Tração, impacto, flexão e estatística de weibull

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS MECANISMOS DE FRATURA E ANÁLISE DE FALHA RELATORIOS DAS ATIVIDADES DE LABORATORIO ENSAIO DE TRAÇÃO ENSAIO DE IMPACTO ENSAIO DE FLEXÃO / ESTATÍSICA DE WEIBULL DISCENTE: Jânio Cesar da Silva PROFESSOR: Wanderson Santana NATAL, DEZEMBRO DE 2010 or27 INTRODUÇÃO GERA st aos ensaios de traça mpa realizados nesta Univ longo do período leti e relatórios referentes tística de Weibull Grande do Norte ao aneira indireta pelo professor Dr. Wanderson Santana.

O ensaio de tração consiste, asicamente, em se tracionar um corpo de prova (CP) de seção reta retangular (CP prismático) ou circular (CP cilíndrico) até a sua ruptura. Diversos parâmetros podem ser medidos. Neste trabalho será feita uma descrição dos parâmetros utilizados na teoria da conformação plástica dos metais, características destes parâmetros e os resultados obtidos no ensaio. [1] A tenacidade de um material, avaliada a partir do ensaio de tração, pode dar uma idéia da sua resistência ao impacto, mas a relação não é necessariamente conclusiva.

Esse fato tornou-se relevante urante a segunda guerra mundial, quando navlos passaram a usar chapas soldadas no lugar da tradicional construção rebitada. Sob impacto, trincas iniciadas em regiões de solda podiam propagar-se pelas chapas, que nao apresentavam perda de ductilidade em ensaios de tração. Foram desenvolvidos então ensaios específicos para impactos, considerando que a resistência aos mesmos é grandemente afetada pela existência de trincas ou entalhes e pela velocidade de aplicação da carga, condições que não podem ser facilmente implementadas em um ensaio comum de tração.

A temperatura também exerce significativa nfluência. [2] Em aplicações industriais envolvendo materiais de alta resistência é muito importante conhecer o comportamento do material quando submetido a esforços de flexão. O ensaio de flexão é realizado em materiais frágeis e em materiais resistentes, como o ferro fundido, alguns aços, cerâmicas e outros materiais que em seu uso são submetidos a situações onde o principal esforço é o de flexão. A montagem do corpo de prova para o ensaio de flexão é semelhante à do ensaio de dobramento.

A diferença é que se coloca um extensômetro no centro e embaixo o corpo de prova para fornecer a medida da deformação que chama-se de flexa, correspondente à posição de flexão maxima. ENSAIO DE TRAÇAO 1. INTRODUÇAO Não existe ensaio mecânlco que preveja completamente o real desempenho mecânico de um material, seja na etapa de produção (conformação, usinagem, etc. ), seja na etapa de utilização (como elemento estrutural, peça automobilística, painel, etc. ). No entanto, o ensaio de tração é considerado o teste mecânico que apresenta a melhor relação entre informações obtidas e custo/ complexidade de ensaio.

Apesar deste teste possa ser realizado em condições bem distintas daquelas nas q PAGF Apesar deste teste possa ser realizado em condições bem distintas daquelas nas quais o material será requisitado, os parâmetros obtidos deste ensaio são o ponto de partida para a caracterização e especificação. Isto pode ser visto, esquematicamente, pelo gráfico contido na figura 1 abaixo: Fig. 1 – Representação esquemática da relação entre a descrição das propriedades mecânicas de um componente sob condições reais de serviço/fabricação e pelo ensaio de tração em relação ao custo/complexidade.

O ensaio de tração consiste, basicamente, em se tracionar um corpo de prova (CP) de seção reta retangular (CP prismático) ou circular (CP cilíndrico) até a sua ruptura. Diversos parâmetros podem ser medidos. [1] 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O ensaio de tração de engenharia é amplamente usado para a obtenção de informações básicas sobre a resistência de materiais, e como um teste de controle de especificações. Num ensaio de tração um corpo de prova é submetido a uma força trativa uniaxial continuamente crescente enquanto são feitas observações simultâneas da elongação do corpo de prova.

Uma curva de engenharia tensão-deformaç¿o é construída a partir de medidas da carga e da elongação (Fig. 2). A tensão usada nessa curva tensão-deformação é a tensão longitudinal média no corpo de prova. Ela é obtida dividindo-se a carga pela área inicial da seção reta do corpo de prova. (1) A deformação usada para a curva de engenharia é a deformação linear média, que é obtida pela divisão da elongação do comprimento útil do corpo de prova, 5, pelo seu comprimento original LO. pela divisão da elongação do comprimento útil do corpo de prova, 6, pelo seu comprimento original LO. ) uma vez que tanto a tensão como a deformação são obtidas pela divisão da carga e da elongação por fatores constantes, a curva carga-elongação terá a mesma forma da curva tensão- deformação de engenharia. As duas curvas são com freqüência usadas indistintamente. Fig. 2 — Curva tensão-deformação de engenharia. A forma e a magnitude de uma curva tensão-deformação de um metal dependerá de sua composição, tratamento térmico, história anterior da deformação plástica e da taxa de deformação, temperatura e estado de tensões impostas durante o teste.

Os parâmetros que são usados para descrever a curva tensão- deformação de um metal são: resistência à tração, tensão limite de escoamento, elongação percentual e redução de área. Os dois primeiros são parâmetros de resistência, e os dois últimos são uma indicação da ductilidade. A forma geral da curva tensão- deformação de engenharia (Fig. 2) requer maiores explicações. Na região elástica a tensão é linearmente proporcional ? deformação. Quando a carga ultrapassa o valor correspondente ao limite de escoamento, o corpo de prova sofre deformação plástica generalizada.

A partir desse ponto ele está permanentemente deformado se a carga é reduzida a zero. A tensão para produzir cada vez mais deformação plástica cresce com o aumento desta última, isto é, o material encrua. O volume do corpo de prova permanece constante durante a deformação plástica, AL = AOLO, e conforme se alonga, a área da seção reta tra constante durante a deformação plástica, AL — AOLO, e conforme se alonga, a área da seção reta transversal decresce uniformemente ao longo do comprimento útil do corpo de prova.

Inicialmente o encruamento compensa a diminuição da área da eção reta transversal e a tensão de engenharia (proporcional ? carga P) continua a aumentar com o aumento da deformação. Eventualmente, atinge-se um ponto onde a diminuição da área da seção reta do corpo de prova é maior que o aumento da carga de deformação proveniente do encruamento. Essa condição será atingida primeiramente em algum ponto do corpo de prova que é ligeiramente mais fraco que o resto. Toda deformação plástica posterior será concentrada nessa região, onde o corpo de prova começará a formar um pescoço e a se afinar localizadamente.

Devido ao fato da área da seção reta diminuir agora mais rapidamente do que o aumento da carga de deformação pelo encruamento, a carga necessária para deformar o corpo de prova diminuirá e a tensão de engenharia dada pela Eq. (l ) igualmente continuará a cair até se atingir a fratura. 2. 1 – Resistência a tração A resistência à tração. ou tensão máxima (ultimate tensile strength UTS), é a carga máxima dividida pela área da seção reta transversal inicial do corpo de prova. (3) A resistência à tração é o valor mais freqüentemente citado dos resultados de um ensaio de tração apesar de. realidade. ser um valor com muito pouca importância fundamental com relação à resistência do material. Para metais dúcteis a resistência à tração deveria ser considerada como uma medida d Para metais dúcteis a resistência à tração deveria ser considerada como uma medida da carga máxima que um metal pode suportar com as condições muito restritas de carregamento uniaxial. Será mostrado que este valor possui pouca relação com a resistência útil do metal sob condições mais complexas de tensão que são normalmente encontradas. or muitos anos foi costume basear a esistência de peças na resistência a tração, adequadamente reduzida por um fator de segurança. A tendência atual é para uma aproximação mais racional a fim de se basear o projeto estático de metais dúcteis na tensão limite de escoamento. Entretanto, devido ? longa prática do uso da resistência à tração para determinar a resistência dos materiais, ela se tornou uma propriedade muito familiar, e como tal é uma identificação muito útil de um material da mesma maneira que a composição química para identificar um metal ou uma liga.

Além do mais, por ser uma propriedade em reprodutível e de fácil obtenção, ela é útil para fins de especificações e para o controle de qualidade de um produto. Correlações empíricas entre a resistência à tração e propriedades tais como a dureza e resistência à fadiga são geralmente bastante úteis. para materiais frágels, a resistência à tração é um critério válido para projetos. 2. 2 – Medidas do limite-escoamento A observação da tensão na qual a deformação plástica ou escoamento principia depende da sensibilidade das medidas de deformação.

Na maioria dos metais existe uma transição gradual o comportamento elástico para ‘O plástico, e o ponto no qual a d existe uma transição gradual do comportamento elástico para ‘O plástico, e o ponto no qual a deformação plástica tem inicio é difícil de ser definido com precisão. Vários critérios para determinar o inicio do escoamento são usados, dependendo da sensibilidade das medidas de deformação e da finalidade de utilização dos dados. 1. Limite elástico verdadeiro, baseado em medidas de microdeformaçào à deformação da ordem de 2 x 10-6 cm/cm.

Esse limite elástico é um valor muito baixo e está relacionado ao movimento de algumas centenas de iscordâncias. 2. Limite proporcional é a tensão mais alta na qual a tensão é diretamente proporcional à deformação. É obtida pela observação do desvio da região de linha reta da curva tensão-deformação. 3. Limite elástico é a maior tensão que o material pode suportar sem qualquer deformação permanente mensurável quando a carga é totalmente retirada.

Com o aumento da sensibilidade da medida de deformação o valor do limite elástico diminui, até que se iguala ao limite elástico verdadeiro determinado por medidas de microdeformaçao. Com a sensibilidade de deformação normalmente empregada em ngenharia (10-4 cm/cm), limite elástico maior do PAGF 7 quantidade específica de deformação plástica. A definição usual dessa propriedade é o limite de escoamento convencional determinado pela tensão correspondente à interseção da curva tensãodeformação com uma linha paralela à porção elástica da curva, deslocada de uma deformação específica (Fig. ). Na maioria dos países, o deslocamento é normalmente especificado como uma deformação de 0,2 ou 0,1 por cento (e = 0,002 ou 0,001). (4) Uma boa maneira de confirmar o limite de escoamento convencional é através da medida do corpo de prova uma ez descarregado, após ter atingido esse limite em 0. 2%, e verificar se a deformação permanente foi de O limite de escoamento é referido nos trabalhos ingleses como proof stress, onde os valores do deslocamento são de ou por cento.

A resistência do escoamento obtido por esse método de deslocamento é comumente usada para projetos e para fins de especificaçóes porque evita dificuldades práticas da medida do limite elástico ou do limite proporcional. Alguns materiais não têm essencialmente uma porção linear na sua cun,’a tensão- deformação, por exemplo, cobre macio ou ferro fundido cinzento. ara esses materiais o método de deslocamento não pode ser usado, e a prática normal é definir a resistência ao escoamento como a tensão necessária para produzir alguma deformação total, por exemplo, E = 0,005. . 3 – Medidas de ductilidade No nosso presente estado de compreensão, a ductilidade é uma propriedade qualitativa e subjetiva de um material. Em geral, as medidas de ductilidade podem interessar de três manei PAGF 8 OF um material. Em geral, as medidas de ductilidade podem interessar de três maneiras: 1. para indicar a extensão na qual um metal pode ser deformado em fraturar em operações de transformação mecânica como a laminação e a extrusão. 2. para indicar ao projetista, de uma maneira geral, a capacidade do metal escoar plasticamente antes da fratura.

Uma alta ductilidade indica que o material é fortemente propenso a se deformar de maneira localizada antes de se romper. 3. Para servir como um indicador da mudança do nível de impurezas ou condições de processamento. Medidas de ductilidade podem ser especificadas para avaliar a “qualidade” do material ainda que não exista uma relação direta entre as medidas de ductilidade e o desempenho em serviço. As medidas onvencionais de ductilidade que são obtidas do teste de tração são a deformação de engenharia na fratura ef (normalmente chamada de elongação) e a redução de área na fratura q.

Ambas as propriedades são obtidas depois da fratura juntando-se as partes e tomando-se medidas de Lf e Af. Tanto a elongação quanto a redução de área são normalmente expressas em termos de percentagem. Devido a uma apreciável fração da deformação plástica estar concentrada na região do pescoço do corpo de prova de tração, o valor de ef dependerá do comprimento útil Lo sobre o qual as medidas foram tomadas. Quanto menor for o comprimento útil maior será a contribuição da região do pescoço para elongação total e, portanto, maior será o valor de ef.

Assim, ao nos referirmos a valores da elongação percentual, o compri portanto, maior será o valor de ef. Assim, ao nos referirmos a valores da elongação percentual, o comprimento útil Lo deverá ser mencionado. A redução de área não está sujeita a essa dificuldade. Os valores da redução de área podem ser convertidos em uma elongação do comprimento útil inicial. Da relação da constância de volume para deformação plástica AL AOLO, obtemos (7) Isso representa a elongação baseada em um comprimento útil• muito pequeno perto da fratura.

Outra maneira de se evitar as complicações que advêm da formação do pescoço é basear a elongação percentual na deformação uniforme antes do ponto no qual o pescoço se inicia. A elongação uniforme correlaciona- se bem com as operações de estiramento. Uma vez que a curva tensão-deformação de engenharia freqüentemente é bem plana nas vizinhanças do pescoço, pode-se tornar dificil o estabelecimento da carga máxima. sem ambigüidade. Nestes casos, o método sugerido por Nelson e Winlock é útil. 2. 4 –

Módulo de elasticidade A inclinação da região linear inicial da curua tensão-deformação é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young. O módulo de elasticidade é uma medida de rigidez do material. Quanto maior é o módulo de elasticidade, menor é a deformação e ástica resultante da aplicação de uma determinada carga. uma vez que o módulo de elasticidade é necessário para o cálculo da deflexão de vigas e outros componentes, ele se torna um valor importante para projetos. 2. 5 – Resiliência A capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e liberá-la quando descarregado

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