Ensaios de Tração Objetivos



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Ensaios de Tração

  1. Objetivos

Este trabalho tem por objetivo a análise dos dados obtidos em um experimento de ensaio de tração, o qual tem por finalidade maior, o estudo das propriedades mecânicas de uma liga de aço e metal alumínio.

  1. Introdução Teórica



    1. Definição de Tensão

Dada uma barra submetida a uma deformação uniforme constante, tem-se que tal deformação é resultado de uma tensão normal constante σ(Fig. 2.1). O resultado é que cada diferencial de área ΔA da seção transversal da barra está sujeita a uma força ΔF = σ ΔA, e o somatório de todas as forças que atuam sobre toda a área transversal deve ser igual à força total P na seção. Tomando-se o diferencial de área e a parte infinitesimal de força temos que:



Fig.2.1.1: Esquematização – Tensão em uma barra



Logo temos que:



Onde:


σ = Tensão normal média em qualquer ponto da área da seção transversal.

P = Resultante da força normal interna, aplicada no centróide da área da seção transversal.

A = Área da seção transversal da barra de aplicação


    1. Definições do ensaio de tração

A resistência de um material depende de sua capacidade de suportar uma carga sem deformação excessiva ou ruptura. Tal propriedade é inerente ao próprio material e dessa forma deve ser determinada de forma experimental. Atualmente o principal método de medição dessa característica é o chamado ensaio de tração ou teste de tração e compressão. Dentro deste contexto o ensaio de tração permite a determinação da relação entre a tração normal média e a deformação normal média, sendo tal relação importante no estudo e aplicação de materiais de engenharia, como metais, cerâmicos e polímeros.

Experimentalmente define-se um corpo de prova o qual deve possuir tamanho e formato “padronizados”. Este deve possuir duas marcas de punção distantes de suas extremidades, isto, pois, nas extremidades quando do início do experimento estas regiões possuem uma distribuição de tensão muito complexa devido à fixação dos acoplamentos em que a carga é aplicada.

Para fins de análise definem-se os seguintes parâmetros:

A0 = Área inicial da seção transversal do corpo de prova

L0 = Comprimento de referência entre as marcas de punção

Durante a realização do teste mede-se o alongamento δ = L-L0, onde L é o comprimento medido após a aplicação de uma força de tração contra o material estudado. Em termos práticos o parâmetro δ é medido experimentalmente através de um aparelho ótico denominado extensômetro.



    1. Diagrama de Tensão-Deformação

Com os dados do experimento de tração e compressão calculam-se diversos valores de tensão e a deformação correspondente e através deste dado constrói-se o chamado diagrama de tensão-deformação. Dessa forma temos que a tensão nominal ou de engenharia obtida através dos dados é dada por:

Da mesma forma temos que a deformação nominal ou de engenharia é encontrada diretamente pela leitura do extensômetro, ou dividindo-se a variação no comprimento de referência, δ, pelo comprimento referencial inicial L0. Supondo que a deformação seja constante em toda a região entre os pontos de calibragem temos que:



Com esses dados constrói-se o diagrama de tensão-deformação convencional, sendo este extremamente importante no estudo de resistência à tração dos materiais, sem considerar sua geometria.

Vale ressaltar que para a maioria dos materiais que são solicitados em tração com níveis de tensão baixos, tem-se uma proporcionalidade entre a tensão e a deformação dada pela Lei de Hooke por:

Onde E é módulo de elasticidade ou módulo de Young, que é parâmetro para se determinar a rigidez de um material.





Figura 2.2.1: Diagrama tensão deformação

A análise de um diagrama permite a distinção de várias regiões características, discriminadas logo abaixo:


Região Elástica/Comportamento Elástico: É característica dessa região a proporcionalidade total ou parcial dos parâmetros Tensão e Deformação. Dessa forma em grande parte dos casos tem-se a presença de uma reta indicando uma equivalência linear entre ambos. O limite superior desta relação linear é o limite de proporcionalidadelp). Se a tensão total aplicada excede este valor o corpo pode responder elasticamente da mesma forma, no entanto a curva sofre uma deflexão e um achatamento. Essa condição perdura até que a tensão chegue a um valor crítico denominado limite de elasticidade.

Deformação Plástica/Escoamento: Um pequeno aumento da tensão acima do valor do limite de elasticidade leva a um estiramento permanente do material, sendo tal comportamento denominado escoamento. Denomina-se aqui como tensão de escoamento a responsável por tal processo assim como a deformação neste caso será denominada deformação plástica. Atingido o limite de escoamento superior logo em seguida têm-se o limite inferior. Uma vez atingido o limite o corpo continuará se deformando, mas sem aumento de carga. Materiais neste estado são denominados perfeitamente elásticos.

Endurecimento por deformação: Quando o escoamento termina e se uma carga adicional for impressa ao corpo de prova tal evento se caracterizará por uma curva acentuada e que vai se tornando mais plana até atingir o limite de resistência. Neste período a área da seção transversal decresce de maneira uniforme.

Estricção: Após o limite de resistência a área a secção transversal continua a diminuir, mas em uma área restrita e localizada. Esse fenômeno é devido aos planos de deslizamento formados e a deformação devido às tensões de cisalhamento. Com a continuidade das tensões o corpo tende a atingir um limite máximo denominado tensão de ruptura, e neste ponto o corpo quebra.


  1. Materiais e Métodos

3.1 Materiais

- Máquina Universal de Ensaios para Tração e Compressão – Modelo VERSAT

- 5 corpos de prova cilíndricos de Aço (diferentes composições) de diâmetro de 5mm e comprimento inicial de 40mm;

- 4 corpos de prova cilíndricos de Alumínio (diferentes composições) de diâmetro de 5mm e comprimento inicial de 40mm;


3.2 Métodos

O primeiro corpo de prova foi devidamente limpo e alinhado na máquina para a realização do ensaio de tração, garantindo que a força seja aplicada de maneira simétrica. O corpo foi então submetido à força de extensão até ocorrer a ruptura do material, e a máquina cessa o funcionamento automaticamente.

Tal procedimento foi repetido para todos os corpos de prova existentes (cinco de aço e quatro de alumínio), submetendo-os a pequenas deformações para se obter curvas de força vs. extensão mais precisas (em anexo).


  1. Resultados e Discussão

Nos próximos sub-tópicos, estão dispostos os dados experimentais dos ensaios de tração dos cinco aços e dos quatro alumínios em forma de tabelas e gráficos.
4.1 Tabelas

As tabelas estão anexas ao final deste trabalho.


4.2 Gráficos

Antes da análise dos gráficos é imprescindível a observação de que esses não se tratam de um diagrama Tensão-Deformação convencional, conforme descrito e explicado da seção de “Introdução Teórica”. Pois, da inspeção direta do título do eixo vertical, é evidente que não se utiliza a tensão, de acordo com o que seria equivalente ao diagrama Tensão-Deformação convencional, em vez disso, utilizam-se medidas de Força, dadas em Newtons. A utilização dessas medidas no lugar dos valores de tensão deve-se a falta de dados experimentais fornecidos, já que para se determinar os valores de tensão aplicada ao material, seriam necessárias, além das medidas de força, medidas de diâmetro da secção transversal do material na região de empescoçamento. Com essas medidas de diâmetro, calcular-se-iam as respectivas áreas das secções e assim seria possível a obtenção das tensões conforme descrito na “Introdução Teórica”.

Mesmo que o diagrama não seja o convencional, ainda é perfeitamente possível a realização de uma análise de cada figura.

Nos gráficos a seguir, os dados experimentais não foram inclusos, porque se trata de um número excessivamente alto. A inclusão dos dados sobrecarregaria o gráfico e tornaria sua visualização desconfortável e difícil. Os dados podem ser lidos nas tabelas anexas.



Conforme uma característica geral dos aços, que em geral são materiais duros, obeserva-se no gráfico 4.2.1 que a região de comportamento plástico é estremamente pequena, isto é, quase inexistente. Em geral, quanto maior for a porcentagem de carbono adicionado ao aço, mais duro ele se torna e, em consequência disso, sua plasticidade diminui. Esse tipo de comportamento será observado em cada gráfico seguinte.

O limite de elasticidade ocorre por volta dos 6400 N.

Para o presente diagrama, nota-se que a região correspondente ao Endurecimento por deformação é bastante grande, o que indica que o fenômeno de empescoçamento também foi igualmente notório.

A ruptura ocorre quando o aço está com um tamanho cerca de 33% maior que seu tamanho original (considerando somente a região de referência) e a força de ruptura (correspondente à tensão de ruptura) foi de aproximadamente 6200 N.



O comportamento do Aço 2 é muito semelhante ao comportamento do Aço 1. O que se permite concluir que ambos tem teor de carbono parecido, ou seja, dureza parecida.

O limite de elasticidade está próximo dos 7000 N. E a forçade ruptura é cerca de 6000 N.

Observa-se que os aços 3 e 4 praticamente não apresentam comportamento plástico, ou seja, provavelmente, são aços mais duros se comparados com os aços anteriormente analisados. Assim, ambos devem ter elevado teor de carbono, sendo duros e, portanto, quebradiços.


O aço 5 demonstra um comportamento bastante distinto dos demais. Em primeiro lugar, é notório seu elevado limite de elasticidade que chega próximo dos 10 000 N. Além disso, ele não apresenta o chamado endurecimento por deformação, em vez disso, apresenta uma relativamente extensa região plástica, ou seja, trata-se de um aço um pouco menos duro, embora sua deformação tenha atingido apenas 18%.





Todos os alumínios apresentados demostram um comportamento bastante parecido,isto é, limite de elasticidade por volta de 5100 N, limite de ruptura por volta de 3500 N e uma deformação de aproximadamente 14% para os alumínios 1 e 4 e 17% para os alumínios 2 e 3. A característica de maior maleabilidade dos alumínios é observada nos menores valores de forças requeridas para se terem as deformações tanto elásticas quanto plásticas.



4.3 Figuras



Figura 4.3.1:Equipamento para ensaio automático de tração



Figura 4.3.2: Corpo de prova


  1. Conclusão

O ensaio de tração é muito útil para verificar a resistência á força longitudinal aplicada em um corpo de prova. A partir dos dados obtidos foi possível traçar a curva força vs deformação de cada material, podendo compará-las ao diagrama de tensão vs deformação, para não ser necessária a medição das áreas de aplicação de força.

Apesar de não ter sido informado a composição de cada amostra, pôde-se concluir, pela análise das curvas, que os corpos de aço apresentam porcentagens de carbono distintas, refletindo na dureza do material; ou seja, quanto maior a porcentagem de carbono adicionado ao aço, menor é a sua plasticidade. Quanto a deformação do material, todos apresentam um aumento de comprimento de aproximadamente 33%.

Por outro lado, os corpos de prova de aluminio apresentam um comportamento bastante parecido, provavelmente devido a semelhança de estrutura, e apresentam um limite de elasticidade por volta de 5100 N e limite de ruptura de aproximadamente 3500 N, demonstrando sua maior maleabilidade em relação ao aço, visto que são requeridas menores forças para as deformações.
6. Referências Bibliográficas

1) Hibbeler, R.C.;"Resistência dos materiais"; 5ª edição,Prentice Hall, pág 23,

62 à 85.

2)http://www.cimm.com.br/portal/conteudo/noticias/imagem/Image/c-24-293-6990-13300.gif



3)http://www.panambra.com/appeglobal/produtos/filial3/pr3_52_001pq.jpg, acessado em 5/06/2010 às 19h 00min



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