Influência da temperatura e da velocidade de deslocamento no

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Centro de Desenvolvimento de Materiais Metálicos - CDMatM
Av. Humberto de Alencar Castelo Branco, 3972 – sala K5-09
São Bernardo do Campo – SP – Brasil – 09850-901
tel: +55 11 43532900 ext. 2173 - fax: +55 11 41095994
Projeto de Pesquisa
EFEITO DA TEMPERATURA E VELOCIDADE DE
DESLOCAMENTO NO ENSAIO DE COMPRESSÃO DE
ALUMÍNIO DE PUREZA COMERCIAL
#
Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Magnabosco
Candidata: Nathalia Correia Lopes, n° FEI 11.106.959-7
Início: maio de 2008
Provável conclusão: abril de 2009
Departamento de Engenharia Mecânica
Centro Universitário da FEI
Fundação Educacional Inaciana Pe. Saboia de Medeiros
#
Engenheiro metalurgista – EPUSP – 1993.
Mestre em engenharia – EPUSP – 1996.
Doutor em engenharia – EPUSP – 2001.
Professor do Departamento de Engenharia Mecânica da FEI, [email protected]
1
i. e x e
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RESUMO DO PROJETO
O objetivo geral do presente trabalho é determinar o comportamento mecânico de alumínio comercial
através de ensaios de compressão de cilindro. Como objetivos específicos, pretende-se: i) comparar
os ensaios de tração e compressão como métodos para a determinação do comportamento
mecânico; ii) desenvolver os métodos de ensaio de compressão a temperatura ambiente, a
temperaturas sub zero e a temperaturas superiores à ambiente e iii) investigar a influência da
temperatura de ensaio e da velocidade de deslocamento na determinação do comportamento
mecânico de alumínio comercial em ensaio de compressão. Para tal, inicialmente serão conduzidos
ensaios de tração e compressão à temperatura ambiente com velocidade de deslocamento de
1mm/min, para comparação das curvas tensão-deformação verdadeiras obtidas pelos dois métodos.
Na seqüência, ensaios de compressão serão conduzidos a -70°C, 25°C, 100°C, 300°C e 500°C a
quatro diferentes velocidades de deslocamento (1, 5, 10 e 30 mm/min), para a investigação da
influência da temperatura de ensaio e da velocidade de deslocamento na determinação do
comportamento mecânico.
Palavras-chave:
1.
Ensaios mecânicos
2.
Ensaios de compressão
3.
Comportamento mecânico
2
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I. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
I.1. Comportamento monotônico a tração
Para descrever o comportamento mecânico de um material sob a ação de uma força de tração,
independentemente da geometria, deve-se utilizar o conceito de tensão (S) e deformação (e). A
tensão (S) aplicada sob um material indica que a força (F) necessária para provocar uma mudança de
forma (por exemplo, um incremento de comprimento ∆L) é diretamente proporcional à área da seção
transversal à aplicação da força (Ao) deste sólido mecanicamente solicitado; matematicamente, a
definição de tensão é dada na equação 1. Já a deformação (e) é definida como o deslocamento
provocado pela aplicação da força por unidade de comprimento de material solicitado, como mostra a
equação 2.
S=
F
Ao
e=
(1)
∆L
Lo
(2)
Tensão e deformação como descritas nas equações 1 e 2 são chamadas de convencionais, uma vez
que para o seu cálculo convenciona-se o uso da área da seção transversal a direção de solicitação
(Ao) e de um comprimento inicial de referência (Lo). Implícito a esta convenção há o erro de não
considerar a redução de área de seção transversal à direção da solicitação para compensar o
aumento de comprimento, além de não considerar que o comprimento inicial de referência pode variar
ao longo do tempo, numa seqüência de solicitações. Todavia, as definições de tensão e deformação
convencionais são de extrema utilidade prática na engenharia. Os problemas advindos das
convenções adotadas são corrigidos com as definições de tensão e deformação verdadeiras,
indicadas nas equações 3 e 4, onde A e L representam respectivamente a área e o comprimento no
instante da aplicação da força F:
σ =
F
A
ε = ln
(3)
L
Lo
(4)
Assumindo-se volume constante, pode-se ainda reescrever as equações 2 e 4 considerando a
variação de área transversal à aplicação da força,
e=
Ao
−1
A
ε = ln
(5)
Ao
A
(6)
Supondo agora que além da premissa de volume constante respeite-se o fenômeno de deformação
uniforme (ou seja, todo o material sujeito à força F de tração alonga-se do mesmo modo em todo o
seu comprimento), é possível deduzir as equações 7 e 8 que relacionam as tensões e deformações
convencionais e verdadeiras:
σ = S.(e + 1)
(7)
ε = ln(e + 1)
(8)
Para materiais metálicos a curva tensão-deformação convencional obtida num ensaio monotônico de
[1]
tração (cuja principal norma para execução em materiais metálicos é a ASTM E 8M-04 ) pode ser
dividida em três regiões onde eventos distintos de deformação ocorrem. Indicadas na Figura 1 são
elas:
1. Região de deformação elástica, ou seja, a aplicação de uma solicitação mecânica gera
deformação que deixa de existir quando a solicitação é retirada, retornando o material às suas
dimensões originais. Nos materiais metálicos, a variação de tensão em função da deformação
correspondente é linear.
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2. Região de deformação plástica uniforme, onde o material sofre mudança permanente de
forma devido à solicitação imposta. Contudo, a deformação se dá igualmente em qualquer
região do material (num ensaio de tração, o alongamento e a decorrente redução de seção
transversal ocorrem uniformemente em toda a extensão do corpo-de-prova).
3. Região de deformação plástica não-uniforme, resultante da concentração da deformação
plástica numa única região do corpo-de-prova. O alongamento do material, aqui, ocorre
devido à deformação localizada. Se utilizados os conceitos de tensão e deformação
verdadeiros, não se nota a queda nos valores de tensão, pois será utilizada a área da menor
seção transversal no instante da aplicação da força.
Figura 1: curva tensão-deformação típica de material metálico, destacando-se as regiões de
deformação elástica (1), plástica uniforme (2) e plástica não-uniforme (3).
A partir da curva tensão-deformação, o comportamento mecânico de um material metálico pode ser
definido, e cinco são as propriedades mecânicas básicas que o caracterizam: rigidez, resistência,
[2]
ductilidade, resiliência e tenacidade .
Sabendo que quando um metal é carregado monotonicamente podem ocorrer basicamente
deformações do tipo elástica e plástica, é possível caracterizar o comportamento monotônico a tração
[2]
de um material metálico utilizando a relação de Ramberg-Osgood, mostrada na Eq. 9 :
ε = εe + ε p =
σ
E
+
σ
H
1
n
(9)
onde ε é a deformação verdadeira total imposta, εe e εp são respectivamente as parcelas elástica e
plástica da deformação verdadeira total, σ é a tensão normal verdadeira aplicada, E é o módulo de
elasticidade ou de Young, H é o coeficiente de resistência e n é o expoente de encruamento do
material.
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I.2. Ensaio de compressão de cilindro
[3]
A norma ASTM E09-89 rege os ensaios de compressão de materiais metálicos. Usualmente, um
cilindro cuja razão entre altura (ho) e diâmetro (Do) iniciais é inferior a 2 (para evitar flambagem) é
submetido a força de compressão (Fc) como mostra a Figura 2. Na presença de atrito, o cilindro tende
a assumir a forma de um barril (Figura 2 [b]), e o estado de tensões passa a não ser puramente de
compressão. Por este motivo, utilizam-se nos ensaios de compressão de alguns artifícios para reduzir
o atrito, conduzindo a geometrias próximas da ideal após a aplicação de uma força de compressão Fc,
[4]
como as da Figura 2(c). Entre estas medidas de redução de atrito, destacam-se :
– As superfícies das placas de compressão devem ser retificadas.
– Deve-se usar lubrificante adequado para a condição de ensaio (na deformação a frio usam-se
lâminas de PTFE, lubrificantes a base de graxas, sabões, óleos ou grafite; na deformação a
quente de aços, pode-se usar vidro fundido).
– O topo e a base do cilindro devem conter ranhuras para retenção do lubrificante durante a
compressão.
– O teste deve ser conduzido em incrementos de deformação, para que o lubrificante possa ser
reposto entre as placas e o cilindro.
(a)
(b)
(c)
Figura 2: (a) montagem típica de um ensaio de compressão de cilindro; (b) compressão na presença
de atrito entre cilindro e placa, levando a barrilamento; (c) compressão ideal em condição de atrito
nulo.
O comportamento mecânico de metais a compressão é muito semelhante ao comportamento a
tração, sendo por isso os materiais metálicos chamados de balanceados. No entanto, não ocorre no
ensaio de compressão a deformação plástica não uniforme característica do ensaio de tração,
atingida na máxima tensão registrada no ensaio (também chamada de limite de resistência), seguida
da redução de seção, e muitas vezes os ensaios de compressão de metais dúcteis são interrompidos
[5]
quando a força necessária aproxima-se da máxima possível de ser atingida pela máquina de ensaio .
Para materiais frágeis, todavia, pode ocorrer fratura inclinada com relação ao eixo de carregamento,
associada a tensões de cisalhamento.
A comparação entre ensaios de tração e compressão fica facilitada se forem utilizados os conceitos
de tensão e deformação verdadeiras em módulo, assumindo-se que o volume durante a deformação
permaneça constante. Assim, é possível escrever as equações 10 e 11, que definem as tensões e
deformações verdadeiras num ensaio de compressão:
5
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σc =
4.Fc .h
π .Do2 .ho
(10)
ε c = ln
ho
h
(11)
Outros fatores que influenciam o comportamento mecânico de um material metálico sujeito a esforços
de tração ou compressão são a temperatura (que aumentada pode levar a diminuição da força
necessária para a deformação por permitir processos de recuperação e recristalização da
microestrutura, reduzindo a densidade de discordâncias) e a taxa de deformação (que aumentada
leva a aumento da força necessária para a deformação por dificultar o movimento de discordâncias), e
[4]
é descrita pela equação 12 :
ε=
dε 1 dh v d
= .
=
dt h dt
h
(12)
onde vd é a velocidade de deslocamento imposta durante o ensaio. Nota-se que a taxa de deformação
é diretamente dependente da velocidade de deslocamento, e que, para manter a taxa de deformação
constante num ensaio de compressão, a velocidade de deslocamento deve ser constantemente
reduzida.
II. PROJETO DE PESQUISA
II.1. Objetivos
O objetivo geral do presente trabalho é determinar o comportamento mecânico de alumínio comercial
através de ensaios de compressão de cilindro. Como objetivos específicos, pretende-se: i) comparar
os ensaios de tração e compressão como métodos para a determinação do comportamento
mecânico; ii) desenvolver os métodos de ensaio de compressão a temperatura ambiente, a
temperaturas sub zero e a temperaturas superiores à ambiente e iii) investigar a influência da
temperatura de ensaio e da velocidade de deslocamento na determinação do comportamento
mecânico de alumínio comercial em ensaio de compressão.
II.2. Materiais e métodos
II.2.1. Recursos humanos e materiais
Além da dedicação do professor-proponente como orientador (que trabalha em regime de tempo
integral nesta Instituição), será necessária uma bolsa de iniciação científica, pelo período de um ano,
para aluna pré-selecionado.
Barra de ¼” de diâmetro e 3 m de comprimento de alumínio comercial foi adquirida pelo Centro de
Desenvolvimento de Materiais Metálicos (CDMatM) para a confecção de corpos-de-prova de tração e
de compressão, que serão usinados no Centro de Laboratórios Mecânicos (CLM) de acordo com os
desenhos da Figura 3.
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(a)
(b)
Figura 3: (a) corpo-de-prova para ensaios de tração; (b) corpo-de-prova para ensaios de compressão.
II.2.2. Métodos
Inicialmente serão conduzidos ensaios de tração e compressão à temperatura ambiente com
velocidade de deslocamento de 1mm/min, para comparação das curvas tensão-deformação
verdadeiras obtidas pelos dois métodos. Na seqüência, ensaios de compressão serão conduzidos a
-70°C, 25°C, 100°C, 300°C e 500°C a quatro diferentes velocidades de deslocamento (1, 5, 10 e 30
mm/min), para a investigação da influência da temperatura de ensaio e da velocidade de
deslocamento na determinação do comportamento mecânico. Todos os ensaios mecânicos serão
conduzidos na máquina universal de ensaios MTS do CDMatM, que conta com forno para
aquecimento das amostras até 1400°C, e dispositivo para condução de ensaios a -70° sob banho de
álcool etílico absoluto e gelo seco. Serão realizados 3 ensaios por condição, e será avaliada a
variação da taxa de deformação em função da altura e deformação impostas ao corpo-de-prova, em
cada ensaio de velocidade de deslocamento constante.
II.3. Plano de trabalho e cronograma
Para cumprir as metas anteriormente propostas, o trabalho será dividido conforme descreve o
cronograma mostrado na Tabela 1.
Tabela 1: cronograma global de atividades do projeto.
Atividade
Revisão bibliográfica
Usinagem dos corpos-de-prova
Ensaios de tração e compressão a 25°C
Ensaios de compressão a -70°C
Ensaios de compressão entre 100 e 500°C
1
2
3
4
5
meses
6 7
8
9
10 11 12
Análise dos resultados
Elaboração de relatório parcial
Elaboração do relatório final
7
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. ASTM E 8M-04, Standard test methods for tension testing of metallic materials [Metric]. ASTM –
American Society for Testing and Materials, Philadelphia, USA, 2004, Committee E-28, p. 1-24.
2. DOWLING, N. E., “Mechanical behaviour of materials”, Prentice Hall, New Jersey, USA, 2. ed.,
1999, p. 108-135.
3. ASTM E09-89, Standard test methods of compression testing of metallic materials at room
temperature. ASTM – American Society for Testing and Materials, Philadelphia, USA, 2000,
Committee E-28, p. 1-9.
4. DIETER, G. E., “Mechanical Metallurgy”, McGraw Hill, London, Eng, SI Ed., 1988, p. 519-532.
5. DOWLING, N. E., “Mechanical behaviour of materials”, Prentice Hall, New Jersey, USA, 2. ed.,
1999, p. 136-139.
8