relatorio cengmat

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1. INTRODUCAO 1.1. Propriedades Mecnicas As propriedades mecnicas so quem definem a resposta do material aplicao de foras (solicitao mecnica). As principais propriedades so: resistncia, elasticidade, ductilidade, fluncia, dureza e tenacidade. A determinao das propriedades mecnicas feita atravs de ensaios mecnicos. Os tipos de solicitao so: fora lenta (esttica), fora rpida (impacto), fora varivel (vibrao), presena de trincas, entalhes ou defeitos de fabricao e altas temperaturas (oxidao, modificao nas propriedades) e os tipos de tenses so: trao, compresso, cisalhamento e toro. 1.2. Ensaios Mecnicos Os ensaios mecnicos so utilizados para determinar as propriedades mecnicas do material. Em um ensaio mecnico, utilizamos corpos de prova e normas tcnicas como ASTM (American Society for Testing and Materials) e ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas). Os ensaios mais comuns no estudo de materiais so os de: trao, compresso, toro, choque, desgaste, fadiga e dureza.

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Figura 1: Foras aplicadas no corpo de prova para causar trao, cisalhamento e toro. 1.3. Ensaio de Impacto O Ensaio de Impacto se caracteriza por submeter o corpo ensaiado a uma fora brusca e repentina, que deve romp-lo. A maioria dos ensaios estudados anteriormente no avalia o comportamento dos materiais submetidos a esforos dinmicos. No caso da fadiga, embora os esforos sejam dinmicos, o ensaio correspondente leva mais em conta o fato de serem cclicos. A tenacidade de um material, avaliada a partir do ensaio de trao, pode dar uma idia de sua resistncia ao impacto, mas a relao no necessariamente conclusiva. Esse fato tornou-se relevante durante a segunda guerra mundial, quando navios passaram a usar chapas soldadas no lugar da tradicional construo rebitada. Sob impacto, trincas iniciadas em regies de solda podiam propagar-se pelas chapas, que no apresentavam perda de tenacidade ou ductilidade em ensaios de trao. Foram desenvolvidos ento ensaios especficos para impactos, considerando que a resistncia a eles grandemente afetada pela existncia de trincas ou entalhes e pela velocidade de aplicao da carga, condies que podem se facilmente implementadas em um ensaio comum de trao. A temperatura tambm exerce significativa influncia.

Figura 2: Desenho esquemtico do ensaio de impacto. O ensaio de impacto simples conforme pode ser visto pelo esquema acima. Em (a) temos um corpo de prova padronizado com um entalhe que rompido pela ao de um martelo em forma de pndulo. O princpio de operao pode ser analisado pela vista lateral em (b). Supe-se que o pndulo seja levado at uma posio tal que o seu centro de gravidade fique a uma altura h0 em relao a uma referncia qualquer. Desprezando a resistncia do ar e o atrito no piv, uma vez liberado e na

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ausncia do corpo de prova, o pndulo dever atingir mesma altura do outro lado pelo princpio da conservao da energia. Se o corpo de prova inserido e rompido pelo impacto do pndulo, a energia absorvida nessa operao faz o pndulo atingir, no outro lado, uma altura mxima h1 menor que h0. Ou seja, a resistncia ao impacto do material dada pela diferena entre as energias potenciais em h0 e em h1. Na prtica, o instrumento tem uma escala graduada, com indicador de valor mximo, para a leitura direta da diferena de energias. Por ser energia, a resistncia ao impacto deve ser dada em Joules (J), de acordo com o Sistema Internacional. Em equipamentos mais antigos, podem ser consideradas unidades como quilograma-fora m (kgf.m) ou libra-fora p (lbf.ft). H dois padres comuns para o ensaio: Charpy e Izod. O primeiro usual nos Estados Unidos e o segundo, na Europa.

Figura 3: Impacto dado no ensaio Charpy (a) e no Izod (b) No ensaio Charpy, o corpo de prova tem um entalhe central e apoiado em ambas as extremidades. O impacto se d no centro, conforme figura 3 (a). O entalhe comum tipo V, mas h tambm padro em forma de U ou fenda terminada em furo. Tambm h padres especiais (sem entalhe) para materiais como ferro fundido. No padro Izos, o corpo engastado em um lado e recebe o impacto na outra extremidade, conforme figura 3 (b). 1.3.1. Influncia da Temperatura A resistncia ao impacto dos materiais varia com a temperatura. As curvas do grfico da figura 4 indicam, aproximadamente, variaes da energia de impacto Charpy para aos-carbonos de diferentes teores de carbono, todos eles aquecidos a 870 (para a formao de austenita) por 4 horas e resfriados lentamente, de forma que a estrutura basicamente ferrita e perlita.

3

Figura 4: Variao da energia de impacto em funo da temperatura para diferentes teores de carbono. Notar que h uma temperatura ou uma faixa de temperaturas para a qual a energia de impacto muda de patamar, ou seja, de um valor mais baixo (impacto frgil) para outro mais alto (impacto dctil). Mas isso, naturalmente, vlido apenas para o corpo de prova. No significa que, por exemplo, uma pea prtica de ao com 0,6% de carbono sofrer sempre fratura frgil em temperatura ambiente. 1.3.2. Tipos de Fratura As fraturas produzidas por impacto podem ser frgeis ou dcteis.

Figura 5: Exemplo fratura dctil. 1.3.2.1. Fratura Frgil

de fratura frgil e de

As fraturas frgeis se caracterizam pelo aspecto cristalino. Os materiais frgeis rompem-se sem nenhuma deformao plstica, de forma brusca. Por isso, esses materiais no podem ser utilizados sem aplicaes nas quais sejam comuns esforos bruscos, como em eixos de mquinas, bielas, etc.

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1.3.2.2.

Fratura Dctil

As fraturas dcteis apresentam aparncia fibrosa. Esse tipo de material apresentam maior deformao plstica, sendo mais difcil de acontecer a ruptura. - Tenso: 1.4. Tipos de Deformao - Deformao Elstica: precede a deformao plstica, no uma deformao permanente, ou seja, reversvel, o material retorna posio inicial aps retirada a fora. A tenso proporcional deformao (Lei de Hooke).

Figura 4: Deformao Elstica. - Deformao Plstica: est relacionada com a rigidez do material. Est relacionada diretamente com as foras das ligaes interatmicas, decorrente do deslocamento de tomos (ou molculas) para novas posies na estrutura do metal.

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Figura 5: Grfico Tenso x Deformao, separando regime elstico de plstico. 1.5. Mdulo de Elasticidade O mdulo de elasticidade est diretamente relacionado rigidez do material, quanto maior for o mdulo de elasticidade, mais rgido o material, ou seja, menor sua deformao elstica. 1.6. Limite de Elasticidade Corresponde mxima tenso que o material suporta sem sofrer deformao permanente (Ponto P).

Figura 6: Ilustrao do ponto de limite de elasticidade (P). 1.7. Deformao Plstica - Escoamento O escoamento nitidamente observado em alguns metais de natureza dctil, como aos com baixo teor de carbono, caracteriza-se por um grande alongamento sem acrscimo de carga. Para a maioria dos metais metlicos, a deformao elstica persiste apenas at deformaes de 0,005. Aps este ponto ocorre a deformao plstica (no-reversvel). Em nvel atmico, a deformao plstica causada pelo deslizamento, onde ligaes atmicas so quebradas pelo movimento de deslocamento, e novas ligaes so formadas.

6

Figura 7: a curva (a) representa que a transio do comportamento elstico para o plstico gradual, iniciando uma curvatura a partir do ponto P. A curva (b) mostra quem em alguns aos (e outros materiais) o limite de escoamento bem definido, ou seja, o material escoa deformando-se plasticamente sem aumento da tenso. - Limite de Escoamento O ponto de escoamento pode ser determinado como sendo o ponto onde ocorre o afastamento inicial da linearidade na curva tenso-deformao. O limite de escoamento corresponde tenso necessria para promover uma deformao permanente de 0,2% (denominada de tenso limite de escoamento e). O valor e corresponde interseo entre uma linha reta, construda paralela a poro elstica, e a curva de tenso x deformao.

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Figura 8: Limite de escoamento. - Limite de Resistncia a Trao O limite de resistncia a trao LRT, corresponde tenso mxima aplicada ao material antes da ruptura (se esta tenso for mantida ocorrer a fratura do material). calculada dividindo-se a carga (fora) mxima suportada pelo material pela rea de seo reta inicial.

Figura 9: O ponto M representa a tenso mxima aplicada ao material. - Ductibilidade

8

Representa uma medida do grau de deformao plstica que o material suportou quando de sua fratura, ou seja, corresponde elongao total do material devido deformao plstica.

Figura 10: ductibilidade. Pode ser expressa como: - Alongamento percentual:AL% = l f l0 l0 .100

Onde l0 e lf correspondem, respectivamente, aos comprimentos inicial e final (aps a ruptura) do material. - Reduo da rea superficial:RA% = A0 A f A0 .100

Onde A0 e Af correspondem, respectivamente, as reas da seo reta inicial e final (aps a fratura) do material. 1.8. Dctil x Frgil Os materiais frgeis so considerados, de maneira aproximada, como sendo aqueles que possuem uma deformao de fratura que inferior a 5%. Figura 11: Materiais frgeis (rea rosa) e materiais dcteis (rea branca).

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1.9. Tenses e Deformaes Verdadeiras No clculo da tenso de deformao ( = F/A0) no levado em considerao a variao da rea da seo reta (A0). Tenso Verdadeira:v =F Ai

Deformao Verdadeira:l v = ln i l 0

Onde: Ai = rea da seo transversal instantnea; li = comprimento instantneo; l0 = comprimento inicial;

Figura 12: Tenses nominal e real. 2. OBJETIVO

O objetivo deste experimento ensaio de trao fazer anlises e clculos a partir da observao do comportamento dos seguintes materiais quando submetidos trao: Cobre, Ao 1020 normalizado, Ao 1045 normalizado, Ao 4140, Ao Inoxidvel (INOX304) e Ao 1045 temperado e revenido. Essas analises sero realizadas a partir dos grficos tenso x deformao obtidos no experimento.

3. MATERIAIS E MTODOS 3.1. Material Utilizado

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Para este experimento foram utilizados corpos de prova com comprimento inicial (Lo) de 60 mm, exceto o ao 1045 temperado e revenido, cujo comprimentp inicial foi de 100 mm. Os materiais dos corpos de prova foram: Cobre; Ao 1020 normalizado; Ao 1045 normalizado; Ao 4140; Ao Inoxidvel (INOX304); Ao 1045 temperado e revenido;

Figura 13: Corpos de prova utilizados no ensaio de trao. Da esquerda para direita: Cobre, ao 1020, ao 1045, ao 4140 e ao Inox 304. 3.2. Mtodo Os corpos de prova foram tracionados por um extensmetro at chegar a ruptura. Figura 14: Ilustrao de um extensmetro, como o utilizado no experimento.

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Figura 15: Corpos de prova aps a ruptura. 4. CLCULOS E RESULTADOS 4.1. Cobre l0 = 60 mm d0 = 10 mm df = 4,7 mm Fmax = 2000 kgf A0 = 78,5 mm2 Af = 17,35 mm2 - Comprimento final(mm) 10,65 10,95 11,25 17,70 (ruptura) 12,10 10,60

lfinal = 73,25 mm (soma das medidas acima). - Limite de Resistncia a Traot =Fmax 2000 kgf = A0 78 ,5mm 2

t = 25 ,48 kgf / mm 2

- Limite de Resistncia a Ruptura - Nominal32 mm x = x = 853 ,33 kgf 75 mm 2000

rn =

x 853 ,33 = A0 78 ,5

rn = 10 ,87 kgf / mm 2

- Real

12

32 mm x = x = 853 ,33 kgf 75 mm 2000

rr =

x 853 ,33 = A1 17 ,35

rr = 49 ,18 kgf / mm 2

- Deformao=l f l 0 l0 .100

73 ,25 60 .100 60 = 22 ,08 %

=

- Estricoestrico = A0 A f A0 .100

estrico

=

78 ,5 17 ,35 .100 78 ,5

estrico

= 77 ,89 %

4.2. Ao 1020 l0 = 60 mm d0 = 10 mm df = 6,3 mm Fmax = 4120 kgf A0 = 78,5 mm2 Af = 31,2 mm2 - Comprimento final(mm) 11,90 12,20 13,30 17,50 (ruptura) 12,00 11,95

Medidas das divises aps ruptura. lf = 78,85 mm (soma das medidas da tabela acima) - Limite de Resistncia a Trao 13

t =

Fmax 4120 kgf = A0 78 ,5mm 2

t = 52 ,5kgf / mm 2

- Limite de Resistncia Elstica47 mm x = x = 2547 ,89 kgf 76 mm 4120

elast =

x 2547 ,89 = A0 78 ,5

elast = 32 ,46 kgf / mm 2

- Limite de Escoamento50 mm x = x = 2710 ,53 kgf 76 mm 4120

esct =

x 2710 ,53 = A0 78 ,5

esc = 34 ,53 kgf / mm 2

- Limite de Resistncia a Ruptura - Nominal55 mm x = x = 2981 ,58 kgf 76 mm 4120

rn =

x 2981 ,58 = A0 78 ,5

rn = 37 ,98 kgf / mm 2

- Real55 mm x = x = 2981 ,58 kgf 76 mm 4120

rr =

x 2981 ,58 = A1 31,2

rr = 95 ,56 kgf / mm 2

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- Deformao=l f l0 l0 .100

78 ,85 60 .100 60 = 31,42 %

=

- Estricoestrico = A0 A f A0 .100

estrico

=

78 ,5 31,2 .100 78 ,5

estrico

= 60 ,25 %

4.3. Ao 1045 l0 = 60 mm d0 = 10 mm df = 7,9 mm Fmax = 6000 kgf A0 = 78,5 mm2 Af = 49,02 mm2 - Comprimento final(mm) 10,70 10,80 11,40 13,70 (ruptura) 11,20 10,50

lfinal = 68,30 mm (soma das medidas acima). - Limite de Resistncia a Traot =Fmax 6000 kgf = A0 78 ,5mm 2

t = 76 ,43 kgf / mm 2

- Limite de Resistncia a Ruptura

15

- Nominal95 mm x = x = 5089 ,28 kgf 112 mm 6000

rn =

x 5089 ,28 = A0 78 ,5

rn = 64 ,83 kgf / mm 2

- Real95 mm x = x = 5089 ,28 kgf 112 mm 6000

rr =

x 5089 ,28 = A1 49 ,02

rr = 103 ,82 kgf / mm 2

- Deformao=l f l 0 l0 .100

68 ,3 60 .100 60 =13 ,83 %

=

- Estricoestrico = A0 A f A0 .100

estrico

=

78 ,5 49 ,02 .100 78 ,5

estrico

= 37 ,55 %

4.4. Ao 4140 l0 = 60 mm d0 = 10 mm df = 6,4 mm Fmax = 4520 kgf A0 = 78,5 mm2 Af = 32,17 mm2

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- Comprimento final(mm) 10,50 10,70 11,60 14,75 (ruptura) 10,70 10,50

lfinal = 68,35 mm (soma das medidas acima).

- Limite de Resistncia a Traot =Fmax 4520 kgf = A0 78 ,5mm 2

t = 57 ,58 kgf / mm 2

- Limite de Resistncia Elstica119 mm x = x = 4268 ,89 kgf 126 mm 4520

elast =

x 4268 ,89 = A0 78 ,5

elast = 54 ,38 kgf / mm 2

- Limite de Escoamento124 mm x = x = 4448 ,25 kgf 126 mm 4520

esct =

x 4448 ,25 = A0 78 ,5

esc = 56 ,66 kgf / mm 2

- Limite de Resistncia a Ruptura - Nominal60 mm x = x = 2152 ,38 kgf 126 mm 4520

rn =

x 2152 ,38 = A0 78 ,5

rn = 27 ,42 kgf / mm 2

17

- Real60 mm x = x = 2152 ,38 kgf 126 mm 4520

rr =

x 2152 ,38 = A1 32 ,17

rr = 66 ,91kgf / mm 2

- Deformao=l f l 0 l0 .100

68 ,35 60 .100 60 =13 ,92 %

=

- Estricoestrico = A0 A f A0 .100

estrico

=

78 ,5 32 ,17 .100 78 ,5

estrico

= 59 ,02 %

4.5. Ao INOX 304 l0 = 60 mm d0 = 10 mm df = 5,2 mm Fmax = 4812 kgf A0 = 78,5 mm2 Af = 21,24 mm2 - Comprimento final(mm) 15,50 16,35 20,50 (ruptura 16,60 15,40 15,20

lfinal = 99,55 mm (soma das medidas acima).

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- Limite de Resistncia a Traot =Fmax 4812 kgf = A0 78 ,5mm 2

t = 61,29 kgf / mm 2

- Limite de Resistncia Elstica49 mm x = x = 2807 kgf 84 mm 4812

elast =

x 2807 = A0 78 ,5

elast = 35 ,76 kgf / mm 2

- Limite de Escoamento55 mm x = x = 3150 ,71kgf 84 mm 4812

esct =

x 3150 ,71 = A0 78 ,5

esc = 40 ,14 kgf / mm 2

- Limite de Resistncia a Ruptura - Nominal61mm x = x = 3494 ,43 kgf 84 mm 4812

rn =

x 3494 ,43 = A0 78 ,5

rn = 44 ,52 kgf / mm 2

- Real

19

61mm x = x = 3494 ,43 kgf 84 mm 4812

rr =

x 3494 ,43 = A1 21,24

rr = 164 ,52 kgf / mm 2

- Deformao=l f l 0 l0 .100

99 ,55 60 .100 60 = 65 ,92 %

=

- Estricoestrico = A0 A f A0 .100

estrico

=

78 ,5 21,24 .100 78 ,5

estrico

= 72 ,94 %

4.6. Ao 1045 temperado e revenido l0 = 100 mm d0 = 10 mm df = 7,7 mm Fmax = 14750 kgf A0 = 78,5 mm2 Af = 46,57 mm2 - Comprimento final(mm) 10,50 10,70 11,60 14,75 (ruptura) 10,70 10,50

lfinal = 100,75 mm (soma das medidas acima).

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- Limite de Resistncia a Traot =Fmax 14750 kgf = A0 78,5mm 2

t = 187 ,89 kgf / mm 2 - Limite de Escoamento134 mm x = x = 14322 ,461 kgf 138 mm 14750

esct =

x 14322 , ,46 = A0 78 ,5

esc = 182 ,45 kgf / mm 2

- Limite de Resistncia a Ruptura - Nominal105 ,3mm x = x = 11254 ,89 kgf 138 mm 14750

rn =

x 11254 ,89 = A0 78 ,5

rn =143 ,37 kgf / mm 2

- Real105 ,3mm x = x = 11254 ,89 kgf 138 mm 14750

rr =

x 11254 ,89 = A1 46 ,57

rr = 241 ,68 kgf / mm 2

- Deformao=l f l 0 l0 .100

100 ,75 100 .100 100 = 0,75 %

=

21

- Estricoestrico = A0 A f A0 .100

estrico

=

78 ,5 46 ,57 .100 78 ,5

estrico

= 40 ,67 %

Todos os clculos realizados acima foram baseados nos grficos de tenso x deformao, anexados do final do relatrio. 5. CONCLUSO Pode-se observar que a fora mxima para o ao 1045 temperado e revenido muito superior a todas as outras, isso porque ele sofreu tratamento trmico de tmpera, que utilizado justamente para aumentar a resistncia mecnica do material, por isso esse valor elevado. Tambm pode-se concluir que o cobre o material mais frgil, suportando uma fora mxima de 2000kgf. O teor de carbono na liga metlica influencia a fora que esse material suportar, ou seja, quanto maior for o teor de carbono na liga, maior ser sua resistncia, pode-se chegar a essa concluso comparando as foras do ao 1020 e do ao 1045 normalizados. Comparando os grficos tenso deformao possvel observar que o ao INOX 304 o que possui maior alongamento, pois possui o maior regime elstico. A partir de todas essas afirmaes acima, possvel chegar a concluso que a resistncia de uma liga metlica influenciada por diversos fatores, assim como teor de carbono e tratamento trmico. 6. REFERNCIA BIBLIOGRFICA Anotaes de aula. William D. Callister, Jr. Cincia e Engenharia de Materiais Uma Introduo 7 Ed. LTC. http://pt.wikipedia.org/wiki/Ensaio_de_trao acesso em 16/03/2011 http://200.210.165.28/mecanica/ciclo8/Capitulo1-parte2.pdf - acesso em 16/03/2011 http://www.lami.pucpr.br/cursos/estruturas/Parte03/Mod23/Curso1Mod23-03.htm acesso em 16/03/2011. -

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