01 - Relatório Ensaio de Tração PDF

Preview

Summary

UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITERURA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENSAIO DE TRAÇÃO Disciplina: Laboratório de Materiais Professor: William Haupt Acadêmicos: Eliel Arthur Peter e Tiago Luiz Rizzi Passo Fundo, março de 2015 Resumo O presente trabalho tem por objetivo relat...

Description

UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDO FACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITERURA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENSAIO DE TRAÇÃO

Disciplina: Laboratório de Materiais Professor: William Haupt Acadêmicos: Eliel Arthur Peter e Tiago Luiz Rizzi Passo Fundo, março de 2015

Resumo O presente trabalho tem por objetivo relatar os procedimentos para a realização de um ensaio de tração. Esse ensaio consiste em submeter um corpo de prova a uma carga axial que tenda a deformá-lo pelo alongamento até o momento em que se rompa. Foram utilizados corpos de prova padrão, de acordo com a norma ASTM E 8M, de aços 1020 (com e sem entalhe), 1045 e 4540 com o objetivo de coletar dados sobre as propriedades de cada material, como resistência a tração, ponto de escoamento, ductilidade, entre outras. Palavras-chave: Ensaio de Tração; ASTM E 8M; Concentrador de tensão; . 1.

Introdução

A resistência a tração é uma informação básica a ser considerada em projetos mecânicos. Ela varia de material para material e seu desconhecimento impossibilita o dimensionamento de componentes mecânicos. Um dos métodos mais práticos para a obtenção dessas informações é o ensaio de tração. Através do ensaio de tração pode-se obter propriedades básicas dos materiais, como ponto de escoamento e tensão máxima através de gráficos de tensão x deformação. O ponto de escoamento é o ponto que divide o regime elástico do regime plástico do material. O ponto pode apresentar visível facilmente no diagrama tensão x deformação no caso de aços ou pode haver uma transição gradual como no caso do Alumínio, por exemplo. Quanto aos regimes plástico e elástico, vale destacar que no regime elástico o material sofre alongamento e retorna ao estado original após cessar a aplicação da força, enquanto no regime plástico as deformações são irreversíveis. A tensão máxima apresenta-se no vértice superior do gráfico gerado, e é a partir desse ponto que começa a ocorrer a estricção do material até a ruptura. Essa informação tem sua importância em materiais frágeis, onde ela é utilizada para os cálculos e dimensionamentos, adotando-se coeficientes de segurança mais conservadores. Já em materiais dúcteis utiliza-se o ponto de escoamento como parâmetro, pois os alongamento gerados no material podem comprometer a funcionalidade das peças e componentes. Mencionou-se acima conceitos de ductilidade, então vale a pena esclarecer esses conceitos. Ductilidade é quantidade de deformação plástica que ocorre até a fratura. Dessa forma os materiais são classificados como dúcteis, quando a deformação plástica até a ruptura é acima de 5% ou frágeis, quanto a deformação plástica não ultrapassa esse valor. Outros conceitos que vem junto e podem ser determinados através do ensaio de tração são resiliência e tenacidade. Resiliência refere-se a capacidade que o material tem de absorver energia no regime elástico, enquanto tenacidade pode ser considerado como a soma da energia absorvida desde o início até a ruptura. Depois de estabelecer estes conceitos básicos, descreveremos a seguir os procedimentos para a realização do ensaio. 2.

Matérias e Métodos

O ensaio de tração foi realizado de acordo com a norma ASTM E 8M, através de uma máquina universal da marca SHENCK. Os corpos de prova foram previamente usinados com as dimensões especificadas na norma, conforme a figura 1, evitando concentradores de tensão e obedecendo a rugosidade especificada.

Figura 1. Corpo de prova padrão. Após iniciado o ensaio a máquina deforma o corpo de prova a uma taxa de carregamento que é medida através de uma célula de carga, já a deformação é medida por um extensômetro. Ao início do carregamento, o corpo de prova absorve energia no regime elástico e inicia seu alongamento até o ponto de escoamento. No ponto de escoamento, os átomos começam a “escorregar”, tornando as deformações irreversíveis, e entrando no

regime plástico. No ponto de máxima tensão, inicia-se a estricção do corpo de prova, levando a fratura do mesmo, tornando o ensaio destrutivo. As informações coletadas na máquina geram um gráfico de tensão x deformação, que caracteriza as propriedades do material. Os materiais ensaiados foram Aço 1020, Aço 1020 com entalhe, Aço 1045 e o Aço liga 4140. Os dois primeiros são aços carbono comuns, já o último é um aço baixa liga com adições de Cromo e Molibdênio. Segue abaixo uma tabela caracterizando os elementos dos aços ensaiados. Aço 1020 1045 4140

Tabela 1. Composição química dos aços. Mn (%) P (%) S (%) 0,3 – 0,6 0,03 0,05 0,6 – 0,9 0,03 0,05 0,75 – 1 0,03 0,04

C (%) 0,18 – 0,23 0,43 – 0,5 0,38 – 0,43

Cr (%) --------------0,8 – 1,1

Mo (%) --------------0,15 – 0,25

O aço 1020 tem como uma de suas principais características: excelente plasticidade, soldabilidade e baixo custo. É amplamente utilizado em engrenagens, eixos, virabrequins e etc, normalmente com algum tratamento superficial. Já o aço 1045 ganha do 1020 em resistência mecânica, porém perde em ductilidade, logo suas aplicações se dão onde seja necessária uma resistência mecânica superior a dos aços de baixo carbono convencionais. Utilizado principalmente em eixos em geral, pinos, cilindros, parafusos, braçadeiras, pregos, entre outros. O aço liga 4140 é um aço para beneficiamento com temperabilidade média, ligado ao cromo e molibdênio, utilizado na fabricação de diferentes componentes mecânicos onde se deseja uma boa combinação de resistência mecânica média e resistência à fratura. Suas principais aplicações são: rolamentos, cilindros, engrenagens, eixos hidráulicos, eixos furados, porcas e parafusos. 3.

Resultados e Discussão

Os dados coletados foram processados e gerou-se gráficos de tensão x deformação, onde é possível ver as propriedades mecânicas dos materiais. Segue abaixo os quatro gráficos gerados, um para cada corpo de prova.

Aço 1020 Figura 2. Gráfico de tensão x deformação para o aço 1020 Figura 3. Gráfico de tensão x deformação para o aço 1020 com entalhe

500 450 400 350

Aço 1020 com entalhe 600 500

Aço 1045

Figura 4. Gráfico de tensão x deformação para o aço 1045

800 700 600

Figura 5. Gráfico de tensão x deformação para o aço 4140

700 600 500 Tensão (MPa)

Assim dispostos fica difícil a comparação de suas propriedades, pois as escalas são nos

Aço 4140

400 300 200 100 0

0

2

4

6

8

10

Deformação (mm)

12

14

16

18

eixos de dados são diferentes, portanto colocou-se todos na mesmo gráfico, podendo assim observar claramente suas propriedades. Através dessa observação, nota-se que o aço 1020 apresentou o maior alongamento e tem a melhor ductilidade entre os materiais comparados. Isso se deve a baixa porcentagem de carbono contida no neste aço. Já, o mesmo aço com presença de uma entalhe tem sua ductilidade bastante prejudicada, porém tem-se um acréscimo da tensão máxima devido ao aumento de discordâncias naquele ponto. O aço 1045, apresenta uma melhor resistência a tração, porém perde em ductilidade, devido basicamente ao maior teor de carbono que ele apresenta. Quanto ao aço liga 4140, observa-se que devido a adição dos elementos de liga ele não apresenta um ponto de escoamento definido como nos demais aços. A seguir, o gráfico demostra o que foi descrito acima.

Figura 6. Gráfico comparativo entre os aços ensaiados Os dados coletados também são utilizados matematicamente para calcular a ductilidade dos materiais. Existem dois métodos para se calcular: por % de Alongamento (% Al) ou por % de Redução de Área (% RA). Abaixo segue, as equações para calcular-se esses dois parâmetros:

% Al=

lf −lo lf

Onde, lf é o comprimento final (mm) e lo é o comprimento inicial (mm), tomando-se por base apenas a parte de menor diâmetro, onde realmente ocorrerá deformação.

% RA=

Ao− Af Ao

Onde, Ao é a área inicial (mm²) da seção transversal do corpo de prova e Af é a área final (mm²), após a ruptura. Com base nessas duas fórmulas realizou-se os cálculos obtendo os valores a seguir de ductilidade para cada material:

Tabela 2. Alongamento e redução de área dos aços

Aço 1020 1020 com entalhe 1045 4140

% Al 36 % 10,52 % 20,42 % 22,23 %

% RA 61,91 % 29,08 % 47,95 % 67,17 %

Conforme foi constatado no gráfico observa-se que realmente o aço 1020 apresenta maior alongamento, em relação aos demais, e o aço 4140 apresentou uma maior redução de área até a ruptura. Essa grande redução de área apresentada pelo 4140 e seu limite de resistência a tração elevado deve-se a presença dos elementos de liga subtitucionais no reticulado cristalino. Outros valores que chamam atenção na tabela acima a redução de 26,52% no alongamento do aço 1020 pela presença do entalhe. Essa redução ocorre pois o concentrador de tensão modifica a distribuição de carga uniforme no material, fazendo o romper na área do entalhe. Os concentradores de tensão são ainda mais prejudiciais na vida em fadiga do material, portanto devem sem evitados, sempre que possível, em projetos mecânicos. Outra propriedade que pode ser observada nesses ensaios é a tensão máxima que o material suporta até a ruptura. Esses valores estão dispostos na tabela abaixo. Tabela 3. Tensão máxima dos aços. Aço Tensão Máxima (MPa) 1020 451,5 1020 com entalhe 542,9 1045 686,8 4140 615,0 Observando essa tabela, comprova-se o que foi constatado no gráfico que o aço 1045 foi o que apresentou maior resistência a tração, porém com perda significativa de ductilidade. Já o aço 1020 com entalhe apresentou um aumento na sua tensão máxima de 91,4 MPa em relação ao mesmo aço sem entalhe. 4.

Conclusões

Analisando os dados coletados e comparando os resultados, observa-se que o aço 4140 foi o que reuniu as melhores características ductilidade e resistência mecânica. Aliando esses dois parâmetros, surgem uma infinidade de possíveis aplicações, porém devido ao seu custo mais elevado em relação aos demais só deve ser utilizado em projetos que realmente necessitem dessas propriedades. Pensando em ductilidade, como já era esperado o aço 1020 foi o campeão. Deve ser utilizado em projetos que necessita-se essa propriedade, porém com o cuidado de realizar tratamentos superficiais para elevar a dureza e evitar o desgaste. Seu custo é relativamente mais baixo, tornando-o competitivo em relação aos demais. Em projetos mais exigidos mecanicamente, deve-se utilizar o 1045, pois é o que o que melhor suporta carregamentos de tração. Apesar de sua ductilidade ser baixa, dependendo do projeto, pode ser utilizado com vantagem econômica em relação ao 4140. Concentradores de tensão afetam drasticamente a ductilidade dos materiais, portanto devem ser evitados sempre que possível. Seus efeitos mais prejudiciais são no que se refere a vida em fadiga e tem relação direta com o raio de ponta do entalhe, quanto mais agudo o raio de ponta, menor a vida em fadiga, portanto surge mais um motivo para evita-los em projetos. Com relação ao aprendizado, pode-se destacar que é um bom momento para aplicar os conhecimentos obtidos em Materiais I e Materiais II para entender os resultados obtidos nos testes e interpretá-los corretamente. 5.

Referências Bibliográficas

[1] CALLISTER, William D. Jr: Ciência e Engenharia de Materiais Uma Introdução. Rio de Janeiro: LTC, 2008. [2] CHIAVERINI, Vicente. Aços e Ferros Fundidos. São Paulo: ABM, 2002. [3] GDD METALS. Aços de construção mecânica. São Paulo – . Acesso em 15/03/2015.

SP.

Disponível

em...