as respectivas deformações) e o Módulo de Elasticidade. Considerar o último ponto como a ruptura do material. Explique qual deles poderia ser um vidro, um aço e um plástico. 1

2

3

Força (kgf)

Deslocament o (cm)

Força (kgf)

Deslocament o (cm)

Força (kgf)

Deslocamento

0

0

0

0

0

0

100

0,1

10

1

10

0,01

200

0,2

20

2

20

0,02

300

0,3

30

3

30

0,03

280

0,32

50

4

40

0,04

400

0,35

70

5

50

0,05

500

0,40

85

6

60

0,06

620

0,55

98

7

70

0,07

700

0,60

120

8

80

0,08

650

0,70

180

9

90

0,09

(cm)

Corpo de Prova Retangular

Corpo de Prova Tubular

Corpo de Prova Retangular

Espessura = 0,1 cm

Diâmtro de 0,71 cm

Espessura = 0,1 cm

Largura = 1cm

L0 = 10cm

Largura = 1cm

L0 = 10cm

L0 = 10cm


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Dados os gráficos abaixo, esquematizados numa escala só, e utilizando os conceitos obtidos até aqui, identifique quais seriam as possíveis curvas para o aço alto carbono, aço médio carbono, aço baixo carbono, vidro e borracha natural. σ 1 2 3 4

ε


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4 - COMPRESSÃO

Pelo menos em teoria, o ensaio de compressão é meramente o oposto do teste de tração com respeito à direção ou sentido da aplicação da tensão. Trataremos das qualidades do teste de compressão posteriormente, como por exemplo, o fato deste teste poder ser feito no mesmo equipamento que o teste de tração. Por ora, é interessante listar alguns de seus defeitos, que acabam limitando a aplicação do teste de compressão: 1. dificuldade em aplicar uma carga verdadeiramente concentrica ou axial; 2. o caráter relativamente instável deste tipo de carga contrastada com a tensão de tração. Há ainda a tendência de aparecimento de tensões de flexão e do efeito de irregularidades acidentais no alinhamento, que podem ser acentuados conforme o teste prossegue; 3. fricção entre as travessas do equipamento de teste e do corpo de prova devido à expansão lateral do corpo de prova. Isto pode alterar consideravelmente os resultados que seriam obtidos se estas condições não estivessem presentes; 4. as relatviamente grandes seções transversais do corpo de prova requerido de modo a obter um grau de estabilidade adequado da peça. Isto resulta na necessidade de um equipamento de alta capacidade de carga ou corpos de prova tão pequenos e curtos que dificulta a obtenção de resultados com precisão aceitável. Para ensaiar então, são preferidos blocos pequenos a grandes corpos de prova ou mês-mo protótipos de elementos estruturais. Quando necessário o estudo de pilares de sustentação de prédios, faz-se um bloco do material de que é feito um pilar e procede-se o ensaio. Procedimento Em testes comuns, a única propriedade normalmente determinada é a resistência a compressão (tensão máxima). Para materiais frágeis a tensão de ruptura é facilmente determinada. O escoamento é normalmente obtido após análise cuidadosa do gráfico, pelo desvio da parte reta ou pela marcação de deformações padronizadas tal qual visto no teste de tração.


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As dimensões do corpo de prova devem ser obtidas com rigor de no mínimo 0,2mm para madeira e 0,02mm para metais e concreto. Estes três materiais são os mais ensaiados por compressão por serem os mais comuns em utilizações onde sofrem efeitos compressivos. Outra preocupação é a centralização do corpo de prova com relação às travessas do equipamento. As travessas tratam-se de adaptações da mesma máquina utilizada para o teste de tração. São retirados as garras utilizadas para o puxamento de corpos de prova e colocadas placas especiais para o teste de compressão. Uma centralização adequada siginifca uma distribuição de tensão o mais homogênea possível, evitando inclusive a flambagem do corpo de prova (mais comum em corpos de prova esbeltos-finos), como mostrado na figura 4.1.

Figura 4.1 - Flambagem do corpo de prova Para o teste de flexão, o próximo que será estudado, é necessário somente a mudança do dispositivo para a realização do ensaio com o mesmo equipamento. Pela sua versatilidade, tal equipamento é conhecido como Máquina Universal de Ensaios. Como no ensaio de tração, uma das coisas mais importantes no de compressão é se utilizar da área comprimida correta. Como os corpos de prova indicados são blocos e/ou tubos, a área a ser utilizada é a área da seção transversal (figuras 4.2a e 4.2b). Em corpos de prova ou peças (como alguns eixos-árvore) onde não há um perfil definido, com larguras ou diâmetros variáveis na altura (figura 4.3) os testes de compressão não são recomendados, pela dificuldade em se centralizar os esforços. Porém, para corpos de prova esféricos, o teste é possível. A área comprimida porém vai ser a área do corpo de prova efetivamente comprimida (como se tivesse sido feita uma marca na placa.

Figura 4.3a - Corpo de Prova em forma de bloco

Figura 4.3b - Corpo de Prova tubular


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Figura 4.3 - Perfil de Corpo de prova com descontinuidade na altura Quaisquer resquícios de óleo o graxa, mais comuns em metais após a usinagem, devem ser retirados sob pena de diminuir o atrito entre o corpo de prova e as travessas da máquina. As velocidades de deformação impostas pelo teste são geralmente baixas, dada a pequena elasticidade dos materiais comumente ensaiados. Corpos de prova de concreto, por exemplo, devem ser ensaiados à taxa de 0,12 a 0,30 mm/min, podendo chegar a, no máximo, 1,25 mm/min. Metais e madeiras item taxas similares ou até inferiores. É normal também se utilizar de taxas muito inferiores (0,0004mm/min) de modo a fazer com que o ensaio se estenda por vários minutos e seja possível a leitura de vários pontos no gráfico. Alternativa à isto pode ser o aumento da velocidade do papel registrador. Embora menos comum que o extensômetro, em testes de compressão pode-se fazer uso do compressômetro, de modo a medir pequenas deformações cujo registro por vias normais (no papel registrador) faz com que se obtenha dados geralmente imprecisos. Dado a utilidade em se comprimir corpos de prova de aplciação direta em construção civil, se adpatou o equipamento realizador dos ensaios para realidades mais econômicas e rápidas. Não é raro, coletar uma pequena amostra do concreto que vai ser usado para a construção de um pilar por exemplo e jogá-lo, ainda úmido, num tubo ôco. Quando sêco, teremos um corpo de prova pronto para ser ensaiado. Porém, é pouco provável que cada firma de engenharia tenha condições e necessidade de adquirir uma máquina de ensaios ou de pagar os ensaios numa máquina de um lugar que a disponha. Dessa maneira, costuma-se comprimir os corpos de prova em prensas. O corpo de prova é comprimidado até a quebra e a prensa registra, por exemplo, a tensão que o material sofria quando arrebentou, provavelmente a máxima tensão que o corpo de prova ou.


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Resultados O resultado do teste de compressão é normalmente um gráfico tensão versus deformação de formato semelhante ao teste de tração, de onde pondem retirar resultados similares, inclusive a tensão issível de compressão. Outro resultado importante é que madeiras, metais, concreto e outros materiais cerâmicos, apresentam fraturas por compressão que formam linhas típicas. Se o teste for lento e a fratura superficial, pode-se inclusive observar a trinca nascendo e se propagando, gerando no final do ensaio, a ruptura do corpo de prova. Se imaginarmos um bloco como o da figura 4.3a, a fratura pode ser: - materiais cerâmicos em geral (pedras, p. ex.) - fratura tipo ampulheta (figura 4.5a); - ferro fundido - fratura em plano inclinado (figura 4.5b); - concreto - fratura cônica e em tiras (figura 4.5c); Já os vários tipos de madeira apresentam diferenciados tipos de fraturas. Isto porque a madeira é um material composto de células formados a partir de um crescimento orgânico que as alinha de modo a formar uma série de tubos ou colunas numa determinada direção. Como resultado da estrutura, o limite elástico é relativamente pequeno, não há um limite de escoamento definido e ocorrem mudanças visíveis antes da ruptura. Estas propriedades variam com a orientação da carga com respeito à orientação das colunas ou tubos.

Figura 4.5a - Fratura tipo ampulheta

Figura 4.5b - Fratura em plano inclinado

Figura 4.5c - Fratura cônica e em tiras

Exercício: Calcule a carga aplicada na ruptura de uma bola de gude ensaiada por compressão, sabendo-se que o diâmetro da área comprimida é de 0,2mm e que a tensão issível do vidro de que é feita é de 200 Kgf/cm2 . Estime um fator de segurança de 2.



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5 - FLEXÃO Se forças atuam num pedaço de material de modo que tendem a induzir tensões compressivas numa parte da seção transversal e tensões de tração na outra parte, o material é dito estar flexionado. A ilustração mais comum da ação da flexão é uma barra solicitada por cargas transversais, embora possa ser causada por momentos resultantes inclusive de solicitações paralelas ao eixo da peça. Em estruturas e máquinas em serviço, à flexão pode ser acompanhada por tensão direta, cisalhamento transversal ou torsional. Por conveniência, em testes de flexão as solicitações em barras são as mais comuns. A flecha, ou seja, a deflexão da barra é sempre considerada paralela ao esforço (conforme a Figura 5.1) de modo que o corpo de prova entorte. Para o equilíbrio ocorrer, a soma das forças de tração tem que ser igual à soma das forças de compressão. A linha onde o esforço é zero será chamado de linha neutra. No caso da figura 5.1, a parte de baixo (em tração) tende a ser esticada enquanto a parte de cima (em compressão) tende a ser encurtada. A flexão em barras pode ser representada por diagramas de cisalhamento e de momento, conforme é visto na disciplina de Resistência de Materiais. Compressão Tração

flecha ou deflexão

Figura 5.1 - Barra em Flexão O comportamento mecânico de um material sob flexão é semelhante ao comportamento exibido pelo mesmo material sob tração e compressão, ou seja, uma zona elásica, escoamento e zona plástica. Na zona elástica o nível de esforços é baixo o suficiente



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para, após serem retirados, fazerem com que o material volte às dimensões que tinha antes de ser solicitado. O escoamento é o ponto onde, abaixo dele o nível de esforços produz deformações elásticas (recuperáveis) e acima dele o nível de esforços produz deformações permanentes. O escoamento é novamente o ponto onde o gráfico desvia da linearidade. Uma importante vantagem do Módulo de Elasticidade na Flexão (cujo cálculo envolve a tangente da reta referente a parte elástica, conforme no gráfico de tração) perante o Módulo de Elasticidade na Tração é que descreve os efeitos combinados de deformação compressiva (logo abaixo à aplicação da carga) e tracional (no lado oposto da amostra). Se para metais não se observa muita diferenciação entre os módulos em tração e compressão, para plásticos os módulos podem ser bem diferentes. Existem ainda materiais estruturais cujo comportamento sob tração é diferente do comportamento sob compressão. O concreto, por exemplo, é um caso típico, resistindo mais à compressão do que à tração. É comum se utilizar da protensão de concretos para minimizar este “defeito”, adicionando a uma viga de uma ponte, por exemplo, uma barra da aço (que resiste bem à tração) e a esticando enquanto o concreto não secou e retirando o esforço após o concreto ter secado. É gerada assim uma estrutura tensionada que compensa a pouca resistência à tração do concreto. É lógico que a protensão deve ser calculada mediante o tipo de concreto, o tipo de aço utilizado na barra e principalmente com relação às dimensões da viga a ser protendida e o nível de esforços que terá que ar em uso. Sem a protensão, há o desvio (para baixo) da linha neutra, fazendo com que pouca quantidade de material tenha que ar toda a tensão de tração. Para materiais cujo comportamento sob tração é mais eficiente que sobre compressão (madeira, por exemplo), a linha neutra desvia-se para cima. Os dois casos são mostrados nas figuras 5.2a e 5.2b, respectivamente. Para materiais de seção transversal não simétrica, a linha neutra também é deslocada.

Fig. 5.2a - Linha neutra deslocada para baixo / Fig. 5.2b -Linha neutra deslocada para cima Nota-se pelas figuras 5.2a e 5.2b que o simples desvio da linha neutra para cima ou para baixo muda os valores da resistência à tração ou à compressão (tamanho da seta). Na figura 5.1, observa-se que a diagonal traçada, juntamente com a linha divisória na vertical, fornece todos os


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valores das tensões adas pelo material em cada parte da seção transversal. Na linha neutra, o valor da tensão é zero; porém, quanto mais distante da linha neutra (tanto para cima ou para baixo) maior o valor da tensão ada (compressão ou tração, respectivamente), chegando ao máximo na superfície do material. Quanto mais deslocada a linha neutra, menor as componentes de um tipo de tensão, porém maiores serão as componentes do outro tipo, indicando a resistência necessária para corpos de prova de seção transversal não simétrica ou para peças no formato feitas com materiais como o concreto. O ensaio mais comum de flexão é o ensaio em três pontos. Dois desses três pontos tratam-se dos apoios em cima dos quais fica o material e o terceiro é a carga aplicada (figura 5.1). Para materiais frágeis, costuma-se proceder o ensaio até o final, quando o corpo de prova se rompe. Já para materiais muito dúteis, o teste pode se alongar bastante, sendo que o gráfico pode ter o formato da figura 5.3. Após estabelecido o patamar, o ensaio pode ser dado como terminado, pois o material pode dobrar-se indefinidamente, até mesmo sem quebrar. Nesse caso, outro parâmetro interessante é a determinação da carga obtida quando o material dobrou-se num certo ângulo. Este tipo de ensaio, chamado de ensaio de dobramento, tem maior utilidade ao dobrar-se uma peça numa junta soldada, para avaliação da qualidade da soldagem. Força

distância percorrida pelo papel Figura 5.3 - Gráfico de Flexão para materiais muito dúteis Os cálculos referentes à propriedades de flexão refletem o tratamento matemático de algumas grandezas: momento de inércia - é uma relação matemática envolvendo as dimensões do corpo de prova, cuja unidade final é cm4 e que evidencia a influência do formato da peça em propriedades mecânicas com as quais se relaciona. Por exemplo, o momento de inércia (J) de corpos de sção retangular como o corpo de prova da figura 5.4 vale J = ( bx h3 ) / 12 e de corpos de seção circular vale J = ( π

x

d4 ) / 64, e advém do tratamento matemático do centro de

gravidade dos corpos, ponto onde se dá o equilíbrio dos corpos;


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módulo de reistência da seção transversal (W)- é a divisão do momento de inércia pela distância da linha neutra até a superfície do corpo de prova (c), ou seja W = J/c; o valor de "c" para seções circulares vale o raio e para seções retangulares vale a metade da altura; momento fletor (Mf) - força x distância - se a força é aplicada na região média do corpo de prova e se distribui uniformemente pelo corpo, pode-se considerar somente a metade do valor da força e a metade do comprimento útil do corpo de prova (L = distância entre os apoios); logo Mf = ( F/2 ) x ( L / 2 ) = ( F. L ) / 4 Dessa maneira, o cálculo para tensão e módulo de corpos de prova de quaisquer seção transversal ensaiados por flexão em três pontos seguem as equações 5.1 e 5.2. Tensão = Mf / W, que fornece Tensão = FLc / 4J 3 Módulo de Elasticidade ( E ) = ( L x m )/ ( 48 J )

(5.1) (5.2)

O parâmetro "m" diz respeito à inclinação da reta do gráfico Força x distância percorrida pelo papel (obtendo assim um triângulo retângulo para o cálculo da tangente). Pode-se ainda calcular o valor da deflexão a partir da relação "(velocidade da travessa x distância percorrida pelo papel) / velocidade do papel", assim como no gráfico de tração se obtinha o deslocamento. A deformação na fase elástica pode ser calculada pela fórmula "tensão = módulo x deformação". As equações 5.3 a 5.6 apresentam os cálculos a serem feitos em barras de seção transversal retangulares flexionadas para obtenção das propriedades mais importantes. Nota-se a importância do registro preciso das dimensões do corpo de prova, que aparece em todas as fórmulas. Na figura 5.4 a localização das grandezas de comprimento relacionadas ao teste. Tensão Máxima Smax = ( 3 . Pmax . L ) / ( 2. b. h2 ) Resistência à Flexão Srup = (3 . Prup . L ) / (2 . b . h2 ) Resistência ao Escoamento Sesc = ( 3 . Pesc . L ) / (2 . b . h2 ) Módulo de Elasticidade de Flexão Eb = (L3 . m ) / ( 4 . b . h 3) onde Pmax = carga máxima; Prup = carga na ruptura; Pesc = carga no escoamento L = distância entre os apoios; b = base da amostra e h = altura da amostra

(5.3) (5.4) (5.5) (5.6)


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h b L Figura 5.4 - Corpo de Prova antes do ensaio e as medidas b,h e L Pelo estudo das equações anteriores pode-se entender o porque do formato tradicional das vigas que sustentam paredes, lajotas, vãos livres e telhados, por exemplo. Ao se flexionar uma régua com as mãos, pode-se constatar isso. A deflexão obtida é muito maior quando você a pressiona contra a superfície maior e não contra a menor. Dividindo tensão / módulo obteremos que a deformação vale 12 Fc/L2m: a força e a distância entre os apoios tem o mesmo valor nos dois casos, o valor de "c" é inclusive maior quando a régua está mais alta, porém o valor de "m" é muito maior neste caso, dado que o material ficou muito mais rígido (com os mesmos valores de força obtém-se flechas bem menores). Logo, componentes estruturais no formato de barras respondem da mesma forma, ou seja, deve ser tomado como altura a maior dimensão possível.

EXERCÍCIO: Para os corpos de prova 1 a 3 abaixo, calcule as tensões, módulo e flecha. Onde Leitura = distância percorrida pelo papel. A amostra 2 não rompeu e o teste foi finalizado após a chegada no patamar. Faça depois uma lista dos três materiais em ordem crescente de dutilidade.

Amostra

L (cm)

h (cm)

b (cm)

P esc. (kgf)

P máx. (kgf)

P rup. (kgf)

Leitura Leitura Leitura Esc. Máx. Rup. (cm) (cm) (cm) 13,4 18,7 18,7

1

8

0,43

1,3

17,2

22,7

22,7

2

8

0,52

1,3

23,0

32,6

-

13,3

27,8

-

3

8

0,65

1,3

-

29,2

29,2

-

8,7

8,7


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6 - DUREZA O teste de dureza é um dos mais importantes e difundidos ensaios mecâncios que existem, pela soma de pelo menos três razões: 1 - a dureza é uma propriedade muito importante, uma vez que à ela podem estar associadas desde mudanças na composição química, até mudanças na estrutura do material; 2 - é talvez o teste mais rápido que existe; 3 - o durômetro, equipamento que mede dureza, é um dos equipamentos de ensaio mais baratos e fáceis de manusear. Dessa maneira, sendo um teste rápido, barato e fácil de ser feito, não é à toa que seu uso é comum. O teste de dureza consiste em pressionar um durômetro com determinada carga contra uma superfície lisa do material que se deseja medir. A resistência à penetração do durômetro é instantaneamente transferida a um relógio mostrador, como exposto na figura 6.1.

Figura 6.1 - Esquema de um Teste de Dureza O elemento do durômetro que vai tentar penetrar a peça a ser medida pode ser uma agulha, um cone ou uma esfera (caso da figura 6.1). O teste de dureza Brinell,.criado em 1900, consiste em se pressionar com uma determinada carga uma esfera de aço temperado contra a superfície a ser medida por um dado tempo e se medir o diâmetro da calota esférica formada. Cada diâmetro de esfera de aço remete a tabelas onde se varia a força aplicada. Na tabela relativa



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a força e ao diâmetro de esfera utilizados no teste, nas linhas listam-se vários diâmetros de calotas esféricas possíveis de se obter e nas colunas o valor da dureza. Este valor pode inclusive ser calculado por meio de fórmulas relativamente simples para fornecimento da pressão dada pela esfera na superfície da peça. Se o valor for, p.ex, 300, escreve-se que a dureza vale HB 300 (de "hardness Brinell" - dureza Brinel). O teste de dureza Brinell é muito utilizado para a avaliação da dureza de materiais ferrosos, ferro fundido, aços e outros produtos siderúrgicos. Porém, apresenta sériais limitações, pois a esfera de aço tem dureza menor que um vasto número de materiais o que não permite a realização do teste para estes materiais. Ainda, existe a dificuldade em se ensaiar superfícies curvas, devido ao encaixe da esfera. Ainda, como se mede o diâmetro da deformação formada, é certo que parte da deformação (a elástica) já foi recuperada, fornecendo um diâmetro inferior ao real. Porém seus resultados têm uma grande relação com a resistência à tração: quanto maior a dureza, maior a resistência à tração, o que elimina em muitos casos a necessidade de se realizar o teste de tração, mais caro e demorado. O ensaio Rockwell, desenvolvido em 1922, é o mais utilizado no mundo dado que eliminou uma série dos problemas existentes com o ensaio Brinell. Prevê uma pré-carga anteriormente à carga propriamente dita, para firmar o contato entre medidor e superfície. Além da esfera de aço temperado, existe um cone de diamante, o que faz com que seja possível se ensaiar até com o mais duro do materiais. Dessa maneira, existe uma série de arranjos que podem ser feitos com relação ao diâmetro da esfera e à carga aplicada ou, quando necessário, ao cone de diamante e à carga aplicada. Assim, cada carga associada a um determinado diâmetro da esfera ou ao cone de diamente demandará uma escala própria. Outra grande vantagem deste ensaio é que todas as escalas localizam-se no mostrador do próprio durômetro, fornecendo o resultado final sem o auxílio de tabelas. O valor é representado por HR (de "hardness Rockwell). A ETE Anna de Oliveira Ferraz possui um durômetro Rockwell, no Laboratório de Materiais, ao lado da Oficina Mecânica. Algumas das limitações do ensaio Rockwell são o fato de que as escalas não são contínuas (materiais com dureza no início de uma escala e no fim de outra não podem ser comparados), e seus resultados não apresentam correlação com a resistência à tração. Em 1925 foi desenvolvido o ensaio Vickers, onde estas limitações são minimizadas. A grande diferença no equipamento, mais semelhante ao durômetro de Brinell, é a existência de um microscópio para a verificação exata da deformação imposta após pressionar uma pirâmide de diamente contra a superfície a ser deformada. Enquanto os outros dois testes apresentavam


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restrições com relação à espessura da peça a ser ensaiada, o teste Vickers ite inclusive peças bem finas, pois a deformação imposta é praticamente pontual. Testes de dureza tem um vasto campo de aplicação, embora como teste comercial são mais aplicados a metais do que quaisquer outras classes de materiais. Para plásticos e borrachas o teste de dureza, do tipo Shore é mais simples ainda, dado que os durômetros podem ser inclusive portáteis, com uma agulha realizando a penetração e o resultado saindo direto no mostrador. Os resultados de dureza podem ser utilizados como se segue: 1 - materiais similares podem ser graduados segundo suas durezas e, cada nível de dureza pode ser indicado para determinada utilização. Entretanto, o número extraído do ensaio dá apenas uma idéia comparativa com outro material, não podendo ser utilizado dirteamente em projetos, como podem ser feitos com os outros testes mecânicos vistos até aqui; 2 - o nível de qualidade de produtos e materiais pode ser checado por testes de dureza. Eles podem ser aplicados ainda para se determinar o nível de uniformidade após o tratamento térmico de uma amostra, por exemplo. 3 - Podem ser estabelecidas correlações entre resultados de dureza e resultados de resistência à tração, por exemplo, de modo que os testes de dureza servem para verificar se uma peça está ou não dentro de uma determinada faixa de valor sem haver a necessidade de se realizar ensaios muito mais demorados e caros. Entretanto, correlações deste tipo só podem ser feitas em casos onde os dois tipos de ensaios foram feitos para peças fabricadas de forma semelhante e com o mesmo material.



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7 - FADIGA É muito comum se falar que determinada falha ocorreu por fadiga de material, como no acidente que matou o piloto de fórmula 1 Ayrton Senna e no acidente com o avião da TAM em 1997, quando um ageiro foi puxado para fora do avião em pleno vôo. Mas o que é exatamente isso ? Como se mede ? Fadiga é definida como a falha do material em carregamento cíclico. Imagine então a barra de direção do carro de Senna, que rompeu-se no Grande Prêmio de Ímola. Ora o piloto virava o carro para a esquerda, ora para a direita, ora com mais força, ora com menos força. Essa tensão (no caso de torção), embora num nível bem menor do que aquele que a barra supostamente aguentaria que foi conseguido num ensaio de torção, repetindo-se várias vezes, ora de um lado, ora de outro, foi suficiente para provocar a falha do material. A bem da verdade, barras de direção não quebram-se facilmente, ainda mais em fórmula 1. O piloto havia se queixado de que a barra deveria ter seu comprimento aumentado pois se sentida desconfortável. Ao invés de se usinar outra barra, a equipe soldou um pedaço. A linha de solda, notadamente ponto crítico de solicitação pois não é uma adesão química entre átomos, foi que rompeu-se por fadiga neste caso. Metais são famosos por serem anisotrópicos, ou seja, aguentarem mais um tipo de tensão do que outro e por serem compostos de reuniões de átomos (cristais) que podem apresentar diferentes valores de falha. Provavelmente, durante um carregamento que impõe tipos diferentes de tensão, parte do metal já está na zona plástica enquanto outra parte ainda está na fase elástica. Rompendo-se uma parte, ou alguns cristais dentro da microestrutura, a trinca está aberta interna ao metal, e sua propagação envolve bem menos tensão para ocorrer. Por esta razão a fadiga pode ser chamada de fratura progressiva e ocorrer em valores bem menores de tensão do que os registrados em testes de tração. A fuselagem de um avião é exemplo de estrutura em carregamento cíclico dado que conforme o avião sobe e desce existe uma diminuição e aumento da pressão externa, enquanto a pressão interna é mantida constante por aparelhos. Isso sem contar a brusca diferença de umidade que pode haver e de temperatura existente entre a altitude habitável (Araraquara está a 640m acima do nível do mar, por exemplo, a aproximadamente 25oC) e a altitude de cruzeiro (pelo menos 10km acima do nível do mar, a aproximadamente 50oC negativos).


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Para que não exista esta desagradável surpresa durante o uso de um material, costuma-se submetê-lo a um teste de fadiga, onde tenta simular condições de carregamento cíclico e medir o quanto o material aguenta de tensão por um longo tempo. Um corpo de prova cilíndrico (espécie de um eixo padronizado) é preso a uma máquina semelhante ao cabeçote de um torno. Na ponta livre do corpo de prova é pendurado um peso e a máquina é ligada, conforme a figura 7.1. Considerando-se apenas um ciclo, parte do mateiral está submetido a tensões de tração (no caso a parte de cima) e a outra parte está submetido a tensões de compressão (a parte de baixo). Isso já foi detalhado a partir da figura 5.1 no ensaio de flexão. Num outro ciclo, a parte anteriormente tracionada é comprimida e vice-versa, simulando as condições de carregamento cíclico. O equipamento de ensaio dispõe ainda de um sistema que conta quantas rotações foram dadas e quando o material se rompe registra-se o número de ciclos necessários para se quebrar o material com determinada carga. Esta carga é é dividida pela área da seção transversal do corpo de prova e é obtido um ponto tensão x número de ciclos que foram necessários para quebrar o material. Variando-se para mais e para menos o peso colocado se obtém vários pontos do teste de fadiga, podendo-se obter um gráfico semelhante ao da figura 7.2, que tem como grande resultado a obtenção do Limite de Fadiga (L.F.), um nível de tensões abaixo do qual o material aguentaria indefinidamente o carregamento.

Figura 7.1 - Esquema do Teste de Fadiga Tensão

x

x

x

L.F.------------------

x

x L.F -------------------------------------------------------

número de ciclos Figura 7.2 - Gráfico Tensão x número de ciclos do teste de fadiga O limite de fadiga pode variar com a composição, microestrutura, tratamento térmico e tipo de processo de fabircação envolvido na preparação do metal. Desses, a microestrutura tem


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dado melhores resultados para estudos onde se deseja aumentar o limite de fadiga. Para se variar a microestrutura, a distribuição de agragados microscópios ao longo do material, pode-se varirar tanto a composição química, o tratamento térmico e o processo de fabricação que, cada um individualmente, tem correlação com o limite de fadiga não muito clara. Correlações entre o limite de fadiga e outras propriedades mecânicas são desejáveis para não se realizar testes tão demorados. Entretanto, não existe nenhuma relação direta entre o limite de fadiga e quaisquer outras propriedades físicas aplicadas a metais. Elongação na ruptura, tensão máxima e dutilidade parecem influenciar a resistência à fadiga, existindo uma correlação mais próxima entre limite de fadiga e tensão máxima na tração.Aços laminados ou forjados tem valores de limite de fadiga entre 45 a 55% do valor da tensão máxima em tração; se os aços forem fundidos, este limite cai para 40%. A dureza Brinell parece fornecer um bom indicativo do limite de fadiga para aços laminados e forjados. Para tais materiais, o limite de fadiga (em MegaPascais, Mpa) é aproximadamente 1,7 vezes o valor da dureza Brinell. Pode-se notar que o teste de fadiga tem desvantagens óbvias: 1 - pode demorar muito tempo para ser feito, até meses; 2 - exige a preparação de corpos de prova específicos; 3 - seu resultado é de difícl projeção para projetos, sendo mais utilizado comparativamente, como os resultados de dureza.



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8 - IMPACTO Todos tem pelo menos uma vaga noção do que é impacto. Materiais em uso podem constatemente sofrerem violentos impactos e devem ter sido projetados para exibir o melhor comportamento possível nestas ocasiões. Talvez a estrutura mais sujetia a impactos seja o pára-choque de automóveis. Antigamente os pára-choques eram feitos de aço duro, e permaneciam intactos após choques de pequena proporção. Hoje em dia os pára-choques são feitos de plásticos que se espatifam mesmo em choques pequenos. Houve um retrocesso na indústria de auto-peças para diminuir custos, colocando em risco a vida das pessoas ? Muito pelo contrário, houve avanços. É de conhecimento de todos que num choque o que deve ficar intacto são os ocupantes do carro e não as peças do automóvel. Os plásticos de que são feitos os pára-choques absorvem mais o impacto, quebrando-se e não transferindo-o para os ocupantes do carro. Outras partes do carro estão sendo feitas com metais mais dúteis (dutilidade é uma medida indireta de resistência ao impacto) para propiciar uma deformação maior quando de uma batida, ficando com quase toda a carga, facilitando a sobreviência dos ocupantes. Nos pára-choques antigos, em qualquer batida o impacto era transferido para todo o carro, inclusive para os ocupantes, que não tem tanta resistência mecânica quanto as outras peças. É lógico que, dependendo da gravidade da batida, parte do impacto é transferida aos ocupantes, pois a absorção de impacto por parte dos materiais é limitada. Em carros de fórmula 1 existem o que é chamado de célula de sobrevivência acoplada ao Santo Antônio, que é um pequeno disco de metal altamente resistente colocada logo acima da cabeça do piloto. A célula de sobrevivência, o capacete e o Santo Antônio tem capacidade de deformação muito baixa, mas uma resistência ao impacto muito grande, evitando que, em caso de capotamento ou de uma batida forte, enquanto o carro todo é espalhado pela pista o piloto fique a salvo. Mesmo que o preço disto seja a transferência de algum impacto para o piloto. O teste de impacto é o teste utilizado para medir o quanto o material pode absorver de um impacto, ou seja, a tenacidade do material. Tanto os corpos de prova quanto o nível de impacto é padronizado, de modo que a projeção de seus resultados para o uso só pode ser feita indireta e qualitativamente.


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A figura 8.1 mostra um esquema geral de um teste de impacto. É de se ressaltar que existem muitas outras variações de teste, como dardos e qualquer tipo que possa ser inventado. Mas o tipo que se utiliza de um pêndulo solto de uma altura determinada (ou seja com uma determinada energia potencial = massa x aceleração da gravidade x altura = m.g.h0) que encontra uma amostra e a quebra, atingindo uma altura menor após esse encontro (com uma determinada energia potencial), é o tipo mais comum. A diferença das energias (ou a diferença das alturas, já que a massa e a aceleração é a mesma), é a energia absorvida pela amostra para ser rompida. A unidade da energia, se massa for dada em kg, aceleração em m/s2 e as alturas em metros, será Joules (J). É comum forçar a quebra da amostra, evitando assim que o pêndulo possa parar numa amostra mais resistente. Assim é feito um entalhe como visto no destaque da figura 1, onde se vê que sobra um caminho cujo comprimento pode ser medido (em metros), chamado comprimento útil. O resultado do teste de impacto é dado então em Joules/metro. Como observação, é interessante ressaltar novamente que tanto o peso do pêndulo, sua altura, corpo de prova, o entalhe da amostra e todos os outros tipos de variações possíveis são padronizados em norma específica.

comprimento útil m.g.h0

Figura 8.1 - Esquema do ensaio de impacto Exemplo: calcule a res. ao impacto de uma amostra de2 cm de comprimento útil, cujo pêndulo de 1Kg foi solto de uma altura de 10 cm e após a batida com a amostra atingiu 5 cm.


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9 - FLUÊNCIA Já vimos pelo ensaio de fadiga que materiais, mesmo quando tensionados abaixo do nível do escoamento podem falhar em condições de carregamento cíclico. Mas, e se este carregamento não for cíclico, porém fixo, e igualmente abaixo do nível de escoamento, o material aguenta indefinidamente? Obviamente não. Um bom exemplo pode ser um lustre mantido por uma haste. Após um longo tempo a haste pode se aproximar das condições de falha, pois ela fluiu. Assim, fluência é a deformação plástica que ocorre em materiais sob tensão constante ao longo do tempo. Enquanto a maioria dos materiais são sujeitos a fluência, diferenças estruturais entre metais, plásticos, borrachas, concretos e outros materiais causam mecanismos de fluência igualmente diferentes. No aço, temperaturas de algumas centenas de graus são suficientes para que a fluência se torne um problema, enquanto que alguns plásticos, concreto e chumbo podem sofrer fluência à temperatura ambiente. Centraremos nossa atenção em torno de metais, particularmente os aços (cujos sinais iniciais de fluência se dão em 40% da temperatura de fusão) por ser objeto mais próximo do técnico em mecânica. Logicamente já deve ter surgido a pergunta: se o fenômeno da fluência pode demorar muito tempo para ocorrer, como realizar um teste para avaliar sua ocorrência? O ensaio de fluência é um dos ensaios mais longos que podem ser feitos com materiais. Porém apesar de demorados eles são acelerados com a utilização da temperatura. Ou seja, à temperatura ambiente, poderiam demorar anos para terminar. O teste de fluência dessa maneira informa inclusive a resistência mecânica de materiais submetidos a temperaturas relativamente altas, como é a utilização de boa parte dos materiais, como metais e cerâmicas, principalmente. Em altas tempearturas, os materiais podem agir como líquidos viscosos (viscosidade tem definição semelhante à consistência: o mel é muito viscoso e a água é pouco viscosa), de modo que uma tensão muito menor que a obtida nos ensaios mecânicos comuns pode causar a falha do material em alguns minutos. O ensaio de fluência surge como uma maneira de se tentar supor o coportamento de materiais em altas temperaturas, de modo a evitar surpresas desagradáveis durante o uso. O ensaio de fluência pode ser considerado inclusive um teste de tração à quente, porém apresenta análise de resultados de comportamento mecânico completamente diferente da análise dos resultados de tração. Porém, pode-se utilizar do mesmo equipamento, desde que com


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um dispositivo básico: um forno adaptado que aqueça a parte útil do corpo de prova (de formato similar ao de tração, página 14). Existem três tipos básicos de teste de fluência: de ruptura, de relaxação e o padrão. O ensaio de padrão traça a curva de fluência típica do material "Deformação (ε) x tempo(t)" e deve ser feito na temperatura e na tensão em que a peça vai atuar e durante o tempo de vida útil esperado. Para casos de tempos muito longos, costuma-se fazer apenas o início do teste e extrapolar-se (continuar a traçar o gráfico baseado na tendência da curva até então obtida) o restante. A curva deve ser analisada por partes, conforme a figura 9.1. Logo após submeter a peça à tensão inicial ocorre uma deformação elástica (OA), dado que a tensão aplicada deve ter níveis inferiores ao escoamento. Porém, conforme o tempo a, o material flui, invadindo a região plástica mesmo sem apresentar níveis de tensão suficientes para isso. Isso pode demo-rar muito para acontecer e enquanto isso o material responde traçando uma reta paralela ao eixo x, perfazendo o trecho OAB. Se a temperatura aumentar entretanto, a deformação elástica pode aumentar, afinal o material amolece (o módulo de rigidez diminui) com a temperatura (OC - tal trecho pode ter um componente plástico, dependendo da tensão e temperatura empre-gados). Além disso, a fluência pode se iniciar instantaneamente, traçando o gráfico OCDEF da figura 9.1. Um gráfico de formato semelhante a este seria formado a partir da reta do material ensaiado em baixa temperatura, porém com valores de deformação e tempo diferentes. ε F 1o

2o

E D C A O

B t

Figura 9. 1 - Gráfico típico de fluência (deformação x tempo) Nota-se pela figuras 9.1 a existência de três estágios: 1o - no trecho de deformação de C a D, a fluência é lenta; 2o - nas deformações entre D e E a fluência é um pouco mais rápida e constante, praticamente uma reta. Este formato facilita inclusive os cálculos para a velocidade de



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fluência a partir da inclinação da reta. Já o trecho entre os níveis de deformação E e F (3o) a fluência aumenta demasiadamente, provocando ao final do teste a ruptura do material. Dessa maneira, um teste de fluência padrão visa obter um gráfico com os três estágios de modo a verificar, no tempo relativo ao esperado como vida útil, se a deformação é aceitável ou não. Este teste pode ser feito na temperatura de uso ou não e quanto menor esta temperatura maior o tempo de teste. Dessa maneira, é interessante realizar o teste numa temperatura superior para avaliar o formato do gráfico, obter as velocidades de fluência e realizar a extrapolação até o tempo desejado. O ensaio de fluência por ruptura necessita de vários corpos de prova, ensaiados a mesma temperatura (de preferência a de uso). Cada um é submetido a uma tensão e registra-se o tempo necessário para romper o material, bem como a deformação de ruptura, fornecendo um gráfico tensão x tempo de ruptura. Para o tempo de uso desejado, extrapola-se o valor da tensão. No ensaio de fluência por relaxação, também à temperatura constante, determina-se uma deformação fixa a ser atingida logo no primeiro instante do ensaio, quando obviamente a tensão deve ser alta. Conforme o tempo a, o material vai relaxando, exigindo menos tensão para manter a deformação. Após decorrido um tempo razoável o teste pode ser dado como encerrado, extrapolando-se a tensão que seria demandada no tempo de uso desejado para o material. A grande diferença deste ensaio para o ensaio de ruptura é que só necessita de apenas um corpo de prova. Suponha que se deseja transportar um líquido quente qualquer (p.ex. 350oC) de uma parte à outra de uma fábrica. Constrói-se um corpo de prova com o material que o duto pode ser feito. A mínima tensão possível em que ele não consiga desenvolver nesta temperatura uma deformação superior à aceitável pode ser adotada como tensão issível, embora as correlações com aplicações práticas devam ser apenas qualitativas. Ou seja, um material com uma tensão issível em fluência duas vezes maior que outro provavelmente tem maior resistência à fluência, porém pouco provavelmente o dobro. Isto dificulta a entrada dos resultados do teste nos cálculos para achar, por exemplo, a vazão máxima que pode ser dada no transporte do.


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10 - RAIO X O ensaio de raio-X trata-se de um dos mais importantes testes que podem ser feitos com materiais, pelo fato de propiciar desde investigações científicas, indo até à intimidade do material, investigando a distribuição de seus constituintes básicos (átomos) até tecnológicas, por exemplo na avaliação de tensões residuais. Pertence à classe dos testes não destrutivos, aqueles tipos de testes que não deixam nenhum tipo de marcas nos corpos de prova. Outros testes não destrutivos são análises visuais (a olho nu ou microscópios) ou testes como ulttra-som e líquidos penetrantes, sendo que os dois últimos serão tratados também nesta apostila. NOÇÕES BÁSICAS DE CRISTALOGRAFIA Átomos costumam agrupar-se conforme seu tamanho e conforme sua carga elétrica. A exclusão de vidros e outros materiais amorfos (como alguns plásticos), os átomos tendem a se agrupar da forma mais empacotada possível, respeitando problemas de tamanho e elétricos (sabidamente, átomos iguais tem cargas elétricas iguais, que tendem a se afastar). Esse agrupamento é repetido ao longo da estrutura e pode dar origem à forma externa do material. Essa estrutura empacotada apresenta-se ordenada nas três dimensões e recebe o nome de cristal. Se cada átomo representar um ponto, estes podem ser ligados e formar figuras geométricas conhecidas, como cubos. Todos os átomos existentes (mais de cem) podem apresentar-se somente em 14 formas (desenhos em 3 dimensões). Estas representações são chamadas células unitárias e repetem-se ao longo das três dimensões do cristal como se fosse um carimbo, como esquematizado na figura 10.1. Redes de Bravais são arranjos tridimensionais de células unitárias. Como só existem 14 tipos de células unitárias, só existem 14 redes de Bravais, que são mostradas na tabela 10.1. Para entender as colunas eixos e ângulos, observe a figura 10.1 que estabelece, além dos dois eixos x e y normalmente conhecidos, um outro eixo, de nome z, perpendicular aos dois outros, ou seja, como se estivesse furando esta folha de papel. Formam-se então 3 ângulos retos (90o): entre x e y o ângulo α (alfa); entre x e z, o ângulo β (beta); entre y e z, o ângulo γ (gama).


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y x z

Figura 10.1 - Representação de estrutura cristalina destacando-se em primerio plano a forma que repete, ou célula unitária, bem como os três eixos cristalinos tridimensionais Na tabela é dada mais êfase às células unitárias cúbicas (as únicas que estão desenhadas, por exemplo) em razão de que concentram a maioria dos materiais de interesse do Técnico em Mecânica. Os desenhos das outras células unitárias podem ser feito seguindo estes esquemas com relação à colocação dos átomos e seguindo as medidas e os ângulos. Essas quatorze células representam o número máximo de configurações possíveis que qualquer átomo ou molécula (união de dois ou mais átomos) pode apresentar no estado sólido. O ferro por exemplo, une-se ao carbono para a formação do aço: no resfriamento (a mistura é feita em altos fornos), ocorre a cristalização, respeitando-se as células unitárias de cada um. Nota-se pelos desenhos, que existe uma distância entre os pontos numa mesma dimensão, que chamaremos de “d”, pois representa a distância entre planos de átomos. Para as células cúbicas este valor é igual ao tamanho da aresta (do eixo completo, representado por "a") e, apesar de considerarmos cada átomo como um dos pontos, na realidade eles "são" esferas que se tocam ao longo dos eixos. Logo, esta distância interplanar pode ser substituída pela soma dos raios dos dois átomos relacionados, valor facilmente encontrado em tabelas periódicas dos elementos.


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Tabela 1 - As únicas 14 células unitárias existentes Célula Unitária Cúbica Simples (CS)

Eixos x=y=z=a

Ângulos α=β=γ=90o

Cúbica de Corpo Centrado (CCC)

x=y=z=a

α=β=γ=90o

Ba, Cs, Cr, Feα, Feδ, Mo, Nb, K, Rb, Na, W, V

Cúbica de Face Centrada (CFC)

x=y=z=a

α=β=γ=90o

Al, Ca, Cu, Au, Feγ, Pb, Ni, Pt, Ag,

Tetragonal Simples (TS) Tetragonal de Corpo Centrado (TCC) Ortorômbica Simples (OS) Ortorômbica de Corpo Centrado (OCC) Ortorômbica de Base Centrada (OBC) Ortorômbica de Face Centrada (OFC) Romboédrica Simples (RS) Hexagonal (H)

x=y≠z

α=β=γ=90o

-

x=y≠z

α=β=γ=90o

-

x≠y≠z

α=β=γ=90o

-

x≠y≠z

α=β=γ=90o

-

x≠y≠z

α=β=γ=90o

-

x≠y≠z

α=β=γ=90o

-

x=y=z

α=β=γ≠90o

-

z=y≠z

α=β=90o,, γ=120

-

x≠y≠z

α=γ=90o≠β

-

x≠y≠z

α=γ=90o≠β

-

x≠y≠z

α≠β≠γ≠90o

-

Monoclínica Simples (MS) Monoclínica de Base Centrada (MBC) Triclínica Simples (TrS)

Desenho

Exemplos Cdiam,, Mn, Si

B, In, Pa, Sn,

Ga, I, Np, P, U,

Sb, As, Bi, Hg, Be, C, Cgrafite, Co, Ti,Zn, Zr Pu

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Noções sobre Raio-X Raio-X é um tipo de radiação eletromagnética, ou seja uma onda. A luz visível também é. O Raio-X e a luz visível se diferenciam um do outro graças a propriedades das ondas: tem comprimentos de onda e frequências diferentes. Colocando a luz visível num centro, com comprimentos de onda maiores (e frequências menores), estão o infravermelho, as ondas da TV e as microondas; com comprimentos de onda menores (e frequências maiores) estão os raios ultra-violeta, X e gama. A grande utilidade do raio-X na medicina sua propriedade de atravessar tecidos moles (como músculos e órgãos) e ser refletido por tecidos mais duros (como ossos e dentes). Na área metalúrgica, a idéia é semelhante. O comprimento de onda do raio-X varia para mais ou menos 0,0000000001m (ou seja 1 mm dividido por 1 milhão), que também é a faixa da distância “d” falada anteriormente (distância entre planos de átomos). Assim, incidindo um raio-X numa amostra metálica, se houver reflexão significa que existe um “d” do qual planos de átomos se distanciam e essa reflexão é observada ao se notar que o percurso inicial do raio foi alterado. Essa distância “d” pode ser alterada quando forças internas ou externas (químicas - ligações, físicas - conformação plástica, térmicas- tratamento, solda) são aplicadas a uma estrutura cristalina, distorcendo a célula unitária. Em qualquer caso a variação de “d” é proporcional à tensão (força externa aplicada ou interna gerada dividida pela área de atuação da força).

Raio X 2θ d Figura 3 - Esquema básico da difração de raios-X. Pela figura 3 vemos um tubo de raio-X simplificado. Um filamento, que pode ser de tungstênio, é aquecido e emite elétrons, assim como ocorre com uma lâmpada. Esses elétros são acelerados e focalizados indo de encontra a um alvo (que pode ser de Molibidênio, Cobre, Ferro, Cobalto, Cromo, etc, dependendo da peça a ser ensaiada). Após a colisão são produzidas


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radiações de comprimentos de onde λ (lâmbda) típicos de raios-x. Esses raios escapam do tubo por uma janela e atingem uma amostra e seu plano de átomos. A cada choque com um átomo o raio é refletido num ângulo 2θ (téta) num anteparo que pode ser inclusive um negativo de filme fotográfico. Através da equação 10.1, conhecida como Lei de Bragg, pode-se determinar a distância entre os planos de átomos "d". λ = 2 . d . sen θ

10.1

Cada elemento químico então possui um dado “d”. Bombardeando uma peça com um feixe de raios-X onde força-se a variação de θ (girando a peça, por exemplo), podemos realizar a identifcação dos elementos químicos que compõem esta peça. Ainda, como já foi dito pode-se avaliar tensões residuais ocasionadas por tratamentos térmicos, soldas, conformação plástica, usinagem, etc. E seguindo o mesmo esquema das "chapas" de raio-x obtidas para fins medicinais, ou seja, a partir da diferença entre a intensidade do raio-x incidente e que atravessou a peça, a presença de trincas, vazios, falhas em sistemas de lacração metálica, falhas na solda, etc. Outro aspecto importante do teste de raio-x é a seguraça do operador. Quando é necessário a radiografia de um osso humano para avaliar uma fratura, por exemplo, se observa que o operador do equipamento vai ligá-lo atrás de uma placa metálica, no caso chumbo. A radiação a que o paciente se expõe é somente perigosa quando repetitiva, o que acontece com o operador se este não tomar as precauções. A placa é opaca ao raio-x, não deixando que ele a atravesse. Na radiografia industrial a segurança deve ser maior ainda, pois a intensidade dos raios-x para os testes típicos é cerca de 10 vezes superior. EXERCÍCIO - Foi observada reflexão a 6,45o em relação à superfície de uma amostra atingida por um feixe de raio X de comprimento de onda 0,58A (1A = 10-10m). Qual a distância entre os planos de átomos da amostra?


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11 - ULTRA-SOM Na medicina, o ultra-som é utilizado quando se deseja observar o funcionamento de órgãos. O ultra-som é então refletido em tempos variados por cada pedaço do mesmo órgão e por formas variadas de um órgão para outro, permitindo a visualização por contraste de útero, ovário, trompas, próstata, etc., que tem constituição, tamanho e formato diferentes, respondendo diferentemente à varredura ultrasônica. O som audível para os seres humanos é uma onda que varia de 20Hz a 20 kHz de frequência, enquanto o ultra-som varia de 100 kHz até 20 MHz (a frequência modulada das FMs por exemplo é de centenas de MHz). Na indústria metalúrgica o ultra-som é muito uitlizado na busca por defeitos internos de uma peça (trincas e principalmente descontinuidades), na medida em que não a destrói. O esquema da figura 11.1 ilustra o funcionamento. Por cálculos semelhantes pode se mensurar a exata espessura de materiais sólidos. Uma fonte de ultra som o emite na face superior da peça e, quando da ausência de defeitos, chega à face inferior e é refletida de volta. No caso do encontro de algum defeito, a onda é refletida antes e pelo tempo de volta pode-se calcular o local exato do defeito. Com outras varreduras pode se estabelecer o tamanho do defeito, como uma bolha advinda de fusão irregular, e avaliar seu impacto sobre a peça como um todo.

Defeito

Figura 11.1 - Esquema do teste de Ultra-som


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12 - LÍQUIDOS PENETRANTES A procura por defeitos também é o motivo do ensaio de líquidos penetrantes. Enquanto o ensaio de ultra-som pode nos dar a exata indicação da localização de um defeito interno, se a peça a ser fabricada exige somente ótimas características superficiais o ensaio de líquidos penetrantes é mais recomendado por não exigir instrumentação tão cara quanto o ultra-som. Este ensaio foi desenvolvido a partir do método do "óleo e giz", criado pela indústria ferroviária nascente, carente de métodos de inspeção de defeitos. Hoje em dia, a indústria que mais se utiliza do ensaio de líquidos penetrantes é a indústria aeronáutica. Na realidade, dificilmente é um líquido só e sim uma mistura de vários, que tenham a propriedade de penetrar um trincas, poros, dobras e outros defeitos que sejam invisíveis a olho nu. Tal determinação é importante uma vez que defeitos convenientemente tensionados tem condições de se propagar levando o material à falha. Normalmente a esses líqudos são acrescidos de um corante vermelho para facilitar a localização. Após um tempo de imersão da peça no líquido, é retirado o excesso de líquido e pressionada a peça contra um borrão, normalmente com talco branco: o tamanho e a localização do defeito são então revelados e analisados. Apesar da facilidade que se nota na realização deste ensaio, o teste apresenta uma série de limitações: a peça tem que estar lisa e livre de pintura, óleo, graxa, etc (que podem igualmente penetrar nos defeitos) e não tem condições de detetar defeitos além da superfície.


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