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Universidade de São PauloEscola de Engenharia de São Carlos

Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e Automobilística

Ensaios dosEnsaios Mecânicos dosEnsaios Mecânicos dos

u o ob s ca

Ensaios dos Materiais

Ensaios Mecânicos dos Ensaios Mecânicos dos MateriaisMateriais –– Flexão, Fluência eFlexão, Fluência eMateriaisMateriais Materiais Flexão, Fluência e Flexão, Fluência e

FadigaFadigaSMM0342- Introdução aos Ensaios Mecânicos dos Materiais

1Prof. Dr. Cassius O. F. Terra Ruchert

Classificação dos ensaios mecânicos

2

Ensaio de FlexãoEnsaio de FlexãoO Ensaio de flexãoO Ensaio de flexãoconsiste na aplicação deuma carga crescente emdeterminados pontos dedeterminados pontos deuma barra

Mede-se o valor da cargaversus a deformação

á imáxima

E istem dois tiposExistem dois tiposprincipais de Ensaios:Ensaio de flexão em trêspontos e Ensaio de flexãoem quatro pontos 3

Grande aplicação para materiais frágeis ou de elevada dureza, comop ç p g ,o caso de FoFo, aços ferramentas, aços rápidos, e cerâmicasestruturais, pois estes materiais, devido a baixa dutilidade nãopermitem ou dificultam a utilização de outros tipos de ensaiospermitem ou dificultam a utilização de outros tipos de ensaiosmecânicos.

Materiais Dúteis estes ensaios não são utilizados, mas existem duasvariantes que são os ensaios de dobramento e de tenacidade àfratura, CTOD.,

Critérios do CP:

Recomenda-se a forma retangular.A relação comprimento/espessura não deve ser inferior a 15.A relação largura/espessura não deve ser superior a 10.Mí i d 6 CP d t i l i d

4

Mínimo de 6 CPs, para cada material ensaiado

Ensaio de FlexãoAsAs principaisprincipais propriedadespropriedadesbtidbtid E iE i ddobtidasobtidas emem umum EnsaioEnsaio dede

FlexãoFlexão sãosão::

Módulo de ruptura na flexãoMódulo de elasticidadeMódulo de resiliênciaMódulo de tenacidade

É um ensaio muito utilizadoem cerâmicas, polímeros emetais duros, pois fornecedados de deformaçãodados de deformaçãoquando sujeitos a cargas deflexão 5

Diagrama de Esforços (Flexão)

3 pontos

6

3 pontos4 pontos

Ensaio 3 Pontos

A curva resposta do ensaiodepende fortemente dageometria da seçãotransversal do CP.

Durante o ensaio ocorremesforços normais eesforços normais etangenciais na seçãotransversal do CP, gerando

li d d dum complicado estado detensões no seu interior.

7

Ensaio Flexão 3 Pontos (Distribuição Tensão)

As fibras superiores comprimida e inferiores tracionadas.A Tensão é proporcional a dist. da linha neutra. Da resistência dos materiais:

yM f=σ8

yI z

=σ

O deslocamento de qualquer ponto na barra submetida a flexãosimples (3 pontos) é dada por:

⎟⎞

⎜⎛ 32 xlP lP 3

⎟⎟

⎠⎜⎜

⎝−=

344xl

Iv xEP

zx I

lvzE

P48max

=

Para o caso de seção circular

Dl

E

Pv 4

3

3

4=

DE3π

Para o caso de seção retangular:

hlP

v 3

3

=

9

hEw 34

A medida das flexas permite obtenção de curvas tensão-deformação

10

Por meio do ensaio de Flexão é possível obter importantesinformações a respeito do material quando submetidos a esforços deinformações a respeito do material quando submetidos a esforços deflexão.Módulo de Ruptura, σfu, ou resistência ao dobramento é o valormáximo da tensão de tração nas fibras externas do CP

DP l

fu 3max8

πσ =

hPw

lfu 2

max

2

3=σSeção circular Seção retangular

hMódulo de Elasticidade, E:

PE l

3

3

= Flexão 3 pontos( )Pa

E al3

22 43 −= Flexão 4 pontos

vwE

h34 vwE

h34

11Materiais Metálicos: Norma ASTM E855 - 90

Módulo de Resiliência, Urf, é determinado em função da tensãoaplicada e das dimensões do CP, no regime elástico

IU p

2σUrf = resiliência em flexão, Nm/m3

σp = limite de proporcionalidade, N/m2

I = momento de inérica m4

SEcU prf 26= I = momento de inérica, m4

C = dist. Inicial do eixo da barra a fibra externa, mS = área (m2)

Módulo de Tenacidade U é dada pela área total do gráficoMódulo de Tenacidade, Urf, é dada pela área total do gráfico.

Utf = tenacidade em flexão, Nm/m3

Sl

yPU f

tf 3

2 max=

Utf tenacidade em flexão, Nm/mPmax = carga máxima, Nyf = flexa máxima, ml = comprimento do CP, mS á ( 2)

12

Sl3 S = área (m2)

Ensaio Flexão Polímeros (ASTM D790 e ISO 178)

D=rL2/6dh

D=rL2/6d d=h (CP deitado e h>1,6 mm)D= deflexão no ponto médio entre os apoios;r= deformação máxima na superfície oposta

ao carregamento (ex. 0,05 mm/mm =5%);Procedimento A:Aplicado em materiais queao carregamento (ex. 0,05 mm/mm 5%);

L= distância entre apoios;d= profundidade dos Cps.

L/d = 16:1 (distancia entre apoios/prof CP)

rompem em deflexões pequenas(rígidos e semi-rígidos)

Procedimento B:

1313

L/d = 16:1 (distancia entre apoios/prof. CP)

Término do ensaio: Ruptura ou deformaçãomáxima de 5%

Aplicado em materiais quesuportam grandes deflexõesdurante o ensaio.

Dimensões do CP para Ensaio de Flexão (ASTM D790)

ComprimentoComprimento

Largura

CP padrão Moldado CP Retirado Chapa

Espessura

l = 127 mm;b = 12,7±0,2 mm;

3 2 0 2

h>1,6 mmh<1,6 mml = 50,8 mm;

CP padrão Moldado CP Retirado Chapa

L/d=16:1;d = 3,2±0,2 mm;L/d=16:1.

b = 12,7 mm;L=25,4 mm.

P ó it l d i tê i ã L/d

;b=<1/4L;l>10%L.

Para compósitos com elevada resistência a razão L/ddeve ser ajustada para que a falha ocorra na superfícieoposta ao carregamento (L/d=32:1) ou (L/d=40:1)

V l id d d E iVelocidade de Ensaio:R – velocidade do travessãoL – distância entre apoios;

Procedimento AZ=0,01 mm/mm/min

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R=ZL2/6d (mm/min)

d = profundidade do CPZ = Taxa de deformação na superfície

oposta ao carregamento

Procedimento BZ=0,10 mm/mm/min

Principais Parâmetros Obtidos no Ensaio Flexão 3 pontos

σf = 3PL/2bd21)

σf = tensão de flexão na superfície oposta aocarregamento (MPa);

P = carga em Newtons;

)

g ;L = distância entre apoios;b = largura do CP em mm;d = profundidade (esp.) do CP em mm.

σfM = máxima tensão sob flexão no ensaio (pontos A, B e D)

2)

Caso o CP não rompa até 5% adotar o P de 5%de deformação

σfb = tensão de flexão na ruptura (pontos A e C) 3)4) εfr (deformação sob flexão): variação percentual no incremento do comprimento de um l t d fí i t t d d f ã á i i áelemento da superfície oposto ao carregamento, onde a deformação máxima irá ocorrer.

Calculado para qualquer deflexão (εf=6Dd/L2)

5) Ef = (módulo de elasticidade secante ou tangente): razão dentro do limite de elasticidadef f ( 3 / 3)

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entre a tensão de flexão e a deformação correspondente (Ef=L3m/4bd3).Modulo tangente (m – inclinação da tangente da curva)Módulo secante (m – inclinação da secante da curva)

Ensaio de FluênciaDefiniçãoDefinição FluênciaFluência:: fenômeno de deformação plástica acumulada comDefiniçãoDefinição FluênciaFluência:: fenômeno de deformação plástica acumulada como tempo que um sólido apresenta, sob o efeito constante da tensão etemperatura.

O ensaio de fluência consiste naaplicação de uma carga constantep ç gem um material durante um períodode tempo, em temperaturaselevadas;elevadas;Essas condições são favoráveis amudanças de comportamento dos

t i i d id à dif ã dmateriais devido à difusão dosátomos, movimento dediscordâncias, escorregamento erecristalização;Fenômeno ocorre em T>0,4Tf(acima de 0,4 da temp. absoluta de(acima de 0,4 da temp. absoluta defusão).

16

Ensaio de FluênciaNo ensaio de fluência pode-se obter apenas o tempo deruptura total (ensaio(ensaio dedeup u a o a (e sa o(e sa o dederupturaruptura porpor fluência)fluência)..

N l t i dNormalmente no ensaio defluência são medidas asdeformaçõesdeformações que ocorrem

CP f ã d ttno CP em função do tempotempo(ensaio(ensaio dede fluência)fluência)..

Entre os materiaisensaiados em fluência pode-se citar os empregados emse citar os empregados eminstalações de refinariaspetroquímicas, usinasnucleares indústrianucleares, indústriaaeroespacial, turbinas,forno craqueamento etc.. 17

Ensaio de FluênciaO ensaio de fluência pode ser dividido O ensaio de fluência pode ser dividido

em três estágios:em três estágios:

PrimárioPrimário:: decréscimo contínuo dataxa de fluência (dε/dt) em função do( ) çaumento de resistência devido aoencruamento

SecundárioSecundário:: taxa de fluênciaconstante, função do equilíbrio entreencruamento e recuperação (devidoencruamento e recuperação (devidotemp.). O parâmetro mais importante(taxa mínima de fluência) consistena inclinação da curva nesse estágiona inclinação da curva nesse estágio

TerciárioTerciário:: aceleração da taxa defluência devido a estricção do CPfluência devido a estricção do CPculminando na ruptura devido àformação e propagação de trincas 18

Ensaio de Fadiga

Os materiais metálicos, quando submetidos a esforçosOs materiais metálicos, quando submetidos a esforçoscíclicos rompem-se a tensões inferiores àquelasdeterminadas nos ensaios de tração e compressão. Aruptura que ocorre é denominada ruptura por fadigaruptura que ocorre é denominada ruptura por fadiga

O ensaio de fadiga consiste na aplicação de carga cíclicaO ensaio de fadiga consiste na aplicação de carga cíclicaem corpo de prova padronizado

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Tensões CíclicasEmEm geralgeral sãosão possíveispossíveis trêstrêsmodalidadesmodalidades diferentesdiferentes dede tensãotensãomodalidadesmodalidades diferentesdiferentes dede tensãotensãooscilanteoscilante--tempotempo::

Ciclo de tensões alternadas:dependência regular e senoidalem relação ao tempo, alternandoç p ,entre uma tensão máxima detração e uma tensão mínima decompressão de igual magnitude;compressão de igual magnitude;

Ciclo de tensões repetidas:á ívalores máximos e mínimos são

assimétricos e relação ao nível 0de tensão;

Ciclo de tensões aleatórias. 20

Curva σ-N ou Curva de WöhlerEm geral, a curva σ-N de materiaisferrosos (+ Ti) apresenta um limite deferrosos (+ Ti) apresenta um limite deresistência à fadiga. Para valoresabaixo desse limite o CP nunca irásofrer ruptura por fadigasofrer ruptura por fadigaPara ligas não ferrosas a fadiga écaracterizada pela resistência àffadiga, tensão na qual ocorre rupturapor fadiga após um número de ciclosespecíficos(106 a 108)Vida à fadiga consiste no número deciclos que causará a ruptura emdeterminado nível de tensãoEm função do número de ciclos parahaver ruptura o ensaio pode ser debaixo ciclo (104) ou de alto ciclobaixo ciclo (10 ) ou de alto ciclo(acima desse limite)

21

Curva σ-N ou Curva de WöhlerCurva σ N ou Curva de Wöhler

Resultado de ensaio de fadiga para diferentes materiais22

Diferença entre Limite à Fadiga e Resistência a FadigaLimite de resistência à fadiga (σRf): em certos materiais (aços, titânio,...)abaixo de um determinado limite de tensão abaixo do qual o material nuncasofrerá ruptura por fadiga.

Resistência à fadiga (σf): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá afalha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al,Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por resistência à fadiga

Para os aços o limite de resistência à fadiga (σRf) está entre 35-65% do limite deresistência à tração. 23

Nucleação da TrincaçA ruptura do material por fadiga ocorre devido à formação epropagação de trincas;propagação de trincas;As trincas se iniciam principalmente em defeitos desuperfície,entalhes, inclusões, contornos de grãos, defeitosgde solidificação, pontos de corrosão e pontos que sofremdeformação localizada.

24

Propagação de Trincasp g çA concentração de

ã ( ã )tensão(tração)na pontada trinca favorece odeslizamento deplanos em 45o (A,B eC)Em resposta àEm resposta àdeformação plástica, aponta da trinca torna-se curva (embota)se curva (embota).Na recuperação datensão (ou tensão decompressão) a ponta écompressão) a ponta écomprimida, formandonovamente uma ponta

daguda e o processovolta a se repetir emcada ciclo 25

Características MacroscópicasNucleação

Propagaçãosubcrítica

Propagaçãoinstável

2626Características macroscópicas gerais de uma fratura por fadiga.26

Modo Macroscópico de Propagação de Trinca por FadigaTrinca por Fadiga

NiNi

NpNff

A superfície de uma fratura por fadiga apresenta duas regiõesdi ti tdistintas:Região de propagação estável da trinca (aspecto polido, devido ao atrito das faces da

trinca com possíveis marcas de progressão da trinca;

Corresponde à área de fratura final não tendo ação do atrito (grosseiro, irregular,texturizado) – fratura frágil ou dúctil 27

Bibliografiag

Ciência e Engenharia de Materiais – uma Introdução, Willian D.C ê c a e ge a a de ate a s u a t odução, aCallister, Jr. LTC 5. edição.

The Science and Engineering of Materials, 4th edDonald R. Askeland – Pradeep P. Phulé.Donald R. Askeland Pradeep P. Phulé.

Dieter, G.E. Metalurgia Mecânica 2.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois,1981.

Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Fundamentos teóricos epráticos. 5º. Edição. Sérgio Augusto de Souza

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS ASTM E8M-AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E8M-01A (2001). Standard test methods of tension testing of metallic materials.Metric. Philadelphia.

AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS ASTM E9AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E9-89a00 (2000). Standard Test Methods of Compression Testing of MetallicMaterials at Room Temperature

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OBRIGADO PELA OBRIGADO PELA

ATENÇÃO !!!ATENÇÃO !!!ATENÇÃO !!!ATENÇÃO !!!

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