ensaios tecnologicos

ENSAIOS TECNOLÓGICOS

CEETEPS - ETE ANNA DE OLIVEIRA FERRAZ - ÁREA DE MECÂNICA

Àpostila de Ensaios Tecnológicos dos Materiais Página 1

1 - NOÇÕES GERAIS

Os ensaios ou testes de materiais são importantes ferramentas tecnológicas e científicas na

medida em que seus resultados permitem tecer considerações ao menos qualitativas e

comparativas sobre o desempenho dos materiais em uso.

Neles, são estudadas as respostas dadas pelos materiais quando submetidos a esforços,

radiações, etc. Por exemplo, se um material for puxado, logicamente seu comprimento

aumentará: a relação força resistente ao puxão x aumento do comprimento será transformada

num gráfico, do qual poderemos extrair importantes informações sobre o comportamento do

material.

Entre as informações que podem ser retiradas de vários ensaios estão propriedades

importantes como densidade, condutividade térmica e elétrica, além de tensões admissíveis,

tensões de escoamento, tempo de vida útil, comportamento à quente, tenacidade, etc. Dessa

maneira, os testes são importantes tanto para projetos, na medida em que podem ser obtidos

parâmetros fundamentais para estes, como para a confecção de catálogos e para controle de

qualidade.

Qualquer pessoa pode inventar um teste para medir certas características de um material.

Se cada fábrica criar o seu próprio ensaio porém, seus resultados só podem ser considerados para

efeitos de controle interno, uma vez que não podem ser comparados com resultados obtidos em

outros lugares.

Para evitar este tipo de problema, costuma-se seguir normalizações nacionais ou

estrangeiras para a realização de alguns ensaios. Normas são conjuntos de procedimentos que

são considerados padrões para a obtenção de certos resultados e, quando seguidos, permitem

comparações com resultados obtidos em outros laboratórios. Normalmente são especificados

desde o tipo de equipamento que vai fazer o ensaio, até o formato da peça que será ensaiada,

bem como a obtenção de seus resultados. Normalizações importantes no mundo são da ISO

(International Standards Organization - Organização Internacional de Padrões), ASTM

(American Society of Testing Materials - Sociedade Americana de Ensaios de Materiais), SAE

(Society of Automotive Engineers, também americana) e ABNT (Associação Brasileira de

Normas Técnicas). Cada ensaio necessita de uma norma e dependendo, cada tipo de material

também. Não é de se estranhar que as normas sejam conjuntos de fascículos em número muito

Ensaios Tecnológicos



grande, subdivididos em volumes de acordo com o ensaio, finalidade e material a ser ensaiado.

Estudaremos com mais detalhes a norma do ensaio de tração, no capítulo 3, (página 7).

Podem ser ensaiados:

protótipo - peça piloto feita antes da comercialização definitiva, para medir sua

aceitação e condições sob uso, tendo o ensaio a finalidade de conhecer o

comportamento do material em uso ou no formato do uso;

peça final - já em comercialização, tendo o ensaio mais a finalidade de controle de

qualidade;

corpo de prova - peça feita especificamente para o ensaio, em formato conforme

normalização e bem diferente do comercializado, tendo o ensaio a finalidade de obter

informações que possam ser comparadas.

Os ensaios podem ser feitos em laboratórios específicos, com umidade do ar e

temperatura controladas, equipamentos e infraestrutura para análise de dados (calculadora,

computador, livros e catálogos para comparação, tabelas de conversão de unidades, etc) ou em

quaisquer outros lugares, seguindo ou não normalizações.

Os principais materiais usados em construção e máquinas são metais, madeiras, cimento,

cerâmicos em geral, borrachas e plásticos. A principal função de materiais de construção civil ou

mecânica é desenvolver resistência, rigidez e durabilidade adequadas ao serviço necessário.

Estes requisitos definem as propriedades que os materiais devem possuir e ainda determinam a

natureza dos testes que devem ser feitos nos materiais para medi-las. Uma boa noção da

significância do ensaio requer um conhecimento razoável de ciência dos materiais e mecânica

esgtrutural. Estes serão passados na medida em que forem necessários para o entendimento de

determinados testes.

Com o desenvolvimento tecnológico sugiram grandes melhoramentos em materias mais

antigos bem como novos materiais, o que faz com que sejam cada vez mais necessários ensaios apara

avaliar as reais condições de uso destes.

Uma classificação parcial de propriedades dos materiais é dada na tabela 1.1. Geralmente,

a determinação de qualquer destas propriedades é assunto de determinado teste. Entretanto, o

maior trabalho em laboratórios de ensaio é com propriedades mecânicas, medidas em testes

mecânicos. Devido ao fato de que durante a vida útil do material a peça é sujeita a forças, a

resistência dos materiais é de fundamental importância, sendo que um primeiro requisito para




qualquer material é ter a resistência adequada, ou uma adequada dificuldade de inutilização do

material em uso.

Tabela 1.1 - Propriedades de materiais de aplicação em mecânica ou construção civil [1]

Classe Propriedade Classe Propriedade

Geral Densidade Mecânica

Porosidade

Quantidade de umidade

Macroestrutura

Microestrutura

Resistência a tração, compressão,

cisalhamento, flexão e impacto

Elasticidade, Plasticidade

Dutilidade, Fragilidade

Dureza

Química Composição Térmica Calor específico

Acidez ou alcalinidade Expansão

Resistência à corrosão Condutividade

Res. ao envelhecimento

Físico- Absorção de água Elétrica e Condutividade

Química Repulsão de água Magnétic Permeabilidade Magnética

a

Acústica Transmissão do Som Ótica Cor

Reflexão do Som Transmissão e Reflexão de Luz

A título de distinção, cabe aqui dividir os testes em: destrutivos e não destrutivos. Ensaios

destrutivos são testes em que o protótipo, peça ou corpo de prova sofre algum tipo de esforço

que o deixa visivelmente marcado, inviabilizando sua utilização futura. Mesmo uma pequena

marca, causada por um teste de medição de dureza, por exmeplo, já é suficiente para caracterizar

o ensaio como destrutivo. Os testes não destrutivos são justamente o contrário, não deixam

marca nenhuma nas peças. É o caso do raio-X, que fazemos e não saímos marcados, o mesmo

acontecendo com peças.




EXERCÍCIO:

Com o auxílio de seu professor, que explicará rapida e simplificadamente como são feitos cada

um dos testes abaixo, classifique-os como destrutivos (D) e não-destrutivos (N):

( ) Raio-X

( ) Líquidos Penetrantes

( ) Resistência ao Impacto

( ) Dureza

( ) Compressão

( ) Infra-vermelho

( ) Ressonância Nuclear Magnética

( ) Tração

( ) Flexão

( ) Fadiga

( ) Tomografica

( ) Fluência

( ) Ultra-som

( ) Torção




2 - TENSÃO

O conceito que temos de tensão (quando dizemos que uma pessoa está tensa) não denota o real

significado da palavra, porém advém do uso correto. Quando medimos nossa pressão arterial,

medimos a força que o nosso sangue faz nas nossas artérias. Quando a pessoa tem problema

crônico de pressão alta, dizemos que tem hipertensão. Ou seja, pressão e tensão significam a

mesma coisa.

Não é bem assim: pressão é um tipo de tensão, assim como são tipos de tensão a tensão

de tração, flexão, cisalhamento, etc. Tensão pode ser definida então como a força realizada sobre

uma determinada área, que produz deformação sobre ela. A tensão é um artifício para que possa

ser previsto com boas chances de acerto, a partir do estudo de peças simples (corpos de provas,

p.ex.), o desempenho de peças mais complexas, reais.

Por exemplo: sabemos que um tronco de eucalipto e um palito de dente feito da mesma

madeira devem ter comportamento mecânico semelhante, porém, instintivamente, sabemos que o tronco

é mais "forte", dado que é muito mais difícil de quebrá-lo. Logo, se usássemos somente a força para

denotar a resistência dos materiais estaríamos cometendo o errro de levar em conta não somente o

material e sim todo o formato da peça de que é feito. Ao dividirmos pela área na qual a força está

atuando, tal efeito pode ser minimizado. É como se medíssemos a força que o tronco faz para evitar

que seja quebrado e obtivéssemos 1000 kgf, contra 10 kgf do palito. As áreas também seriam

diferentes: 20 cm2 e 0,2 cm

2, respectivamente. A tensão, nos dois casos, seria igual a 50 kgf/cm

2. Ou

seja: estudando uma peça muito mais simples do que o tronco, no caso o palito, conseguiríamos obter a

resistência do eucalipto!

Assim, uma das etapas mais importantes no estudo de tensões é a determinação da área em

que atua. As tensões dependem do sentido da força, podendo ser, por exemplo de:

-(com)pressão: quando a força empurra toda a área do corpo;

-flexão: quando a força empurra somente parte da área de um corpo;

-tração: quando a força puxa o corpo;

-cisalhamento: quando a força tende a cortar o corpo.

Voltemos ao exemplo da pressão arterial: de modo bem grosseiro, trata-se da força que o

sangue faz sobre a área das artérias (“veias” que saem do coração para o corpo). Se um indivíduo




tem pressão alta ou baixa, só se pode mexer nessas duas variáveis (força e área) para controlá-la. Deve-se

ainda ficar alerta para elementos químicos que "agitam"o sangue, aumentando sua força, como o sal.

Fazer a dosagem de remédios e elementos que podem abaixar ou levantar a pressão de modo

responsável e correto é um grande desafio dos médicos, que devem levar em conta o histórico de cada

paciente.

Para pressão alta, deve-se diminuir a força ou aumentar a área. A força pode ser

diminuída com calmantes ou até com a doação de sangue (prática mais comum antigamente);

para aumentar a área somente com remédios vaso-dilatadores. A ingestão de diuréticos fará com

que o sal seja mais facilmente eliminado pela urina, sendo que a água é parte fundamental nesse

processo.

Para pressão baixa, deve-se aumentar a força ou diminuir a área (o que pode ser perigoso para

pacientes com problemas cardíacos). Para aumentar a força, além de remédios, o médico costuma

incetivar o paciente a comer comida com mais sal que o comum. A longo prazo, a ingestão de água

(que facilita num primeiro momento o abaixamento da pressão por forçar o paciente a urinar,

eliminando sal) também pode fazer com que a pressão aumente, pois a água é matéria-prima para a

produção de sangue.

É interessante incluir aqui o conceito de tensão admissível: a tensão máxima a ser

permitida, seja para projeto, execução ou uso. É normalmente obtida a partir da tensão de ruptura (aquela

registrada no ensaio no momento em que o material se quebra) dividido por um fator de segurança, um

número cuja função é diminuir o valor da tensão admissível. Dessa maneira, a peça, se projetada,

executada e usada com tensões máximas inferiores à admissível, teoricamente (ver ensaio de fadiga)

nunca se romperá.




3 - TRAÇÃO

Uma definição de tração é que é a tensão exercida por rodas motoras cujo resultado

permite o movimento do conjunto mecânico, como carros. Se todas as rodas fizerem isso,

significa que o carro tem "tração nas quatro rodas", típicos de veículos de carga. Carros de passeio

comuns têm tração somente nas duas rodas (normalmente as dianteiras) que são motoras (as outras duas

são movidas).

A definição que usaremos então é que tração é o tipo de tensão gerada quando a força a qual o

material está submetido tende a puxá-lo ou esticá-lo. Neste sentido, muitos elementos de máquina são

fortemente tracionados, como os cabos de aço, ou sujeitos à várias tensões, entre elas a tração, como é

o caso de molas, eixo, amortecedores, etc.

Basicamente, o teste consiste em puxar um corpo de prova até seu rompimento,

registrando a tensão de oposição ao puxamento feita pelo corpo de prova versus a deformação sofrida

pelo mesmo. No caso do teste de Tração, a deformação é o quanto o material se alongou, também

conhecida como Elongação.

Qualquer sistema de carregamento e registro que permita tais resultados pode ser

considerado um sistema para testes de tração. Porém, para a realização de um Ensaio de Tração

em que seja necessário e conveniente comparações, deve-se seguir a normalização existente. A

ASTM D638, referente ao ensaio para plásticos, será abordada como exemplo, cujo título é

“Propriedades de Tração de Plásticos”. O título está no plural (propriedades) uma vez que

existem várias propriedades que podem ser obtidas de um único ensaio de tração. Esta razão, e o

fato de algumas destas propriedades serem de extremada importância (como módulo de rigidez e

deformação na ruptura) explicam a grande popularidade do teste de tração. Lembre-se que trata-

se de apenas de um exmeplo, sendo que as normas para outros materiais seguem o mesmo

esquema.

A normalização inicialmente informa que a abrangência do teste cobre a determinação de

propriedades de tração para plásticos na forma de corpos de prova quando testados sob

condições definidas de pré-tratamento, temperatura, umidade e velocidade do equipamento.

Informa ainda que as propriedades de tração podem variar de acordo com a preparação do corpo

de prova, e que se deve tomar cuidado ao efetuar comparações. As propriedades de tração podem

ter grande utilidade em projetos, porém, para os plásticos, que são muito sensíveis a alterações




no procedimento de teste, a projeção de seus resultados para o projeto deve ser cuidadosa. Os

resultados porém, têm grande utilidade em controle de qualidade, especificação de materiais e

pesquisa. A norma dá ainda detalhes da a maquinaria que deve se ter para realizar um ensaio

deste tipo, com alguns ítens básicos como: garras superior e inferior para a fixação do corpo de

prova (mecânicas ou pneumáticas); dispositivo de puxamento da garra superior (a garra inferior

deve ficar fixa); indicador de carga x extensão do corpo de prova; e acessórios como

paquímetros e micrômetros.

Lista-se a seguir as especificações do corpo de prova, que devem ser de preferência no

formato da figura 3.1; para casos de barras (tubos maciços), é necessário também uma usinagem de

modo a dexiar a parte central do corpo de prova com 60% do diâmetro original.

Figura 3.1 - Corpo de Prova Padrão

Ainda, a superfície dos corpos de prova devem estar livres de falhas ou imperfeições

visíveis (trincas, vazios, etc). Se necessário fazer marcas no corpo de prova para acompanhar o

estiramento, fazer com tinta e não com punções, etc. O último ponto do ítem diz respeito a

anisotropia, que trata-se de uma característica que alguns materiais possuem de resistir numa

determinada direção (por exemplo, paralela ao esforço) e apresentar baixa resistência em outra

(por exemplo, perpendicular ao esforço). É o caso de materiais orientados como fibras: a

resistência a tração paralela à direção de fiação é muito mais alta do que comparada à mesma

resistência na direção perpendicular à fiação. Para casos de materiais com suspeita de

anisotropia, a norma recomenda um número dobrado de ensaios em ambas as direções.

A seguir, no ítem Acondicionamento, uma série de restrições a como guardar a amostra,

quanto tempo esperar para ensaiá-la após sua confecção e condições do teste: em boa parte dos

testes mecânicos este ítem é sempre idêntico, sendo necessário deixar os corpos de prova a serem




ensaiados pelo menos por 40horas a 23oC e 50% de umidade (alguma tolerância é aceita). Tais

condições são as mesmas de ensaio, o que fazem com que os laboratórios que contenham tal

equipamento sejam providos de ar-condicionado, o que ajuda os aparatos mais modernos,

dotados de computador.

O Número de Corpos de Prova é estabelecido em no mínimo cinco para materiais

isotrópicos (os que não tem anisotropia) e dez para os anisotrópicos. Materiais que porventura

romperem em falhas ou em locais que não a parte útil do corpo de prova (página 14, chamada de

distância inicial entre as garras L0) devem ser descartados, o que faz com que seja de bom grado a

existência de pelo menos 7 corpos de prova de cada amostra.

A Velocidade do Teste varia de acordo com o conhecimento prévio do material e, se não

existente, de tentativas e erros. A norma estabelece quatro velocidades, como a 2,5mm/min

(recomendada a plásticos muito rígidos), 5,1mm/min (para plásticos rígidos e semi rígidos), 51

mm/min (plásticos não rígidos) e 510 mm/min (para borrachas, geralmente). A velocidade pode

ser escolhida de modo a garantir um estiramento mínimo para o material: quanto mais rígido,

menos ele estira, menor deve ser a velocidade do teste para que o “puxão” não cause rompimento

imediato e permita um acomodamento microscópico de átomos e moléculas de modo a suportar

por mais tempo o teste. Para materiais que estiquem bastante, o próprio estiramento do corpo de

prova denotará sua elongação. Para casos de materiais que estiquem pouco (como vidros), usa-se

um medidor bem sensível localizado geralmente na região central do corpo de prova dotado de

um suporte fixador e de uma espécie de fio altamente extensível, de modo que o mais ínfimo

estiramento seja acusado e medido. Tal dispositivo é chamado extensômetro.

O ítem a seguir diz respeito ao Procedimento, sendo iniciado com a advertência que as

dimensões (como espessura e largura, ou diâmetro) do corpo de prova deve ser medida em vários pontos

ao longo do corpo de prova antes do início do teste. A fixação do corpo de prova nas garras deve ser

feita com cuidado, deixando-o reto (corpo de prova torto significa teste errado). Apertar as garras o

suficiente é recomendado para que o material não escorregue durante o teste e, para materiais frágeis, o

suficiente para não esmagá-lo. Se necessário, o extensômetro deve ser colocado e a velocidade do teste

acertada.

Antes de tudo isto, é necessário verificar a célula de carga do equipamento.

Normalmente, laboratórios adquirem máquinas de tração relativamente grandes, com capacidade

para ensaiar materiais muito resistentes e pouco resistentes pela simples troca da célula de carga.

Este é um dispositivo ligado ao módulo de comando da máquina que indica o máximo de força

que a máquina pode fazer. Se faz necessário usar a célula mais próxima possível do nível de




carga pedido pelo material, ou seja, não é necessário usar a célula de carga normalmente usada para

aços, materiais altamente resistentes, para ensaiar borrachas, materiais pouco resistentes, o que

poderia acarretar erros de precisão. O contrário pode ser um fator impeditivo do teste, na medida

em que uma célula subdimensionada (para borrachas) pode simplesmente não esticar um corpo de

prova feito de aço.

A seguir, deve-se ajeitar o indicador de carga: se for por computador é só ligar. Se for

manual, o procedimento deve ser mais cuidadoso. O gráfico a ser desenhado (força que a

máquina faz para deformar o material na velocidade determinada versus o quanto que o corpo de

prova esticou, deve ocupar espaço suficiente no papel, geralmente toda a altura do papel, por um

comprimento máximo de 30 cm. Tais medidas permitem uma visualização rápida e precisa de

pontos importantes, a serem comentados posteriormente. Gráficos com a altura pequena ou

muito curtos dificultam as medidas, e gráficos muito compridos gastam muito papel, além de

dificultar o manuseio. Dessa maneira, é fundamental o acerto do fundo de escala do papel e de

sua velocidade. Normalmente o primeiro corpo de prova funciona como uma cobaia para este

acerto. Com quaisquer fundo de escala e velocidade do papel, se traça um gráfico (por pior que

seja) e se estuda um pouco seus resultados: por exemplo, se o material impõe uma resistência

máxima de 35Kg, um bom valor para fundo de escala é 40 Kg; se o material estica muito pouco,

a velocidade do papel deve ser maior; se estica muito, deve ser menor. A obtenção de um gráfico

cujo tamanho seja adequado para uma boa leitura, significa que se está pronto para a captura dos

resultados.

Resultados

Comentou-se por alto que o gráfico feito pela máquina é uma curva “força que a máquina

faz para manter a velocidade de teste determinada versus o quanto o material esticou”. Vamos

chamar este “o quanto o material esticou” de deslocamento (no caso, é o deslocamento da garra

móvel) e resumimos o nome do gráfico para “força x deslocamento”. Porém, os resultados

recebem nomes um tanto diferentes como tensão de escoamento (ou máxima ou de ruptura) ou

elongação no escoamento (ou na tensão máxima ou na ruptura). Como então, a partir do gráfico,

chegarmos nestes resultados?

Elongação x deformação

Antes de chegarmos aos resultados porém, devemos diferenciar deformação de

elongação. Todos temos uma noção do que seja um e outro, porém é necessário padronizar suas




diferenças: deformação é todo aumento ou diminuição em uma ou várias dimensões de um corpo

(lembrando que só existem três dimensões: largura, espessura e altura); elongação é quando esta

deformação se dá axialmente, ou seja, parelela ao esforço. Um material se alonga (ou elonga)

quando sua altura aumenta mediante um puxamento. O alongamento, fundamental antes do

início de uma série de exercícios físicos, têm como função aquecer os músculos a partir do

esticamento das fibras que os compõem.

Quando comprimimos uma borracha ela diminui sua altura e aumenta sua largura: não é

uma elongação, mas não deixa de ser uma deformação. Ou seja, quando em tração falarmos de

deformação, certamente estaremos falando (a não ser quando especificado) de elongação.

Elasticidade e Plasticidade

O teste de tração é considerado como básico dentro de uma variada gama de testes

mecânicos e por isso ocupará quase metade desta apostila. Essa importância se deve, entre outros

fatores, pela facilidade de estudo da elasticidade e da plasticidade na tração. Assim, ao

estudarmos estes efeitos, citaremos deformação (e não elongação) uma vez que ocorrem com todos

os outros esforços mecânicos (compressão, cisalhamento, torção, flexão, etc.

Quando um material é submetido a um esforço de tração, ou seja, quando um material é

puxado, internamente e microscopicamente, os átomos são forçados a abandonar a posição de

equilíbrio que caracteriza uma peça em repouso. Lembre-se que as ligações atômicas são como

cordas que prendem um átomo no outro e, quando um material é puxado esta “corda” é puxada

(na realidade não existe nada amarrando átomos e sim uma atração química e física semelhante à

atração gravitacional que prende a lua, satélites, seres humanos, etc, para perto da Terra).

Agora imagine essa corda como um fio de borracha: ao ser esticado ele se deforma e,

dependendo do nível de esforço, ao ser interrompido o esticamento, o fio volta ao tamanho

original. Se o esforço for maior que um dado limite, o fio começa a se deformar e, mesmo se o

esforço for retirado, a deformação permanece. Se o esforço continuar, o material pode inclusive

romper-se.

Zona elástica é a uma faixa de esforços que o material suporta que, ao serem retirados, o

material volta à suas dimensões originais. Por exemplo, a zona elástica de um dado

semicondutor cerâmico varia de 0 a 50 Kg: qualquer esforço feito nessa faixa, ao ser retirado,

provoca um imediato retorno às medidas originais.

Todo material possui uma zona elástica, mas para alguns materiais (como vidros, p.ex.) é

difícil de ser notada visualmente. Porém durante a realização do ensaio se observa uma linha reta




no gráfico “força x deslocamento”. Logo, existe uma relação de proporcionalidade entre a força e o

deslocamento (página 17).

A retirada do esforço faz com que o deslocamento volte paralelo à reta, o que no caso é

coincidente com sentido contrário (figura 3.2). Deve ser ressaltado que qualquer esforço, o

mínimo que seja, faz com que haja uma deformação elástica no material: tal deformação pode ser tão

pequena que não seja possível de notar a olho nu. Microscopicamente, a “corda” imaginária que

liga dois átomos é puxada, mas num nível de esforço suficientemente baixo para, ao ser retirado, permitir

a reaproximação de ambos nos mesmos níveis anteriores. Por esta razão, a zona elástica exige

esforços menores que esforços que provoquem uma deformação permanente do material ou até

mesmo sua ruptura completa.

A região de esforços que provoquem a deformação permanente do material (ou seja,

mesmo retirado o esforço, o material não volta às dimensões originais) é chamada de zona

plástica. Pelo fato de apresentarem níveis de esforços relativamente baixos para atingir esta

região e por permitirem deformações permanentes visíveis, os plásticos receberam este nome. É

difícil observarmos no dia a dia deformações permanentes de materiais (que não sejam

plásticos), principalmente estruturais. São deformações que devem ser evitadas em uso, seja por alterar

o projeto e as especificações iniciais, seja por que está mais próxima da fratura do material;

Microscopicamente, a “corda” se quebra, seprando os átomos. Se vários átomos vizinhos dentro

de uma dimensão do material (como no caso dos corpos de prova,a largura) se separarem, o material

se romperá. No gráfico, a região plástica é representada por uma curva: retirado o esforço, o

deslocamento volta paralelo à reta da zona elástica, não coincidindo com o caminho de ida, de modo a

obter, no esforço igual a zero um deslocamento diferente de zero, chamado deslocamento residual ou

permanente (figura 3.3).

Força Força

Deslocamento Deslocamento

Figura 3.2 - Zona Elástica Figura 3.3 - Zona Plástica




O gráfico mais estudado em ensaios mecânicos não é o gráfico Força x deslocamento e

sim o gráfico Tensão x % Deformação. Já vimos que tensão é força/área, e que a força é dada no

gráfico feito pelo equipamento. Já a área relativa ao ensaio de tração é a área que é esticada

durante o ensaio, ou seja a seção transversal do corpo de prova (dada pela largura multiplicada

pela espessura ou por x d2 / 4, dependendo d formato da seção transversal), como na figura 3.4.

A altura será aumentada durante o ensaio, e é levada em conta na deformação. Diâmtro ou

Largura e espessura também variarão (provavelmente diminuirão, diminuindo a área) durante o

ensaio, porém a geometria indefinida faz com que o cálculo da área seja difícil senão impossível,

razão pela qual se usa normalmente a área da seção transveral inicial do corpo de prova. Isso

ainda facilita as projeções para uso, na medida em que diminui as tensões calculadas, diminuindo

o risco da deformação plástica ou mesmo da ruptura durante o desempenho, pois só ocorrem em

tensões superiores (reais).

Figura 3.4 - Seção Transversal do corpo de prova (fatia hachurada)

No gráfico que sai da máquina, não é dada deformação e sim o deslocamento. É mais

comum entretanto, o uso da deformação percentual (% Deformação), ou seja, o quanto o

deslocamento representa com relação ao comprimento inicial, segundo a equação 3.1.

Def = (deslocamento) / (altura inicial) (1) Por altura inicial compreende-se a distância entre as duas garras no início do teste e por

deslocamento, se entende a diferença entre a altura final pela inicial (percurso da garra móvel), como

na figura 3.6a e 3.6b. A fórmula fica então, chamando a altura inicial de Lo e a final de Lf (onde indica-

se a ruptura do corpo de prova), conforme a equação 3.2:




% Def ( ) = Lf - Lo x 100 (3.2)

Lo

a multiplicação por 100 garante o L

resultado ser dado em percentual .

Lf

L0

Figura 3.5a. Figura 3.5b

Altura inicial Altura final

máquina desligada teste terminado

Não é necessário porém medir o percurso da garra imediatamente após o término do

ensaio, mesmo porque fica difícil a determinação do momento exato da ruptura do corpo de

prova, instante em que deve ser desligada novamente a máquina: Por meio de relações entre a

velocidade do teste (Vt, definido no início do teste, página 9), a distância percorrida pelo papel

do início à ruptura (D, medido no gráfico), a velocidade do papel (Vp, também definido no início

do teste, página 10), pode ser encontrado o deslocamento do corpo de prova ( L) pela equação

3.3.

L = Vt x D (3.3)

Vp,

Escoamento e Empescoçamento

onde L = deslocamento da garra móvel (Lf - L0);

Vt = velocidade do teste;

D = distância percorrida pelo papel e

Vp = velocidade do papel.

A deformação pela qual o material passa durante o ensaio pode ter efeitos no gráfico

força x deslocamento, e consequentemente no gráfico tensão x deformação. Os efeitos podem ser




melhor observados no final da parte reta e no início da parte curva, ou seja, a saída da zona

elástica e a entrada da zona plástica. Ao ponto que marca a fronteira entre as duas regiões é dado

o nome de ponto de escoamento. Este ponto pode aparecer no gráfico de forma sutil (difí-cil de

ser determinado), tanto quanto um pouco óbvia, como uma descontinuidade marcante.

Macroscopicamente, alguns materiais reagem à deformação plástica apresentando uma

estricção ou empescoçamento, redução da seção transversal do corpo de prova, formando uma

espécie de pescoço. A estricção faz com que a ruptura se localize na região empescoçada, uma vez

que possui menor área para a mesma força puxar. Existem casos de materiais que

simplesmente não empescoçam, outros que espescoçam somente próximos à ruptura, e outros que

chegam ao final do teste como fios bem finos.

As figuras 3.6a e 3.6b mostram o gráficos onde são mostrados o escoamento sutil e o

óbvio (respectivamente) e a figura 3.8 mostra o empescoçamento.

Tensão Tensão

Deformação Deformação

(a) (b) Figuras 3.6 - Escoamentos (a) Sutil e (b) Óbvio

Figura 3.7 - Empescoçamento

Os gráficos apresentados nas figuras 3.6a e 3.6b não estão completos. Não se determinou

se o material foi ensaiado até fraturar (o que representaremos por um X). Um material pode

romper-se ainda na fase elástica, fazendo com que o gráfico seja apenas uma parte da reta. Outro

material pode ter sua fase elástica completa e invadir a região plástica de modo a necessitar de

cada vez mais tensão para manter a deformação exigida, fazendo com que, mesmo curva, esta

parte do gráfico tenha tendência de subida. O rompimento pode se dar no ponto mais alto ou,

após um pico de valor máximo de tensão um abaixamento, fazendo com que o material rompa

num valor menor ao que ele já aguentou. Estes três tipos de gráficos estão nas figuras 3.8a, 3.8b

e 3.8c. Nestes gráficos a tensão está representada por e a deformação por .

Surge então a pergunta: como que um material pode romper-se com uma tensão menor que

a máxima já suportada por ele, como na figura 3.9c?




X

x x

(a) (b) (c)

Figura 3.8 -Gráficos Tensão x deformação (a) de material que se rompe na fase elástica; (b) de

material que se rompe no ponto mais alto da curva e (c) de material que se rompe num ponto de

tensão menor que a máxima que ele já suportou.

Para respondermos esta pergunta, devemos lembrar de como foi feito o ensaio: foi dada

uma velocidade de deformação e a máquina puxa com uma força suficiente para mantê-la; se o

corpo de prova empescoçou, significa que existe menos material na seção transversal para

resistir ao puxão que a máquina faz; logo, é necessário menos força para manter a mesma

deformação. A tensão dessa maneira também deve cair quando feita a transformação para a

tensão pois o denominador continua sendo a área inicial do corpo de prova. O gráfico da figura

3.8c é muito comum em metais e principalmente em aços médio e baixo carbonos; o gráfico da

figura 3.8b é mais comum em plásticos, ferros fundidos e aços alto carbono e o da figura 3.8a

acontece com mais frequência em vidros e outros materiais cerâmicos.

Com o gráfico 3.8c iremos fazer a denominação de pontos importantes do gráfico:

- a tensão de escoamento é o valor correspondente, no eixo y, no ponto de esocamento

(descontinuidade) - marcar com o número 1; a deformação no esocamento, é o valor no eixo x no

mesmo ponto marcar com o número 2;

- a tensão máxima é o maior valor, no eixo y, da curva - marcar com o número 3; a deformação na

tensão máxima é o valor no eixo x correspondente - marcar co o número 4;

- a tensão de ruptura é o valor no eixo y do ponto de ruptura - marcar com o número 5; a

deformação na ruptura é o valor no eixo x correpondente - marcar com o número 6.

Destes, os pontos 4 e 5 não apresentam muita aplicação prática: a tensão de ruptura (a não

ser para a determinação de tensões admissíveis, página 18) e a deformação na tensão máxima

não são muito importantes porque não representam os máximos valores de tensão e deformação

alcançados pelo amterial. Ou seja, de importante, deve se destacar os pontos de esocamento

(tensão e elongação) e os pontos de tensão máxima e elongação máxima. Note que no gráfico

3.8b os pontos 3 e 5, asim como os pontos 4 e 6 coincidem. É comum encontrarmos autores que




chamam tensão de escoamento de limite de escoamento, além da tensão máxima ser comumente

chamada de limite de resistência.

Dos resultados que podem ser retirados de um gráfico tensão x deformação talvez o mais

importante talvez seja o Módulo de Elasticidade (também chamado de Módulo de Young ou

Módulo de Rigidez). Advém da Lei de Hooke (ver disciplina de Resistência dos Materiais)

aplicada ao esforço de tração: é a grandeza que, multiplicada pela deformação, fornece a tensão que

provocou a deformação. Tem a mesma unidade da tensão, já que %deformação não possui unidade.

No gráfico tensão x deformação não aparece diretamente, mas pode ser encarada como a inclinação da

reta: quanto maior o ângulo de inclinação, maior o módulo e mais rígido será o material. A figura 3.10

ilustra o comentado.

cateto oposto (c.o.) tg = co / ca

cateto adjacente (c.a.)

Figura 3.13 - Representação gráfica e matemática do Módulo de Elasticidade.

O valor do Módulo de Rigidez é numericamente igual à tangente do ângulo de inclina-

ção da reta (ou o coeficiente angular "a" da reta de equação y=ax +b, onde y=tensão, x=defor-

mação e b=0), a partir de um triângulo cujo cateto oposto pode ser qualquer faixa de valor de y

dentro da região elástica e o cateto adjacente, qualquer faixa de valor de x dentro desta região.

Dúctil x Frágil

Num ensaio de tração podem ser tiradas informações sobre a fragilidade ou a ductili-dade

do material. Frágil é o material que deforma pouco para ser quebrado e dútil é aquele que

deforma bastante. Logo, um material com um valor de %def ( ) maior que outro é mais dúctil.

Limite Elástico e Fator de Segurança

Outra informação útil advinda de um gráfico tensão x deformação é o limite elástico, que

é a tensão máxima que o material suporta imediatamente antes de adentrar na fase plástica ou

numa descontinuidade caracterísitca de escoamento. O limite elástico pode não ser visível em

alguns casos. Em casos deste tipo, conveciona-se o final da fase elástica a partir de valores de




deformação pré-determinados, em linha reta paralela à fase elástica (0,2% para metais e ligas

metálicas; e 0,1% para aços e ligas não ferrosas, por exemplo).

Para que o material não se rompa ou mesmo nem entre na zona de deformação plástica, é

necessário dividir a tensão de ruptura (ou de escoamento) por um número maior que 1 para que a

tensão seja diminúida e utilizada como máxima em projetos e execuções. Este número é o já

comentado fator de segurança. Este fator têm a função de fornecer uma tensão cujo valor é

menor que o máximo que o material aguentaria, mas que fica a favor da segurança, suportando

inclusive uma série de defeitos não previstos. Por exemplo, se o alicerce feito tem, segundo os

cálculos feitos, de suportar a tensão equivalente a presença de 20 andares e o fator de segurança

vale 2, o projetista só aprova a construção de no máximo 10 andares. Se a empresa executora

resolve fazer um andar a mais e se o prédio cair, a culpa cai na executora e não no projetista,

apesar de todos saberem que o alicerce teria condições de aguentar bem mais tensão que a

aprovada. É por isso que o resultado da divisão da tensão de ruptura pelo fator de segu-rança

chama-se tensão admissível ou de projeto, pois é o máximo que se admite no projeto de uma

peça ou estrutura feita com o material. Os catálogos de materiais devem informar se a as

propriedades mecânicas listadas já foram convenientemente tratadas com fatores de segurança.

Cabos de aço são típicos elementos de máquinas solicitados a forças que tendem a esticálos, ou

seja, são constantemente tracionados. Se a cabine de um elevador pesa 200 kg e a tensão admissível

do aço de que é feito o cabo que leva o elevador para cima e para baixo é, segundo seu catálogo,

1360 kgf/cm2 (lembrando que 1 kgf é numericamente igual a 1 kg), qual a capacidade do

elevador? Dada que a seção transversal do elevador tem diâmetro de 0,8cm, a área vale ( x 0,82)/4, ou

seja, 0,50 cm2. Ainda:

Tensão = Força , logo Força = Tensão x Área = 1360 x 0,5 = 680 kgf ou

Área 680 kg.

680 kg - 200 kg (peso da cabine) = 480 kg de pessoas.

Se cada pessoa tiver em média 80 kg, o elevador suporta 6 pessoas. A placa do elevador

terá que ser escrita da seguinte maneira: "Capacidade máxima: 6 pessoas ou 480 kg".

Parece claro pelos exemplos que foram dados que a determinação do fator de segurança

de um material não é uma tarefa simples, dada a enorme responsabilidade jogada sobre a tensão

admissível. Se o cabo do elevador calculado anteriormente estourar com pouco mais de 500 kg, a

culpa pode ser atribuída aos próprios usuários, que desrespeitaram o escrito pela placa. Se isto

acontecer porém com menos de 480 kg a responsabilidade civil vai para a empresa que fez o




cabo de aço, com todas as providências legais como indenizações, cassação de registros

profissinais, honorários de advogados, etc.

Assim, é mais ou menos lógico que se tenha algumas regras para estabelecer com boa

dose de confiança o valor do fator de segurança. Isto pode depender tanto do material quanto da

aplicação. Quanto maior a responsabilidade de aplicação, maior deve ser o fator de segurança e

menor a tensão admissível ou de catálgo. A tabela 3.1 mostra valores de fatores de segurança

adotados para cabos de aço. Nota-se uma grande diferença que existe no fator de segurança um

mesmo aço para diferentes aplicações, admitindo, por consequência, uma tensão maior.

Provavel-mente, para tais casos, o prejuízo em caso de falha ou a frequência de falhas sejam

menores.

Tabela 3.1 - Fatores de Seguraça comumente empregados para cabos de aço

Aplicação Fatores de Segurança

Cabos estáticos (parados) 3 a 4

Cabo para tração horizontal (carro puxando outro carro) 4 a 5

Guinchos, pás, guindastes, escavadeiras 5

Pontes Rolantes 6 a 8

Elevadores de Baixa Velocidade (carga) 8 a 10

Elevadores de Alta Velocidade (passageiros) 10 a 12

Se usarmos o fator de segurança para o elevador dimensionado de 10, podemos calcular a

tensão de ruptura do aço de que é feito:

Tensão Admissível (T.A.) = Tensão de Ruptura (T.R.) , logo T.R. = T.A. x f.s. Fator de Segurança (f.s)

Tensão de Ruptura = 1360 x 10 = 13600 kgf/cm2.

Dimensionando o elevador com este valor de tensão ao invés da tensão admissível, obteremos:

Tensão = Força , logo Força = 13600 x 0,5 = 6800 kgf.

Área

6800 - 200 (peso da cabine) = 6600 / 80 = 82,5 pessoas!, ou seja, um valor mais de 13 vezes

maior que as 6 pessoas. Provavelmente nem caberiam na cabine!




EXERCÍCIOS:

Dados as dimensões do corpo de prova (diâmetro ou largura e espessura, e Lo), vários Fs e ds, traçar

gráfico tensão x deformação e achar a tensão de escoamento, máxima e de ruptura (com as respectivas

deformações) e o Módulo de Elasticidade. Considerar o último ponto como a ruptura do material.

Explique qual deles poderia ser um vidro, um aço e um plástico.

1 2 3

Força (kgf) Deslocament Força (kgf) Deslocament Força (kgf) Deslocamento

o (cm) o (cm) (cm)

0 0 0 0 0 0

100 0,1 10 1 10 0,01

200 0,2 20 2 20 0,02

300 0,3 30 3 30 0,03

280 0,32 50 4 40 0,04

400 0,35 70 5 50 0,05

500 0,40 85 6 60 0,06

620 0,55 98 7 70 0,07

700 0,60 120 8 80 0,08

650 0,70 180 9 90 0,09

Corpo de Prova Retangular Corpo de Prova Tubular Corpo de Prova Retangular

Espessura = 0,1 cm Diâmtro de 0,71 cm Espessura = 0,1 cm

Largura = 1cm L0 = 10cm Largura = 1cm

L0 = 10cm L0 = 10cm




Dados os gráficos abaixo, esquematizados numa escala só, e utilizando os conceitos obtidos até aqui,

identifique quais seriam as possíveis curvas para o aço alto carbono, aço médio carbono, aço baixo

carbono, vidro e borracha natural.

1

2

3

4




4 - COMPRESSÃO

Pelo menos em teoria, o ensaio de compressão é meramente o oposto do teste de tração com

respeito à direção ou sentido da aplicação da tensão. Trataremos das qualidades do teste de compressão

posteriormente, como por exemplo, o fato deste teste poder ser feito no mesmo equipamento que o

teste de tração.

Por ora, é interessante listar alguns de seus defeitos, que acabam limitando a aplicação do teste de

compressão:

1. dificuldade em aplicar uma carga verdadeiramente concentrica ou axial;

2. o caráter relativamente instável deste tipo de carga contrastada com a tensão de tração. Há ainda a

tendência de aparecimento de tensões de flexão e do efeito de irregularidades acidentais no alinhamento,

que podem ser acentuados conforme o teste prossegue;

3. fricção entre as travessas do equipamento de teste e do corpo de prova devido à expansão lateral

do corpo de prova. Isto pode alterar consideravelmente os resultados que seriam obtidos se estas

condições não estivessem presentes;

4. as relatviamente grandes seções transversais do corpo de prova requerido de modo a obter um grau de

estabilidade adequado da peça. Isto resulta na necessidade de um equipamento de alta capacidade de

carga ou corpos de prova tão pequenos e curtos que dificulta a obtenção de resultados com

precisão aceitável.

Para ensaiar então, são preferidos blocos pequenos a grandes corpos de prova ou mês-mo

protótipos de elementos estruturais. Quando necessário o estudo de pilares de sustentação de prédios,

faz-se um bloco do material de que é feito um pilar e procede-se o ensaio.

Procedimento

Em testes comuns, a única propriedade normalmente determinada é a resistência a

compressão (tensão máxima). Para materiais frágeis a tensão de ruptura é facilmente

determinada. O escoamento é normalmente obtido após análise cuidadosa do gráfico, pelo desvio

da parte reta ou pela marcação de deformações padronizadas tal qual visto no teste de tração.




As dimensões do corpo de prova devem ser obtidas com rigor de no mínimo 0,2mm para

madeira e 0,02mm para metais e concreto. Estes três materiais são os mais ensaiados por

compressão por serem os mais comuns em utilizações onde sofrem efeitos compressivos.

Outra preocupação é a centralização do corpo de prova com relação às travessas do

equipamento. As travessas tratam-se de adaptações da mesma máquina utilizada para o teste de

tração. São retirados as garras utilizadas para o puxamento de corpos de prova e colocadas placas

especiais para o teste de compressão. Uma centralização adequada siginifca uma distribuição de

tensão o mais homogênea possível, evitando inclusive a flambagem do corpo de prova (mais

comum em corpos de prova esbeltos-finos), como mostrado na figura 4.1.

Figura 4.1 - Flambagem do corpo de prova

Para o teste de flexão, o próximo que será estudado, é necessário somente a mudança do

dispositivo para a realização do ensaio com o mesmo equipamento. Pela sua versatilidade, tal

equipamento é conhecido como Máquina Universal de Ensaios.

Como no ensaio de tração, uma das coisas mais importantes no de compressão é se

utilizar da área comprimida correta. Como os corpos de prova indicados são blocos e/ou tubos, a

área a ser utilizada é a área da seção transversal (figuras 4.2a e 4.2b). Em corpos de prova ou

peças (como alguns eixos-árvore) onde não há um perfil definido, com larguras ou diâmetros

variáveis na altura (figura 4.3) os testes de compressão não são recomendados, pela dificuldade

em se centralizar os esforços. Porém, para corpos de prova esféricos, o teste é possível. A área

comprimida porém vai ser a área do corpo de prova efetivamente comprimida (como se tivesse

sido feita uma marca na placa.

Figura 4.3a - Corpo de Prova em forma de bloco Figura 4.3b - Corpo de Prova tubular




Figura 4.3 - Perfil de Corpo de prova com descontinuidade na altura

Quaisquer resquícios de óleo o graxa, mais comuns em metais após a usinagem, devem ser

retirados sob pena de diminuir o atrito entre o corpo de prova e as travessas da máquina.

As velocidades de deformação impostas pelo teste são geralmente baixas, dada a pequena

elasticidade dos materiais comumente ensaiados. Corpos de prova de concreto, por exemplo,

devem ser ensaiados à taxa de 0,12 a 0,30 mm/min, podendo chegar a, no máximo, 1,25

mm/min. Metais e madeiras admitem taxas similares ou até inferiores. É normal também se

utilizar de taxas muito inferiores (0,0004mm/min) de modo a fazer com que o ensaio se estenda por

vários minutos e seja possível a leitura de vários pontos no gráfico. Alternativa à isto pode ser o

aumento da velocidade do papel registrador.

Embora menos comum que o extensômetro, em testes de compressão pode-se fazer uso do

compressômetro, de modo a medir pequenas deformações cujo registro por vias normais (no papel

registrador) faz com que se obtenha dados geralmente imprecisos.

Dado a utilidade em se comprimir corpos de prova de aplciação direta em construção

civil, se adpatou o equipamento realizador dos ensaios para realidades mais econômicas e

rápidas. Não é raro, coletar uma pequena amostra do concreto que vai ser usado para a

construção de um pilar por exemplo e jogá-lo, ainda úmido, num tubo ôco. Quando sêco,

teremos um corpo de prova pronto para ser ensaiado. Porém, é pouco provável que cada firma de

engenharia tenha condições e necessidade de adquirir uma máquina de ensaios ou de pagar os

ensaios numa máquina de um lugar que a disponha. Dessa maneira, costuma-se comprimir os

corpos de prova em prensas. O corpo de prova é comprimidado até a quebra e a prensa registra,

por exemplo, a tensão que o material sofria quando arrebentou, provavelmente a máxima tensão

que o corpo de prova suportou.




Resultados

O resultado do teste de compressão é normalmente um gráfico tensão versus deformação de

formato semelhante ao teste de tração, de onde pondem retirar resultados similares, inclusive a tensão

admissível de compressão.

Outro resultado importante é que madeiras, metais, concreto e outros materiais

cerâmicos, apresentam fraturas por compressão que formam linhas típicas. Se o teste for lento e a

fratura superficial, pode-se inclusive observar a trinca nascendo e se propagando, gerando no final

do ensaio, a ruptura do corpo de prova.

Se imaginarmos um bloco como o da figura 4.3a, a fratura pode ser:

- materiais cerâmicos em geral (pedras, p. ex.) - fratura tipo ampulheta (figura 4.5a);

- ferro fundido - fratura em plano inclinado (figura 4.5b);

- concreto - fratura cônica e em tiras (figura 4.5c);

Já os vários tipos de madeira apresentam diferenciados tipos de fraturas. Isto porque a

madeira é um material composto de células formados a partir de um crescimento orgânico que as

alinha de modo a formar uma série de tubos ou colunas numa determinada direção. Como

resultado da estrutura, o limite elástico é relativamente pequeno, não há um limite de escoamento

definido e ocorrem mudanças visíveis antes da ruptura. Estas propriedades variam com a

orientação da carga com respeito à orientação das colunas ou tubos.

Figura 4.5a - Fratura tipo Figura 4.5b - Fratura em plano Figura 4.5c - Fratura cônica

ampulheta inclinado e em tiras

Exercício: Calcule a carga aplicada na ruptura de uma bola de gude ensaiada por compressão,

sabendo-se que o diâmetro da área comprimida é de 0,2mm e que a tensão admissível do vidro de que

é feita é de 200 Kgf/cm2 . Estime um fator de segurança de 2.




5 - FLEXÃO

Se forças atuam num pedaço de material de modo que tendem a induzir tensões

compressivas numa parte da seção transversal e tensões de tração na outra parte, o material é dito estar

flexionado. A ilustração mais comum da ação da flexão é uma barra solicitada por cargas transversais,

embora possa ser causada por momentos resultantes inclusive de solicitações paralelas ao eixo da

peça.

Em estruturas e máquinas em serviço, à flexão pode ser acompanhada por tensão direta,

cisalhamento transversal ou torsional. Por conveniência, em testes de flexão as solicitações em barras

são as mais comuns. A flecha, ou seja, a deflexão da barra é sempre considerada paralela ao esforço

(conforme a Figura 5.1) de modo que o corpo de prova entorte. Para o equilíbrio ocorrer, a soma

das forças de tração tem que ser igual à soma das forças de compressão. A linha onde o esforço é zero

será chamado de linha neutra. No caso da figura 5.1, a parte de baixo (em tração) tende a ser esticada

enquanto a parte de cima (em compressão) tende a ser encurtada. A flexão em barras pode ser

representada por diagramas de cisalhamento e de momento, conforme é visto na disciplina de

Resistência de Materiais.

Compressão

Tração

flecha ou

deflexão

Figura 5.1 - Barra em Flexão

O comportamento mecânico de um material sob flexão é semelhante ao

comportamento exibido pelo mesmo material sob tração e compressão, ou seja, uma zona

elásica, escoamento e zona plástica. Na zona elástica o nível de esforços é baixo o suficiente




para, após serem retirados, fazerem com que o material volte às dimensões que tinha antes de ser

solicitado. O escoamento é o ponto onde, abaixo dele o nível de esforços produz deformações

elásticas (recuperáveis) e acima dele o nível de esforços produz deformações permanentes. O

escoamento é novamente o ponto onde o gráfico desvia da linearidade. Uma importante

vantagem do Módulo de Elasticidade na Flexão (cujo cálculo envolve a tangente da reta

referente a parte elástica, conforme no gráfico de tração) perante o Módulo de Elasticidade na

Tração é que descreve os efeitos combinados de deformação compressiva (logo abaixo à

aplicação da carga) e tracional (no lado oposto da amostra). Se para metais não se observa muita

diferenciação entre os módulos em tração e compressão, para plásticos os módulos podem ser

bem diferentes.

Existem ainda materiais estruturais cujo comportamento sob tração é diferente do

comportamento sob compressão. O concreto, por exemplo, é um caso típico, resistindo mais à

compressão do que à tração. É comum se utilizar da protensão de concretos para minimizar este

“defeito”, adicionando a uma viga de uma ponte, por exemplo, uma barra da aço (que resiste

bem à tração) e a esticando enquanto o concreto não secou e retirando o esforço após o concreto

ter secado. É gerada assim uma estrutura tensionada que compensa a pouca resistência à tração

do concreto. É lógico que a protensão deve ser calculada mediante o tipo de concreto, o tipo de

aço utilizado na barra e principalmente com relação às dimensões da viga a ser protendida e o

nível de esforços que terá que suportar em uso. Sem a protensão, há o desvio (para baixo) da

linha neutra, fazendo com que pouca quantidade de material tenha que suportar toda a tensão de

tração. Para materiais cujo comportamento sob tração é mais eficiente que sobre compressão

(madeira, por exemplo), a linha neutra desvia-se para cima. Os dois casos são mostrados nas

figuras 5.2a e 5.2b, respectivamente. Para materiais de seção transversal não simétrica, a linha

neutra também é deslocada.

Fig. 5.2a - Linha neutra deslocada para baixo / Fig. 5.2b -Linha neutra deslocada para cima

Nota-se pelas figuras 5.2a e 5.2b que o simples desvio da linha neutra para cima ou para

baixo muda os valores da resistência à tração ou à compressão (tamanho da seta). Na figura 5.1,

observa-se que a diagonal traçada, juntamente com a linha divisória na vertical, fornece todos os




valores das tensões suportadas pelo material em cada parte da seção transversal. Na linha neutra, o

valor da tensão é zero; porém, quanto mais distante da linha neutra (tanto para cima ou para baixo)

maior o valor da tensão suportada (compressão ou tração, respectivamente), chegando ao máximo na

superfície do material. Quanto mais deslocada a linha neutra, menor as componentes de um tipo de

tensão, porém maiores serão as componentes do outro tipo, indicando a resistência necessária para

corpos de prova de seção transversal não simétrica ou para peças no formato feitas com materiais

como o concreto.

O ensaio mais comum de flexão é o ensaio em três pontos. Dois desses três pontos

tratam-se dos apoios em cima dos quais fica o material e o terceiro é a carga aplicada (figura

5.1). Para materiais frágeis, costuma-se proceder o ensaio até o final, quando o corpo de prova se

rompe. Já para materiais muito dúteis, o teste pode se alongar bastante, sendo que o gráfico pode

ter o formato da figura 5.3. Após estabelecido o patamar, o ensaio pode ser dado como

terminado, pois o material pode dobrar-se indefinidamente, até mesmo sem quebrar. Nesse caso, outro

parâmetro interessante é a determinação da carga obtida quando o material dobrou-se num certo

ângulo. Este tipo de ensaio, chamado de ensaio de dobramento, tem maior utilidade ao dobrar-se

uma peça numa junta soldada, para avaliação da qualidade da soldagem.

Força

distância percorrida pelo papel

Figura 5.3 - Gráfico de Flexão para materiais muito dúteis

Os cálculos referentes à propriedades de flexão refletem o tratamento matemático de

algumas grandezas:

momento de inércia - é uma relação matemática envolvendo as dimensões do corpo de prova, cuja

unidade final é cm4 e que evidencia a influência do formato da peça em propriedades mecânicas

com as quais se relaciona. Por exemplo, o momento de inércia (J) de corpos de sção retangular

como o corpo de prova da figura 5.4 vale J = ( bx h3 ) / 12 e de corpos de seção circular vale J

= ( x d4 ) / 64, e advém do tratamento matemático do centro de gravidade dos corpos, ponto

onde se dá o equilíbrio dos corpos;




módulo de reistência da seção transversal (W)- é a divisão do momento de inércia pela

distância da linha neutra até a superfície do corpo de prova (c), ou seja W = J/c; o valor de "c" para

seções circulares vale o raio e para seções retangulares vale a metade da altura;

momento fletor (Mf) - força x distância - se a força é aplicada na região média do corpo de prova e

se distribui uniformemente pelo corpo, pode-se considerar somente a metade do valor da força e a

metade do comprimento útil do corpo de prova (L = distância entre os apoios); logo Mf = ( F/2 ) x (

L / 2 ) = ( F. L ) / 4

Dessa maneira, o cálculo para tensão e módulo de corpos de prova de quaisquer seção

transversal ensaiados por flexão em três pontos seguem as equações 5.1 e 5.2.

Tensão = Mf / W, que fornece Tensão = FLc / 4J (5.1)

Módulo de Elasticidade ( E ) = ( L3x

m )/ ( 48 J ) (5.2)

O parâmetro "m" diz respeito à inclinação da reta do gráfico Força x distância percorrida

pelo papel (obtendo assim um triângulo retângulo para o cálculo da tangente). Pode-se ainda

calcular o valor da deflexão a partir da relação "(velocidade da travessa x distância percorrida

pelo papel) / velocidade do papel", assim como no gráfico de tração se obtinha o deslocamento.

A deformação na fase elástica pode ser calculada pela fórmula "tensão = módulo x deformação".

As equações 5.3 a 5.6 apresentam os cálculos a serem feitos em barras de seção

transversal retangulares flexionadas para obtenção das propriedades mais importantes. Nota-se a

importância do registro preciso das dimensões do corpo de prova, que aparece em todas as

fórmulas. Na figura 5.4 a localização das grandezas de comprimento relacionadas ao teste.

Tensão Máxima Smax = ( 3 . Pmax . L ) / ( 2. b. h2 ) (5.3)

Resistência à Flexão Srup = (3 . Prup . L ) / (2 . b . h2 ) (5.4)

Resistência ao Escoamento Sesc = ( 3 . Pesc . L ) / (2 . b . h2 ) (5.5)

Módulo de Elasticidade de Flexão Eb = (L3 . m ) / ( 4 . b . h

3) (5.6)

onde Pmax = carga máxima;

Prup = carga na ruptura;

Pesc = carga no escoamento

L = distância entre os apoios;

b = base da amostra e h = altura da amostra




h

b

L

Figura 5.4 - Corpo de Prova antes do ensaio e as medidas b,h e L

Pelo estudo das equações anteriores pode-se entender o porque do formato tradicional das

vigas que sustentam paredes, lajotas, vãos livres e telhados, por exemplo. Ao se flexionar uma

régua com as mãos, pode-se constatar isso. A deflexão obtida é muito maior quando você a

pressiona contra a superfície maior e não contra a menor. Dividindo tensão / módulo obteremos

que a deformação vale 12 Fc/L2m: a força e a distância entre os apoios tem o mesmo valor nos

dois casos, o valor de "c" é inclusive maior quando a régua está mais alta, porém o valor de "m"

é muito maior neste caso, dado que o material ficou muito mais rígido (com os mesmos valores

de força obtém-se flechas bem menores). Logo, componentes estruturais no formato de barras

respondem da mesma forma, ou seja, deve ser tomado como altura a maior dimensão possível.

EXERCÍCIO: Para os corpos de prova 1 a 3 abaixo, calcule as tensões, módulo e flecha. Onde

Leitura = distância percorrida pelo papel. A amostra 2 não rompeu e o teste foi finalizado após a

chegada no patamar. Faça depois uma lista dos três materiais em ordem crescente de dutilidade.

Amostra L (cm) h (cm) b (cm) P esc. P máx. P rup. Leitura Leitura Leitura

(kgf) (kgf) (kgf) Esc. Máx. Rup. (cm) (cm) (cm)

1 8 0,43 1,3 17,2 22,7 22,7 13,4 18,7 18,7

2 8 0,52 1,3 23,0 32,6 - 13,3 27,8 -

3 8 0,65 1,3 - 29,2 29,2 - 8,7 8,7




6 - DUREZA

O teste de dureza é um dos mais importantes e difundidos ensaios mecâncios que

existem, pela soma de pelo menos três razões:

1 - a dureza é uma propriedade muito importante, uma vez que à ela podem estar associadas desde

mudanças na composição química, até mudanças na estrutura do material;

2 - é talvez o teste mais rápido que existe;

3 - o durômetro, equipamento que mede dureza, é um dos equipamentos de ensaio mais baratos e fáceis

de manusear.

Dessa maneira, sendo um teste rápido, barato e fácil de ser feito, não é à toa que seu uso é

comum. O teste de dureza consiste em pressionar um durômetro com determinada carga contra uma

superfície lisa do material que se deseja medir. A resistência à penetração do durômetro é

instantaneamente transferida a um relógio mostrador, como exposto na figura 6.1.

Figura 6.1 - Esquema de um Teste de Dureza

O elemento do durômetro que vai tentar penetrar a peça a ser medida pode ser uma

agulha, um cone ou uma esfera (caso da figura 6.1). O teste de dureza Brinell,.criado em 1900,

consiste em se pressionar com uma determinada carga uma esfera de aço temperado contra a

superfície a ser medida por um dado tempo e se medir o diâmetro da calota esférica formada.

Cada diâmetro de esfera de aço remete a tabelas onde se varia a força aplicada. Na tabela relativa




a força e ao diâmetro de esfera utilizados no teste, nas linhas listam-se vários diâmetros de

calotas esféricas possíveis de se obter e nas colunas o valor da dureza. Este valor pode inclusive

ser calculado por meio de fórmulas relativamente simples para fornecimento da pressão dada

pela esfera na superfície da peça. Se o valor for, p.ex, 300, escreve-se que a dureza vale HB 300

(de "hardness Brinell" - dureza Brinel). O teste de dureza Brinell é muito utilizado para a

avaliação da dureza de materiais ferrosos, ferro fundido, aços e outros produtos siderúrgicos.

Porém, apresenta sériais limitações, pois a esfera de aço tem dureza menor que um vasto número

de materiais o que não permite a realização do teste para estes materiais. Ainda, existe a

dificuldade em se ensaiar superfícies curvas, devido ao encaixe da esfera. Ainda, como se mede

o diâmetro da deformação formada, é certo que parte da deformação (a elástica) já foi

recuperada, fornecendo um diâmetro inferior ao real. Porém seus resultados têm uma grande

relação com a resistência à tração: quanto maior a dureza, maior a resistência à tração, o que

elimina em muitos casos a necessidade de se realizar o teste de tração, mais caro e demorado.

O ensaio Rockwell, desenvolvido em 1922, é o mais utilizado no mundo dado que

eliminou uma série dos problemas existentes com o ensaio Brinell. Prevê uma pré-carga

anteriormente à carga propriamente dita, para firmar o contato entre medidor e superfície. Além

da esfera de aço temperado, existe um cone de diamante, o que faz com que seja possível se

ensaiar até com o mais duro do materiais. Dessa maneira, existe uma série de arranjos que

podem ser feitos com relação ao diâmetro da esfera e à carga aplicada ou, quando necessário, ao

cone de diamante e à carga aplicada. Assim, cada carga associada a um determinado diâmetro da

esfera ou ao cone de diamente demandará uma escala própria. Outra grande vantagem deste

ensaio é que todas as escalas localizam-se no mostrador do próprio durômetro, fornecendo o

resultado final sem o auxílio de tabelas. O valor é representado por HR (de "hardness Rockwell).

A ETE Anna de Oliveira Ferraz possui um durômetro Rockwell, no Laboratório de Materiais, ao

lado da Oficina Mecânica.

Algumas das limitações do ensaio Rockwell são o fato de que as escalas não são

contínuas (materiais com dureza no início de uma escala e no fim de outra não podem ser

comparados), e seus resultados não apresentam correlação com a resistência à tração.

Em 1925 foi desenvolvido o ensaio Vickers, onde estas limitações são minimizadas. A

grande diferença no equipamento, mais semelhante ao durômetro de Brinell, é a existência de um

microscópio para a verificação exata da deformação imposta após pressionar uma pirâmide de

diamente contra a superfície a ser deformada. Enquanto os outros dois testes apresentavam




restrições com relação à espessura da peça a ser ensaiada, o teste Vickers admite inclusive peças bem

finas, pois a deformação imposta é praticamente pontual.

Testes de dureza tem um vasto campo de aplicação, embora como teste comercial são

mais aplicados a metais do que quaisquer outras classes de materiais. Para plásticos e borrachas

o teste de dureza, do tipo Shore é mais simples ainda, dado que os durômetros podem ser

inclusive portáteis, com uma agulha realizando a penetração e o resultado saindo direto no

mostrador.

Os resultados de dureza podem ser utilizados como se segue:

1 - materiais similares podem ser graduados segundo suas durezas e, cada nível de dureza pode ser

indicado para determinada utilização. Entretanto, o número extraído do ensaio dá apenas uma idéia

comparativa com outro material, não podendo ser utilizado dirteamente em projetos, como podem ser

feitos com os outros testes mecânicos vistos até aqui;

2 - o nível de qualidade de produtos e materiais pode ser checado por testes de dureza. Eles

podem ser aplicados ainda para se determinar o nível de uniformidade após o tratamento térmico de

uma amostra, por exemplo.

3 - Podem ser estabelecidas correlações entre resultados de dureza e resultados de resistência à

tração, por exemplo, de modo que os testes de dureza servem para verificar se uma peça está ou

não dentro de uma determinada faixa de valor sem haver a necessidade de se realizar ensaios

muito mais demorados e caros. Entretanto, correlações deste tipo só podem ser feitas em casos

onde os dois tipos de ensaios foram feitos para peças fabricadas de forma semelhante e com o

mesmo material.




7 - FADIGA

É muito comum se falar que determinada falha ocorreu por fadiga de material, como no

acidente que matou o piloto de fórmula 1 Ayrton Senna e no acidente com o avião da TAM em 1997,

quando um passageiro foi puxado para fora do avião em pleno vôo. Mas o que é exatamente

isso ? Como se mede ?

Fadiga é definida como a falha do material em carregamento cíclico. Imagine então a

barra de direção do carro de Senna, que rompeu-se no Grande Prêmio de Ímola. Ora o piloto

virava o carro para a esquerda, ora para a direita, ora com mais força, ora com menos força. Essa

tensão (no caso de torção), embora num nível bem menor do que aquele que a barra

supostamente aguentaria que foi conseguido num ensaio de torção, repetindo-se várias vezes, ora

de um lado, ora de outro, foi suficiente para provocar a falha do material. A bem da verdade,

barras de direção não quebram-se facilmente, ainda mais em fórmula 1. O piloto havia se

queixado de que a barra deveria ter seu comprimento aumentado pois se sentida desconfortável.

Ao invés de se usinar outra barra, a equipe soldou um pedaço. A linha de solda, notadamente

ponto crítico de solicitação pois não é uma adesão química entre átomos, foi que rompeu-se por

fadiga neste caso.

Metais são famosos por serem anisotrópicos, ou seja, aguentarem mais um tipo de tensão

do que outro e por serem compostos de reuniões de átomos (cristais) que podem apresentar

diferentes valores de falha. Provavelmente, durante um carregamento que impõe tipos diferentes

de tensão, parte do metal já está na zona plástica enquanto outra parte ainda está na fase elástica.

Rompendo-se uma parte, ou alguns cristais dentro da microestrutura, a trinca está aberta interna

ao metal, e sua propagação envolve bem menos tensão para ocorrer. Por esta razão a fadiga pode

ser chamada de fratura progressiva e ocorrer em valores bem menores de tensão do que os

registrados em testes de tração.

A fuselagem de um avião é exemplo de estrutura em carregamento cíclico dado que

conforme o avião sobe e desce existe uma diminuição e aumento da pressão externa, enquanto a

pressão interna é mantida constante por aparelhos. Isso sem contar a brusca diferença de

umidade que pode haver e de temperatura existente entre a altitude habitável (Araraquara está a 640m

acima do nível do mar, por exemplo, a aproximadamente 25oC) e a altitude de cruzeiro (pelo menos

10km acima do nível do mar, a aproximadamente 50oC negativos).




Para que não exista esta desagradável surpresa durante o uso de um material, costuma-se

submetê-lo a um teste de fadiga, onde tenta simular condições de carregamento cíclico e medir o

quanto o material aguenta de tensão por um longo tempo.

Um corpo de prova cilíndrico (espécie de um eixo padronizado) é preso a uma máquina

semelhante ao cabeçote de um torno. Na ponta livre do corpo de prova é pendurado um peso e a

máquina é ligada, conforme a figura 7.1. Considerando-se apenas um ciclo, parte do mateiral

está submetido a tensões de tração (no caso a parte de cima) e a outra parte está submetido a

tensões de compressão (a parte de baixo). Isso já foi detalhado a partir da figura 5.1 no ensaio de

flexão. Num outro ciclo, a parte anteriormente tracionada é comprimida e vice-versa, simulando

as condições de carregamento cíclico. O equipamento de ensaio dispõe ainda de um sistema que

conta quantas rotações foram dadas e quando o material se rompe registra-se o número de ciclos

necessários para se quebrar o material com determinada carga. Esta carga é é dividida pela área

da seção transversal do corpo de prova e é obtido um ponto tensão x número de ciclos que foram

necessários para quebrar o material. Variando-se para mais e para menos o peso colocado se

obtém vários pontos do teste de fadiga, podendo-se obter um gráfico semelhante ao da figura 7.2,

que tem como grande resultado a obtenção do Limite de Fadiga (L.F.), um nível de tensões

abaixo do qual o material aguentaria indefinidamente o carregamento.

Fi a 7.1 - Esquema do Teste de Fadiga

Tensão

x

x

x L.F.------------------

x

x L.F

número de ciclos

Figura 7.2 - Gráfico Tensão x número de ciclos do teste de fadiga

O limite de fadiga pode variar com a composição, microestrutura, tratamento térmico e

tipo de processo de fabircação envolvido na preparação do metal. Desses, a microestrutura tem




dado melhores resultados para estudos onde se deseja aumentar o limite de fadiga. Para se variar a

microestrutura, a distribuição de agragados microscópios ao longo do material, pode-se varirar tanto a

composição química, o tratamento térmico e o processo de fabricação que, cada um

individualmente, tem correlação com o limite de fadiga não muito clara.

Correlações entre o limite de fadiga e outras propriedades mecânicas são desejáveis para

não se realizar testes tão demorados. Entretanto, não existe nenhuma relação direta entre o limite

de fadiga e quaisquer outras propriedades físicas aplicadas a metais. Elongação na ruptura,

tensão máxima e dutilidade parecem influenciar a resistência à fadiga, existindo uma correlação

mais próxima entre limite de fadiga e tensão máxima na tração.Aços laminados ou forjados tem

valores de limite de fadiga entre 45 a 55% do valor da tensão máxima em tração; se os aços

forem fundidos, este limite cai para 40%. A dureza Brinell parece fornecer um bom indicativo do

limite de fadiga para aços laminados e forjados. Para tais materiais, o limite de fadiga (em

MegaPascais, Mpa) é aproximadamente 1,7 vezes o valor da dureza Brinell.

Pode-se notar que o teste de fadiga tem desvantagens óbvias: 1 -

pode demorar muito tempo para ser feito, até meses;

2 - exige a preparação de corpos de prova específicos;

3 - seu resultado é de difícl projeção para projetos, sendo mais utilizado comparativamente,

como os resultados de dureza.




8 - IMPACTO

Todos tem pelo menos uma vaga noção do que é impacto. Materiais em uso podem

constatemente sofrerem violentos impactos e devem ter sido projetados para exibir o melhor

comportamento possível nestas ocasiões.

Talvez a estrutura mais sujetia a impactos seja o pára-choque de automóveis.

Antigamente os pára-choques eram feitos de aço duro, e permaneciam intactos após choques de

pequena proporção. Hoje em dia os pára-choques são feitos de plásticos que se espatifam mesmo em

choques pequenos. Houve um retrocesso na indústria de auto-peças para diminuir custos, colocando

em risco a vida das pessoas ?

Muito pelo contrário, houve avanços. É de conhecimento de todos que num choque o que deve

ficar intacto são os ocupantes do carro e não as peças do automóvel. Os plásticos de que são feitos os

pára-choques absorvem mais o impacto, quebrando-se e não transferindo-o para os ocupantes do

carro. Outras partes do carro estão sendo feitas com metais mais dúteis (dutilidade é uma medida

indireta de resistência ao impacto) para propiciar uma deformação maior quando de uma batida,

ficando com quase toda a carga, facilitando a sobreviência dos ocupantes. Nos pára-choques antigos,

em qualquer batida o impacto era transferido para todo o carro, inclusive para os ocupantes, que não

tem tanta resistência mecânica quanto as outras peças. É lógico que, dependendo da gravidade da

batida, parte do impacto é transferida aos ocupantes, pois a absorção de impacto por parte dos

materiais é limitada.

Em carros de fórmula 1 existem o que é chamado de célula de sobrevivência acoplada ao

Santo Antônio, que é um pequeno disco de metal altamente resistente colocada logo acima da

cabeça do piloto. A célula de sobrevivência, o capacete e o Santo Antônio tem capacidade de

deformação muito baixa, mas uma resistência ao impacto muito grande, evitando que, em caso

de capotamento ou de uma batida forte, enquanto o carro todo é espalhado pela pista o piloto

fique a salvo. Mesmo que o preço disto seja a transferência de algum impacto para o piloto.

O teste de impacto é o teste utilizado para medir o quanto o material pode absorver de um

impacto, ou seja, a tenacidade do material. Tanto os corpos de prova quanto o nível de impacto é

padronizado, de modo que a projeção de seus resultados para o uso só pode ser feita indireta e

qualitativamente.




A figura 8.1 mostra um esquema geral de um teste de impacto. É de se ressaltar que

existem muitas outras variações de teste, como dardos e qualquer tipo que possa ser inventado.

Mas o tipo que se utiliza de um pêndulo solto de uma altura determinada (ou seja com uma

determinada energia potencial = massa x aceleração da gravidade x altura = m.g.h0) que encontra

uma amostra e a quebra, atingindo uma altura menor após esse encontro (com uma determinada

energia potencial), é o tipo mais comum. A diferença das energias (ou a diferença das alturas, já

que a massa e a aceleração é a mesma), é a energia absorvida pela amostra para ser rompida. A

unidade da energia, se massa for dada em kg, aceleração em m/s2 e as alturas em metros, será

Joules (J).

É comum forçar a quebra da amostra, evitando assim que o pêndulo possa parar numa

amostra mais resistente. Assim é feito um entalhe como visto no destaque da figura 1, onde se vê

que sobra um caminho cujo comprimento pode ser medido (em metros), chamado comprimento

útil. O resultado do teste de impacto é dado então em Joules/metro. Como observação, é

interessante ressaltar novamente que tanto o peso do pêndulo, sua altura, corpo de prova, o

entalhe da amostra e todos os outros tipos de variações possíveis são padronizados em norma

específica.

comprimento útil

m.g.h0

Figura 8.1 - Esquema do ensaio de impacto

Exemplo: calcule a res. ao impacto de uma amostra de2 cm de comprimento útil, cujo pêndulo de

1Kg foi solto de uma altura de 10 cm e após a batida com a amostra atingiu 5 cm.




9 - FLUÊNCIA

Já vimos pelo ensaio de fadiga que materiais, mesmo quando tensionados abaixo do nível do

escoamento podem falhar em condições de carregamento cíclico. Mas, e se este carregamento não for

cíclico, porém fixo, e igualmente abaixo do nível de escoamento, o material aguenta

indefinidamente? Obviamente não.

Um bom exemplo pode ser um lustre mantido por uma haste. Após um longo tempo a

haste pode se aproximar das condições de falha, pois ela fluiu. Assim, fluência é a deformação

plástica que ocorre em materiais sob tensão constante ao longo do tempo. Enquanto a maioria

dos materiais são sujeitos a fluência, diferenças estruturais entre metais, plásticos, borrachas,

concretos e outros materiais causam mecanismos de fluência igualmente diferentes. No aço,

temperaturas de algumas centenas de graus são suficientes para que a fluência se torne um

problema, enquanto que alguns plásticos, concreto e chumbo podem sofrer fluência à

temperatura ambiente. Centraremos nossa atenção em torno de metais, particularmente os aços

(cujos sinais iniciais de fluência se dão em 40% da temperatura de fusão) por ser objeto mais

próximo do técnico em mecânica.

Logicamente já deve ter surgido a pergunta: se o fenômeno da fluência pode demorar

muito tempo para ocorrer, como realizar um teste para avaliar sua ocorrência?

O ensaio de fluência é um dos ensaios mais longos que podem ser feitos com materiais.

Porém apesar de demorados eles são acelerados com a utilização da temperatura. Ou seja, à

temperatura ambiente, poderiam demorar anos para terminar. O teste de fluência dessa maneira

informa inclusive a resistência mecânica de materiais submetidos a temperaturas relativamente

altas, como é a utilização de boa parte dos materiais, como metais e cerâmicas, principalmente.

Em altas tempearturas, os materiais podem agir como líquidos viscosos (viscosidade tem

definição semelhante à consistência: o mel é muito viscoso e a água é pouco viscosa), de modo

que uma tensão muito menor que a obtida nos ensaios mecânicos comuns pode causar a falha do

material em alguns minutos. O ensaio de fluência surge como uma maneira de se tentar supor o

coportamento de materiais em altas temperaturas, de modo a evitar surpresas desagradáveis

durante o uso. O ensaio de fluência pode ser considerado inclusive um teste de tração à quente,

porém apresenta análise de resultados de comportamento mecânico completamente diferente da

análise dos resultados de tração. Porém, pode-se utilizar do mesmo equipamento, desde que com




um dispositivo básico: um forno adaptado que aqueça a parte útil do corpo de prova (de formato

similar ao de tração, página 14).

Existem três tipos básicos de teste de fluência: de ruptura, de relaxação e o padrão. O

ensaio de padrão traça a curva de fluência típica do material "Deformação ( ) x tempo(t)" e deve

ser feito na temperatura e na tensão em que a peça vai atuar e durante o tempo de vida útil

esperado. Para casos de tempos muito longos, costuma-se fazer apenas o início do teste e

extrapolar-se (continuar a traçar o gráfico baseado na tendência da curva até então obtida) o

restante. A curva deve ser analisada por partes, conforme a figura 9.1. Logo após submeter a

peça à tensão inicial ocorre uma deformação elástica (OA), dado que a tensão aplicada deve ter

níveis inferiores ao escoamento. Porém, conforme o tempo passa, o material flui, invadindo a

região plástica mesmo sem apresentar níveis de tensão suficientes para isso. Isso pode demo-rar

muito para acontecer e enquanto isso o material responde traçando uma reta paralela ao eixo x,

perfazendo o trecho OAB. Se a temperatura aumentar entretanto, a deformação elástica pode

aumentar, afinal o material amolece (o módulo de rigidez diminui) com a temperatura (OC - tal

trecho pode ter um componente plástico, dependendo da tensão e temperatura empre-gados).

Além disso, a fluência pode se iniciar instantaneamente, traçando o gráfico OCDEF da figura

9.1. Um gráfico de formato semelhante a este seria formado a partir da reta do material ensaiado em

baixa temperatura, porém com valores de deformação e tempo diferentes.

F

1o

2o

E

D

C

A B

O

t

Figura 9. 1 - Gráfico típico de fluência (deformação x tempo)

Nota-se pela figuras 9.1 a existência de três estágios: 1o - no trecho de deformação de C a

D, a fluência é lenta; 2o - nas deformações entre D e E a fluência é um pouco mais rápida e

constante, praticamente uma reta. Este formato facilita inclusive os cálculos para a velocidade de




fluência a partir da inclinação da reta. Já o trecho entre os níveis de deformação E e F (3o) a

fluência aumenta demasiadamente, provocando ao final do teste a ruptura do material.

Dessa maneira, um teste de fluência padrão visa obter um gráfico com os três estágios de

modo a verificar, no tempo relativo ao esperado como vida útil, se a deformação é aceitável ou

não. Este teste pode ser feito na temperatura de uso ou não e quanto menor esta temperatura

maior o tempo de teste. Dessa maneira, é interessante realizar o teste numa temperatura superior

para avaliar o formato do gráfico, obter as velocidades de fluência e realizar a extrapolação até o

tempo desejado.

O ensaio de fluência por ruptura necessita de vários corpos de prova, ensaiados a mesma

temperatura (de preferência a de uso). Cada um é submetido a uma tensão e registra-se o tempo

necessário para romper o material, bem como a deformação de ruptura, fornecendo um gráfico

tensão x tempo de ruptura. Para o tempo de uso desejado, extrapola-se o valor da tensão.

No ensaio de fluência por relaxação, também à temperatura constante, determina-se uma

deformação fixa a ser atingida logo no primeiro instante do ensaio, quando obviamente a tensão

deve ser alta. Conforme o tempo passa, o material vai relaxando, exigindo menos tensão para

manter a deformação. Após decorrido um tempo razoável o teste pode ser dado como encerrado,

extrapolando-se a tensão que seria demandada no tempo de uso desejado para o material. A

grande diferença deste ensaio para o ensaio de ruptura é que só necessita de apenas um corpo de

prova.

Suponha que se deseja transportar um líquido quente qualquer (p.ex. 350oC) de uma parte

à outra de uma fábrica. Constrói-se um corpo de prova com o material que o duto pode ser feito.

A mínima tensão possível em que ele não consiga desenvolver nesta temperatura uma

deformação superior à aceitável pode ser adotada como tensão admissível, embora as correlações

com aplicações práticas devam ser apenas qualitativas. Ou seja, um material com uma tensão

admissível em fluência duas vezes maior que outro provavelmente tem maior resistência à

fluência, porém pouco provavelmente o dobro. Isto dificulta a entrada dos resultados do teste nos

cálculos para achar, por exemplo, a vazão máxima que pode ser dada no transporte do.




10 - RAIO X

O ensaio de raio-X trata-se de um dos mais importantes testes que podem ser feitos com

materiais, pelo fato de propiciar desde investigações científicas, indo até à intimidade do

material, investigando a distribuição de seus constituintes básicos (átomos) até tecnológicas, por

exemplo na avaliação de tensões residuais. Pertence à classe dos testes não destrutivos, aqueles tipos

de testes que não deixam nenhum tipo de marcas nos corpos de prova. Outros testes não destrutivos

são análises visuais (a olho nu ou microscópios) ou testes como ulttra-som e líquidos penetrantes, sendo

que os dois últimos serão tratados também nesta apostila.

NOÇÕES BÁSICAS DE CRISTALOGRAFIA

Átomos costumam agrupar-se conforme seu tamanho e conforme sua carga elétrica. A

exclusão de vidros e outros materiais amorfos (como alguns plásticos), os átomos tendem a se

agrupar da forma mais empacotada possível, respeitando problemas de tamanho e elétricos

(sabidamente, átomos iguais tem cargas elétricas iguais, que tendem a se afastar). Esse

agrupamento é repetido ao longo da estrutura e pode dar origem à forma externa do material.

Essa estrutura empacotada apresenta-se ordenada nas três dimensões e recebe o nome de cristal.

Se cada átomo representar um ponto, estes podem ser ligados e formar figuras

geométricas conhecidas, como cubos. Todos os átomos existentes (mais de cem) podem

apresentar-se somente em 14 formas (desenhos em 3 dimensões). Estas representações são

chamadas células unitárias e repetem-se ao longo das três dimensões do cristal como se fosse um

carimbo, como esquematizado na figura 10.1. Redes de Bravais são arranjos tridimensionais de

células unitárias. Como só existem 14 tipos de células unitárias, só existem 14 redes de Bravais,

que são mostradas na tabela 10.1. Para entender as colunas eixos e ângulos, observe a figura 10.1

que estabelece, além dos dois eixos x e y normalmente conhecidos, um outro eixo, de nome z,

perpendicular aos dois outros, ou seja, como se estivesse furando esta folha de papel. Formam-se

então 3 ângulos retos (90o): entre x e y o ângulo (alfa); entre x e z, o ângulo (beta); entre y e

z, o ângulo (gama).




y

x

z

Figura 10.1 - Representação de estrutura cristalina destacando-se em primerio plano a forma que

repete, ou célula unitária, bem como os três eixos cristalinos tridimensionais

Na tabela é dada mais êfase às células unitárias cúbicas (as únicas que estão desenhadas, por

exemplo) em razão de que concentram a maioria dos materiais de interesse do Técnico em Mecânica.

Os desenhos das outras células unitárias podem ser feito seguindo estes esquemas com relação à

colocação dos átomos e seguindo as medidas e os ângulos.

Essas quatorze células representam o número máximo de configurações possíveis que

qualquer átomo ou molécula (união de dois ou mais átomos) pode apresentar no estado sólido. O

ferro por exemplo, une-se ao carbono para a formação do aço: no resfriamento (a mistura é feita

em altos fornos), ocorre a cristalização, respeitando-se as células unitárias de cada um.

Nota-se pelos desenhos, que existe uma distância entre os pontos numa mesma dimensão,

que chamaremos de “d”, pois representa a distância entre planos de átomos. Para as células

cúbicas este valor é igual ao tamanho da aresta (do eixo completo, representado por "a") e,

apesar de considerarmos cada átomo como um dos pontos, na realidade eles "são" esferas que se

tocam ao longo dos eixos. Logo, esta distância interplanar pode ser substituída pela soma dos

raios dos dois átomos relacionados, valor facilmente encontrado em tabelas periódicas dos

elementos.




Tabela 1 - As únicas 14 células unitárias existentes

Célula Unitária Eixos Ângulos Desenho Exemplos

Cúbica Simples x=y=z=a = = =90o Cdiam,, Mn, Si

(CS)

Cúbica de Corpo x=y=z=a = = =90o Ba, Cs, Cr,

Centrado (CCC) Fe , Fe , Mo, Nb, K, Rb,

Na, W, V

Cúbica de Face x=y=z=a = = =90o Al, Ca, Cu,

Centrada (CFC) Au, Fe , Pb, Ni, Pt, Ag,

Tetragonal x=y z = = =90o - B, In, Pa, Sn,

Simples (TS)

Tetragonal de x=y z = = =90o

-

Corpo Centrado

(TCC)

Ortorômbica x y z = = =90o - Ga, I, Np, P,

Simples (OS) U,

Ortorômbica de x y z = = =90o -

Corpo Centrado

(OCC)


Base Centrada

(OBC)


Face Centrada

(OFC)

Romboédrica x=y=z = = 90o - Sb, As, Bi,

Simples (RS) Hg,

Hexagonal (H) z=y z = =90o,, =120 - Be, C, Cgrafite,

Co, Ti,Zn, Zr

Monoclínica x y z = =90o

- Pu Simples (MS)

Monoclínica de x y z = =90o -

Base Centrada

(MBC)

Triclínica x y z 90o -

Simples (TrS)




Noções sobre Raio-X

Raio-X é um tipo de radiação eletromagnética, ou seja uma onda. A luz visível também é. O

Raio-X e a luz visível se diferenciam um do outro graças a propriedades das ondas: tem

comprimentos de onda e frequências diferentes. Colocando a luz visível num centro, com

comprimentos de onda maiores (e frequências menores), estão o infravermelho, as ondas da TV e as

microondas; com comprimentos de onda menores (e frequências maiores) estão os raios ultra-

violeta, X e gama. A grande utilidade do raio-X na medicina sua propriedade de atravessar tecidos

moles (como músculos e órgãos) e ser refletido por tecidos mais duros (como ossos e dentes). Na área

metalúrgica, a idéia é semelhante.

O comprimento de onda do raio-X varia para mais ou menos 0,0000000001m (ou seja 1 mm

dividido por 1 milhão), que também é a faixa da distância “d” falada anteriormente (distância

entre planos de átomos). Assim, incidindo um raio-X numa amostra metálica, se houver reflexão

significa que existe um “d” do qual planos de átomos se distanciam e essa reflexão é observada ao

se notar que o percurso inicial do raio foi alterado. Essa distância “d” pode ser alterada quando forças

internas ou externas (químicas - ligações, físicas - conformação plástica, térmicas- tratamento, solda)

são aplicadas a uma estrutura cristalina, distorcendo a célula unitária. Em qualquer caso a

variação de “d” é proporcional à tensão (força externa aplicada ou interna gerada dividida pela área de

atuação da força).

Raio X

2

d

Figura 3 - Esquema básico da difração de raios-X.

Pela figura 3 vemos um tubo de raio-X simplificado. Um filamento, que pode ser de

tungstênio, é aquecido e emite elétrons, assim como ocorre com uma lâmpada. Esses elétros são

acelerados e focalizados indo de encontra a um alvo (que pode ser de Molibidênio, Cobre, Ferro,

Cobalto, Cromo, etc, dependendo da peça a ser ensaiada). Após a colisão são produzidas




radiações de comprimentos de onde (lâmbda) típicos de raios-x. Esses raios escapam do tubo por

uma janela e atingem uma amostra e seu plano de átomos. A cada choque com um átomo o raio é

refletido num ângulo 2 (téta) num anteparo que pode ser inclusive um negativo de filme

fotográfico. Através da equação 10.1, conhecida como Lei de Bragg, pode-se determinar a

distância entre os planos de átomos "d".

= 2 . d . sen 10.1

Cada elemento químico então possui um dado “d”. Bombardeando uma peça com um

feixe de raios-X onde força-se a variação de (girando a peça, por exemplo), podemos realizar a

identifcação dos elementos químicos que compõem esta peça. Ainda, como já foi dito pode-se

avaliar tensões residuais ocasionadas por tratamentos térmicos, soldas, conformação plástica,

usinagem, etc. E seguindo o mesmo esquema das "chapas" de raio-x obtidas para fins

medicinais, ou seja, a partir da diferença entre a intensidade do raio-x incidente e que atravessou

a peça, a presença de trincas, vazios, falhas em sistemas de lacração metálica, falhas na solda,

etc.

Outro aspecto importante do teste de raio-x é a seguraça do operador. Quando é

necessário a radiografia de um osso humano para avaliar uma fratura, por exemplo, se observa que o

operador do equipamento vai ligá-lo atrás de uma placa metálica, no caso chumbo. A radiação a

que o paciente se expõe é somente perigosa quando repetitiva, o que acontece com o operador se este

não tomar as precauções. A placa é opaca ao raio-x, não deixando que ele a atravesse. Na

radiografia industrial a segurança deve ser maior ainda, pois a intensidade dos raios-x para os

testes típicos é cerca de 10 vezes superior.

EXERCÍCIO - Foi observada reflexão a 6,45o em relação à superfície de uma amostra atingida por

um feixe de raio X de comprimento de onda 0,58A (1A = 10-10

m). Qual a distância entre os planos de

átomos da amostra?




11 - ULTRA-SOM

Na medicina, o ultra-som é utilizado quando se deseja observar o funcionamento de

órgãos. O ultra-som é então refletido em tempos variados por cada pedaço do mesmo órgão e por

formas variadas de um órgão para outro, permitindo a visualização por contraste de útero, ovário,

trompas, próstata, etc., que tem constituição, tamanho e formato diferentes, respondendo

diferentemente à varredura ultrasônica.

O som audível para os seres humanos é uma onda que varia de 20Hz a 20 kHz de

frequência, enquanto o ultra-som varia de 100 kHz até 20 MHz (a frequência modulada das FMs

por exemplo é de centenas de MHz). Na indústria metalúrgica o ultra-som é muito uitlizado na

busca por defeitos internos de uma peça (trincas e principalmente descontinuidades), na medida

em que não a destrói. O esquema da figura 11.1 ilustra o funcionamento. Por cálculos

semelhantes pode se mensurar a exata espessura de materiais sólidos. Uma fonte de ultra som o

emite na face superior da peça e, quando da ausência de defeitos, chega à face inferior e é

refletida de volta. No caso do encontro de algum defeito, a onda é refletida antes e pelo tempo de

volta pode-se calcular o local exato do defeito. Com outras varreduras pode se estabelecer o

tamanho do defeito, como uma bolha advinda de fusão irregular, e avaliar seu impacto sobre a

peça como um todo.

Defeito

Figura 11.1 - Esquema do teste de Ultra-som




12 - LÍQUIDOS PENETRANTES

A procura por defeitos também é o motivo do ensaio de líquidos penetrantes. Enquanto o ensaio

de ultra-som pode nos dar a exata indicação da localização de um defeito interno, se a peça a ser

fabricada exige somente ótimas características superficiais o ensaio de líquidos penetrantes é mais

recomendado por não exigir instrumentação tão cara quanto o ultra-som. Este ensaio foi desenvolvido a

partir do método do "óleo e giz", criado pela indústria ferroviária nascente, carente de métodos de

inspeção de defeitos. Hoje em dia, a indústria que mais se utiliza do ensaio de líquidos penetrantes é a

indústria aeronáutica.

Na realidade, dificilmente é um líquido só e sim uma mistura de vários, que tenham a

propriedade de penetrar um trincas, poros, dobras e outros defeitos que sejam invisíveis a olho nu. Tal

determinação é importante uma vez que defeitos convenientemente tensionados tem condições de se

propagar levando o material à falha.

Normalmente a esses líqudos são acrescidos de um corante vermelho para facilitar a

localização. Após um tempo de imersão da peça no líquido, é retirado o excesso de líquido e

pressionada a peça contra um borrão, normalmente com talco branco: o tamanho e a localização do

defeito são então revelados e analisados.

Apesar da facilidade que se nota na realização deste ensaio, o teste apresenta uma série de

limitações: a peça tem que estar lisa e livre de pintura, óleo, graxa, etc (que podem igualmente penetrar

nos defeitos) e não tem condições de detetar defeitos além da superfície.




BIBLIOGRAFIA UTILIZADA

DAVIS, H.E.; TROXELL, G.E. e HAUCK, G.F. - "The Testing of Engineering Materials". 4a

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ensaios tecnologicos

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