Instituto de Ciências Exatas e TecnologiaCampus São José do Rio Preto

Materiais de Construção Mecânica(Resistência dos Materiais)

LaboratórioEnsaio de Impacto

-Engenharia Mecatrônica 6º Semestre-Docente: Prof. Dr. Fernando Andrés Londoño Badillo

São José do Rio Preto2013

INTRODUÇÃO

Os ensaios de impacto são feitos para medir a segurança, qualidade e

confiabilidade dos mais diversos materiais como, por exemplo, na industria

automotiva e na industria aeronautica, assim como em peças específicas

utilizadas em outras indústrias.É empregado no estudo da fratura frágil dos

metais, que é caracterizada pela propriedade de um metal atingir a ruptura sem

sofrer deformação elastica.

Embora hoje em dia existam ensaios mais elaborados e bem mais

representativos, pela sua simplicidade e rapidez,  o ensaio de impacto (às

vezes denominado ensaio de choque ou impropriamente de ensaio de

resiliência), é um ensaio dinâmico usado ainda em todo o mundo e consta de

várias normas técnicas internacionais como ensaio obrigatório, principalmente

para materiais utilizados em baixa temperatura, como teste de aceitação do

material. Os materiais testados são de madeira, aço, ferro e até mesmo o

plástico.

O ensaio de impacto permite estudar os efeitos das cargas dinâmicas, este

ensaio é usado para medir quanto um material pré-estabelecido tende a

comportar-se de maneira frágil.

INTRODUÇÃO TEORICA 9, 10, 11 12Ductilidade, tenacidade e fragilidadeO comportamento de um metal ou liga metálica em fratura pode ter várias classificações, dependendo do critério abordado. Sob o ponto de vista de energia absorvida durante o processo de fratura, podemos ter a fratura frágil, associada com uma pequena quantidade de energia absorvida e a fratura tenaz, onde é consumidauma grande quantidade de energia antes de ocorrer a fratura.Sob o ponto de vista da deformação plástica que ocorre na vizinhança das superfícies de fratura, a fratura pode ser classificada como dúctil ou frágil. Quando a deformação plástica precedendo a fratura é intensa, dizemos que a fratura é dúctil. Como a deformação plástica ocorre com consumo de energia, a fratura dúctil está vinculada a um comportamento tenaz. Por outro lado, a fratura frágil é aquela que ocorre com baixo nível de deformação plástica e portanto com pequeno consumo de energia.Sob o ponto de vista de micromecanismos de fratura, podemos dizer que a fratura dúctil normalmente ocorre por cisalhamento, enquanto que a fratura frágil ocorre por clivagem. Assim, podemos sumarizar as diversas classificações dos processos de fratura conforme a tabela abaixo:

ENSAIO DE IMPACTO

A tenacidade de um material pode ser determinada por diferentes ensaios, sob diferentes taxas de deformação ou de carregamento. Embora a área sob a curva tensão-deformação, obtida num ensaio de tração, seja uma medida da tenacidade do material, ela é pouco utilizada para caracterizar o comportamento de fratura dos materiais. Dentre os ensaios tidos como convencionais, ou seja, excetuando-se os da Mecânica da Fratura, a tenacidade é mais comumente medida sob altas taxas de deformação, como num ensaio de impacto. Uma vez que a medida de tenacidade mais aceita está correlacionada com a resistência que o material oferece à presença de uma trinca ou entalhe, invariavelmente os corpos de prova são entalhados ou pré-trincados antes da condução dos ensaios. Os ensaios de impacto são denominados de ensaios dinâmicos, onde altas taxas de deformação estão envolvidas. A resposta a este tipo de solicitação é expressa por uma função transiente no tempo. As principais responsáveis pela maioria das falhas frágeis que ocorrem em serviço, são descontinuidades geométricas ou microestruturais que introduzem um estado triaxial de tensões, tal como o que existe na ponta de um entalhe, e particularmente sob temperaturas baixas. Porém, uma vez que estes efeitos são acentuados para taxas de carregamentos elevadas, vários tipos de ensaios de impacto têm sido utilizados para se determinar a suscetibilidade dos materiais à fratura frágil. Os ensaios Charpy e Izod são refinamentos de ensaios que foram desenvolvidos no inicio do século XX, que se diferenciam essencialmente pelas dimensões do corpo de prova e por seu posicionamento ao receberem o impacto: horizontal no primeiro e vertical no segundo. Nestes ensaios, que atualmente são considerados clássicos, um corpo de prova 21 entalhado é submetido ao impacto de um peso conhecido, caindo de uma altura e sob temperaturas conhecidas, em uma maquina do tipo pendular. Nos sistemas mais simples, os resultados são apresentados unicamente em termos da energia total absorvida pelo corpo de prova durante o processo de fratura por impacto.

As fraturas produzidas por impacto podem ser frágeis ou dúcteis. As fraturas frágeis caracterizam-se pelo aspecto cristalino e as fraturas dúcteis apresentam aparência fibrosa. Os materiais frágeis rompem-se sem nenhuma deformação plástica, de forma brusca. Por isso, esses materiais não podem ser utilizados em aplicações nas quais sejam comuns esforços bruscos, como em eixos de máquinas, bielas etc. Para estas aplicações são desejáveis materiais que tenham capacidade de absorver energia e dissipá-la, para que a ruptura não aconteça, ou seja, materiais que apresentam tenacidade.

Esta propriedade está relacionada com a fase plástica dos materiais e por isso se utilizam as ligas metálicas dúcteis neste tipo de aplicação. Porém, mesmo utilizando ligas dúcteis, com resistência suficiente para suportar uma determinada aplicação, verificou-se na prática que um material dúctil pode romper-se de forma frágil.Um material dúctil pode se romper sem deformação plástica apreciável, ou seja, de maneira frágil, nas seguintes condições: velocidade de aplicação da carga suficientemente alta; trinca ou entalhe no material; temperatura de uso do material suficientemente baixa. Alguns materiais são mais afetados pela velocidade alta do choque, apresentando uma sensibilidade que é chamada sensibilidade à velocidade.

Uma trinca promove concentração de tensões muito elevadas, o que faz com que a maior parte da energia produzida pela ação do golpe seja concentrada numa região localizada da peça, com a conseqüente formação da fratura frágil. A existência de uma trinca, por menor que seja, muda substancialmente o comportamento do material dúctil. Esta característica do material dúctil é freqüentemente chamada de sensibilidade ao entalhe. L A A temperatura tem um efeito muito acentuado na resistência dos metais ao choque, ao contrário do que ocorre na resistência estática. A energia absorvida por um corpo de prova varia sensivelmente com a temperatura do ensaio. Um corpo de prova a uma temperatura T1 pode absorver muito mais energia do que se estivesse a uma temperatura T2, bem menor que T1, ou pode absorver a mesma energia a uma temperatura T3, pouco menor que T1Em outras palavras:

A existência de trincas no material, a baixa temperatura e a alta velocidade de carregamento constituem os fatores básicos para que ocorra uma fratura do tipo frágil nos materiais metálicos dúcteis.

As dimensões do corpo de prova, a forma e o tamanho do entalhe usado determinam um dado estado de tensões que não se distribuem de modo uniforme por todo o corpo de prova, no ensaio. Por isso, esse ensaio não fornece um valor quantitativo da tenacidade do metal A energia medida é um valor relativo e serve apenas para comparar resultados obtidos nas mesmas condições de ensaio. Isso explica por que os resultados desse ensaio não têm aplicação nos cálculos de projetos de engenharia.

O dispositivo utilizado para realizar o experimento está esquematizado na figura1,abaixo:

Temperatura de transição

Normalmente, os materiais apresentam uma variação de tenacidadeou de ductilidade com a variação da temperatura. Metaiscom estrutura cristalina cúbica de faces centradas como, por exemplo,cobre, alumínio, níquel e aço inoxidável austenítico, apresentamuma queda suave de tenacidade com a diminuição da temperatura.Por sua vez, metais com estrutura cristalina cúbica de corpo centradocomo, por exemplo, aços ferríticos, apresentam sensível queda emtenacidade em uma certa faixa de temperatura. A figura ilustra, deforma esquemática, a variação de tenacidade com a temperatura,para ambos os tipos de estrutura cristalina.

Deve ser notado que a causa da transição do comportamentodos aços ferríticos de dúctil para frágil quando a temperatura diminuié uma mudança no modo metalúrgico de fratura de cisalhamento paraclivagem, por uma inibição dos mecanismos de deformação plástica.Como uma conseqüência desse aumento da restrição à deformaçãoplástica, e não como uma causa, temos uma passagem de escoamentoem larga escala para escoamento restrito no comportamentomecânico macroscópico do material, fazendo com que o materialfrature logo após o limite de escoamento ser atingido.Não só a temperatura, mas qualquer parâmetro que restrinjaa deformação plástica pode provocar uma queda na tenacidade ou naductilidade, como, por exemplo a taxa de deformação ou o estado detensões reinante.O efeito da taxa de deformação na tenacidade ou na ductilidadepode ser observado na figura. Nota-se que, quanto maior fora taxa de deformação, menor será a tenacidade ou a ductilidade.

O comportamento sob deformação plana refere-se à fraturasob tensões elásticas, que é essencialmente frágil. O comportamentoplástico refere-se à fratura dúctil sob condições de escoamento generalizado,normalmente acompanhado, mas não necessariamente, degrandes lábios de cisalhamento. A transição entre os dois extremos éa região elasto-plástica. A figura mostra a relação entre os micromecanismosde fratura atuantes em cada região e a variação da tenacidadecom a temperatura e taxa de deformação.

Para carregamento estático, a região de transição ocorre atemperaturas mais baixas que para carregamento dinâmico. Então,para estruturas sujeitas a carregamento estático, a curva de transição

estática deve ser usada para prever seu comportamento em serviço,enquanto que, para estruturas sujeitas a carregamento dinâmico, usasea curva de transição dinâmica. Da mesma forma, para estruturassujeitas a taxas intermediárias de carregamento, usa-se a curva detransição intermediária. Quando as taxas reais de carregamento nãosão bem definidas, a curva de carregamento dinâmico é usada paraprever o comportamento da estrutura em serviço. Essa prática é conservadorae explica porque muitas estruturas que apresentam baixatenacidade ao entalhe, medida pelos ensaios de impacto, não falham,mesmo com temperaturas de serviço bem abaixo da temperatura detransição sob condições de carregamento dinâmico.A presença de um entalhe (ou de outro concentrador de tensões) em um componente, que pode alterar o estado de tensões reinantepara triaxial na região do entalhe, dificulta a deformação plásticae, conseqüentemente, reduz a ductilidade (ou a tenacidade) a umadeterminada temperatura. A presença de um entalhe tende a aumentara temperatura de transição dúctil-frágil, tendo, portanto, um efeitosimilar ao aumento da taxa de deformação, como é mostrado na figura.

Nos ensaios de impacto, utilizam-se duas classes de corpos de prova com entalhe: o Charpy e o Izod. Há um tipo especial para ferros fundidos e ligas não ferrosas fundidas sob pressão. Esses corpos de prova seguem especificações de normas internacionais, baseadas na norma americana E-23 da ASTM.

Os corpos de prova Charpy compreendem três subtipos (A, B e C), de acordo com a forma do entalhe. A figura a seguir mostra as formas e dimensões desses três tipos de corpos de prova e dos respectivos entalhes:

As diferentes formas de entalhe são necessárias para assegurar que ocorra a ruptura do corpo de prova, mesmo nos materiais mais dúcteis. Quando a queda do martelo não provoca a ruptura do corpo de prova, o ensaio deve ser repetido com outro tipo de corpo de prova, que apresente entalhe mais severo, de modo a garantir a ruptura. Dos três tipos apresentados, o C é o que apresenta maior área de entalhe, ou seja, o entalhe mais severo.

O corpo de prova Izod tem a mesma forma de entalhe do Charpy tipo A, porém este está localizado em uma posição diferente (não centralizada) – como pode ser visto na figura. O corpo de prova Charpy é apoiado na máquina e o Izod é engastado, justificando seu maior comprimento. Corpos de prova de ferro fundido e ligas não ferrosas fundidas sob pressão não apresentam entalhe – como pode ser visto na figura.

A única diferença entre o ensaio Charpy e o Izod é que no Charpy o golpe é desferido na face oposta ao entalhe e no Izod é desferido no mesmo lado do entalhe.

Mesmo tomando-se todos os cuidados para controlar a realização do ensaio, os resultados obtidos com vários corpos de prova de um mesmo metal são bastante diversos. Para chegar a conclusões confiáveis a respeito do material ensaiado, é recomendável fazer o ensaio em pelo menos três corpos de prova.

Tudo o que foi dito até agora sobre o ensaio de impacto pressupõe sua realização à temperatura ambiente. Em condições de temperatura diversas da temperatura ambiente, os resultados deste ensaio variam sensivelmente.

Ensaio de impacto CharpyO ensaio de impacto Charpy tem sido extensivamente usadonos ensaios mecânicos de produtos de aço e em pesquisa por maisde quatro décadas.O ensaio de impacto Charpy está relacionado com o comportamentodo material sujeito a carregamento dinâmico (altas taxas decarregamento) e a um estado triaxial de tensões associado a umentalhe em V.As características essenciais para um ensaio de impacto são:um corpo de prova adequado, um suporte no qual o corpo de prova écolocado, um martelo com energia cinética conhecida e um dispositivode medição da energia absorvida na quebra do corpo de prova.O corpo de prova padrão conforme a especificaçãoASTM E23.O dispositivo de ensaio, bem como o suporte para colocaçãodo corpo de prova, são mostrados na figura abaixo:

O corpo de prova é colocado no suporte por meio de um dispositivode centralização. O martelo, preso a uma altura determinadapara fornecer uma energia cinética conhecida no momento do impactocom o corpo de prova, é liberado e rompe o corpo de prova na

região do entalhe, continuando sua trajetória até uma certa altura. Amedição da energia absorvida no impacto é feita por meio de um cursorque acompanha o martelo em todo o seu curso até seu retorno,indicando a diferença entre a energia inicial e a energia final domartelo.Para ensaios com temperatura controlada, o tempo entre aretirada do corpo de prova do banho e a sua fratura não deve exceder5 seg. O tempo de permanência do corpo de prova à temperatura deensaio deve ser de, no mínimo, 10 min, para meios líquidos.Após o ensaio, além da energia absorvida, podem ser medidasa expansão lateral (em mm) e a aparência da fratura (em %),conforme ilustrado na figura.

A aparência da fratura pode ser facilmente calculada medindo-se os parâmetros A e B e utilizando-se a tabela:

Percentual de fratura fibrosa para medidas feitas em milímetros(%fratura frágil=100%fratura fibrosa)

As curvas de energia absorvida, expansão lateral ou percentualde fratura por cisalhamento apresentam uma variação semelhantecom a temperatura, mostrada na figura

TIPOS DE FRATURA O termo fratura dúctil pode se referir ao modo de fratura, ou a um colapso por deformação plástica seguida de ruptura do material. A fratura frágil pode ser entendida como uma propagação rápida de uma trinca instável ou como clivagem O significado destes termos deve ser bem esclarecido, pois há casos em que as condições de um ensaio não reproduzem fielmente o comportamento da estrutura (por exemplo, devido a efeitos de escala), e os resultados de laboratório devem ser interpretados com cautela.

FRATURA DÚCTIL Geralmente é o modo escolhido por metais puros, que exibem deformações plásticas da ordem de 100% antes da fratura. A fratura dúctil consome muita energia devido ao grande trabalho de deformação que envolve. Além disto, a trinca não se propaga de maneira rápida, e a falha da estrutura ou componente é precedida por extensa componente de deformação plástica. No campo de tensão gerada durante o processo de fratura os componentes de cisalhamento predominam.

FRATURA FRÁGIL Muitos metais e ligas fraturam de maneira frágil, não apresentando deformação plástica macroscópica. Porém, a fratura é sempre iniciada e acompanhada por deformação plástica localizada, e duas características deste tipo de fratura são preocupantes: 1- ocorre sob tensões inferiores ao escoamento generalizado. 2- ocorre de maneira súbita ou catastrófica

A fratura por clivagem ocorre devido a fatores que intensificam as tensões trativas durante o processo de propagação da trinca, tais como a existência de um campo de tensão triaxial na ponta do entalhe ou da trinca, altas taxas de carregamento e baixas temperaturas.

Materiais e Métodos

Para o ensaio de impacto foi utilzada uma Máquinda de ensaio: CHARPYNo qual as especificação do "Martelo": 25Kg, no qual a martelo, juntamente com a aste que o segura medem 57,7 cm.Foram realizado o ensaio com a máquina sem corpo de prova, para averiguar as forças e posteriormente foi realizado os testes com 4 corpos de prova de materiais diferentes.

Posição Inicial para todos os testes: 90J (α = 60º)Sem o corpo de prova: Posição Final: 20J (α = 295º)Após o ensaio sem nenhum corpo de prova, para obtenção de valores foi adicionado os corpos de prova na máquina de ensaio, todos com as mesma medidas e todos os corpos de prova eram charp tipo A.

OBS.: Como os corpos de prova foram fabricados por estudantes o raio e o angulo dos corpos de provas podem não ser exatos 45°, contendo erros pequenos que não iremos considerar neste relatório.

Procedimento

Os corpos de prova foram colocado na máquina conforme norma ABNT, em cada ensaio feito o martelo era suspenso e travado em um angulo de 60°, apos este procedimento acionava-se o dispositivo que prendia o martelo e assim

este iria de encontro ao material de ensaio, ocasionando assim energia potencial no impacto entre o martelo e o corpo de prova.A equação para o cálculo da energia potencial (Ep) é: Ep = m x g x h, onde: m= massa g =aceleração da gravidade h =altura Este procedimento foi realizado 4 vezes com 4 materiais diferente sendo eles:

1º material: COBRE - Posição final: 54J (α = 180º) - Não quebrou

2º material: ALUMÍNIO - Posição final: 53J (α = 185º) - Quebrou

3º material: LATÃO - Posição final: 53J (α = 185º) - Quebrou

4º material: AÇO 1020 - Posição final: 53J (α = 185º) - Não quebrou

Discussão

Nos ensaios realizados acima observamos que em dois ensaios o corpos de prova partiram no meio, enquanto que nos outros dois a energia potencial ou a força de impacto não foi o suficiente para fazer com que essas peças se rompessem, demonstrando assim que uns materiais precisam de uma maior ou menor força para que se rompão, no caso do ensaio por empacto tem o objetivo de determinar a força máxima no qual o material se rompa, neste caso como foi realizado apenas uma vez para cada corpo de prova, não foi possivel determinar a força máxima, pois 2 corpos de prova se romperam, sendo que ester poderiam se romper com uma força menor que a feita no ensaio, e os outro 2 corpos de prova não se romperam, o que resulta que para se romper a força deveria ser maior.Com a fratura é possivel determinar qual o tipo de material estamos lhi dando, sende ele ductil ou fragil.

Questões

Determinar que tipo de fratura aconteceu em cada material (frágil ou dúctil).1º material: COBRE, fratura indicando material dúctil 2º material: ALUMÍNIO, fratura indicando material frágill 3º material: LATÃO, fratura indicando material frágil 4º material: AÇO 1020, fratura indicando material dúctil

Qual o tipo de corpo de prova usado na experiência.Charp tipo A

Explicar o porque de alguns materiais terem quebrado e outros não, sendo que alguns até absorveram a mesma energia.Os materiais de AÇO 1020 e COBRE, são materiais ductéis e absorveram o impacto, são materiais que possuem uma alta ductilidade.No caso do ALUMÍNIO e LATÂO, são materiais frágeis e não absorvem o impacto ocasionando assim a rupura do mesmo.

Conclusão

Analisando os resultados é fácil perceber que quanto menor a ductilidade da amostra, menor a absorção de energia e maior a probabilidade de ocorrer fratura frágil, e quanto maior a ductilidade maior é a absorção de energia da e menor a chance de ruptura da amostra e vimos também que é possível determinar se o material é dúctil ou frágil pela fratura causada pelo impacto.

Bibliografia

http://www.artigonal.com/tecnologia-artigos/ensaio-de-impacto-1006632.html

http://www.mspc.eng.br/ciemat/ensaio130.shtml#ens_impact

NBRNM 281-1 (11/2003) Materiais metálicos - Parte 1: Ensaio de impacto por pêndulo Charpy

NBR NM281-2 (11/2003) Materiais metálicos - Parte 2: Calibração de máquinas de ensaios de impacto por pêndulo Charpy

NBR6157 (12/1988) Materiais metálicos - Determinação da resistência ao impacto em corpos-de-prova entalhados simplesmente apoiados