Ensaio de Tracção – Provete Metálico

Departamento de Engenharia Mecânica
Área Científica de Mecânica dos Meios Sólidos
Materiais / Materiais I
Guia para Trabalho Laboratorial
ENSAIO DE TRACÇÃO – PROVETE METÁLICO
1. Introdução
O conhecimento das propriedades mecânicas dos materiais é essencial para a sua selecção e
aplicação nos vários domínios de Engenharia, já que permite caracterizar o comportamento de um
dado material quando submetido a esforços de natureza mecânica1. Dada a facilidade de execução e
a reprodutibilidade dos resultados obtidos, o ensaio de tracção é o ensaio mecânico mais utilizado1.
As condições de realização do ensaio de tracção de metais à temperatura ambiente, bem como a
geometria e dimensões dos provetes, encontram-se descritas na Norma NP EN 10 002-12.
O ensaio de tracção consiste na solicitação de um provete normalizado do material em estudo na sua
direcção axial, com velocidade de deformação constante, até à fractura. O provete é fixado à máquina
de tracção através de dispositivos apropriados (amarras). A força uniaxial crescente é imposta e
medida através de células de carga. A aplicação da força provoca uma deformação progressiva do
provete na direcção da solicitação, que pode ser registada em contínuo através de extensómetros. É
de referir que é importante manter a axialidade da força aplicada durante o ensaio, de modo a
garantir uma distribuição uniforme de tensões na secção transversal do provete.
A monitorização do sinal da célula de carga e do extensómetro permite obter uma curva da
deformação em função da força aplicada, F (curva força-deformação). A partir destas medidas pode
ser traçada uma curva tensão nominal-extensão nominal. A tensão nominal Ra é a tensão média
no provete, e obtém-se dividindo a força F pela área inicial da secção transversal do provete, S0:
R = F / S0
[N/m2 = Pa]
A extensão nominal é a percentagem de deformação sofrida pelo provete e obtém-se dividindo a
deformação do provete pelo seu comprimento inicial. A curva tensão nominal-extensão nominal
representa, portanto, a resposta do material da amostra à solicitação sofrida. Como tal, cada material
tem uma curva de tracção única, que o caracteriza. Uma vez que tanto a tensão nominal como a
extensão nominal se obtêm dividindo a força e o deslocamento por factores constantes, a curva força-
a
Embora correntemente se utilize o símbolo σ para designar a tensão, R é o símbolo indicado pela Norma EN
10 002-1e deve, portanto, ser preferencialmente utilizado.
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deformação e a curva tensão nominal-extensão nominal têm a mesma forma1,3. A forma destas
curvas depende do material em estudo (nomeadamente da sua composição, estado de deformação e
tratamentos térmicos sofridos) e das condições de ensaio (velocidade, temperatura e estado de
tensão impostos). Os parâmetros mais utilizados para descrever a curva tensão-extensão de um
material são:
-
Tensão de rotura à tracção (Rm): corresponde ao máximo da curva e é dada pela razão
entre a força máxima (Fm) e a área inicial da secção transversal (S0):
Rm = Fm / So
-
Tensão de cedência: tensão correspondente ao início da deformação plástica do material.
Podem distinguir-se os seguintes os seguintes valores:
-
Tensão de cedência superior (ReH): tensão correspondente ao valor da força no
instante em que se observa a primeira diminuição da força.
-
Tensão de cedência inferior (ReL): tensão correspondente ao menor valor da força
durante a cedência.
-
Tensão limite convencional de proporcionalidade. Uma vez que para a maioria dos
metais e ligas se observa uma transição gradual do comportamento elástico para o
comportamento plástico, é difícil definir com exactidão o ponto da curva em que em que a
deformação permanente tem início. Assim, determina-se habitualmente a tensão
correspondente à intersecção da curva com uma recta paralela à parte elástica, com
início a uma percentagem de deformação plástica especificada (geralmente 0.2%):
Rp0.2 = F0.2 /A0
- Extensão após fractura (A)b:
A = (Lu -L0)/L0*100
[%]
onde Lu é o comprimento após fractura e L0 é o comprimento inicial entre referências (comprimento de
prova).
- Coeficiente de estricção (Z)c: variação da área da secção transversal após fractura:
q = 100 * ( S0 – Su) / S0
b
c
[%]
Embora correntemente se utilize o símbolo ε para designar a extensão, A é o símbolo indicado pela Norma NP
EN 10 002-1 e deve, portanto, ser preferencialmente utilizado.
Embora correntemente se utilize o símbolo q para designar o coeficiente de estricção, Z é o símbolo indicado
pela Norma NP EN 10 002-1 e deve, portanto, ser preferencialmente utilizado.
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A tensão de cedência e a resistência à tracção são indicadoras da resistência do material, enquanto a
extensão após fractura e o coeficiente de estricção são medidas da sua ductilidade.
A curva nominal não fornece uma indicação real das características de deformação do metal, uma
vez que se baseia nas dimensões iniciais do provete e estas variam continuamente durante o ensaio.
As tensões médias baseadas na secção inicial do provete não traduz com rigor o estado de tensão
instalado na secção do provete sendo, em geral, inferiores às tensões reais baseadas na secção
instantânea. Se a tensão e a extensão forem determinadas a partir das dimensões da amostra em
cada instante, obtém-se uma curva tensão real-extensão real.
2. Procedimento Experimental
2.1. Objectivo
Realização de um ensaio de tracção e obtenção da curva de tracção nominal-extensão nominal de
um aço macio. Determinação de propriedades mecânicas do aço a partir da curva obtida. Estudo do
comportamento à tracção do material ensaiado, relacionando-o com o mecanismo de deformação do
material a nível atómico. Compreensão dos conceitos de resistência à tracção, tensão de cedência,
percentagem de deformação à fractura e percentagem de redução de área à fractura.
2.2. Equipamento e Material
-
Máquina universal de ensaios mecânicos INSTRON 1186.
-
Provete de tracção do aço ST37 com geometria cilíndrica normalizada. A composição do aço
é indicada na Tabela 1.
Tabela 1. Composição química do aço ST37.
Elemento de liga
%
C
< 0,17
P
0,04
S
0,04
N
0,009
2.3. Método experimental
Marque o comprimento de prova no provete, de acordo com a norma NP EN 10 002-1. O ensaio deve
ser efectuado de acordo com as instruções do equipamento.
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3. Questionário
Depois de terminado o ensaio, remova o provete fracturado das amarras, observe a superfície de
fractura resultante e realize as medições previstas na norma NP EN 10 002-1 (comprimento final do
provete, o comprimento entre referências e o diâmetro na zona de fractura). Responda às seguintes
questões:
1. Descreva a superfície de fractura e identifique o tipo de fractura observada.
2. A partir do ficheiro Excel com os dados do ensaio, construa a curva de tracção nominal.
3. Na curva nominal indique as zonas de deformação elástica e de deformação plástica, o ponto
de cedência, o ponto de estricção, o ponto de rotura e o ponto de fractura.
4. Qual a diferença entre o comportamento do material na zona elástica e na zona plástica do
ponto de vista macroscópico e do ponto de vista microscópico?
5. Determine os seguintes parâmetros: tensão de cedência, força máxima, tensão de rotura
(resistência à tracção), extensão total na rotura e coeficiente de estricção.
6. Se o ensaio fosse interrompido após o provete ter sofrido deformação plástica e esse mesmo
provete fosse novamente ensaiado, o que esperaria que acontecesse?
7. Que parâmetros deveriam ter sido medidos de forma a ser construída a curva de tracção
real? Que diferenças esperaria encontrar na forma das curvas?
8. Mencione as desvantagens de não ser utilizado extensómetro durante o ensaio.
4. Bibliografia
1. LIMA, A. V., CASTRO, A. G. – Ensaios e propriedades dos materiais. In Ciência e Tecnologia
dos Materiais. Gondomar: Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, 1988.
2. Norma Portuguesa NP EN 10 002-1 – Materiais Metálicos. Ensaio de Tracção, Parte 1:
Método de Ensaio à Temperatura Ambiente. Lisboa: Instituto Português da Qualidade, 1990.
3. DIETER, G. E. – Mechanical Metallurgy. London: McGraw-Hill, 1988.
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