Relatório 5 - Ensaio de Impacto Charpy - labmat - UFES PDF

Preview

Summary

Atividade avaliativa/Trabalho prático de laboratório sobre Ensaio de Impacto Charpy. O foco é dado à metodologia, a todos os equipamentos e instrumentos utilizados para a realização e às contas realizadas....

Description

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO Departamento de Engenharia de Produção

Disciplina: Laboratório de Materiais 1 RELATÓRIO - Ensaio de Impacto Charpy - 02/06/2018 Responsável (Discente): Marina Gusmão e Michele de Lima

1

MATERIAL ENSAIADO

Corpo de prova padrão 1: aço 1020 com 55mm de comprimento, 10mm de largura e 10mm de altura. Corpo de prova padrão 2: alumínio com 55mm de comprimento, 10mm de largura e 10mm de altura. 2

ENSAIO REALIZADO / METODOLOGIA APLICADA

Neste último laboratório, fizemos o ensaio de impacto Charpy. O ensaio de impacto se caracteriza por aplicar, em um corpo ensaiado, uma força brusca e repentina, que deve rompê-lo. É um ensaio dinâmico empregado para a análise da fratura frágil de materiais. O resultado é simplesmente representado por uma medida de energia absorvida pelo corpo de prova, não fornecendo indicações seguras sobre o comportamento de toda uma estrutura em condições de serviço. Entretanto, permite a observação de diferenças de comportamento entre materiais que não são observadas em um ensaio de tração. Como o técnico do laboratório comentou conosco, este tipo de ensaio só tem validade se, ao final da realização da experiência, o material de ensaio for efetivamente rompido, já que o que buscamos é saber o comportamento do material ao se romper. Existem três fatores principais que podem influenciar no surgimento da fratura frágil em materiais que são normalmente dúcteis à temperatura ambiente: existência de um estado triaxial de tensões (que ocorrem em entalhes, por exemplo), baixas temperaturas e velocidade de deformação elevada. Como comentado com a turma em sala de aula o entalhe é uma característica que deve ser analisada na peça antes de submete-la ao ensaio pois ele funciona como um concentrador de pressão, ou seja, a maior parte da energia produzida pela ação do choque acabará sendo concentrada numa região localizada da peça. E, para que o ensaio ocorra de maneira adequada, é necessário considerar isso e combinar o valor do entalhe com outras características específicas afim de que a peça ensaiada se rompa. No laboratório, nos foi dito que a norma para o valor do entalhe seria de 2mm, mas estávamos trabalhando com um entalhe de 5mm para criar uma condição mais

crítica para facilitar o rompimento, já que não conseguimos abaixar a temperatura do material, o que criaria uma situação mais favorável para a produção de uma fratura frágil. A principal função do ensaio Charpy consiste em determinar se um material apresenta ou não uma transição dúctil-frágil com o decréscimo da temperatura, e, caso apresente, em que faixa de temperaturas ocorre o fenômeno. A transição dúctilfrágil é relacionada com a temperatura pela energia de impacto medida no ensaio. Nem todos os metais apresentam uma transição dúctil-frágil acentuada ou perceptível, mas observa-se que na redução da temperatura os níveis de tenacidade tendem a cair. Os metais que apresentam estrutura cúbica de face centrada (CFC), que incluem ligas de alumínio e ligas de cobre, permanecem dúcteis mesmo a temperaturas extremamente baixas. Entretanto, metais com estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) e hexagonal compacta (HC) apresentam a transição dúctil-frágil. Isso ocorre em função dos diferentes sistemas de escorregamento vinculados a cada uma dessas estruturas cristalinas associados às atividades das discordâncias. Em temperaturas mais elevadas, a energia de impacto é relativamente alta e é compatível com um modo dúctil de fratura. A medida que a temperatura diminui, a energia de impacto cai subitamente ao longo de um intervalo de temperaturas relativamente pequeno, abaixo do qual a energia de impacto apresenta um valor baixo e essencialmente constante; nesse intervalo, o modo de fratura é frágil. O equipamento que usamos no ensaio foi um martelo pendular, cuja ilustração é apresentada na Figura 1. O peso do martelo é de 15kg. Ao cair de uma altura inicial (onde, parado, ele conserva sua energia inicial), o martelo encontra o corpo de prova fixo em seu caminho que, se tudo der certo, se romperá. O movimento do martelo segue, depois de ter causado o rompimento do material por choque, até determinada altura que corresponderá à sua posição final (onde ele apresentará sua energia final). É na diferença entre energia final e inicial que verificaremos a energia absorvida pelo material.

Figura 1 – Ilustração de um martelo pendular usado em ensaios de impacto

O mostrador do equipamento usado no ensaio registra a energia absorvida no impacto entre o martelo e o material ensaiado. A Figura 2 mostra a escala do martelo pendular. A escala usa como unidade de medida o kilopond-meter (kpm). Essa unidade se relaciona com a unidade de energia Joule como mostra a expressão (1): 1 𝑘𝑝𝑚 = 9, 807 𝐽

(1)

Figura 2 – Escala do martelo pendular (esquerda) e detalhe da escala (direita)

O primeiro material ensaiado foi o corpo de prova de alumínio e o segundo foi o corpo de prova de aço. Ambos podem ser visualizados na Figura 3.

Figura 3 – Corpos de prova de alumínio (mais claro) e de aço 1020 (mais escuro). À direita, vista lateral mostrando a profundidade do entalhe

Antes da realização propriamente dita do ensaio com os corpos de provas, o técnico elevou o martelo e o soltou livremente, sem a presença de nenhum corpo de prova. Esse passo é importante pois, com a energia captada nesse movimento, conseguimos saber qual é o valor da energia que é gasta, durante os ensaios, no atrito com o ar. Essa energia deverá ser descontada na conta que faremos para medir a energia absorvida nos ensaios com os corpos de prova. Em laboratório, verificamos que 0,1 Kpm deveria ser descontado. Os ensaios para os dois corpos de prova foram iguais em metodologia. O corpo de prova foi posicionado na base do martelo pendular, com o entalhe virado para o lado oposto ao sentido de impacto do martelo. Depois, o martelo foi liberado, chocando-se com o corpo de prova e continuou sua trajetória até certa altura que foi registrada como energia absorvida pela escala do mostrador e pode ser observada nas Figuras 4 (para o alumínio) e 5 (para o aço). O corpo de prova foi arremessado do martelo pendular depois do choque. A Figura 6 apresenta os corpos de prova já rompidos.

Figura 4 – Mostrador do martelo pendular indicando a energia absorvida durante o ensaio com o corpo de prova de alumínio

Figura 5 – Mostrador do martelo pendular indicando a energia absorvida durante o ensaio com o corpo de prova de aço 1020

Figura 6 – Corpos de prova de aço (à esquerda) e de alumínio (à direita) já rompidos

3

RESULTADOS OBTIDOS

Ao final de cada um dos ensaios, já conseguimos verificar mesmo a olho nu a diferença nas fraturas de cada corpo de prova (aço e alumínio). São possíveis dois modos de fratura: frágil e dúctil. A classificação está baseada na habilidade de um material em deformar-se plasticamente na região de fratura. A fratura frágil ocorre sem nenhuma deformação apreciável, rompendo de forma brusca. Em uma observação visual percebe-se um aspecto cristalino. A fratura dúctil apresenta uma extensa deformação plástica no material, absorvendo muita energia e dissipando-a antes da ruptura. A superfície de fratura apresenta um aspecto fibroso. Os materiais frágeis rompem-se de forma brusca, sem nenhuma deformação plástica (ou seja, sem muito “aviso”). O que nos permite reafirmar a importância deste tipo de ensaio: ao perceber que o material é frágil, por exemplo, não devemos o utilizar em nenhum tipo de aplicação onde é comum o esforço brusco pois tal aplicação não seria segura. Ao invés disso, deveríamos optar por materiais dúcteis, neste caso. Em laboratório, ao observar o aspecto fibroso da fratura do corpo de prova de alumínio, constatamos que este sofreu uma fratura dúctil. A energia absorvida registrada foi de 2,1 kpm. Já o aço 1020 apresentou uma porcentagem de fratura frágil, apresentando uma parte da fratura com um aspecto mais cristalino e outra parte com aspecto fibroso. A energia absorvida registrada foi de 5,6 kpm.

4 CONCLUSÃO Os resultados obtidos estão agrupados na Tabela 1.

Corpo de prova Alumínio Aço 1020

Energia registrada (J) 20,59 54,92

Energia atrito com ar (J) 0,9807 0,9087

Energia de fato absorvida (J) 19,61 53,94

Tabela 1 – Resultados coletados durante ensaio

O corpo de prova de aço absorveu mais energia do que o de alumínio, o que leva à conclusão de que o aço é um material mais tenaz do que o alumínio. O aço 1020, assim como o alumínio, apresenta uma alta ductilidade, porém, no ensaio, sofreu uma porcentagem de fratura frágil. Esse fato demonstra que o corpo de prova começou a entrar na zona de transição dúctil-frágil, o que provavelmente foi causado pelo entalhe e pela velocidade da deformação causada pelo ensaio, fatores que contribuem para o surgimento da fratura frágil. A tenacidade está relacionada com a fase plástica dos materiais e por isso se utilizam as ligas metálicas dúcteis. Porém, mesmo utilizando ligas dúcteis, com resistência suficiente para suportar uma determinada aplicação, verificou-se na prática que um material dúctil pode romper-se de forma frágil.

REFERÊNCIAS SOUZA, Sérgio Augusto de. Ensaios mecânicos de materiais metálicos. Fundamentos teóricos e práticos. São Paulo, Ed. Edgard Blucher, 1982. GARCIA, Amauri; SPIM, Jaime Alvares; SANTOS, Alexandre dos. Ensaios dos materiais. 2. ed. Rio de Janeiro, LTC, 2012....