Caracterização das Propriedades Mecânicas de Materiais Metálicos

XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação - SEPesq
Centro Universitário Ritter dos Reis
Caracterização das Propriedades Mecânicas de Materiais Metálicos: A Influência da
velocidade da máquina sobre a tensão obtida no ensaio de tração 1
Rogério Alves Oliveira2
Uilian Boff3
Jaison Brauner Prestes4
1. Introdução
A caracterização microestrutural e a determinação das propriedades mecânicas de
um material são importantes ferramentas na geração de conhecimento a respeito do
comportamento dos materiais em serviço bem como indicações relevantes das causas
fundamentais de danos ocorridos nestes materiais nas mesmas condições.
O principal objetivo deste projeto é desenvolver procedimentos técnicos aplicáveis
aos laboratórios disponíveis no Uniritter que permitam a caracterização microestrutural de
materiais metálicos com auxílio de microscopia óptica e a determinação de propriedades
mecânicas com o uso de máquinas de ensaio de tração convencionais.
Em todos os projetos de pesquisa que envolvem o uso de materiais metálicos se faz
necessário um conhecimento prévio da sua microestrutura e de suas propriedades
mecânicas. Os programas de análise por elementos finitos, por exemplo, necessitam na
configuração do pré-processamento das informações oriundas dos ensaios de propriedade
mecânicas permitindo que a análise de forma virtual seja feita com base no material
empregado na situação real.
Como parte do escopo deste projeto está em estudo a qualidade do ensaio de tração
como parte da caracterização das propriedades mecânicas dos materiais metálicos através
da influência das velocidades permitidas pelas máquinas de ensaio em consonância com as
recomendações das normas pertinentes e os fenômenos físicos que ocorrem na prática do
processo industrial que envolve a conformação mecânica dos materiais metálicos.
1
Trabalho apresentado no XI COLÓQUIO DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO da XI SEMANA DE
EXTENSÃO, PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO - SEPesq, de 19 a 23 de outubro de 2015 no Centro
Universitário Ritter do Reis em Porto Alegre, RS, Brasil.
2
Prof. Me. Eng. Mecânico, Centro Universitário Ritter dos Reis, [email protected]
3
Prof. Me. Eng. Mecânico, Centro Universitário Ritter dos Reis, [email protected]
4
Bolsista de Iniciação Científica, Centro Universitário Ritter dos Reis, [email protected]
XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação
SEPesq – 19 a 23 de outubro de 2015
XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação - SEPesq
Centro Universitário Ritter dos Reis
2. Metodologia
A caracterização microestrutural e os ensaios de propriedades mecânicas são
ferramentas importantes para o conhecimento do comportamento dos materiais em serviço.
Tanto na caracterização microestrutural como na determinação das propriedades
mecânicas são adotadas normas e procedimentos técnicos com base em normas brasileiras
em consonância com normas de âmbito internacional cujos procedimentos quando seguidos
são aceitos por toda comunidade científica atuante.
O procedimento adotado para obtenção da curva TENSÃO x DEFORMAÇÃO,
representada pelos símbolos “σ” e “ε”, respectivamente, pode seguir normas nacionais
(NBR ISO 6892-1: 2013) ou normas internacionais (ASTM E8/E8M – 15a), conforme critério
do pesquisador. A figura 1 mostra um exemplo de um gráfico obtido em um ensaio de
tração de um material com comportamento dúctil.
Figura 1 – Curva Tensão x Deformação. Fonte: HIBBELER (2004).
Os valores de tensão obtidos ao longo do ensaio são calculados pela expressão σ =
P/S0, onde P = força exercida em N (newtons) pela máquina e a S0 = área inicial do corpo de
prova em mm2, medida antes do início do ensaio. A força P exercida pela máquina é medida
através de uma célula de carga cujo valor é registrado no programa de controle do ensaio.
Adicionalmente, calcula-se também a deformação convencional através da
expressão ε = (L – L0)/L0, onde o valor de L é obtido de forma instantânea através de um
sensor de deslocamento (clip-gage) da máquina. Finalmente após a ruptura do corpo de
prova é possível calcular dois resultados importantes do ensaio de tração, a saber: o
Alongamento dado por AL = (Lf – L0)/L0 e a Redução de Área dado por RA = (A0 – Af)/A0,
medindo Lf e Af na recomposição da amostra fratura.
XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação
SEPesq – 19 a 23 de outubro de 2015
XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação - SEPesq
Centro Universitário Ritter dos Reis
Os valores de Alongamento e Redução de Área nos fornecem informações
importantes sobre o comportamento do material (frágil x dúctil) e são adotados critérios
sobre a deformabilidade dos materiais com base nestes resultados obtidos no ensaio de
tração. Os materiais de comportamento frágil apresentam valores pequenos de
alongamento e redução de área, pois rompem antes de apresentar a estricção típica de
materiais de comportamento dúctil.
Alguns autores apresentam dados importantes que evidenciam a influência da
velocidade de deformação nos valores obtidos de Limite de Escoamento (LE) e Limite de
Resistência (LR). A velocidade de deformação é definida pela expressão = ou de modo
prático com base na velocidade da máquina V em mm/min e o comprimento inicial do corpo
de prova L0 em mm. A figura 2 mostra a influência da variação da velocidade de deformação
na tensão do ensaio de tração para alguns materiais em aço de alta resistência
Figura 2 – Influência da velocidade de deformação. Fonte: HUANG (2011).
Tanto na NBR ISO 6298-1 quanto na ASTM E8/E8M há uma preocupação importante
com respeito à influência da velocidade de ensaio no resultado da tensão obtida, de forma
que os fabricantes de máquinas de ensaio de tração buscaram adequar seu produto às
exigências da norma sem perder a eficiência do mesmo com respeito ao tempo despendido
nos ensaios.
Nestes termos, com efeito, serão realizados ensaios de tração com cinco velocidades
de deslocamento: 5; 10; 100; 200 e 500 mm/min, com as velocidades de 5 mm/min e 200
mm/min sendo respectivamente referentes às faixas 3 e 4 estabelecidos pela NBR ISO
6892-1:2013. Serão preparados e ensaiados cinco corpos de prova em chapas de aço à
definir nas medidas de 250 mm de comprimento e 20 mm de largura seguindo a norma,
para cada velocidade. Os dados serão coletados pelo software do equipamento universal de
ensaios mecânicos da marca EMIC modelo DL10000 com capacidade para 100 kN. Para
avaliar a significância dos valores de tensão obtidos, será utilizada a ferramenta de análise
estatística de teste de significância da diferença entre médias de observações
emparelhadas.
XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação
SEPesq – 19 a 23 de outubro de 2015
XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação - SEPesq
Centro Universitário Ritter dos Reis
3. Resultados e Discussão
Foram realizados ensaios no laboratório, mas com resultados não satisfatórios
devido à variação de espessura das amostras, entretanto com base na literatura pesquisada
com experimentos conduzidos por Lemos et al (2013) existe uma variação significativa na
tensão de escoamento e limite de resistência em velocidades superiores a 100 mm/min em
material SAE 4340.
Neste artigo o autor comenta que “Segundo Kvackaj, este efeito pode ser explicado
devido a um aumento da quantidade de empilhamento de discordâncias que, em altas
velocidades de movimento (relacionadas a altas taxas de deformação), provoca um maior
encruamento” o que explica o significante aumento das tensões a partir de determinada
velocidade de deformação.
Analisando a significância da diferença entre as médias de tensão de escoamento
nas velocidades de 100 e 500 mm/min dos dados apresentados no artigo, conclui-se pela
confirmação da hipótese ao nível de 95% de confidência, permitindo considerar pelos
autores que a influência é um fato concreto.
4. Conclusões
A execução de ensaios contemplando os procedimentos técnicos desenvolvidos e
adequados à estrutura atual dos laboratórios é parte do projeto de Caracterização de
Materiais Metálicos com vista à qualificação dos laboratórios da instituição.
O Uniritter possui equipamentos qualificados e de capacidade suficiente que
permitem atingir a grande gama de ensaios quanto as propriedade mecânicas dos materiais
metálicos, entretanto faz-se necessário a qualificação dos procedimentos de ensaios para
que atendam as normas nacionais e internacionais atualizadas e apresentem a
confiabilidade necessária aos experimentos praticados na instituição.
Quanto aos próximos passos está a realização dos ensaios planejados e a definição
dos procedimentos técnicos específicos do laboratório para a realização confiável dos
ensaios de tração dentro de uma perspectiva de eficiência do uso dos recursos da
instituição.
XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação
SEPesq – 19 a 23 de outubro de 2015
XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação - SEPesq
Centro Universitário Ritter dos Reis
5. Palavras-chave
Propriedades Mecânicas, Materiais Metálicos, Ensaio de Tração.
6. Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio institucional e de recursos do Centro Universitário
Ritter dos Reis (UNIRITTER) e o apoio na forma de bolsas de iniciação científica da
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul (FAPERGS).
Referências bibliográficas
ABNT. ABNT NBR ISO 6892-1:2013 - Materiais metálicos — Ensaio de Tração Parte 1:
Método de ensaio à temperatura ambiente. Rio de Janeiro: ABNT, 2013.
ASTM. E8/E8M – 15a. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials.
Pennsylvania: ASTM, 2015.
GARCIA, A.; SPIM, J. A.; SANTOS, C. A. Ensaios dos materiais. Rio de Janeiro: LTC,
2000.
HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais. 5ª edição. São Paulo: Pearson, 2004.
HUANG G. et all. The Strain Rate Effect on Tensile Properties and Fracture Strain of
Advanced High Strength Steels. In: Materials Science & Technology 2011 Conference and
Exhibition, Columbus, Ohio, USA. Proceedings of Materials Science & Technology
Conference and Exhibition 2011. Columbus: ASM, 2011. p. 841 - 852.
LEMOS, G. et al. O efeito da velocidade de deformação no ensaio de tração em um aço
SAE 4340. In: Congresso Anual da ABM. 68°, 2013, Be lo Horizonte, MG, Brasil. Anais do
Congresso Anual da ABM. Belo Horizonte: ABM, 2013. p. 2141 a 2148.
SOUZA, S. A. Ensaios mecânicos de materiais metálicos: fundamentos teóricos e
práticos. 5ª edição. São Paulo: Blucher, 1982.
XI Semana de Extensão, Pesquisa e Pós-Graduação
SEPesq – 19 a 23 de outubro de 2015