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Universidade de São PauloEscola de Engenharia de São Carlos
Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e Automobilística
Ensaios dosEnsaios Mecânicos dosEnsaios Mecânicos dos
u o ob s ca
Ensaios dos Materiais
Ensaios Mecânicos dos Ensaios Mecânicos dos MateriaisMateriais –– Flexão, Fluência eFlexão, Fluência eMateriaisMateriais Materiais Flexão, Fluência e Flexão, Fluência e
FadigaFadigaSMM0342- Introdução aos Ensaios Mecânicos dos Materiais
1Prof. Dr. Cassius O. F. Terra Ruchert
Classificação dos ensaios mecânicos
2
Ensaio de FlexãoEnsaio de FlexãoO Ensaio de flexãoO Ensaio de flexãoconsiste na aplicação deuma carga crescente emdeterminados pontos dedeterminados pontos deuma barra
Mede-se o valor da cargaversus a deformação
á imáxima
E istem dois tiposExistem dois tiposprincipais de Ensaios:Ensaio de flexão em trêspontos e Ensaio de flexãoem quatro pontos 3
Grande aplicação para materiais frágeis ou de elevada dureza, comop ç p g ,o caso de FoFo, aços ferramentas, aços rápidos, e cerâmicasestruturais, pois estes materiais, devido a baixa dutilidade nãopermitem ou dificultam a utilização de outros tipos de ensaiospermitem ou dificultam a utilização de outros tipos de ensaiosmecânicos.
Materiais Dúteis estes ensaios não são utilizados, mas existem duasvariantes que são os ensaios de dobramento e de tenacidade àfratura, CTOD.,
Critérios do CP:
Recomenda-se a forma retangular.A relação comprimento/espessura não deve ser inferior a 15.A relação largura/espessura não deve ser superior a 10.Mí i d 6 CP d t i l i d
4
Mínimo de 6 CPs, para cada material ensaiado
Ensaio de FlexãoAsAs principaisprincipais propriedadespropriedadesbtidbtid E iE i ddobtidasobtidas emem umum EnsaioEnsaio dede
FlexãoFlexão sãosão::
Módulo de ruptura na flexãoMódulo de elasticidadeMódulo de resiliênciaMódulo de tenacidade
É um ensaio muito utilizadoem cerâmicas, polímeros emetais duros, pois fornecedados de deformaçãodados de deformaçãoquando sujeitos a cargas deflexão 5
Diagrama de Esforços (Flexão)
3 pontos
6
3 pontos4 pontos
Ensaio 3 Pontos
A curva resposta do ensaiodepende fortemente dageometria da seçãotransversal do CP.
Durante o ensaio ocorremesforços normais eesforços normais etangenciais na seçãotransversal do CP, gerando
li d d dum complicado estado detensões no seu interior.
7
Ensaio Flexão 3 Pontos (Distribuição Tensão)
As fibras superiores comprimida e inferiores tracionadas.A Tensão é proporcional a dist. da linha neutra. Da resistência dos materiais:
yM f=σ8
yI z
=σ
O deslocamento de qualquer ponto na barra submetida a flexãosimples (3 pontos) é dada por:
⎟⎞
⎜⎛ 32 xlP lP 3
⎟⎟
⎠⎜⎜
⎝−=
344xl
Iv xEP
zx I
lvzE
P48max
=
Para o caso de seção circular
Dl
E
Pv 4
3
3
4=
DE3π
Para o caso de seção retangular:
hlP
v 3
3
=
9
hEw 34
A medida das flexas permite obtenção de curvas tensão-deformação
10
Por meio do ensaio de Flexão é possível obter importantesinformações a respeito do material quando submetidos a esforços deinformações a respeito do material quando submetidos a esforços deflexão.Módulo de Ruptura, σfu, ou resistência ao dobramento é o valormáximo da tensão de tração nas fibras externas do CP
DP l
fu 3max8
πσ =
hPw
lfu 2
max
2
3=σSeção circular Seção retangular
hMódulo de Elasticidade, E:
PE l
3
3
= Flexão 3 pontos( )Pa
E al3
22 43 −= Flexão 4 pontos
vwE
h34 vwE
h34
11Materiais Metálicos: Norma ASTM E855 - 90
Módulo de Resiliência, Urf, é determinado em função da tensãoaplicada e das dimensões do CP, no regime elástico
IU p
2σUrf = resiliência em flexão, Nm/m3
σp = limite de proporcionalidade, N/m2
I = momento de inérica m4
SEcU prf 26= I = momento de inérica, m4
C = dist. Inicial do eixo da barra a fibra externa, mS = área (m2)
Módulo de Tenacidade U é dada pela área total do gráficoMódulo de Tenacidade, Urf, é dada pela área total do gráfico.
Utf = tenacidade em flexão, Nm/m3
Sl
yPU f
tf 3
2 max=
Utf tenacidade em flexão, Nm/mPmax = carga máxima, Nyf = flexa máxima, ml = comprimento do CP, mS á ( 2)
12
Sl3 S = área (m2)
Ensaio Flexão Polímeros (ASTM D790 e ISO 178)
D=rL2/6dh
D=rL2/6d d=h (CP deitado e h>1,6 mm)D= deflexão no ponto médio entre os apoios;r= deformação máxima na superfície oposta
ao carregamento (ex. 0,05 mm/mm =5%);Procedimento A:Aplicado em materiais queao carregamento (ex. 0,05 mm/mm 5%);
L= distância entre apoios;d= profundidade dos Cps.
L/d = 16:1 (distancia entre apoios/prof CP)
rompem em deflexões pequenas(rígidos e semi-rígidos)
Procedimento B:
1313
L/d = 16:1 (distancia entre apoios/prof. CP)
Término do ensaio: Ruptura ou deformaçãomáxima de 5%
Aplicado em materiais quesuportam grandes deflexõesdurante o ensaio.
Dimensões do CP para Ensaio de Flexão (ASTM D790)
ComprimentoComprimento
Largura
CP padrão Moldado CP Retirado Chapa
Espessura
l = 127 mm;b = 12,7±0,2 mm;
3 2 0 2
h>1,6 mmh<1,6 mml = 50,8 mm;
CP padrão Moldado CP Retirado Chapa
L/d=16:1;d = 3,2±0,2 mm;L/d=16:1.
b = 12,7 mm;L=25,4 mm.
P ó it l d i tê i ã L/d
;b=<1/4L;l>10%L.
Para compósitos com elevada resistência a razão L/ddeve ser ajustada para que a falha ocorra na superfícieoposta ao carregamento (L/d=32:1) ou (L/d=40:1)
V l id d d E iVelocidade de Ensaio:R – velocidade do travessãoL – distância entre apoios;
Procedimento AZ=0,01 mm/mm/min
14
R=ZL2/6d (mm/min)
d = profundidade do CPZ = Taxa de deformação na superfície
oposta ao carregamento
Procedimento BZ=0,10 mm/mm/min
Principais Parâmetros Obtidos no Ensaio Flexão 3 pontos
σf = 3PL/2bd21)
σf = tensão de flexão na superfície oposta aocarregamento (MPa);
P = carga em Newtons;
)
g ;L = distância entre apoios;b = largura do CP em mm;d = profundidade (esp.) do CP em mm.
σfM = máxima tensão sob flexão no ensaio (pontos A, B e D)
2)
Caso o CP não rompa até 5% adotar o P de 5%de deformação
σfb = tensão de flexão na ruptura (pontos A e C) 3)4) εfr (deformação sob flexão): variação percentual no incremento do comprimento de um l t d fí i t t d d f ã á i i áelemento da superfície oposto ao carregamento, onde a deformação máxima irá ocorrer.
Calculado para qualquer deflexão (εf=6Dd/L2)
5) Ef = (módulo de elasticidade secante ou tangente): razão dentro do limite de elasticidadef f ( 3 / 3)
15
entre a tensão de flexão e a deformação correspondente (Ef=L3m/4bd3).Modulo tangente (m – inclinação da tangente da curva)Módulo secante (m – inclinação da secante da curva)
Ensaio de FluênciaDefiniçãoDefinição FluênciaFluência:: fenômeno de deformação plástica acumulada comDefiniçãoDefinição FluênciaFluência:: fenômeno de deformação plástica acumulada como tempo que um sólido apresenta, sob o efeito constante da tensão etemperatura.
O ensaio de fluência consiste naaplicação de uma carga constantep ç gem um material durante um períodode tempo, em temperaturaselevadas;elevadas;Essas condições são favoráveis amudanças de comportamento dos
t i i d id à dif ã dmateriais devido à difusão dosátomos, movimento dediscordâncias, escorregamento erecristalização;Fenômeno ocorre em T>0,4Tf(acima de 0,4 da temp. absoluta de(acima de 0,4 da temp. absoluta defusão).
16
Ensaio de FluênciaNo ensaio de fluência pode-se obter apenas o tempo deruptura total (ensaio(ensaio dedeup u a o a (e sa o(e sa o dederupturaruptura porpor fluência)fluência)..
N l t i dNormalmente no ensaio defluência são medidas asdeformaçõesdeformações que ocorrem
CP f ã d ttno CP em função do tempotempo(ensaio(ensaio dede fluência)fluência)..
Entre os materiaisensaiados em fluência pode-se citar os empregados emse citar os empregados eminstalações de refinariaspetroquímicas, usinasnucleares indústrianucleares, indústriaaeroespacial, turbinas,forno craqueamento etc.. 17
Ensaio de FluênciaO ensaio de fluência pode ser dividido O ensaio de fluência pode ser dividido
em três estágios:em três estágios:
PrimárioPrimário:: decréscimo contínuo dataxa de fluência (dε/dt) em função do( ) çaumento de resistência devido aoencruamento
SecundárioSecundário:: taxa de fluênciaconstante, função do equilíbrio entreencruamento e recuperação (devidoencruamento e recuperação (devidotemp.). O parâmetro mais importante(taxa mínima de fluência) consistena inclinação da curva nesse estágiona inclinação da curva nesse estágio
TerciárioTerciário:: aceleração da taxa defluência devido a estricção do CPfluência devido a estricção do CPculminando na ruptura devido àformação e propagação de trincas 18
Ensaio de Fadiga
Os materiais metálicos, quando submetidos a esforçosOs materiais metálicos, quando submetidos a esforçoscíclicos rompem-se a tensões inferiores àquelasdeterminadas nos ensaios de tração e compressão. Aruptura que ocorre é denominada ruptura por fadigaruptura que ocorre é denominada ruptura por fadiga
O ensaio de fadiga consiste na aplicação de carga cíclicaO ensaio de fadiga consiste na aplicação de carga cíclicaem corpo de prova padronizado
19
Tensões CíclicasEmEm geralgeral sãosão possíveispossíveis trêstrêsmodalidadesmodalidades diferentesdiferentes dede tensãotensãomodalidadesmodalidades diferentesdiferentes dede tensãotensãooscilanteoscilante--tempotempo::
Ciclo de tensões alternadas:dependência regular e senoidalem relação ao tempo, alternandoç p ,entre uma tensão máxima detração e uma tensão mínima decompressão de igual magnitude;compressão de igual magnitude;
Ciclo de tensões repetidas:á ívalores máximos e mínimos são
assimétricos e relação ao nível 0de tensão;
Ciclo de tensões aleatórias. 20
Curva σ-N ou Curva de WöhlerEm geral, a curva σ-N de materiaisferrosos (+ Ti) apresenta um limite deferrosos (+ Ti) apresenta um limite deresistência à fadiga. Para valoresabaixo desse limite o CP nunca irásofrer ruptura por fadigasofrer ruptura por fadigaPara ligas não ferrosas a fadiga écaracterizada pela resistência àffadiga, tensão na qual ocorre rupturapor fadiga após um número de ciclosespecíficos(106 a 108)Vida à fadiga consiste no número deciclos que causará a ruptura emdeterminado nível de tensãoEm função do número de ciclos parahaver ruptura o ensaio pode ser debaixo ciclo (104) ou de alto ciclobaixo ciclo (10 ) ou de alto ciclo(acima desse limite)
21
Curva σ-N ou Curva de WöhlerCurva σ N ou Curva de Wöhler
Resultado de ensaio de fadiga para diferentes materiais22
Diferença entre Limite à Fadiga e Resistência a FadigaLimite de resistência à fadiga (σRf): em certos materiais (aços, titânio,...)abaixo de um determinado limite de tensão abaixo do qual o material nuncasofrerá ruptura por fadiga.
Resistência à fadiga (σf): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá afalha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al,Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por resistência à fadiga
Para os aços o limite de resistência à fadiga (σRf) está entre 35-65% do limite deresistência à tração. 23
Nucleação da TrincaçA ruptura do material por fadiga ocorre devido à formação epropagação de trincas;propagação de trincas;As trincas se iniciam principalmente em defeitos desuperfície,entalhes, inclusões, contornos de grãos, defeitosgde solidificação, pontos de corrosão e pontos que sofremdeformação localizada.
24
Propagação de Trincasp g çA concentração de
ã ( ã )tensão(tração)na pontada trinca favorece odeslizamento deplanos em 45o (A,B eC)Em resposta àEm resposta àdeformação plástica, aponta da trinca torna-se curva (embota)se curva (embota).Na recuperação datensão (ou tensão decompressão) a ponta écompressão) a ponta écomprimida, formandonovamente uma ponta
daguda e o processovolta a se repetir emcada ciclo 25
Características MacroscópicasNucleação
Propagaçãosubcrítica
Propagaçãoinstável
2626Características macroscópicas gerais de uma fratura por fadiga.26
Modo Macroscópico de Propagação de Trinca por FadigaTrinca por Fadiga
NiNi
NpNff
A superfície de uma fratura por fadiga apresenta duas regiõesdi ti tdistintas:Região de propagação estável da trinca (aspecto polido, devido ao atrito das faces da
trinca com possíveis marcas de progressão da trinca;
Corresponde à área de fratura final não tendo ação do atrito (grosseiro, irregular,texturizado) – fratura frágil ou dúctil 27
Bibliografiag
Ciência e Engenharia de Materiais – uma Introdução, Willian D.C ê c a e ge a a de ate a s u a t odução, aCallister, Jr. LTC 5. edição.
The Science and Engineering of Materials, 4th edDonald R. Askeland – Pradeep P. Phulé.Donald R. Askeland Pradeep P. Phulé.
Dieter, G.E. Metalurgia Mecânica 2.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Dois,1981.
Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Fundamentos teóricos epráticos. 5º. Edição. Sérgio Augusto de Souza
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS ASTM E8M-AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E8M-01A (2001). Standard test methods of tension testing of metallic materials.Metric. Philadelphia.
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS ASTM E9AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E9-89a00 (2000). Standard Test Methods of Compression Testing of MetallicMaterials at Room Temperature
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OBRIGADO PELA OBRIGADO PELA
ATENÇÃO !!!ATENÇÃO !!!ATENÇÃO !!!ATENÇÃO !!!
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