materiais plásticos e ensaio de tração
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SENAI – Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
ENSAIOS DE TRAÇÃO MATERIAIS PLÁSTICOS
SENAI – Centro de Educação Profissional de Santo Antônio da Platina, PR – 2012.
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ALISSON CAETANO NEVES EZIQUIEL DE PAULO
JOÃOZINHO DE PAULA GOETTEN
ENSAIOS DE TRAÇÃO MATERIAIS PLÁSTICOS
Trabalho apresentado ao SENAI – Centro de Educação Profissional de Santo Antônio da Platina, como requisito parcial para a obtenção de nota referente à disciplina de Materiais e Ensaios, sob a orientação do Prof. Errisson Martins de Camargo.
SENAI – Centro de Educação Profissional de Santo Antônio da Platina, PR – 2012.
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ALISSON CAETANO NEVES EZIQUIEL DE PAULO
JOÃOZINHO DE PAULA GOETTEN
Trabalho apresentado ao SENAI – Centro de Educação Profissional de Santo Antônio da Platina, como requisito parcial para a obtenção de nota da disciplina de Materiais e Ensaios, sob a orientação do Prof. Errisson Martins de Camargo.
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................. 6
2 OBJETIVOS ...................................................................................................... 8
2.1 Objetivos Gerais ........................................................................................... 8
2.2 Objetivos Específicos ................................................................................... 8
3 JUSTIFICATIVA ................................................................................................ 9
4. MATERIAIS PLÁSTICOS................................................................................. 11
4.1 Definição....................................................................................................... 11
4.2 História.......................................................................................................... 11
4.3 Propriedades do material.............................................................................. 13
4.4 Classificação dos materiais plásticos........................................................... 14
4.5 Matéria Prima............................................................................................... 15
4.6 Plásticos mais utilizados.............................................................................. 17
4.7 Aditivos......................................................................................................... 19
4.8 Os Plásticos e o Meio Ambiente................................................................... 20
4.8.1 Siglas para reciclagem............................................................................ 21
5. ENSAIOS DE TRAÇÃO.................................................................................... 22
5.1 Introdução à Ensaio de Tração..................................................................... 22
5.2 Definição....................................................................................................... 22
5.3 Propriedades Mecânicas avaliadas............................................................. 24
5.3.1 Diagrama Tensão-deformação............................................................... 24
5.4 Comportamento dos Materiais: Materiais Dúcteis e Frágeis........................ 29
5.5 Normalização dos ensaios de tração............................................................ 30
5.5.1 Normas técnicas de ensaios de tração.................................................... 30
5.5.2 Corpos de prova...................................................................................... 31
5.6 Equipamentos para o Ensaio de Tração...................................................... 34
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5.7 Análise de Resultados.................................................................................. 35
5.8 Fatores de influência no ensaio.................................................................... 40
5.9 Exemplo de Ensaio de Tração...................................................................... 40
5 METODOLOGIA ................................................................................................ 42
CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................. 43
REFERÊNCIAS .................................................................................................... 44
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1 INTRODUÇÃO
Passam-se os anos e a evolução tecnológica mostra-se evidente nos
mais variado âmbitos. É impossível não notar, no entanto, a evolução no que
se diz respeito a ensaios de materiais, algo que se torna corriqueiro em
indústrias que trabalham com metais, e que também virou assunto obrigatório
em cursos de graduação e cursos técnicos voltados para a área. Os ensaios,
como o de tração, tornaram-se peça chave para obter-se desempenhos
satisfatórios em um determinado processo ou ferramenta de análise de um
processo realizado, como uma solda entre duas peças ou até mesmo medir a
resistência da solda realizada
Utilizando ainda como plano de fundo a evolução tecnológica, o
plástico também se tornou um material amplamente estudado e utilizado com o
passar dos anos. O plástico surgiu em uma época em que se necessitava
cortar custos de produção, além de melhorar propriedades mecânicas e físicas.
O material é hoje muito popularizado pelo seu baixo custo, fato este que o
torna um material utilizado em basicamente qualquer área, seja ela industrial,
doméstica ou comercial. Além do custo-benefício, alia-se o pese reduzido, a
alta resistência e a possibilidade de obter quase qualquer forma devido a sua
facilidade de trabalho.
A sua usabilidade é numerosa, mas destacam-se a fabricação de
embalagens de diversos tipos, como as famosas garrafas PET, utensílios
domésticos e eletrodomésticos, além das suas aplicações científico-
tecnológicas e diversas outras áreas de indústria.
A substituição de alguns materiais como o metal pelo plástico vem se
tornando cada vez mais frequente, pois, quando bem dimensionados e
projetados, podem oferecer desempenho muitas vezes superior ao material
anterior. Prova disso é o automóvel, que teve várias partes, antes feitas de
metal ou madeira, substituídas pelo plástico, como são o caso do painel, para-
choques dianteiro e traseiro. Se ganha em desempenho e consumo, pelo fato
do carro ficar consideravelmente mais leve.
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Mas é bom frisar que não foram encontradas apenas vantagens com a
descoberta dos materiais plásticos, e quem geralmente sai perdendo é o meio-
ambiente, pois é um material que possui tempo indeterminado de degradação,
podendo ficar até milhões de anos poluindo a natureza.
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2 OBJETIVOS
2.1 Objetivos Gerais
Estabelecer às características, funções específicas, a história, além de usabilidade e influência no dia-a-dia do trabalho, sobre os temas: Ensaio de Tração e Materiais Plásticos.
2.2 Objetivos Específicos
Levantar dados sobre Ensaios de tração, como sua criação,
a história, bem como o seu desenvolvimento e como
ocorreu a sua introdução na área industrial e como o seu
uso reflete no resultado final de um processo industrial.
Levantar dados sobre materiais plásticos, sua história,
criação, usabilidade, formas de trabalho do material, seu
uso na sociedade e na industrial, além do impacto que o
mesmo exerce sobre o planeta na atualidade.
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3 JUSTIFICATIVA
Atualmente, todo conhecimento direcionado aos assuntos relacionados
a ensaios, tanto de tração, compressão ou os ensaios não destrutivos, são de
fundamental importância para um profissional atuante na área mecânica, pois o
seu uso, para obtenção de resultados de qualidade, ou desempenho. O
conhecimento do profissional que atua na área mecânica sobre ensaios de
todos os tipos tornou-se quase obrigatório, presente em disciplinas de cursos
sobre a área.
O ensaio de tração é observado, por exemplo, em casos práticos: se
não fosse usado, não teríamos uma garantia de que a chave usada para
desparafusar os parafusos da roda de um carro suportaria a força à que está
sendo submetida.
“Atualmente, entende-se que o controle de qualidade precisa começar pela matéria-prima e deve ocorrer durante todo o processo de produção incluindo a inspeção e os ensaios finais nos produtos acabados.” (Apostila Telecurso 2000 – Mecânica – Ensaios de Materiais).
Por meio deste pensamento, é fácil compreender a importância que os
ensaios de materiais se tornaram importantes, pois é por meio deles que se
verifica se os materiais possuem as propriedades mecânicas que serão
exigidas pelos consumidores finais.
Já em relação aos materiais plásticos, basta pararmos e observarmos
ao nosso redor e notarmos a quantidade de objetos que são feitos a partir dos
vários tipos de plásticos existentes no mercado atualmente. Desde a nossa
cozinha, com potes, utensílios domésticos, dentre outros, ao nosso carro, com
o painel feito quase que totalmente de plástico, até chegarmos às instalações
elétrica e hidráulica das nossas casas, com tubos de PVC e a isolação dos
circuitos condutores de eletricidade.
“Em vários segmentos da indústria, os plásticos e borrachas se
destacam, pois vem alcançando um papel fundamental na vida
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moderna” (José Aparecido Vicente – Materiais plásticos de
engenharia e suas aplicações).
Este trecho em destaque não deixa de ser verdade, pois não foi em
vão que vários materiais como o metal e madeira, depois de vários estudos e
testes, vêm sidos facilmente substituídos pelo plástico.
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4 MATERIAIS PLÁSTICOS
4.1 Definição
Os plásticos são materiais orgânicos poliméricos sintéticos
macromoleculares que possuem grande maleabilidade, de fácil transformação,
seja empregando-se calor ou pressão, e que serve de matéria-prima para a
fabricação dos mais variados objetos: embalagens, brinquedos, bijuterias,
carcaças de eletrônicos, painéis e partes de carros, roupas, dentre outras
inúmeras utilizações.
Outra definição é a de que um material plástico é aquele que tem
propriedade de adquirir determinadas formas sensíveis, por efeito de uma ação
exterior. Dentro desta definição, que não faremos uso dela, o barro também é
um material plástico.
4.2 História
A palavra “plástico” vem do latim “plasticu” e exprime a característica
dos materiais quanto a maleabilidade. É um termo geral que significa “capaz de
ser moldado”. Também vem do grego “plastikós” e significa “dobras de argila”.
Os materiais comumente designados como plásticos não tem necessariamente
essa propriedade, mas a exibiram em algum momento de sua fabricação,
quando, então, foram moldados.
Por volta do ano de 1860, o inglês Alexander Pakers deu início a
estudos com nitrato de celulosa, uma espécie de resina que mais tarde herdou
o nome de “Parkesina”. Esse material era utilizado em estado sólido e tinha
como característica básica sua flexibilidade, fácil pintura, resistência a água e
cor opaca.
Já no ano de 1862, Parker apresentou na Exposição internacional de
Londres as primeiras amostras do que viria a ser considerado o antecessor da
matéria plástica.
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No mesmo ano, John Wesle Hyatt participou de um concurso realizado
pela empresa Phelan na Collander, com o objetivo de substituir o marfim da
fabricação de suas bolas de bilhar. Depois de várias pesquisas, obteve êxito no
ano de 1870. Nascia ali a primeira matéria plástica artificial, baquelite.
A história industrial do plástico aqui no Brasil teve expressão a partir de
1949, quando foi inaugurada a primeira fábrica de poliestireno, a Bakol S.A. em
São Paulo. Logo foi iniciada a produção comercial do poliestireno de alto
impacto.
De 1945 em diante o plástico invadiu as casas, foi um fenômeno que
não dependeu de condição social, numa época em que o aço estava
predominante.
A tecnologia dos polímeros sofreu um amadurecimento a partir da
década de 80, quando houve uma diminuição no desenvolvimento e nas
pesquisas dos avanços já conquistados. Contudo, podemos observar alguns
avanços nesta área, como:
Polímeros condutores de eletricidade;
Polímeros de cristal líquido;
Reciclagem em grande escala de garrafas PE e PET;
Plásticos de engenharia: poli (éter-imida) e poli (éter-éter-
cetona)
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4.3 Propriedades do material
O material plástico, como qualquer outro material, tem propriedades
exclusivas. Dentre as principais características, estão: baixo peso, alta
resistência à corrosão, baixa condutividade térmica e elétrica, facilidade de
conformação, boa resistência às soluções salinas e ácidas, boa aparência,
coeficiência de atrito.
Como qualquer outro tipo de material, também é possível adicionar
aditivos ao plástico para melhorarmos suas características fico-químicas e sua
aparência, facilitar o seu processamento ou conferir-lhe características
específicas.
A resistência à tração dos materiais plásticos tende a ser baixa,
normalmente não ultrapassando os 10kgf/mm2, diferentemente dos metais que
apresentam até 100kgf/cm2.
Alguns polímeros possuem características de resistência à impactos,
como o policarbonato, mais resistente com o alumínio e a cerâmica, é utilizado
em proteção contra balas de metralhadoras.
Em relação à dureza dos materiais plásticos, eles, em geral, são
menos duros que os materiais cerâmicos, vítreos e metálicos. Os plásticos são
geralmente muito mais macios do que outros materiais. Com exceção do
poliuretano, que apresenta boa resistência à abrasão, comparado a outros
materiais mais duros. Por esse motivo, os plásticos tendem a ser riscados por
outros materiais mais duros e abrasivos.
A resistência à fricção, ou de deslizamento, é uma propriedade
importante para os materiais de engenharia. A força friccional se opõe à força
de deslizamento, e depende do acabamento da superfície do material. Pode
ser representado pelo coeficiente de atrito, que é a razão entre a força de
fricção e a carga aplicada normalmente a superfície de duas placas
superpostas entra as quais se desenvolve o atrito. Para a maioria dos plásticos,
o valor desse coeficiente está entre 0,2 e 0,8.
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Quanto a resistência à abrasão, materiais como os náilons, acetais,
PVC e poliéster apresentam boa resistência à abrasão, enquanto que o
polietileno, os acrílicos e o poliestireno apresentam baixíssimo desempenho
nesse quesito.
Nos polímeros, as propriedades térmicas são analisadas quando a
energia térmica é fornecida ou retirada do material.
“Uma massa de polímero mantida a temperatura suficientemente
baixa é relativamente dura, rígida, tenaz e quebradiça, portanto,
virtualmente não apresenta qualquer mobilidade de suas moléculas
[...] comportando-se mais ou menos como o vidro. Aumentando-se a
sua temperatura, passa-se por uma região de transição vítrea, em
torno de uma temperatura que é característica para cada polímero, a
partir da qual, as cadeias moleculares das regiões amorfas se
afastam e adquirem, aos poucos, sua mobilidade. [...] Prosseguindo o
aquecimento, atinge-se uma temperatura conhecida como
temperatura de fusão cristalina, também característica para cada tipo
de polímero, quando o material passa a comportar-se mais ou menos
como um líquido viscoso. É acima dessa temperatura que se pode
moldar o material. Mas se o aquecimento prosseguir atinge-se a
temperatura de degradação do polímero, em que o mesmo queima e
se decompõe, numa reação química sem volta. (BLASS, 1988, p.16).”
Os polímeros são tipicamente maus condutores térmicos, ao contrário
dos metais. E é fácil reconhecer essa característica, pelo tato, e através da
sensação de calor ou frio, pode-se distinguir um plástico de um metal.
4.4 Classificações dos materiais plásticos.
Os materiais plásticos são divididos em duas famílias, determinadas
pela maneira como as resinas plásticas reagem em relação ao calor. Sendo
assim, os plásticos podem ser termofixos ou termoplásticos.
Polímeros Termofixos.
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Os polímeros Termofixos são polímeros da cadeia ramificada, para os
quais, o “endurecimento” é consequência de uma reação química irreversível.
São plásticos cuja rigidez não se altera com a temperatura. A determinada
temperatura, os polímeros termofixos se decompõem.
Essa impossibilidade de fusão dificulta o desenvolvimento de um
processo adequado de reciclagem destes polímeros. São solidificados com
aplicação de calor e não amolecem mais, ou seja, só podem ser modelados
uma única vez.
São exemplos de plásticos termofixos o fenol formaldeído (baquelite), o
epóxi e o silicone.
Polímeros Termoplásticos.
Os materiais termoplásticos tornam-se plásticos pela ação do calor e
se solidificam com o resfriamento, retendo a forma na qual foram moldados. Se
forem aquecidos novamente, voltam a se tornar plásticos e podem ser
moldados novamente e em novas formas. São exemplos de termoplásticos o
poliestireno, o polietileno, o policloreto de vinila (PVC) e o náilon.
4.5 Matéria-Prima.
A matéria prima básica para a obtenção da maioria dos polímeros é de
origem natural ou sintética, geralmente é o petróleo, da qual é retirada uma
substância incolor chamada Nafta. Este é formado por uma complexa mistura
de compostos. Pelo fato de estes compostos possuírem diferentes
temperaturas de ebulição, é possível separá-los através de um processo
conhecido como craqueamento. É importante observar que apenas uma
pequena parcela da produção mundial de petróleo é usada para a obtenção
dos plásticos, em processos totalmente controlados que não afetam o meio
ambiente e muito menos contribuem para o aquecimento global. A seguir
podemos observar o refino do petróleo para a obtenção do Polietileno e do
Polipropileno.
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Matéria prima Origem Produto
Celulose Natural Acetato de celulose
Nitrato de celulose
Caseína Natural Galalite
Óleo de rícino Natural Nylon
Amônia e Ureia Natural Ureia-formaldeído
Acetileno Sintético Policloreto de vinila (PVC)
Poliacrilovilina
Propeno Sintético Polipropileno
Etileno Sintético Polietileno
Benzeno Sintético Nylon
Poliste
Etileno + Benzeno Sintético Poliestireno
Existe também plásticos obtidos a partir da cana de açúcar, o processo
é resultado da polimerização equivalente aos processos amplamente utilizados
no mundo, tendo como grande diferencial a obtenção da eteno, produzido por
desidratação do etanol da cana-de-açúcar.
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O processo de obtenção de eteno a partir de etanol proveniente de
fonte renovável ocorre através da desidratação do álcool na presença de
catalisadores. A eteno possui pureza adequada para qualquer processo de
polimerização e permite a obtenção de qualquer tipo de polietileno.
4.6 Plásticos mais utilizados.
Dentre uma variedade imensa de materiais plásticos, podemos
destacas alguns deles:
Polietileno tereftalado – PET: Exemplo de utilização: frascos e
garrafas para uso alimentício/hospitalar, cosméticos, bandejas
para micro-ondas, filmes para áudio e vídeo, fibras têxteis, etc.
Benefícios: transparente, inquebrável, impermeável, leve.
Polietileno de alta densidade – PEAD: Exemplos de utilização:
embalagens para detergentes e óleos automotivos, sacolas de
supermercados, garrafeiras, tampas, tambores para tintas,
potes, utilidades domésticas, etc. Benefícios: inquebrável,
resistente a baixas temperaturas, leve, impermeável, rígido e
com resistência química.
Policloreto de vinila – PVC: Exemplos de utilização:
embalagens para água mineral, óleos comestíveis, maioneses,
sucos, perfis para janelas, tubulações de água e esgotos,
mangueias, embalagens para remédios, brinquedos, bolsas de
sangue, materiais hospitalares, etc. Benefícios: rígido,
transparente, impermeável, resistente á temperatura e
inquebrável.
Polietileno de baixa densidade – PEBD/ Polietileno de baixa
densidade – PELBD: Exemplos de utilização: sacolas para
supermercados e lojas, filmes para embalar leite e outros
alimentos, sacaria industrial, filmes para fraldas descartáveis,
bolsa para soro medicinal, sacos de lixo, etc. Benefícios: flexível,
leve, transparente e impermeável.
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Polipropileno – PP: Exemplos de utilização: filmes para
embalagens, embalagens industriais, cordas, tubos para água
quente, fios e cabos, frascos, caixas de bebidas, autopeças,
fibras para tapetes e utilidades domésticas, potes, fraldas e
seringas descartáveis, etc. Benefícios: conserva o aroma, é
inquebrável, transparente, brilhante, rígido e resistente a
mudanças de temperatura.
Poliestireno (Isopor) – PS: Exemplos de utilização: potes para
iogurtes, sorvetes, doces, frascos, bandejas de supermercados,
geladeiras (parte interna da porta), pratos, tampas, aparelhos de
barbear descartáveis, brinquedos, etc. Benefícios: impermeável,
inquebrável, rígido, transparente, leve e brilhante.
Politetrafluoroetileno (Teflon): Exemplos de utilização: fita de
vedação de encanamento, utensílios para a cozinha, canos,
revestimentos à prova d’água, filmes e mancais. Benefícios:
estável, resistente a altas temperaturas e a várias substâncias
químicas, possui superfície quase sem atrito.
Cloreto polivinílico (Saran): Exemplos de utilização: filmes e
embalagens impermeáveis aos aromas dos alimentos. Pl
Outros tipos de plásticos – ABS/SAN, EVA e PA (nylon):
Exemplos de utilização: solados, autopeças, chinelos, pneus,
acessórios esportivos e náuticos, plásticos especiais de
engenharia, CD’s, eletrodomésticos, corpos de computadores,
etc. Benefícios: flexibilidade, leveza, resistência à abrasão,
possibilidade de design diferenciado.
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4.7 Aditivos.
Aditivos são substâncias acrescentadas a um plástico para conferir,
eliminar, diminuir ou aumentar determinadas propriedades, ou conjunto de
propriedades. Nesse grupo encontram-se os lubrificantes, os estabilizantes, os
plastificantes, os retardadores de chama, os agentes antiestéticos, as cargas e
os pigmentos.
Cada um dos aditivos tem sua função específica. Os lubrificantes
facilitam o fluxo do material no processo, impedindo que ele “grude” nos
componentes do equipamento. Os estabilizantes retardam a degradação do
material provocado pelo calor do processamento. Os plastificantes aumentam a
sua flexibilidade. Os retardadores de chama são incorporados ao plástico por
questão de segurança, isso impede que eles peguem fogo, propagem chama
ou fumaça. Os agentes antiestéticos impedem o armazenamento ou até
mesmo a criação de energia estática nas peças e produtos fabricados de
termoplásticos.
As cargas são incorporadas em uma material base que não solubiliza e
que não reage com ele. A sua função é diminuir o seu custo ou aumentar
algumas de suas propriedades, dando-lhe características específicas. As
cargas mais utilizadas são o Talco e o Caulim.
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Os pigmentos são substâncias orgânicas ou inorgânicas para dar cor
ao material, para melhorar seu aspecto.
4.8 Os plásticos e o meio ambiente.
Por mais que os plásticos tenham inúmeras vantagens, desde corte de
custos de produção, sua leveza, facilidade de trabalho, dentre outras
vantagens, ele pode ser enaltecido por uma desvantagem: não ser
biodegradável, ou seja, a natureza, com a luz e o calor do sol, não consegue
transformá-lo em uma substância que ela possa absorver. O plástico, portanto,
não desaparece como a madeira que, quando apodrece, é absorvida pela terra.
Abaixo, há uma tabela comparativa para se ter uma base do tempo de
degradação de alguns materiais:
Resíduo Tempo
Jornais De 2 a 6 semanas
Palitos de fósforo 2 anos
Nylon De 30 a 40 anos
Copinhos de plástico De 200 a 450 anos
Pneus Indeterminado
Sendo assim, aquela garrafa d’água que você joga no gramado do
parque, ou aquele pneu gasto que foi jogado na beira de um córrego vão se
acumular e poluir o meio ambiente. A reciclagem é um modo de reaproveitar a
e controlar a quantidade de material plástico que é lançado na natureza. O
ideal é a utilização de materiais biodegradáveis. As pesquisas nesta área estão
avançadas, mas ainda esbarram no fator econômico: enquanto o material não
biodegradável for mais barato, não irá haver espaço para outro material com as
mesmas características e que não polua o meio ambiente.
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4.8.1 Siglas para reciclagem
Os plásticos possuem uma simbologia para identificar seu tipo e se é
reciclável. Na prática, todos os tipos de plásticos deveriam conter tal simbologia
gravada em algum lugar da peça ou embalagem a fim de facilitar o processo de
reciclagem, porém é fácil encontrar peças plásticas sem tal simbologia.
Os plásticos são representados por um triângulo equilátero, composto
por três setas e o número de identificação ao centro.
Abaixo estão alguns exemplos desta simbologia.
PET – Polietileno Tereftalado
PEAD – Polietileno de Alta densidade
PVC – Policloreto de Vinila
PEBD – Polietileno de baixa
densidade
PP - Polipropileno
PS - Poliestireno
Outros tipos de plástico, entre eles:
ABS/SAN, EVA, PA, etc. Encontrados
normalmente em peças técnicas e de
engenharia, materiais esportivos,
CD’S, etc.
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5 ENSAIO DE TRAÇÃO.
5.1 Introdução à Ensaio de Tração.
Quando compramos um produto qualquer, sempre há a preocupação
com a sua qualidade. Como consumidores exigentes, devemos sempre exigir a
garantia do produto, pois quem o fabrica deve assumir a responsabilidade pelo
perfeito funcionamento do objeto que produziu desde que ele seja usado nas
suas condições ideais.
Na indústria isso não é diferente, todo fabricante de materiais,
principalmente os metais, devem garantir e dar provas de que o material
fabricado atende as exigências do trabalho a que ele vai ser submetido. É por
isso que o fabricante deve realizar testes. Alguns destes testes, que são
realizados em condições rigidamente controladas, são chamados de ensaios
de materiais, assunto que será tratado abaixo.
5.2 Definição.
Entende-se por ensaio de tração a aplicação de esforços em um
material, que tendem a alonga-lo até a sua 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 ele se rompe. Os ensaios de tração permitem conhecer como
os materiais reagem aos esforços de tração, quais os limites de tração que
suportam e a partir de que momento se rompe.
Para que haja um melhor entendimento do assunto, vejamos abaixo as
definições de alguns termos utilizados:
Tração: Na física, a tração é a força aplicada sobre um corpo numa
direção perpendicular à sua superfície de corte e num sentido tal que,
possivelmente, provoque sua ruptura.
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Trata-se de um ensaio amplamente utilizado na indústria de
componentes mecânicos, devido às vantagens de fornecer dados quantitativos
das características mecânicas dos materiais. Entre as principais, destacam-se:
limite de resistência à tração (σu), limite de escoamento (σe), modulo de
elasticidade do material (E), módulo de resiliência (Ur), módulo de tenacidade
(Ut), ductilidade, coeficiência de encruamento (n) e coeficiência de resistência
(k).
Podem ser realizados de duas formas: ensaio de tração
convencional ou real.
Como já se citou anteriormente, quando são submetidos a campos de
forças e/ou momentos, os metais deformam-se. A intensidade e o tipo de
deformação sofrido pelo metal são funções da resistência mecânica do metal,
da intensidade das forças e momentos aplicados, do caminho da deformação,
etc.
As deformações resultantes dos campos de força podem ser
classificadas em dois tipos:
Deformação elástica: é aquela em que removidos os esforços
atuando sobre o corpo, ele volta a sua forma original.
Deformação plástica: é aquela em que removidos os esforços,
não há recuperação da forma original.
Os dois tipos de deformação podem ser explicados pelos movimentos
atômicos na estrutura cristalina do material. Cada átomo do cristal vibra em
torno de uma posição de equilíbrio, característica do tipo de rede cristalina do
metal, sendo seu núcleo atraído pelas eletrosferas dos átomos vizinhos e
repelidos pelo núcleo do mesmo, como se estivessem em um poço de energia.
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Sob a ação de esforços externos, os átomos tendem a se deslocar de sua
posição de equilíbrio.
A deformação plástica envolve a quebra de um número limitado de
ligações atômicas pelo movimento de discordância Depois de removidos os
esforços, continua a existis um deslocamento diferenciado de uma parte do
corpo em relação à outra, ou seja, o corpo não recupera sua forma original.
Para avaliar a deformação em função da tensão aplicada ao corpo de
prova, levanta-se a curva denominada diagrama tensão-deformação.
5.3 Propriedades mecânicas avaliadas.
Para analisar as propriedades mecânicas de um material avaliado em
um ensaio de tração, é utilizado o diagrama tensão-deformação, que é obtido
durante a realização do ensaio. Outras informações são obtidas pela análise
das características do corpo de prova após o ensaio.
5.3.1 Diagrama Tensão-deformação.
Quando o ensaio é realizado, a máquina gera um gráfico que mostra as
relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o
desenvolvimento do ensaio. Mas o objetivo principal do ensaio é a relação
entre a tensão e a deformação do material.
A tensão é dada pela razão entre a força aplicada, denominada F, e a
área do corpo de prova, denominada por S (ou, em algumas apostilas e livros
sobre o assunto, por A).
Como a seção é variável com a deformação dos corpos de prova,
convencionou-se que a área da seção utilizada para os cálculos é a área da
seção inicial do corpo de prova, denominada So. A curva obtida neste ensaio
apresenta certas características que são comuns a vários tipos de materiais
com aplicações na engenharia mecânica.
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Diagrama tensão-deformação para um material com fase plástica.
Limite Elástico.
O limite elástico 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, como faz uma borracha.
Na fase elástica, os metais obedecem a Lei de Hooke, onde suas
deformações são diretamente proporcionais às tensões aplicadas.
Para compreendermos melhor essa lei, se aplicarmos uma tensão de
10 N/mm2 e o corpo de prova se alongar 1%, ao aplicarmos uma força de 100
N/mm2 o corpo de prova se alongará 10%.
Limite de proporcionalidade
A lei de Hooke só vale até determinado valor de tensão, denominado
limite de proporcionalidade, que o ponto representado no gráfico abaixo pela
letra A, a partir do qual a deformação deixa de ser proporcional a carga
aplicada.
Na pratica considera-se que o limite de proporcionalidade e o limite de
elasticidade são coincidentes.
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Escoamento.
Nos materiais dúcteis, quando termina a fase elástica, tem início a fase
plástica, onde ocorrem deformações permanentes no material, mesmo se
cessada a aplicação de força sobre o material. No início da fase plástica,
ocorre o fenômeno chamado de escoamento. Esse fenômeno se caracteriza
pela deformação permanente do material sem que haja incremento da carga,
mas sim um aumento da velocidade de deformação. Durante o escoamento a
carga oscila entre valores muito próximos uns dos outros.
No gráfico abaixo podemos observar com clareza o limite de
escoamento.
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Limite de resistência.
Após o escoamento, ocorre o encruamento, que é o endurecimento
causado pela quebra dos grãos que compõem o material quando deformados a
frio. Nessa fase, a tensão recomeça a subir, até atingir um valor máximo num
ponto chamado de limite de resistência, representado no gráfico pelo ponto B.
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Limite de ruptura.
Continuando a tração, chega-se a ruptura do material, que ocorre num
ponto chamado limite de ruptura, no gráfico representado pela letra C.
Fratura
Consiste na separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas
ou mais partes, sob ação de uma tensão, e pode ser considerada como sendo
constituída da nucleação e propagação da trinca. Pode ser classificada em
duas categorias gerais: fratura dúctil e frágil
A fratura dúctil é caracterizada pela ocorrência de uma apreciável
deformação plástica antes de durante a propagação da trinca.
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A fratura frágil nos metais é caracterizada pela rápida propagação da
trinca, sem nenhuma deformação macroscópica e muito pouca micro
deformação.
5.4 Comportamento dos materiais: Materiais Dúcteis e Frágeis.
Um material dúctil é aquele material que pode ser alongado, flexionado
ou até torcido sem se romper. Também é um material que admite deformação
plástica permanente, após a deformação elástica. A deformação plástica é
acompanhada de encruamento, ou seja, aumento da resistência e
endurecimento do material.
Já um material frágil rompe-se facilmente, ainda na fase elástica. Para
estes materiais o domínio plástico é praticamente inexistente, indicando sua
pouca capacidade de absorver deformações permanentes. Na curva tensão
deformação, a ruptura situa-se na fase elástica ou imediatamente ao fim desta,
não havendo fase plástica identificável.
Os efeitos do ensaio de tração sobre estes materiais podem ser mais
bem analisados no gráfico abaixo.
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5.5 Normalizações dos ensaios de tração.
Com um número cada vez maior de produtos importados dos mais
variados locais do mundo, tornou-se fundamental a normalização dos
processos de ensaios de materiais para saber se o produto de chega até as
nossas mãos realmente suportam a carga de trabalho a que será empregado
em nosso país. Qualquer que seja a procedência do produto, os testes pelos
quais ele passou em seu país de origem devem poder ser repetidos, nas
mesmas condições, em qualquer lugar do mundo.
5.5.1 Normas técnicas de ensaio de tração.
Quando se trata de realizar ensaios mecânicos, as normas mais
utilizadas são as referentes a especificações de materiais ao método de
ensaio.
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Um método descreve procedimento para se efetuar um determinado
ensaio mecânico.
Desse modo, seguindo-se sempre o mesmo método, os resultados
obtidos para um mesmo material são semelhantes e reprodutíveis onde quer
que o ensaio seja executado.
As normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios vêm
normalmente das seguintes instituições:
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASTM – American Society for Testing and Materials
DIN – Deutsches Instituit für Normung
AFNOR – Association Française de Normalisation
BSI – British Standards Institution
ASME – American Society of Mechanical Engineer
ISO – International Organization for Standardization
JIS – Japanese Industrial Standards
SAE – Society of Automotive Engineers
COPANT – Comissão Panamericana de Normas Técnicas
Além dessas, são utilizadas normas de indústrias ou companhias
governamentais.
5.5.2 Corpos de prova
Os ensaios em geral não reproduzem fielmente os esforços que uma
peça irá sofrer em serviço.
Quando realizados no próprio produto, os ensaios têm maior
significado, pois procuram simular as condições de funcionamento do mesmo.
Mas na prática isso nem sempre é realizável, seja por questões financeiras ou
ergonômicas. Além disso, os resultados assim obtidos teriam apenas uma
importância particular para aquele produto.
Um dos meios mais confiáveis para determinarmos as propriedades do
material, independente da estrutura que serão utilizadas, é a confecção dos
corpos de prova.
32
Os resultados obtidos variam a partir do método de ensaio adotado.
Por exemplo, no ensaio de tração de um corpo de prova de aço, o alongamento
é a medida de sua ductilidade, valor este que é afetado pelo comprimento do
corpo de prova, pelo seu formato, pela velocidade de aplicação da carga e
pelas imprecisões do método de análise dos resultados do ensaio.
Portanto, os resultados dos ensaios, quando não são suficientemente
representativos dos comportamentos em serviço, exigem na fase de projeto
das estruturas a introdução de um fator multiplicativo chamado coeficiente de
segurança, o qual leva em consideração as incertezas, não só provenientes da
determinação das propriedades dos materiais, mas também da precisão das
hipóteses teóricas referentes à existência e ao cálculo das tensões em toda a
estrutura.
O ensaio de tração é feito em corpos de prova com características
especificadas de acordo com normas técnicas. Suas dimensões dever ser
adequadas à capacidade da máquina de ensaio.
Normalmente são utilizados corpos de prova com secção circular ou
retangular, dependendo da forma e tamanho do produto acabado.
A parte útil do corpo de prova também identificado como Lo, é a região
onde são feitas as medidas das propriedades mecânicas do material.
A cabeça são as extremidades do corpo de prova, que serve para fixar
o corpo de prova à maquina de modo que a força de tração atuante seja axial.
Elas devem ter secção maior que a parte útil do corpo de prova, para que a
ruptura não ocorra nela.
Entre a cabeça e a parte útil há um raio concordante para evitar que a
ruptura ocorra fora da parte útil do corpo de prova.
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Durante os ensaios, a deformação fica confinada à região central, mais
estreita. O corpo de prova é preso pelas extremidades nas garras de fixação do
dispositivo de testes. A máquina de ensaio é projetada para alongar o corpo de
prova a uma taxa constante, além de medir contínua e simultaneamente a
carga instantânea aplicada e os alongamentos resultantes, isso com o auxílio
de extensômetros, transdutor que serve para medir deformações dos corpos.
Segundo as normas da ABNT, o comprimento da parte útil dos corpos
de prova deve corresponder a cinco vezes o diâmetro da secção da parte útil.
Para materiais soldados, podem ser retirados corpos e prova com a
solda no meio ou apenas o material da solda.
Os ensaios dos corpos de prova em soldas determinam apenas o limite
de resistência a tração, devido o ensaio estar sendo realizado em um corpo de
prova feito com dois materiais de propriedades diferentes (metal de base e
metal de solda). Os valores obtidos no ensaio não representam as
propriedades nem de um e nem de outro material.
Para preparar um corpo de prova, primeiramente deve-se identificar o
material do corpo de prova.
Depois se deve medir o diâmetro do corpo de prova em dois pontos no
comprimento da parte útil, utilizando um micrômetro e calcular a média.
Por fim, deve-se riscar o corpo de prova, ou seja, traçar as divisões no
comprimento útil. Num corpo de prova de 50 mm de comprimento, as
marcações devem ser feitas de 5 em 5 milímetros. A utilidade desses riscos
será explicada mais a frente.
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5.6 Equipamentos para o ensaio de tração.
Geralmente o ensaio de tração é realizado em uma Máquina
Universar, que recebe este nome por possibilitar a realização de diversos tipos
de ensaios.
Maquina universal de ensaios
Fixa-se o corpo de prova na máquina por suas extremidades, numa
posição que permite ao equipamento aplicar-lhe uma força axial para fora, de
modo a aumentar seu comprimento.
A máquina de tração é hidráulica e está ligada a um dinamômetro,
que mede a força aplicada ao corpo de prova. A máquina também possui um
registrador gráfico que vai traçando o diagrama de força e deformação, em
papel milimetrado, à medida que o ensaio é realizado.
35
5.7 Análise de resultados.
Terminado o ensaio, vem à etapa de análise dos resultados. Nesta
etapa, determinam-se as principais propriedades que podem ser obtidas no
ensaio de tração.
Alongamento
O alongamento do corpo de prova pode ser medido em qualquer etapa
do ensaio de tração. Entretanto o comprimento final Lf, no momento da ruptura,
é necessário para calculo da deformação total.
A deformação total é a soma das deformações: Deformação elástica
(recuperada após a ruptura); Deformação durante o escoamento; Deformação
plástica e Deformação depois de atingida a carga máxima.
A soma da deformação no escoamento com a deformação plástica é
chamada de deformação uniforme.
O alongamento plástico define a ductilidade o material, ao mesmo
tempo, este pode definir para que tipo de processo de produção um material é
indicado. A formula para o cálculo do alongamento é a seguinte:
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Para calcularmos o alongamento da peça, precisamos do valor do
comprimento inicial (lo), que foi medido antes de submeter o corpo de prova ao
ensaio.
Para descobrirmos o comprimento final, devemos recorrer aos riscos
que foram feitos na peça na etapa preparatória. A primeira coisa a se fazer é
juntar, da melhor forma possível, as duas partes do corpo de prova.
Depois, procurar o risco mais próximo da área de ruptura e contar a
metade das divisões (n/2) para cada lado. Mede-se então o comprimento final,
que corresponde à distância entre os dois extremos dessa contagem. Esse
procedimento pode ser mais bem entendido pela observação da imagem
abaixo.
Porém, este método serve apenas para determinar o comprimento final
quando a ruptura ocorre no centro da peça.
Caso ela ocorre fora de centro, deve-se adotar o seguinte
procedimento normalizado:
Localizar o risco mais próximo da ruptura
Conta-se n/2 divisões de um dos lados
Acrescentam-se ao comprimento do lado oposto quantas
divisões forem necessárias para completar as n/2 divisões.
A medida de Lf será a somatória de L’+L”, conforme mostra a figura a
seguir.
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Medição da redução de Área.
A estricção ocorre depois de atingida à carga máxima. A deformação é
maior nesta região enfraquecida. A estricção é usada como medida da
ductilidade, ou seja, quanto maior a estricção, mais dúctil é o material. O
fenômeno da estricção é ilustrado na figura abaixo.
É importante ressaltar que a estricção não pode ser considerada uma
propriedade específica do material, mas somente uma característica do seu
comportamento. Isto se justifica porque o estado de tensões depende da forma
da secção transversa, por sua vez, a fratura depende não só do estado de
tensões e deformações, mas de como se desenvolveu. Então a deformação
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após a carga máxima não é sempre a mesma. Apesar do seu caráter mais
qualitativo, a estricção é mencionada e usualmente especificada para diversos
materiais.
A estricção é representada em fórmula pela letra Z, e pode ser
calculada usando-se a seguinte fórmula:
Onde: So é a área de secção transversal inicial e Sf é a área final,
conhecida pela medição da região fraturada.
Limite de escoamento
Ele é obtido verificando-se a parada do ponteiro na escala da força
durante o ensaio e o patamar formado no gráfico exibido pela máquina. Com
esse dado é possível calcular o limite de escoamento do material.
Entretanto, vários metais não apresentam escoamento, e mesmo nas
ligas em que ocorre ele não pode ser observado, na maioria dos casos, porque
acontece muito rápido e não é possível detectá-lo.
Por essa razão foram determinados alguns valores para determinar
este limite.
O valor determinado (n) corresponde a um alongamento percentual. Os
valores de uso mais frequentes são:
n = 0,2%, para metais e ligas metálicas em geral;
n = 0,1%, para aços ou ligas não ferrosas mais duras;
n =0,01% para aços-mola.
Tensão no limite de resistência.
Este valor de tensão é utilizado para a especificação dos materiais nas
normas, pois é o único resultado preciso que se pode obter no ensaio de tração
e é utilizado como base de cáculo de todas as outras tensões determinadas
neste ensaio.
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Por exemplo, um aço 1080 apresenta um limite de resistência de
aproximadamente 700Mpa. Ao serem feitos novos lotes dessa peça, devemos
executar seu ensaio para verificarmos se ele realmente possui essa
resistência.
Conhecer o limite de resistência é útil para comparar materiais. Por
exemplo, um aço 1020 apresenta aproximadamente 400Mpa de resistência à
tração. Este valor nos demonstra que o aço 1080 tem resistência 300Mpa
maior que o 1020. Apesar de não ser utilizado este valor para dimensionar
estruturas, ele servirá de base para o controle de qualidade dessas ligas.
Limite Elástico ou de proporcionalidade
O limite elástico é a máxima tensão a que uma peça pode ser
submetida. Por isso, o conhecimento de seu valor é fundamental para qualquer
aplicação.
A rigor, a determinação do limite elástico deveria ser feita por
carregamentos e descarregamentos sucessivos, até que se alcançasse uma
tensão que mostrasse, com precisão, uma deformação permanente.
Dispõem-se as tensões em função das deformações em um gráfico,
observa-se que, em um princípio e para a maioria dos materiais, aparece uma
zona que segue uma distribuição quase linear, onde a pendente é o módulo de
elasticidade (E). Esta zona corresponde às deformações elásticas do material
até um ponto onde a função muda de regime e começa a curvar-se, zona que
corresponde ao início do regime plástico. Esse é o ponto de limite elástico.
Devido à dificuldade para localizá-lo exatamente e com total fidelidade,
já que nos gráficos experimentais a reta é difícil de determinar e existe uma
banda onde poderia situar-se o limite elástico, em engenharia se adota um
critério convencional e se considera como limite elástica a tensão a qual o
material tem uma deformação plástica de 0,2% (ou também ε = 0,002).
Tensão de ruptura.
Não é possível determinar com precisão a tensão de ruptura, pois não
há forma de parar o ponteiro do indicador da força no instante exato da ruptura.
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Além disso, o limite de ruptura não serve para caracterizar o material, pois
quanto mais dúctil o material for, mais ele irá se deformar antes de se romper.
5.8 Fatores de influência no ensaio.
Alguns fatores podem influenciar no resultado final dos ensaios, dentre
eles:
Velocidade de aplicação da carga (ou interrupções prolongadas
do ensaio);
Temperatura;
Falhas ou alterações no corpo de prova, problemas de fixação
do corpo de prova na máquina.
5.9 Exemplo de ensaio de tração.
A partir de uma chapa de aço 1020 como corpo de prova, foi realizado
o ensaio de tração. Esse ensaio mostrou um gráfico, que será mostrado a
seguir, de tensão-deformação que junto com o software determinou as
seguintes propriedades do material: módulo de elasticidade, limite de
escoamento, limite de resistência mecânica, limite de ruptura, módulo de
tenacidade, módulo de resiliência e alongamento total.
O equipamento utilizado foi uma máquina universal modelo Emic DL
10000.
O programa utilizao no ensaio foi o Tesc versão 3.01
O Corpo de Prova utilizado tem na constituição de seu material o Aço
1020.
A seguir temos o relatório do ensaio de tração, onde é possível ver
como foi o comportamento nas diversas propriedades que constituem esse
material, durante o ensaio de tração.
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Abaixo os resultados obtidos durante o ensaio:
Propriedades Valores
Tensão de ruptura 88 MPa
Tensão de força Máxima 653 MPa
Tensão de Escoamento 337 Mpa
Módulo de Elasticidade 6328 MPa
Neste tipo de ensaio, podemos afirmar que as deformações sofridas
pelo material estão uniformemente distribuídas em todo o seu corpo. A ruptura
se dá na parte mais estreita do material, a menos que um defeito do material,
fora dessa região promova a ruptura do mesmo, o que raramente ocorre.
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5 METODOLOGIA
O trabalho utilizou um método pesquisa bibliográfico, onde cada
membro do grupo teve a oportunidade de pesquisar sobre os temas do
trabalho, contribuindo para sua montagem e formação de conhecimento
próprio. Para realização da pesquisa, foram utilizados como meios a internet,
além de apostilas, livros e trabalhos realizados por alunos de cursos de
engenharia mecânica. As imagens foram obtidas através de pesquisas em sites
sobre os temas relacionados. Os testes que foram mencionados no trabalho
foram todos realizados em laboratórios por alunos e professores em
faculdades.
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
A partir dos conhecimentos compartilhados acima, podemos entender
os principais pontos de cada tema, Materiais Plásticos e Ensaio de Tração,
suas aplicações, recomendações, vantagens e desvantagens e inclusive o seu
impacto no meio ambiente em geral.
Por mais que os dois assuntos sejam em sua teoria extensos e com
muitos pontos chaves a serem citados, sendo que vários pontos foram limados
do trabalho, acreditamos que o principal foi citado, e pontos de interesse para a
área foram mencionados.
No que diz respeito a montagem do trabalho, por mais que ela tenha
sido demorada e tenha exigido dedicação dos envolvidos (o mínimo que
poderia de se esperar), isso permitiu que todos pudessem ter pelo menos um
pouco de interesse pelos assuntos, fazendo com que fossem sugeridos
assuntos e que alguns fossem retirados do trabalho.
Para a sua exposição aos colegas de classe, o que é mencionado é
apenas uma pequena e fundamental parte de toda a teoria aqui exposta, por
impossibilidade de se expor o seu conteúdo total, é apenas citado o essencial
para que se possa fazer o entendimento básico do trabalho.
Mas o resultado final é o de dever cumprido, o de saber que, todo o
esforço que foi dado para a concepção deste trabalho gerou um resultado final
que agradou a todos os alunos envolvidos.
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REFERÊNCIAS
EBAH! A rede social para o compartilhamento acadêmico. Disponível em: <http://www.ebah.com.br>. Acesso em: 22 ago. 2012.
WIKIPEDIA. A Enciclopédia livre. Disponível em: <http://pt.wikipedia.org>. Acesso em: 22 ago. 2012. APARECIDO VICENTE, J. Materiais Plásticos de engenharia e suas aplicações. Centro Paula Souza – Faculdade de Tecnologia da Zona Leste. FOX RECICLAGEM. Disponível em: <http://www.foxreciclagem.com.br/produtos_plastico.php>. Acesso em 24 ago.2012 JULIATTO BERTOLI, R. PROCESSOS DE FABRICAÇÃO – Plásticos. UNIP – Universidade Paulista. CARAM, RUBEM. Estrutura e Propriedades dos Materiais – Materiais Poliméricos. MECÂNICA – Ensaios de Materiais. Telecurso 2000 Profissionalizante. AMAURI GARCIA, SPIM ALVARES, J. CARLOS ALEXANDRE DOS SANTOS – Ensaio dos Materiais. URI – Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões. Ensaios dos materiais. SENAI-RJ – MECÂNICA. Materiais, Ensaios e Tratamentos Térmicos, versão preliminar. RICARDO ZAIDEN, A. ALEXADRE ROQUE, B. AUGUSTO DE OLIVEIRA, G. PAULO PETTERSON, L. – Ensaios Mecânicos de Metais. Universidade Federal de Uberlândia.
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MARQUES DE ALMEIDA, G. ALVES DA SILVA, S. PEREIRA LOPES, O. CARVALHO LIMA, R. – Relatório de Ensaio de Tração. UNIP – Universidade Paulista.
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Este modelo de projeto foi elaborado com base nas normas da Associação Brasileira de
Normas Técnicas NBR: 14724:2005 10520:2002 6027:2003 6024:2003 6023:2003 6028:2003
Livro da UEL – Normas e padrões para Teses, Dissertações e Monografias.