Materiais metálicos



Baixar 77.22 Kb.
Encontro14.12.2017
Tamanho77.22 Kb.

Mecânica dos Materiais

Dobramento e flexão

Imagine-se sentado à beira de uma piscina, de repente, você vê alguém a dar um salto do trampolim.

Se você prestou atenção, observou que a prancha se deformou sob o peso do atleta e depois voltou à sua forma original. Sem dúvida, um dos factores que contribuem para a beleza do salto é a capacidade da prancha do trampolim de suportar o esforço aplicado.

Agora, pense no que aconteceria se a prancha do trampolim se dobrasse em vez de voltar à sua forma original. Seria catastrófico!

Neste caso e em muitos outros, é importante conhecer o comportamento dos materiais frente a esse tipo de esforço.

Por exemplo, já lhe aconteceu de estar parado sobre uma ponte, num congestionamento, sentindo o chão tremer sob as rodas do seu carro enquanto os veículos ao seu lado se movem? Sorte sua o fato de a ponte balançar. Isso significa que a estrutura estava suportando o esforço produzido pelo peso dos veículos.

São situações como essas que mostram a importância de saber como os corpos reagem aos esforços de flexão e dobramento, assuntos que serão tratados nesta aula. Além disso, você ficará conhecendo os procedimentos para a realização dos ensaios de dobramento e flexão e saberá identificar as propriedades avaliadas em cada caso.
Da flexão ao dobramento

Observe as duas figuras a seguir: a da esquerda mostra um corpo apoiado em suas duas extremidades e a da direita mostra um corpo preso de um lado, com a extremidade oposta livre. Os dois corpos estão sofrendo a acção de uma força F, que age na direcção perpendicular aos eixos dos corpos.




A força F leva uma região dos corpos a se contrair, devido à compressão, enquanto que outra região se alonga, devido à tracção. Entre a região que se contrai e a que se alonga fica uma linha que mantém sua dimensão inalterada - a chamada linha neutra. Em materiais homogéneos, costuma-se considerar que a linha neutra fica a igual distância das superfícies externas inferior e superior do corpo ensaiado.

Quando esta força provoca somente uma deformação elástica no material, dizemos que se trata de um esforço de flexão. Quando produz uma deformação plástica, temos um esforço de dobramento.

Isso quer dizer que, no fundo, flexão e dobramento são etapas diferentes da aplicação de um mesmo esforço, sendo a flexão associada à fase elástica e o dobramento à fase plástica.

Em algumas aplicações industriais, envolvendo materiais de alta resistência, é muito importante conhecer o comportamento do material quando submetido a esforços de flexão. Nesses casos, o ensaio é interrompido no final da fase elástica e são avaliadas as propriedades mecânicas dessa fase.

Quando se trata de materiais dúcteis, é mais importante conhecer como o material suporta o dobramento. Nesses casos, é feito directamente o ensaio de dobramento, que fornece apenas dados qualitativos.

O ensaio de flexão e o ensaio de dobramento utilizam praticamente a mesma montagem, adaptada à máquina universal de ensaios:

a) dois roletes, com diâmetros determinados em função do corpo de prova, que funcionam como apoios, afastados entre si a uma distância preestabelecida;

b) um cutelo semicilíndrico, ajustado à parte superior da máquina de ensaios.
O ensaio de dobramento

Experimente dobrar duas barras de um metal: por exemplo, uma de alumínio recozido e outra de alumínio encruado.

Você vai observar que a de alumínio recozido dobra-se totalmente, até uma ponta encostar na outra. A de alumínio encruado, ao ser dobrada, apresentará trincas e provavelmente quebrará antes de se atingir o dobramento total.

O ensaio de dobramento é isso: ele nos fornece somente uma indicação qualitativa da ductilidade do material. Normalmente os valores numéricos obtidos não têm qualquer importância.

Como é feito o ensaio de dobramento

O ensaio consiste em dobrar um corpo de prova de eixo rectilíneo e secção circular (maciça ou tubular), rectangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados a uma distância especificada, de acordo com o tamanho do corpo de prova, por meio de um cutelo, que aplica um esforço perpendicular ao eixo do corpo de prova, até que seja atingido um ângulo desejado.



O valor da carga, na maioria das vezes, não importa. O ângulo determina a severidade do ensaio e é geralmente de 90, 120 ou 180º.

Ao se atingir o ângulo especificado, examina-se a olho nu a zona traccionada, que não deve apresentar trincas, fissuras ou fendas. Caso contrário, o material não terá passado no ensaio.
Processos de dobramento

Há dois processos de dobramento: o dobramento livre e o dobramento semiguiado. Veja, a seguir, as características de cada um.


Dobramento livre - É obtido pela aplicação de força nas extremidades do corpo de prova, sem aplicação de força no ponto máximo de dobramento.



Dobramento semiguiado - O dobramento vai ocorrer numa região determinada pela posição do cutelo.
Ensaio de dobramento em barras para construção civil

Barras de aço usadas na construção civil são exemplos de materiais que, além de apresentarem resistência mecânica, devem suportar dobramentos severos durante sua utilização, e por isso são submetidos a ensaio de dobramento.

Esta característica é tão importante que é normalizada e classificada em normas técnicas.

Neste caso, o ensaio consiste em dobrar a barra até se atingir um ângulo de 180º com um cutelo de dimensão especificada de acordo com o tipo de aço da barra - quanto maior a resistência do aço, maior o cutelo. O dobramento normalmente é do tipo semiguiado.

A aprovação da barra é dada pela ausência de fissuras ou fendas na zona traccionada do corpo de prova.

Ensaio de dobramento em corpos de provas soldados

O ensaio de dobramento em corpos de prova soldados, retirados de chapas ou tubos soldados, é realizado geralmente para a qualificação de profissionais que fazem solda (soldadores) e para avaliação de processos de solda.

Na avaliação da qualidade da solda costuma-se medir o alongamento da face da solda. O resultado serve para determinar se a solda é apropriada ou não para uma determinada aplicação.


O ensaio de flexão

O ensaio de flexão é realizado em materiais frágeis e em materiais resistentes, como o ferro fundido, alguns aços, estruturas de concreto e outros materiais que em seu uso são submetidos a situações onde o principal esforço é o de flexão.

Como já foi dito, a montagem do corpo de prova para o ensaio de flexão é semelhante à do ensaio de dobramento.
A novidade é que se coloca um extensómetro no centro e debaixo do corpo de prova para fornecer a medida da deformação que chamamos de flecha, correspondente à posição de flexão máxima.

Nos materiais frágeis, as flechas medidas são muito pequenas. Consequentemente, para determinar a tensão de flexão, utilizamos a carga que provoca a fractura do corpo de prova.






Propriedades mecânicas avaliadas

O ensaio de flexão fornece dados que permitem avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais.

Uma dessas propriedades é a tensão de flexão.

Mas, para entender como é calculada a tensão de flexão, é necessário saber o que vem a ser momento -flector. Isso não será difícil se você acompanhar o exemplo a seguir.

Imagine uma barra apoiada em dois pontos. Se aplicarmos um esforço próximo a um dos apoios, a flexão da barra será pequena. Mas, se aplicarmos o mesmo esforço no ponto central da barra, a flexão será máxima.

Logo, verificamos que a flexão da barra não depende só da força, mas também da distância entre o ponto onde a força é aplicada e o ponto de apoio.

O produto da força pela distância do ponto de aplicação da força ao ponto de apoio origina o que chamamos de momento, que no caso da flexão é o momento flector (Mf).

Nos ensaios de flexão, a força é sempre aplicada na região média do corpo de prova e se distribui uniformemente pelo corpo. Na fórmula para calcular o momento flector, considera-se a metade do valor da força F/2 e a metade do comprimento útil do corpo de prova L/2

A fórmula matemática para calcular o momento flector é:

Outro elemento que você precisa conhecer é o momento de inércia da secção transversal. Um exemplo o ajudará a entender do que estamos falando.

A forma do material influencia muito sua resistência à flexão. Você pode comprovar isso fazendo a seguinte experiência:

arranje uma régua de plástico ou de madeira, coloque-a deitada sobre dois pontos de apoio e aplique uma força sobre a régua, como mostra a figura ao lado.


coloque a mesma régua sobre os dois apoios, só que em pé, como mostra

a figura seguinte, e aplique uma força equivalente à aplicada antes.


E então? O que aconteceu? No primeiro caso, ocorreu uma grande flexão.

No segundo, a flexão foi quase nula. Isso tudo só porque você mudou a forma da superfície sobre a qual estava aplicando a força. Para cada formato existirá um momento de inércia diferente.

O momento de inércia (J) é calculado por fórmulas matemáticas:

1-momento de inércia para corpos de secção circular:



2-momento de inércia para corpos de secção rectangular:

Falta ainda um elemento para entender a fórmula de cálculo da tensão de flexão: é o módulo de resistência da secção transversal, representado convencionalmente pela letra W. Trata-se de uma medida de resistência em relação a um momento. Este módulo significa para a flexão o mesmo que a área da secção transversal significa para a tracção.

O valor deste módulo é conhecido dividindo-se o valor do momento de inércia (J) pela distância da linha neutra à superfície do corpo de prova (c).

Em linguagem matemática:



Nos corpos de prova de secção circular, de materiais homogéneos, a distância c equivale à metade do diâmetro. Em corpos de secção rectangular ou quadrada, considera-se a metade do valor da altura.

Agora sim, já podemos apresentar a fórmula para o cálculo da tensão de flexão (TF):

Uma vez realizado o ensaio, para calcular a tensão de flexão basta substituir as variáveis da fórmula pelos valores conhecidos. A combinação das fórmulas anteriores, demonstrada a seguir, permite trabalhar directamente com esses valores.



O valor da carga obtido no ensaio varia conforme o material seja dúctil ou frágil. No caso de materiais dúcteis, considera-se a força obtida no limite de elasticidade. Quando se trata de materiais frágeis, considera-se a força registrada no limite de ruptura.

Outras propriedades que podem ser avaliadas no ensaio de flexão são a flecha máxima e o módulo de elasticidade.

Pode-se medir a flecha máxima directamente pelo extensómetro, ou calculá-la por meio de fórmula.

A fórmula para o cálculo da flecha máxima (f) é:

A fórmula para o cálculo do módulo de elasticidade (E) é:


Acompanhe um exemplo prático de aplicação das fórmulas anteriores, participando da resolução do próximo problema:

· Efectuado um ensaio de flexão num corpo de prova de secção circular, com 50 mm de diâmetro e 685 mm de comprimento, registrou-se uma flecha de 1,66 mm e a carga aplicada ao ser atingido o limite elástico era de 1.600 N.

Conhecendo estes dados, vamos calcular:

1 - tensão de flexão

2 - módulo de elasticidade

Vamos determinar primeiro a tensão de flexão. Para isso devemos recorrer à fórmula:

Conhecemos o valor de F (1.600 N), o valor de L (685 mm) e o valor de c (25 mm). Mas só poderemos aplicar esta fórmula depois de descobrir o valor de J, que pode ser obtido pela fórmula de cálculo do momento de inércia para corpos de secção circular:




Agora sim, podemos calcular a tensão de flexão pela fórmula anterior.

Para isso, basta substituir as variáveis da fórmula pelos valores conhecidos e fazer os cálculos. Tente resolver e depois confira suas contas, para ver se chegou ao mesmo resultado apresentado a seguir.




A próxima tarefa é calcular o módulo de elasticidade. Uma vez que todos os valores são conhecidos, podemos partir directamente para a aplicação da fórmula. Tente fazer isso sozinho, na sua calculadora, e depois confira com a resolução apresentada a seguir.


Exercício 1

O esforço de flexão age na direcção ............................ ao eixo de corpo de prova.

a) paralela;

b) angular;

c) radial;

d) perpendicular.

Marque com um X a resposta correcta:
Exercício 2

No ensaio de dobramento podemos avaliar qualitativamente:

a) ( ) o limite de proporcionalidade;

b) ( ) o limite de resistência ao dobramento;

c) ( ) a ductilidade do material ensaiado;

d) ( ) tensão máxima no dobramento.


Exercício 3

No ensaio de dobramento de corpos soldados costuma-se medir:

a) ( ) o alongamento da face da solda;

b) ( ) o alongamento do corpo de prova;

c) ( ) o comprimento do cordão de solda;

d) ( ) o ângulo da solda.


Exercício 4

No ensaio de flexão, o extensómetro é utilizado para medir ................ .

a) a tensão aplicada;

b) o tamanho do corpo de prova;

c) a deformação do corpo de prova;

d) o alongamento do corpo de prova.

Exercício 5

Um corpo de prova de 30 mm de diâmetro e 600 mm de comprimento foi submetido a um ensaio de flexão, apresentando uma flecha de 2 mm sob uma carga de 360 N. Determine:

a) a tensão de flexão;

b) o módulo de elasticidade.


Ensaio de embutimento

É na estamparia que o ensaio de embutimento encontra sua principal aplicação. E você sabe por quê?

É fácil encontrar resposta a esta pergunta: basta observar alguns objectos de uso diário, como uma panela, a chaparia dos automóveis e outras tantas peças produzidas a partir de chapas metálicas, por processos de estampagem.

A estampagem é o processo de converter finas chapas metálicas em peças ou produtos, sem fractura ou concentração de microdeformações. As chapas utilizadas neste processo devem ser bastante dúcteis.

Nesta aula, você ficará sabendo como é feito o ensaio de embutimento em chapas, para avaliar sua adequação à operação de estampagem. E conhecerá os dois principais métodos de ensaio de embutimento.
Ductilidade de chapas

A operação de estampagem envolve dois tipos de deformações: o estiramento, que é o afinamento da chapa, e a estampagem propriamente dita, que consiste no arrastamento da chapa para dentro da cavidade da matriz por meio de um punção. Nessa operação, a chapa fica presa por um sujeitador que serve como guia para o arrastamento.

A ductilidade é a característica básica para que o produto possa ser estampado. E já estudamos diversos ensaios que podem avaliar esta característica tracção, compressão, dobramento etc.

Então, por que fazer um ensaio específico para avaliar a ductilidade?

Existe uma razão para isso: uma chapa pode apresentar diversas pequenas heterogeneidades, que não afectariam o resultado de ductilidade obtido no ensaio de tracção. Mas, ao ser deformada a frio, a chapa pode apresentar pequenas trincas em consequência dessas heterogeneidades.

Além de trincas, uma peça estampada pode apresentar diversos outros problemas, como enrugamento, distorção, textura superficial rugosa, fazendo lembrar uma casca de laranja etc. A ocorrência destes problemas está relacionada com a matéria-prima utilizada.

Nenhum dos ensaios que estudamos anteriormente fornece todas as informações sobre a chapa, necessárias para que se possa prever estes problemas.

Para evitar surpresas indesejáveis, como só descobrir que a chapa é inadequada ao processo de estampagem após a produção da peça, foi desenvolvido o ensaio de embutimento. Este ensaio reproduz, em condições controladas, a estampagem de uma cavidade previamente estabelecida.

Os ensaios de embutimento permitem deformar o material quase nas mesmas condições obtidas na operação de produção propriamente dita, só que de maneira controlada, para minimizar a variação nos resultados.

Existem ensaios padronizados para avaliar a capacidade de estampagem de chapas. Os mais usados são os ensaios de embutimento Erichsen e Olsen, que você vai estudar detalhadamente depois de adquirir uma visão geral sobre a realização dos ensaios de embutimento.

Esses ensaios são qualitativos e, por essa razão, os resultados obtidos constituem apenas uma indicação do comportamento que o material apresentar á durante o processo de fabricação.

Descrição do ensaio

Os ensaios de embutimento são realizados por meio de dispositivos acoplados a um equipamento que transmite força. Podem ser feitos na já conhecida máquina universal de ensaios, adaptada com os dispositivos próprios, ou numa máquina específica para este ensaio, como a que mostramos ao lado.

A chapa a ser ensaiada é presa entre uma matriz e um anel de fixação, que tem por finalidade impedir que o material deslize para dentro da matriz.
Depois que a chapa é fixada, um punção aplica uma carga que força a chapa a se abaular até que a ruptura aconteça.

Um relógio medidor de curso, graduado em décimos de milímetro, fornece a medida da penetração do punção na chapa. O resultado do ensaio é a medida da profundidade do copo formado pelo punção no momento da ruptura.

Além disso, o exame da superfície externa da chapa permite verificar se ela é perfeita ou se ficou rugosa devido à granulação, por ter sido usado um material inadequado.




Ensaio Erichsen

No caso do ensaio de embutimento Erichsen o punção tem cabeça esférica de 20 mm de diâmetro e a carga aplicada no anel de fixação que prende a chapa é de cerca de 1.000 kgf.


O atrito entre o punção e a chapa poderia afectar o resultado do ensaio. Por isso, o punção deve ser lubrificado com graxa grafitada, de composição determinada em norma técnica, para que o nível de lubrificação seja sempre o mesmo.

O momento em que ocorre a ruptura pode ser acompanhado a olho nu ou pelo estalo característico de ruptura. Se a máquina for dotada de um dinamómetro que meça a força aplicada, pode-se determinar o final do ensaio pela queda brusca da carga que ocorre no momento da ruptura.

A altura h do copo é o índice Erichsen de embutimento.
Existem diversas especificações de chapas para conformação a frio, que estabelecem um valor mínimo para o índice Erichsen, de acordo com a espessura da chapa ou de acordo com o tipo de estampagem para o qual a chapa foi produzida (média, profunda ou extraprofunda).




Ensaio Olsen

Outro ensaio de embutimento bastante utilizado é o ensaio Olsen. Ele se diferencia do ensaio Erichsen pelo fato de utilizar um punção esférico de 22,2 mm de diâmetro e pelos corpos de prova, que são discos de 76 mm de diâmetro.

Olsen verificou que duas chapas, supostamente semelhantes, pois deram a mesma medida de copo quando ensaiadas, precisavam de cargas diferentes para serem deformadas: uma delas necessitava do dobro de carga aplicado à outra, para fornecer o mesmo resultado de deformação.

Por isso, Olsen determinou a necessidade de medir o valor da carga no instante da deformação.

Isso é importante porque numa operação de estampagem deve-se dar preferência à chapa que se deforma sob a acção de menor carga, de modo a não sobrecarregar e danificar o equipamento de prensagem.
Ensaio de torção

Já lhe aconteceu de estar apertando um parafuso e, de repente, ficar com dois pedaços de parafuso nas mãos? O esforço de torção é o responsável por estragos como esse.

E o que dizer de uma cambota de automóvel, dos eixos de máquinas, polias, molas helicoidais e brocas? Em todos estes produtos, o maior esforço mecânico é o de torção, ou seja, quando esses produtos quebram é porque não resistiram ao esforço de torção.

A torção é diferente da compressão, da tracção e do cisalhamento porque nestes casos o esforço é aplicado no sentido longitudinal ou transversal, e na torção o esforço é aplicado no sentido de rotação.

O ensaio de torção é de execução relativamente simples, porém para obter as propriedades do material ensaiado são necessários cálculos matemáticos complexos.

Como na torção uma parte do material está sendo traccionada e outra parte comprimida, em casos de rotina podemos usar os dados do ensaio de tracção para prever como o material ensaiado se comportará quando sujeito a torção.

Estudando os assuntos desta aula, você ficará sabendo que tipo de força provoca a torção, o que é momento torsor e qual a sua importância, e que tipo de deformação ocorre nos corpos sujeitos a esforços de torção. Conhecerá as especificações dos corpos de prova para este ensaio e as fracturas típicas resultantes do ensaio.

O eixo de transmissão dos automóveis com tracção traseira é um óptimo exemplo para ilustrar como actua este esforço.

Uma ponta do eixo está ligada à roda, por meio do diferencial traseiro.

A outra ponta está ligada ao motor, por intermédio da caixa de câmbio.


O motor transmite uma força de rotação a uma extremidade do eixo.

Na outra extremidade, as rodas oferecem resistência ao movimento.

Como a força que o motor transmite é maior que a força resistente da roda, o eixo tende a girar e, por consequência, a movimentar a roda.

Esse esforço provoca uma deformação elástica no eixo, como mostra a ilustração ao lado.

Analise com atenção o desenho anterior e observe que:

· D é o diâmetro do eixo e L, seu comprimento;

· a letra grega minúscula φ (fi) é o ângulo de deformação longitudinal;

· a letra grega minúscula θ (teta) é o ângulo de torção, medido na secção transversal do eixo;

·no lugar da força de rotação, aparece um elemento novo: Mt, que representa o momento torsor.

Veja a seguir o que é momento torsor e como ele age nos esforços de torção.
Momento torsor

Se tiver de ter de trocar um pneu de camião com uma chave de boca de braço curto, você é capaz de avaliar a dificuldade que representa soltar os parafusos da roda com aquele tipo de chave.

Um artifício simples ajuda a reduzir bastante a dificuldade de realizar esta tarefa: basta encaixar um cano na haste da chave, de modo a alongar o comprimento do braço.

Fica claro que o alongamento do braço da chave é o factor que facilita o afrouxamento dos parafusos, sob efeito do momento da força aplicada.

Momento de uma força é o produto da intensidade da força (F) pela distância do ponto de aplicação ao eixo do corpo sobre o qual a força está sendo aplicada (C).

Em linguagem matemática, o momento de uma força (Mf) pode ser expresso pela fórmula: Mf = F * C. De acordo com o Sistema Internacional de Unidades (SI), a unidade de momento é o newton metro (Nm).

Quando se trata de um esforço de torção, o momento de torção, ou momento torsor, é também chamado de torque.
Propriedades avaliadas no ensaio de torção

A partir do momento torsor e do ângulo de torção pode-se elaborar um gráfico semelhante ao obtido no ensaio de tracção, que permite analisar as seguintes propriedades:


Estas propriedades são determinadas do mesmo modo que no ensaio de tracção e têm a mesma importância, só que são relativas a esforços de torção.

Isso significa que, na especificação dos materiais que serão submetidos a esforços de torção, é necessário levar em conta que o máximo torque que deve ser aplicado a um eixo tem de ser inferior ao momento torsor no limite de proporcionalidade.


Corpo de prova para ensaio de torção

Este ensaio é bastante utilizado para verificar o comportamento de eixos de transmissão, barras de torção, partes de motor e outros sistemas sujeitos a esforços de torção. Nesses casos, ensaiam-se os próprios produtos.

Quando é necessário verificar o comportamento de materiais, utilizam-se corpos de prova.

Para melhor precisão do ensaio, empregam-se corpos de prova de secção circular cheia ou vazada, isto é, barras ou tubos. Estes últimos devem ter um mandril interno para impedir amassamentos pelas garras do aparelho de ensaio.

Em casos especiais pode-se usar outras secções.

Normalmente as dimensões não são padronizadas, pois raramente se escolhe este ensaio como critério de qualidade de um material, a não ser em situações especiais, como para verificar os efeitos de vários tipos de tratamentos térmicos em aços, principalmente naqueles em que a superfície do corpo de prova ou da peça é a mais atingida.

Entretanto, o comprimento e o diâmetro do corpo de prova devem ser tais que permitam as medições de momentos e ângulos de torção com precisão e também que não dificultem o encastramento nas garras da máquina de ensaio.
Equipamento para o ensaio de torção

O ensaio de torção é realizado em equipamento específico: a máquina de torção.

Esta máquina possui duas cabeças às quais o corpo de prova é fixado.

Uma das cabeças é giratória e aplica ao corpo de prova o momento de torção.

A outra está ligada a um pêndulo que indica, numa escala, o valor do momento aplicado ao corpo de prova.




Fracturas típicas

O aspecto das fracturas varia conforme o corpo de prova seja feito de material dúctil ou frágil.



Os corpos de provas de materiais dúcteis apresentam uma fractura segundo um plano perpendicular ao seu eixo longitudinal.
Para materiais frágeis, a fractura se dá segundo uma superfície não plana, mas que corta o eixo longitudinal segundo uma linha que, projectada num plano paralelo ao eixo, forma 45º aproximadamente com o mesmo (fractura helicoidal).


Mário Loureiro


Compartilhe com seus amigos:


©ensaio.org 2017
enviar mensagem

    Página principal