Ensaio de tração

O ensaio de dureza é um dos métodos mais antigos e confiáveis de se medir se uma parte de um componente foi ou não tratada termicamente com sucesso

O ensaio de dureza é um dos métodos mais antigos e confiáveis de se medir se uma parte de um componente foi ou não tratada termicamente com sucesso. Entretanto, este não deveria ser o único ensaio realizado para confirmar se isto é verdade. Um dos ensaios mecânicos mais confiáveis para nos ajudar a prever o comportamento de um componente sob várias condições de operação é o ensaio simples de tração. Vamos aprender mais.

O ensaio de tração (Fig. 1) nos permite medir a resposta de um material a um carregamento e deformação. Ao se medir a força necessária para alongar um corpo de prova até a sua ruptura poderão ser determinadas propriedades que permitirão aos engenheiros projetistas e aos gerentes de qualidade prever como os seus materiais e produtos irão se comportar nas suas aplicações finais.

Alguns exemplos de produtos e indústrias que utilizam os ensaios de tração incluem fixadores (por exemplo, parafusos e porcas), componentes de cinto de segurança e tubos e tubulações. Os ensaios de tração podem prever a resistência à força de tração, ao descascamento e ao cisalhamento e a força da adesão / ligação. No ensaio, uma extremidade do corpo de prova é presa enquanto a outra é sujeita a uma deformação controlada ou a uma carga controlada. Um transdutor ou servomotor conectado em série com a amostra fornece informações sobre a deformação (d) em função da carga aplicada (P) ou vice-versa.

Uma Pequena Teoria

O conceito de tensão, deformação e resistência dos materiais está no coração de qualquer disciplina de engenharia. Propriedades mecânicas como o limite de escoamento, a resistência à tração, a dutilidade, a tenacidade, a resistência ao impacto, a resistência à fluência, a rigidez, entre outros, têm influência no projeto, na fabricação e na vida em serviço de um equipamento.

As medidas de engenharia para tensão (se) e deformação (ee) são determinadas a partir das leituras da carga e da deflexão utilizando-se a área da seção transversal original (A0) e o comprimento original (L0). As fórmulas para estes valores são as seguintes:

Curvas Tensão x Deformação

As curvas tensão x deformação (Fig. 2) podem ser geradas e divididas em “regiões”, as quais descrevem o que está ocorrendo no nível microscópio, chamadas:

A. Região Elástica

B. Região Plástica

1. Escoamento

2. Encruamento

3. Estricção (ou Empescoçamento)

C. Falha (Fratura)

A forma e a magnitude da curva tensão x deformação de um metal (Fig. 3) dependerão da sua composição, tratamento térmico, histórico prévio de deformação plástica e da taxa de deformação, temperatura, e estado de tensões imposto durante o ensaio. Os parâmetros utilizados para descrever uma curva tensão-deformação de um metal são: resistência à tração, resistência ao escoamento ou limite de escoamento, porcentagem de alongamento e redução em área. Os dois primeiros parâmetros indicam a resistência e os dois últimos indicam a dutilidade.

Na primeira parte da curva (pouca deformação), muitos materiais obedecem a lei de Hooke, a qual afirma que a deformação é, dentro de uma aproximação razoável, linearmente proporcional à tensão. Como resultado, a tensão é proporcional à deformação com uma constante de proporcionalidade, que é o módulo de elasticidade (ou módulo de Young).

Conforme a deformação aumenta, muitos materiais, eventualmente, se desviam desta proporcionalidade linear. O ponto de partida é conhecido como o limite de proporcionalidade. Esta não-linearidade é usualmente associada com a chamada deformação (fluxo) “plástica” da amostra. Nesta região, o material está sob um rearranjamento dos átomos (os quais estão se movendo para novas posições de equilíbrio).

O grau de deformação plástica depende do mecanismo de mobilidade, o qual nos metais (ou seja, materiais cristalinos) se dá pela movimentação de discordâncias. Os materiais que não têm esta mobilidade (ou seja, que têm características microestruturais que bloqueiam a movimentação das discordâncias) geralmente são mais frágeis do que dúteis. As curvas de tensão x deformação para os materiais frágeis são tipicamente lineares em toda a sua faixa de deformação e, eventualmente, fraturam sem ocorrer nenhuma deformação plástica apreciável.

Conforme a deformação plástica prossegue acima do limite de escoamento, a tensão de engenharia alcança um ponto máximo -a resistência à tração (última) do material. A deformação plástica produz discordâncias na região da curva entre a resistência ao escoamento e a resistência à tração. O aumento na densidade de discordâncias faz com que a deformação plástica seja mais difícil.

Este fenômeno de endurecimento por deformação (encruamento) é o fator chave na conformação dos materiais por trabalho a frio. Os rearranjos microestruturais associados com a deformação plástica geralmente não são reversíveis quando a carga é removida, então, o limite de proporcionalidade é sempre o mesmo ou pelo menos próximo do limite elástico do material. A elasticidade é a propriedade de recuperação completa e imediata de uma deformação imposta ao se retirar a carga e o limite elástico é o valor da tensão na qual o material passa a experimentar uma tensão residual permanente que não é perdida durante o descarregamento.

A deformação na falha ocorre após as fraturas na amostra. É o ponto de interação entre a região de recuperação plástica nos eixos de deformação. Ela é conhecida como dutilidade. A dutilidade é a porcentagem de alongamento até a falha e indica uma habilidade geral do material de ser deformado plasticamente.

Um termo relacionado é a tensão de escoamento (Sy) de um material, que é a tensão necessária para induzir a deformação plástica. Como geralmente é difícil determinar a tensão exata na qual a deformação se inicia, a tensão de escoamento é determinada como a tensão necessária para induzir uma quantidade específica de deformação permanente, tipicamente 0,2%, que é a chamada tensão de escoamento “offset”.

Como muitos tratadores térmicos sabem, para os aços a dureza pode ser utilizada para obter uma aproximação da resistência à tração do material (Equações 3 e 4), em que HB é a dureza Brinell (carga de 3.000 kgf) e TS (Tensile Strenght) é a resistência à tração. Entretanto, esta relação está longe de ser exata e somente um ensaio de tração pode revelar a verdadeira natureza da relação tensão x deformação de um material.

(3a) TS(MPa)=3,55 • HB(HB=175)

(3b) TS(psi)=515 • HB(HB=175)

e

(4a) TS(MPa)=3,38 • HB(HB>175)

(4b) TS(psi)=490 • HB(HB>175)

Finalmente, relembramos que a tenacidade mede a habilidade de um material absorver energia e resistir ao choque até a fratura (ou seja, a habilidade de absorver energia na região plástica).

Em outras palavras, tenacidade é a quantidade de energia por unidade de volume que o material pode absorver antes da ruptura e é representada pela área abaixo da curva tensão x deformação. Para mais informações, confira a coluna The Heat Treat Doctor na Industrial Heating intitulada “Tenacidade” (Nos EUA, edição de Dezembro de 2010) e “Tenacidade Revisada” (Nos EUA, edição de Março de 2011).

Nos Termos de Layman

Logicamente que a curva tensão x deformação é dividida em duas regiões distintas de deformação, correspondendo à deformação elástica e à plástica. A deformação elástica é temporária e é completamente recuperada quando a carga é removida. Em contraste, a deformação plástica é permanente e não é recuperada quando a carga é removida (a não ser uma pequena porção que corresponde à parte elástica da deformação). Uma analogia simples para explicar estes conceitos: o elástico de borracha. Quando um elástico de borracha é esticado e então solto dizemos que ele está na região elástica da curva se ele retornar para a sua forma original. O ponto no qual a força que utilizamos é grande o suficiente para não permitir que ele retorne à sua forma original é o limite de escoamento, acima do qual estaremos na região de deformação plástica. Finalmente, quando esticamos o elástico de borracha acima da tensão “última” de tração, ele se rompe e alcançamos o ponto de fratura.

Normas para os Ensaios de Tração

Há diversas normas para os ensaios de tração, incluindo:

• ASTM B913, D76, D1876, D3822, D412, D638, D828, E8;

• BS 5G 178, BS EN 1895;

• ISO 37, 527, 1924, 13934;

• MIL-C-39029, MIL-T-7928.

Referências


[1] Roylance, David, Stress-Strain Curves, MIT, 2001;
[2] Instron (www.instron.com);
[3] Dolbow, John. E., The Stress-Strain Curve, Duke University (www.dolbow.cee.duke.edu);
[4] Engineering Stress-strain Curve: Part One, Key to Metals (www.keytometals.com);
[5] Stress-Strain Relationships, Material Testing Solutions (www.mts.com);
[6] Atlas of Stress-Strain Curves, Second Edition, ASM International, 2002;
[7] K-Street Studios (www.kstreetstudio.com);
[8] Etomia, Molecular Simulations Software (www.etomia.org);
[9] Penn State University, Department of Engineering Science and Mechanics (www.esm.psu.edu);

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