UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

PROFESSOR GILMAR TONIETO

ENSAIO DE TRAÇÃO COM EXTENSÔMETRO

Aço SAE 4140

Trabalho de Ensaio de Tração

Laboratório de Materiais e Metalografia – MAM0417

Caxias do Sul

14 de Setembro de 2011

1

ÍNDICE

1. Objetivo Geral .................................................................................................. 03

2. Introdução.......................................................................................................... 04

3. Revisão Bibliográfica ........................................................................................ 05

4. Propriedades Mecânicas do SAE 4140 ............................................................ 07

4.1 Características Mecânica...................................................................... 07

4.2 Composição Química............................................................................ 07

5. Normas Adotadas ............................................................................................. 09

6. Material Utilizado............................................................................................... 10

7. Descrição do Ensaio.......................................................................................... 11

8. Cálculos, Gráficos e Resultados Obtidos.......................................................... 12

8.1 Cálculos................................................................................................ 12

8.1.1 Área do Corpo de Prova (Seção)............................................ 12

8.1.2. Tensão....................................................................................12

8.1.3. Comprimento Inicial do Corpo de Prova (Lo)......................... 12

8.1.4. Alongamento.......................................................................... 12

8.1.5. Deformação (ε)....................................................................... 13

8.1.6. Área da Seção Final (Sf)........................................................ 13

8.1.7. Estricção................................................................................. 13

8.2 Dados coletados................................................................................... 14

8.3 Dados calculados.................................................................................. 15

8.4 Análise do gráfico e equação da reta................................................... 16

Gráfico Tensão x Deformação ....................................................... 16

Gráfico Tensão x Deformação corrigida ........................................ 18

9. Comparação com outro corpo de prova do material SAE 4140 ...................... 19

9.1 Análise dos valores obtidos ................................................................. 20

10. Conclusão........................................................................................................ 21

11. Bibliografia....................................................................................................... 22

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1. OBJETIVO GERAL

Determinar através do Ensaio de Tração com Extensômetro o Módulo de

Elasticidade e a Tensão de Escoamento do Aço SAE 4140, seguindo a norma NBR

6892.

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2. INTRODUÇÃO

Neste trabalho, será apresentado detalhadamente a realização do ensaio de

tração, bem como os equipamentos necessários para a realização do mesmo,

juntamente da interpretação dos dados por ele fornecidos.

Também serão relacionadas as características mecânicas do material SAE

4140 e o seu comportamento durante o ensaio de tração.

Será construído também uma comparação entre os valores reais de módulo

de elasticidade e a tensão de escoamento obtidos no ensaio com os valores

encontrados de outra fonte da bibliografia.

4

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O ensaio de tração consiste em submeter o material a um esforço que tende a

alongá-lo até a ruptura. Os esforços ou cargas são medidos na própria máquina de

ensaio.

No ensaio de tração o corpo é deformado por alongamento, até o momento

em que se rompe, com a diminuição da estricção do corpo de prova.

A estricção determina a ductilidade do material. Quanto maior for à

porcentagem de estricção, mais dúctil será o material.

Há dois tipos de deformação, que se sucedem quando o material é submetido

a uma força de tração: a elástica e a plástica:

Deformação elástica: não é permanente. Uma vez cessados os esforços,

o material volta à sua forma original.

Deformação plástica: é permanente. Uma vez cessados os esforços, o

material recupera a deformação elástica, mas fica com uma deformação

residual plástica, não voltando mais à sua forma original.

Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio de tração, a máquina de

ensaio fornece um gráfico que mostra as relações entre a força aplicada e as

deformações ocorridas durante o ensaio, conhecido por diagrama tensão -

deformação.

Analisando o diagrama tensão - deformação podemos identificar:

- O limite elástico, que recebe este nome porque, se o ensaio for interrompido

antes deste ponto e a força de tração for retirada, o corpo volta à sua forma original,

semelhante a atividade de um elástico.

Na fase elástica, se dividirmos a tensão pela deformação, em qualquer ponto,

obteremos sempre um valor constante. Este valor constante é chamado módulo de

elasticidade, que corresponde a 0,2% da deformação do material.

O módulo de elasticidade é a medida da rigidez do material. Quanto maior for

o módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão

e mais rígido será o material.

Porém, a lei de Hooke só vale até um determinado valor de tensão,

denominado limite de proporcionalidade, que é o ponto representado no gráfico a

seguir por A, a partir do qual a deformação deixa de ser proporcional à carga

aplicada.

5

Terminada a fase elástica, tem início a fase plástica, na qual ocorre uma

deformação permanente no material, mesmo que se retire a força de tração.

No início da fase plástica ocorre um fenômeno chamado escoamento.

O escoamento caracteriza-se por uma deformação permanente do material

sem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade de deformação.

Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito próximos uns dos outros.

Após o escoamento ocorre o encruamento, que é um endurecimento causado

pela quebra dos grãos que compõem o material quando deformados a frio. O

material resiste cada vez mais à tração externa, exigindo uma tensão cada vez

maior para se deformar. Nessa fase, a tensão recomeça a subir, até atingir um valor

máximo num ponto chamado de limite de resistência (B).

Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, que ocorre num ponto

chamado limite de ruptura (C). Observamos que a tensão no limite de ruptura é

menor que no limite de resistência, devido à diminuição da área que ocorre no corpo

de prova depois que se atinge a carga máxima.

Gráfico Tensão X Deformação

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4. PROPRIEDADES MECÂNICAS DO SAE 4140

Entre as normas mais usuais existem as seguintes relações:

ABNT 4140 - AISI 4140 - SAE 4140

Porém, adquire diferentes denominações em outras normas e até mesmo por

empresas como:

Tabelas de equivalência de aços especiais 

AÇOS CONSTRUÇÃO MECÂNICA LIGADOS PARA BENEFICIAMENTO

AISI/SAE W NRº. DIN UNI JIS BS AFNOR GERDAU VILLARES BOEHLER

4140 1.7225 ~ 42 Cr Mo 4 -~ 42 Cr Mo 4 ~ SCM 4 ~ 708M 40 ~ 42 CD 4 4140 VL-40 -

4.1 CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS

Aço de boa resistência mecânica, média usinabilidade, baixa soldabilidade e

temperabilidade relativamente alta. A dureza superficial, na condição temperada,

varia de 54 a 59 HRc. As propriedades mecânicas deste aço poderão ser

melhoradas, através de Nitretação.

Utilizado em peças que exigem elevada dureza, resistência e tenacidade.

Usado em automóveis, aviões, virabrequins, bielas, eixos, engrenagens, armas,

parafusos, equipamentos para petróleo.

4.2 COMPOSIÇÃO QUÍMICA

Conforme a tabela a seguir, possui os seguintes componentes:

Composição Química Conforme Norma SAE - J404:

ABNT/SAE C Mn P máx. S máx. Si Cr Mo

4140 0,38 - 0,43 0,75 - 1,00 0,030 0,040 0,15 - 0,35 0,8 - 1,10 0,15 - 0,25

7

Comercialmente é fornecido nas seguintes condições:

Barras Laminadas Sem Acabamento Mecânico;

Barras Laminadas Trefiladas;

Barras Laminadas Retificadas;

Barras Forjadas;

E nos seguintes formatos:

Redondos

Quadrados

Sextavados

Retangulares

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5. NORMAS ADOTADAS

O Ensaio de Tração com Extensômetro foi realizado seguindo a Norma

Brasileira (NBR) 6892:2002, cuja descrição da norma segue abaixo:

Norma ABNT NBR ISO 6892:2002Data da Publicação 30/11/2002

Válida a partir de 29/12/2002

TítuloMateriais metálicos - Ensaio de Tração a temperatura ambiente

Título Idioma Secundário

Metallic materials - Tensile test-ing at ambient temperature

Nota de Título Confirmada em 14.10.2010

ComitêABNT/CB-04 Máquinas e Equipamentos Mecânicos

Nº de Páginas 34Status Em Vigor

OrganismoABNT - Associação Brasileira de

Normas Técnicas

Objetivo da Norma

Esta Norma especifica o método de ensaio de tração em

materiais metálicos e define as propriedades mecânicas que podem ser determinadas à

temperatura ambiente.

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6. MATERIAL UTILIZADO

SAE 4140 sem tratamento:

Corpo de Prova;

Paquímetro;

Tinta Demarcadora;

Pincel;

Máquina Universal de Ensaio de Tração;

Extensômetro;

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7. DESCRIÇÃO DO ENSAIO

Com o auxilio de um pincel, foi demarcado com tinta o comprimento útil do

corpo de prova a cada 5 mm.

Com o auxílio de um paquímetro foi medido o diâmetro do corpo de prova em

três posições diferentes (no começo, no meio e no final da área útil), assim como foi

também medido essas mesmas posições citadas anteriormente girando 90° o corpo

de prova, obtendo assim seis medidas. A menor medida encontrada foi de 9,97 mm,

sendo esta utilizada como o diâmetro. Arredondando o valor do diâmetro obtemos

10 mm, este multiplicado por 5 mm (distâncias entre as medidas realizadas no corpo

de prova) obtemos um resultado igual a 50mm, valor este que será utilizado como

comprimento útil do corpo de prova.

Fixado o extensômetro ao corpo de prova, tendo o cuidado de

posicioná-lo fora da área de marcação (área com tinta), para evitar a perda de atrito,

evitando falhas na leitura do ensaio.

Fixa-se o conjunto (corpo de prova e extensômetro) à Máquina Universal de

Ensaio de Tração, que exercerá forças axiais no corpo de prova. Ao submetermos o

corpo de prova a força de tração, a máquina utilizada no teste informa o

alongamento (variação de comprimento) sofrido pelo material. Com isso

conseguimos construir o Gráfico Tensão X Deformação, até ocorrer à ruptura total

do corpo de prova, finalizando assim, o ensaio de Tração.

11

8. CÁLCULOS, GRÁFICOS E RESULTADOS OBTIDOS

8.1 CÁLCULOS

8.1.1 ÁREA DO CORPO DE PROVA (SEÇÃO)

A= ¶.d2

4

Onde:

d= diâmetro do corpo de prova (mm);

A= área (mm2);

8.1.2. TENSÃO

T= F . g

A

Onde:

T= tensão (MPa);

F= força (Kgf);

A= área do corpo de prova (mm2);

g = gravidade terrestre;

8.1.3. COMPRIMENTO INICIAL DO CORPO DE PROVA (LO)

Lo=5.d

Onde:

d= diâmetro do corpo de prova (mm);

8.1.4. ALONGAMENTO

a= Lf-Lo . 100

Lo

Onde:

12

a = alongamento (%);

Lf= comprimento final (mm);

Lo= comprimento inicial (mm);

8.1.5. DEFORMAÇÃO (ε)

ε = ΔL . 100

Lo

Onde:

ε = Deformação do Corpo de Prova (%);

ΔL= Variação do Comprimento do Corpo de Prova (mm);

Lo= Comprimento Inicial do Corpo de Prova (mm);

8.1.6. ÁREA DA SEÇÃO FINAL (SF)

Sf = ¶ . Df 2

4

Onde:

Sf= área da seção final (mm2);

Df= diâmetro final do corpo de prova (mm);

8.1.7. ESTRICÇÃO

Z = So – Sf . 100

So

Onde:

Z= Estricção (%);

So= Área de seção transversal (mm2);

Sf= Área de seção final (mm2);

8.2. DADOS COLETADOS

Diâmetro inicial (mm) = 9,97 mm

13

Comprimento inicial

(mm) =50 mm

Área inicial 78,06 mm2

Gravidade = 9,80665

Força (Kgf) Deslocamento (10)-3

0 0200 0,001400 0,003600 0,007800 0,012

1000 0,0161200 0,0211400 0,0271600 0,0341800 0,0392000 0,0462200 0,0512400 0,0582600 0,0652800 0,0713000 0,0793200 0,0863400 0,0933600 0,0983800 0,1004000 0,1034200 0,1284400 0,1564500 0,1904600 0,2454700 0,3124800 0,3804900 0,4595000 0,532

8.3. DADOS CALCULADOS:

14

Comprimento final

(mm)59,81 Área Inicial (mm²) 78,06

Força máxima (kgf) 6636Tensão máxima

(Mpa)833,96

Diâmetro final (mm) 6,43 Área final (mm²) 32,47

Alongamento (%) 19,82%

Comprimento inicial (mm) 50

Diâmetro Inicial (mm) 9,97

Estricção (%) 58,40

Tensão de Escoamento (Mpa) 581

Módulo de Elasticidade (Mpa) 196494

Tensão (MPa) Deformação mm/mm

0 00,000020 25,13450,000060 50,26900,000140 75,40350,000240 100,53800,000320 125,67260,000420 150,80710,000540 175,94160,000680 201,07610,000780 226,21060,000920 251,34510,001020 276,47960,001160 301,61410,001300 326,74870,001420 351,88320,001580 377,01770,001720 402,15220,001860 427,28670,001960 452,42120,002000 477,55570,002060 502,69020,002560 527,82480,003120 552,95930,003800 565,52650,004900 578,09380,006240 590,6610

15

0,007600 603,22830,009180 615,79550,010640 628,3628

8.4. ANÁLISE DO GRÁFICO E EQUAÇÃO DA RETA

Gráfico Tensão x Deformação:

Gráfico de Tensão x Deformação de um Segmento da Região Linear do

gráfico com a Linha de Tendência

Correção da origem do Gráfico

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Equação da reta obtida:

Y = 196494x + 31,25

Os valores da equação da reta dependem diretamente dos pontos escolhidos.

y = 0

-196494x = 31,25

Logo

x = -0,000159038

x2 = (x1 + |x|) x 100x3 = (Tensão/196494) x 100x4 = x3 + 0,2

(x1) Deformação(x2) Defor. Corrigida

(x3) Deform. Calculada

(x4) Deform. Calculada (0,2%)

-0,000159038 0 0 0,20,000020 0,0179038 0,012791491 0,2127914910,000060 0,021904 0,025582982 0,2255829820,000140 0,0299038 0,038374472 0,2383744720,000240 0,039904 0,051165963 0,2511659630,000320 0,0479038 0,063957454 0,2639574540,000420 0,057904 0,076748945 0,2767489450,000540 0,0699038 0,089540436 0,2895404360,000680 0,083904 0,102331926 0,3023319260,000780 0,0939038 0,115123417 0,3151234170,000920 0,107904 0,127914908 0,3279149080,001020 0,1179038 0,140706399 0,3407063990,001160 0,131904 0,153497889 0,3534978890,001300 0,1459038 0,166289380 0,3662893800,001420 0,157904 0,179080871 0,3790808710,001580 0,1739038 0,191872362 0,3918723620,001720 0,187904 0,204663853 0,4046638530,001860 0,2019038 0,217455343 0,4174553430,001960 0,211904 0,230246834 0,4302468340,002000 0,2159038 0,243038325 0,4430383250,002060 0,221904 0,255829816 0,4558298160,002560 0,2719038 0,268621307 0,4686213070,003120 0,327904 0,281412797 0,4814127970,003800 0,3959038 0,287808543 0,4878085430,004900 0,505904 0,294204288 0,4942042880,006240 0,6399038 0,300600034 0,5006000340,007600 0,775904 0,306995779 0,5069957790,009180 0,9339038 0,313391524 0,5133915240,010640 1,079904 0,31978727 0,519787270Gráfico Tensão x Deformação corrigida, com reta 0,0%

17

Gráfico Tensão x Deformação corrigida, com reta 0,0% e 0,02%

9. COMPARAÇÃO COM OUTRO CORPO DE PROVA DO MATERIAL SAE 4140

18

Grafico Tensão X Deformaçao de um segmento da região linear do Gráfico

y = 194726x - 40,192

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0,0005 0,001 0,0015 0,002

Deformação (mm/mm)

Ten

são

(M

Pa)

Tensão X Deformaçao Equação da reta

Gráfico Final

0

100

200

300

400

500

600

700

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Deformação Corrigida (%)

Te

ns

ão

(M

Pa

)

C/ Def. Corrigida Reta 0,0% Reta 0,2%

9.1. ANÁLISE DOS VALORES OBTIDOS

19

Por se tratar de um material SAE 4140, os dois materiais têm características

parecidas. Pode-se observar que as curvas nos gráficos são bastante semelhantes,

desta forma tudo indica que a grande parte dos resultados será muito semelhante.

Comparando os dois gráficos, nota-se que a tensão de escoamento do

primeiro gráfico é num ponto maior que no segundo gráfico, ou seja, é necessário

mais força para que o primeiro material entre no regime plástico. Este módulo de

elasticidade é um parâmetro usado na engenharia para determinar quanto um

material é elástico: Quanto maior o Módulo de Elasticidade, mais rígido é o material.

Um corpo é elástico, se a mudança da sua forma, causada por uma força

externa, é reversível. A deformação elástica pode ocorrer sob a influência do

alongamento, pressão, torção ou flexão.

Comparando também os gráficos, o primeiro exemplo tem o módulo de

elasticidade maior que no segundo gráfico, logo, mais rígido.

10. CONCLUSÃO

20

Alongamento (%) 23,4

Comprimento final (mm) 49,36

Estricção (%) 52,66

Tensão de Escoamento a 0,02% (Mpa) 489,2

Módulo de Elasticidade (Mpa) 194702

Conclui-se que as propriedades mecânicas dos materiais constituem-se em

uma das características mais importantes dos metais em suas mais variadas

aplicações na engenharia, visto que o projeto e a fabricação de produtos se baseiam

principalmente no comportamento destas propriedades.

A determinação destas propriedades mecânicas é obtida através de ensaios

mecânicos, entre eles, o Ensaio de Tração, que nos fornece informações como

Módulo de Elasticidade e Tensão de Escoamento de um determinado material.

Verifica-se que o módulo de elasticidade e a tensão de escoamento encontrado ao

realizar o ensaio foram ligeiramente diferentes dos valores encontrados na

bibliografia para o material SAE 4140. Esta diferença é aceitável, referentes a

possíveis erros de leitura por parte do funcionário que informou os valores do

deslocamento sofridos pelo corpo de prova. Ocorre também a existência de atrito no

conjunto composto por máquina de ensaio, corpo de prova e extensômetro, além do

fato de que a força axial impressa pela máquina atua primeiramente no

extensômetro e depois no corpo de prova, consequentemente, causando erros nos

valores lidos.

11. BIBLIOGRAFIA

21

CALLISTER, William D.. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5.ed.

Rio de Janeiro: LTC, 2002. 589 p.

ROCHA, Marcos Antônio de Carvalho. Análise das Propriedades Mecânicas do Aço

SAE 4140 com Estrutura Bifásica. Disponível em:

http://biblioteca.universia.net/html_bura/ficha/params/id/9377246.html

http://www.sical.com.br

http://www.comercialgerdau.com.br

http://www.acositapema.com.br

http://www.abnt.org.br/

22