Ensaio de dureza e resistencia ao impacto PDF

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Relatório laboratório 3 - materiais e suas propriedades...

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SUMÁRIO 1 Introdução 1.1 Dureza 1.2 Resistência ao Impacto

1 1 1

2 Objetivos

1

3 Ensaio de Dureza

2

4 Ensaio de impacto - Tipo Izod

3

4.1 Metodologia do ensaio

 3

5 Resultados e discussões

5

5.1 Ensaio de dureza 5.2 Ensaio de impacto

5  6

6 Conclusões 6.1 Ensaio de dureza 6.2 Ensaio de impacto 7 Referências

10 10  10 11

1 Introdução O emprego dos materiais em diversas áreas do conhecimento se dá de acordo com seu comportamento frente a diversos ensaios mecânicos. A partir dos resultados desses ensaios, é possível determinar as características específicas de cada material e assim utilizá-lo de acordo com a necessidade de cada aplicação. Os ensaios de resistência ao impacto e os ensaios de dureza e/ou microdureza, do tipo tensão x deformação, destacam-se dentre os diferentes ensaios para a caracterização mecânica de biomateriais.

1.1 Dureza Dureza é a propriedade do material que permite a ele resistir à deformação plástica, usualmente por penetração. Essa propriedade depende diretamente das forças de ligação entre átomos, íons ou moléculas, como também do estado do material, ou seja, morfologia, acabamento etc. O termo dureza também pode ser associado à resistência à flexão, risco, abrasão ou corte. A dureza não é uma propriedade intrínseca do material, ditada por definições precisas em termos de unidades fundamentais de massa, comprimento e tempo. O valor da propriedade de dureza é o resultado de um procedimento específico de medição.

1.2 Resistência ao Impacto Impacto é um esforço de natureza dinâmica. O comportamento dos materiais sob ação de cargas dinâmicas é diferente de quando sujeito a cargas estáticas. A capacidade de um determinado material absorver energia do impacto está ligada a sua tenacidade, que, por sua vez, está relacionada com a sua resistência e ductilidade. O ensaio de resistência ao impacto fornece informações sobre a capacidade do material absorver e dissipar essa energia. Com o resultado do ensaio, obtém-se a energia absorvida pelo material até a sua fratura, caracterizando, assim, o comportamento dúctil-frágil.

1

2 Objetivos O objetivo principal dos procedimentos práticos realizados foi a compreensão do funcionamento de ensaios mecânicos, tais como os ensaios de dureza Shore A e Shore D, e o ensaio de impacto do tipo Izod, por meio da familiarização com as normas ASTM. Além disso, obter e analisar as propriedades mecânicas dos materiais utilizados, polímeros termoplásticos e elastômeros (borrachas), relacionadas aos ensaios executados.

3 Ensaio de Dureza O ensaio de dureza Shore avalia a dureza em termos de elasticidade do material, particularmente de polímeros e elastômeros. A dureza Shore é uma medida da resistência do material à indentação. Esta, por sua vez, é medida com um aparelho conhecido como durômetro (Figura 1), que permite um ensaio rápido e não destrutivo do corpo de prova. Durante o ensaio, o material é submetido a uma força aplicada perpendicularmente à sua superfície, e o valor da dureza é determinado em termos da penetração da ponta do durômetro na amostra. Devido a resiliência de borrachas e plásticos, a dureza pode mudar ao longo do tempo, sendo assim, o tempo de indentação pode ser relatado juntamente com o valor da dureza.

Figura 1 - Durômetro Shore A

Existem diversas escalas de dureza que podem ser utilizadas, entretanto, a norma ASTM D 2240 contém 12 escalas, dependentes da finalidade de determinada aplicação ou uso, sendo elas A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S e R., posto que as mais comuns

2

são a A e D,

sendo a A utilizada em polímeros, borrachas, e  lastômeros, materiais sintéticos que são mais macios e a D, nos mais rígidos.

Figura 2: Escala de Dureza Shore adaptada

4 Ensaio de impacto - Tipo Izod O ensaio de impacto consiste em medir a quantidade de energia absorvida por uma amostra de um material, quando essa é submetida à ação de um esforço de choque de valor desconhecido. Com isso, permite-se medir quanto um material tende a comportar-se de maneira frágil. O choque ou impacto representa um esforço de natureza dinâmica, porque a carga é aplicada repentina e bruscamente. No impacto, tanto a força quanto a velocidade de aplicação da força são importantes. O resultado do ensaio é apenas uma medida da energia absorvida na fratura de um corpo de prova, não fornecendo indicações seguras sobre o comportamento do material ao choque em geral. Muitos fatores influenciam a resistência ao impacto, como o entalhe ou descontinuidade, composição do material de base, composição do material de adição, tratamento térmico, cristalinidade, defeitos de microestrutura e a temperatura, sendo que quanto menor a temperatura, maior é a propensão à fratura frágil. 4.1 Metodologia do ensaio O ensaio é realizado em pêndulo de impacto, como observado na Figura 3. No ensaio Izod o corpo de prova é fixado por um par de garras na posição vertical (Figura 4).

3

Quando o pêndulo da máquina de teste Izod é liberado ele oscila e atinge o corpo de prova na posição vertical do braço. O corpo de prova é quebrado ou resiste à carga aplicada. O braço do pêndulo continua seu movimento, com redução de momento devido à energia absorvida pelo corpo de prova no instante do impacto. Quanto menor a altura que o pêndulo atingir após o impacto no corpo de prova, maior foi a energia absorvida por ele. Um mostrador ou um painel eletrônico, dependendo do modelo de pêndulo utilizado, fornecem a leitura da energia necessária para fratura do corpo de prova.

Figura 3 – Esquema de funcionamento do ensaio

Figura 4 - Modelo de pêndulo utilizado em ensaios

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Figura 5 – Posicionamento do corpo de prova

Recomenda-se que os corpos de prova tenham seção quadrada com 10 mm de lado e comprimento de 75 mm. O entalhe é executado a 28 mm da extremidade e tem a forma de V.

Figura 6 – Dimensões e características dos corpos de prova

Em muitos casos, não é possível retirar os corpos de prova do material seguindo as especificações normalizadas de tamanho, por isso, é permitido o uso de corpos de prova de tamanho reduzido. Após o ensaio de impacto, é necessário a análise das fraturas, para isso, o estereomicroscópio foi utilizado e imagens foram obtidas para a caracterização do tipo de fratura.

5 Resultados e discussões 5.1 Ensaio de dureza O experimento foi realizado de duas formas. Para os resultados acerca dos materiais utilizados como corpo de prova no ensaio de impacto, foi utilizada a escala Shore D. Enquanto que, o resultados obtidos para os demais materiais, foi utilizada a escala Shore A. A tabela 1 aponta os resultados de dureza obtidos para cada corpo de prova, de acordo com a escala Shore D. Os corpos de prova foram medidos três vezes e 5

posteriormente foi calculada a média dos valores obtidos. É relevante destacar também que as medidas são adimensionais.

Material

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Média

PA66 FV

55.8

53.9

53.5

54.4

ABS

50.6

51.8

50

50.8

ABS/SAN

51

54

52.1

52.4

Tabela 1: Dados obtidos para cada material de acordo com a escala Shore D

Material

Valores Obtidos

Valores da Literatura

PA66 FV

54.4

80

ABS

50.8

100

ABS/SAN

52.4

80

Tabela 2: Comparação dos valores obtidos com os dados da literatura [2]

Ao comparar a tabela 1 com a escala de dureza Shore D indicada na Figura 2, podemos observar que todos os materiais se encaixam na faixa de materiais duros. No entanto, ao comparar os valores obtidos com os valores encontrados na literatura, há certa discrepância. Isto pode ter decorrido do fatos das medições realizadas no laboratório não terem sido totalmente exatas devido à força exercida variável ou possivelmente também aos dados encontrados em diversas fontes distintas não serem confiáveis. A tabela 3 a seguir apresenta os dados obtidos para cada elastômero conforme escala de dureza Shore A.

Material

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Média

NR

78.8

73.4

74.1

75.4

NBR

82.3

76.2

78.8

79.1

NBR + PVC

84

85.8

83.5

84.4

EPM

59.8

55.8

58.3

57.9

Fluorelastômero

66.8

72.4

74.1

71.1

Tabela 3: Dados obtidos para cada material de acordo com a escala Shore A

6

Material

Valores Obtidos

Valores da Literatura

NR

75.4

35 a 90

NBR

79.1

25 a 90

NBR + PVC

84.4

71 a 83

EPM

57.9

40 a 90

Fluorelastômero

71.1

60 a 95

Tabela 4: Comparação dos valores obtidos com os dados da literatura [3]

Como notado na tabela 3, os valores obtidos para cada elastômero foram variados. De acordo com a Escala de Dureza Shore apresentada na imagem 2, o EPM possui um valor médio que fica aproximadamente na entre as faixas de materiais meio macios e meio duros. O fluorelastômero e o NR podem ser classificados como materiais meio duros. Já o NBR fica em torno das faixas de materiais meio duros e materiais duros. O NBR + PVC por sua vez, pode ser categorizado como um material duro, por possuir um valor superior à 80. 5.2 Ensaio de impacto As medidas dos corpos de prova foram encontradas com o auxílio de um paquímetro. Para reduzir os erros do operador, cada dimensão foi obtida três vezes e a média dos valores encontrados foi utilizada para a realização dos cálculos. Foram fornecidas ao grupo dois corpos de prova (Figura 5) de cada um dos materiais: PA 66 30%FV, ABS e ABS/SAN, sendo uma com entalhe de 1 mm a partir da lateral e outra sem qualquer alteração.

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Figura 6 - Corpos de prova fornecidos: peças pretas: PA 66 30%FV; peças cinzas: ABS; peças brancas: ABS/SAN

Em todas as amostras, o teste de impacto foi realizado com valor de energia potencial de 5,5 J e uma velocidade de 5,5 m/s.

Tabela de Medidas Material

Largura (mm)

Espessura (mm)

Medida 1

Medida 2

Medida 3

Média

Medida Medida 1 2

Medida 3

Média

PA66 FV sem entalhe

10,30

10,28

10,20

10,26

3,72

3,90

3,82

3,81

PA66 FV com entalhe

10,26

10,18

10,16

10,20

3,90

3,84

3,76

3,83

ABS/SAN sem entalhe

12,90

13,10

12,90

12,97

3,60

3,62

3,63

3,62

ABS/SAN com entalhe

13,88

13,88

13,90

13,89

3,50

3,48

3,52

3,50

ABS sem entalhe

10,24

10,30

10,38

10,31

3,92

3,94

3,96

3,94

ABS com entalhe

10,84

10,30

10,28

10,47

4,20

4,20

3,94

4,11

Tabela 5 – Medidas dos corpos de prova

Material

Ângulo (°)

Energia (J)

Área (m²)

Resistência ao Impacto (J/m²)

PA66 FV sem entalhe

76,050

3,325

0,00003909

85060,1

PA66 FV com entalhe

138,460

0,515

0,00003524

14615,7

8

ABS/SAN sem entalhe

112,140

1,572

0,00004695

33481,7

ABS/SAN com entalhe

126,580

0,952

0,00004512

21101,6

0,00004062

-

0,000038921

56833,1

ABS sem entalhe ABS com entalhe

(Não houve fratura) 98,640

2,212

Tabela 6 – Valores de ângulo e energia obtidos pelo teste de impacto

Material

Valores Obtidos

Valores encontrados na literatura

PA66 FV sem entalhe

85060,1

82000

PA66 FV com entalhe

14615,7

13000

ABS/SAN sem entalhe

33481,7

26000

ABS/SAN com entalhe

21101,6

3200

ABS sem entalhe

-

101000

ABS com entalhe

56833,1

35700

Tabela 7 - Comparação dos valores médios de resistência ao impacto em J/m² obtidos com os dados da literatura

O valor da resistência ao impacto, da Tabela 6, pode ser obtido dividindo-se o valor de energia fornecida pelo pêndulo pela área da fratura. Nos casos das peças com a presença de entalhe, desconta-se 1 mm na largura. Na tabela, pode ser observado que a peça de ABS sem o entalhe não fraturou devido ao fato de que é necessário uma energia potencial maior do que a aplicada para que a peça fracture. Intuitivamente, pode se afirmar, que as peças com entalhe possuem um valor de energia menor pois quando há o impacto, já existe ali uma “fratura” permitindo que o material se rompa mais facilmente se comparado aos materiais sem o entalhamento.

Figura 7 - PAA66 30FV sem entalhe

Figura 9 - ABS/SAN com entalhe

Figura 8 - PAA66 30FV com entalhe

Figura 10 - ABS/SAN sem entalhe

Figura 11 - ABS com entalhe

As fraturas produzidas por impacto podem ser classificadas como frágeis ou dúcteis. As fraturas frágeis são caracterizadas pelo aspecto cristalino, facetado e brilhante e as fraturas dúcteis apresentam aparência fibrosa e opaca. Os materiais frágeis se rompem sem nenhuma deformação plástica, de forma brusca. Por isso, esses materiais não podem ser utilizados em aplicações nas quais sejam comuns esforços bruscos. Um entalhe 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,o que aumenta sua fragilidade. A existência de um entalhe, por menor que seja, muda substancialmente o comportamento do material dúctil.

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6 Conclusões 6.1 Ensaio de dureza

De acordo com os resultados do ensaio dos corpos de prova, obtidos na escala de dureza Shore D, indicada na Figura 2, pode-se afirmar que todos os materiais se encaixam na faixa de materiais duros. Contudo, observa-se uma certa discrepância entre os valores obtidos experimentalmente e os valores encontrados na literatura. Esse fato se deve às inexatidões das medições realizadas no laboratório à força exercida variável, como também aos dados obtidos da literatura, que podem não ser tão confiáveis. Não é possível saber, por exemplo, em que condições de temperatura e pressão os valores da literatura foram registrados, o que dá margem para resultados diferentes. Ainda assim, podemos concluir que o material PAA66 30FV, que teve a fratura mais frágil observada nas figuras, foi o material que obteve o maior valor de dureza entre os três (54.4) o que condiz com a realidade. Além disso, o material da peça cinza, ABS, que resultou em uma fratura dúctil na amostra com entalhe e que teve fratura na amostra sem entalhe, obteve o menor valor de dureza (50.8). Esses resultados demonstram que, o ensaio deu resultados esperados para a característica de cada material. A partir dos resultados obtidos nos ensaios de dureza dos elastômeros, em que a escala Shore A foi utilizada, ao comparar os valores obtidos com os dados da literatura, podemos verificar que de fato a maioria dos materiais se encaixam dentro da faixa de valores esperada, sendo estes o NR, NBR, EPM e o Fluorelastômero. O NBR + PVC porém, ficou levemente acima do valor esperado.

6.2 Ensaio de impacto A partir das figuras obtidas com o estereomicroscópio após o ensaio de impacto dos seis corpos de prova, podemos observar que os dois corpos de prova pretos de material PAA66 30FV (Figuras 7 e 8, sem e com entalhe respectivamente) tiveram fraturas totalmente frágeis, caracterizadas pelos seus aspectos granular e brilhante. Já nos corpos de prova brancos, de material ABS/SAN, podemos observar que o corpo com entalhe (Figura 9) tem aspecto de fratura frágil, com uma fisionomia cristalina. Em contrapartida, o corpo de mesmo material sem entalhe (Figura 10) tem aspecto de uma fratura em transição dúctil - frágil, já que, ao mesmo tempo, o corpo aparenta ter tanto uma fisionomia granular fraca quanto partes fibrosas. Isso se deve ao fato de que o entalhe, 11

como dito anteriormente, promove tensões muito elevadas em um único ponto, podendo tornar assim, a fratura totalmente frágil. Para o último material, ABS, o corpo de prova que não possuía entalhe não fraturou, já que, por ser um material muito dúctil, precisaria de uma energia potencial maior do que a aplicada para fraturar. Por outro lado, a peça de ABS que continha o entalhe (Figura 11) fraturou. Isso ocorre pois, para corpos com entalhe, é necessária uma energia menor para fraturá-lo, e assim o rompimento acontece. Mesmo com o material mais fragilizado, a fratura observada é caracterizada como dúctil, já que é fibrosa e opaca. Podemos confirmar essas características analisando também os resultados da resistência ao impacto obtidos. Uma observação importante é que, alguns resultados também se afastam dos valores da literatura pesquisados pelo grupo. Novamente, não podemos saber em que estados de temperatura e pressão, por exemplo, esses resultados foram realizados, o que abre espaço a uma variação de medidas experimentais que podemos considerar corretas. A partir dos dados obtidos, concluímos que o material mais dúctil, ABS com entalhe, teve um valor de resistência ao impacto considerado alto (56833,1J/m²), e que o corpo de prova sem entalhe do mesmo material, que não se rompeu, comparado com o valor obtido na literatura, teve um valor ainda maior. Isso acontece, pois uma fratura dúctil necessita de maior energia para se romper, já que parte da energia é consumida para ocorrer a deformação plástica, fenômeno que não ocorre nos materiais de fratura frágil.

7 Referências A Guide To Shore Durometers. Disponível em: . Hardness Shore D. Disponível em: . Especificações dos materiais. Disponível em: . Características do ensaio Izod. Portal CIMM. Disponível em . Acesso em 02 de agosto de 2017. Ficha técnica Pa 6.6 . Dupont Zytel. Disponível em: Acesso em 06 de agosto de 2017. 12

Ficha técnica ABS. Prospector. Disponível em: . Acesso em 06 de agosto de 2017. CORREA, Carlos; YAMAKAWA, Roberto; HAGE JÚNIOR, Elias. Determinação de Temperatura de Transição Dúctil-frágil de Plásticos Através de Testes de Impacto Instrumentado. Jan/Mar 99. Disponível em: .

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