Aula 7 ensaios mecânicos e end - ensaio de impacto

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Aula 7 ensaios mecânicos e end - ensaio de impacto

  1. 1. Conceito do EnsaioEnsaio CharpyO ensaio de impacto se caracteriza por submeter o corpo ensaiado a umaforça brusca e repentina, que deve rompê-lo.É um ensaio empregado no estudo da fratura frágil dos metais, que écaracterizado pela propriedade de um metal atingir a ruptura sem sofrerdeformação apreciável.Embora existam para esse fim ensaios mais elaborados e bem maisrepresentativos, pela sua simplicidade e rapidez, o ensaio de impacto é umensaio dinâmico usado ainda em todo o mundo sendo obrigatório parateste de aceitação de material, principalmente para materiais utilizados embaixa temperatura.
  2. 2. Conceito do Ensaio O corpo de prova é padronizado e provido de um entalhe para localizar a sua ruptura e produzir um estado triaxial de tensões, quando ele é submetido à uma flexão por impacto, produzida por um martelo pendular. A energia que o corpo de prova absorve, para se deformar e romper, é medida pela diferença entre a altura atingida pelo martelo antes e após o impacto, multiplicada pelo peso do martelo.
  3. 3. Conceito do Ensaio Nas máquinas em geral, essa energia é lida na própria máquina, através de um ponteiro que desliza numa escala graduada, já convertida em unidade de energia. Pela medida da área da seção entalhada do corpo de prova, pode-se então obter a energia absorvida por unidade de área, que também é um valor útil. Quanto menor for a energia absorvida, mais frágil será o comportamento do material àquela solicitação dinâmica.
  4. 4. Conceito do Ensaio O entalhe produz um estado triaxial de tensões, suficiente para provocar uma ruptura de caráter frágil, mas apesar disso, não se pode medir satisfatoriamente os componentes das tensões existentes, que podem mesmo variar conforme o metal usado ou conforme a estrutura interna que o metal apresente. 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 metal ao choque em geral.
  5. 5. Conceito do Ensaio Existem vários fatores que influem na resistência ao impacto, tais como entalhe ou descontinuidade, composição do metal de base, composição do metal de adição, tratamento térmico, grau de encruamento, tamanho de grão, temperatura, etc... Nos metais a temperatura tem um efeito acentuado na resistência ao impacto tal que, à medida que a temperatura diminui, o corpo de prova se rompe com fratura frágil e pequena absorção de energia. Acima dessa temperatura, as fraturas do mesmo metal passam a ser dúcteis e com absorção de energia bem maior em relação àquela ocorrida em temperaturas baixas.
  6. 6. Corpo-de-Prova Geralmente os corpos de prova entalhados para ensaio de impacto Charpy são especificado pela norma ASTM E 23 e podem ser divididos em três grupos (A, B e C), conforme a forma do seu entalhe. Eles tem seção quadrada de 10 mm de lado e um comprimento de 55 mm. O entalhe é feito no meio do corpo de prova e no tipo A, tem forma de um V; no tipo B, a forma de fechadura (“buraco da chave”) e, no tipo C, a forma de um U. Os corpos de prova Charpy são livremente apoiados na máquina de ensaio, com uma distância entre apoios especificada de 40 mm.
  7. 7. Corpo-de-ProvaDimensões dos corpos-de-prova para ensaio de impacto Charpy.
  8. 8. Corpo-de-ProvaCorpo-de-prova ajustado na máquina de ensaio.
  9. 9. Corpo-de-ProvaPode-se, ainda, empregar corpos de prova de tamanho reduzido,caso não seja possível retirar os corpos de prova normais, masdaí, os resultados obtidos não podem, evidentemente, seremcomparados com os resultados dos corpos de prova normais.Quando o material a ser testado tiver espessura menos que 11mm, corpos de prova de tamanho reduzido devem ser usados.Quando esse tipo de corpo de prova é requerido, o nível deenergia especificado ou temperatura de ensaio ou ambos, devemser modificados.
  10. 10. Corpo-de-Prova A confecção dos corpos de prova de tamanho reduzido segue a orientação abaixo:
  11. 11. Corpos de ProvaOrientação dos Corpos de ProvaToda norma que especifica ensaios de impacto deve indicar olocal para retirada dos corpos de prova, bem como aorientação do corpo de prova e a direção do entalhe.O cuidado acima leva em consideração a alteraçãosignificativa dos resultados do ensaio em função daorientação do corpo de prova e da direção do entalhe, quetem como principal exemplo as peças trabalhadasmecanicamente.
  12. 12. Corpo-de-Prova A figura mostra o efeito da direcionalidade nas curvas de impacto, em corpos de prova Charpy retiradas em três locais distintos e entalhes com diferentes orientações.
  13. 13. Corpo-de-Prova Não é recomendável efetuar apenas um ensaio de impacto para se tirar alguma conclusão. É necessário fazer-se no mínimo três ensaios, para se ter uma média aceitável como resultado. Os corpos de prova devem ser do mesmo tipo e dimensões, e serem retirados numa mesma orientação do material a ser ensaiado. Posição de retirada de corpos-de-prova do metal soldado.
  14. 14. Técnicas do EnsaioO corpo de prova Charpy éapoiado e engastado na máquinade ensaio, sendo o martelomontado na extremidade de umpêndulo e ajustado num ponto,de tal maneira que sua energiacinética, no ponto de impacto,tenha um valor fixo eespecificado.O martelo é solto e bate no corpode prova, no local mostrado nafigura .
  15. 15. Técnicas do Ensaio Depois de romper o corpo de prova, o martelo sobre até uma altura que é inversamente proporcional à energia absorvida para deformar e romper o corpo de prova. Assim, quanto menor for a altura atingida pelo martelo, mais energia o corpo de prova absorveu. Essa energia é lida diretamente na máquina de ensaio. O entalhe é submetido a uma tensão de tração, logo que o corpo de prova é flexionado pelo choque com o martelo, produzindo nele um estado triaxial de tensões (tensão radial ao entalhe, longitudinal e transversal), que depende das dimensões do corpo de prova e do entalhe.
  16. 16. Técnicas do EnsaioMáquinas de ensaio Charpy
  17. 17. Técnicas do Ensaio Conforme será visto mais adiante, a temperatura de ensaio tem uma influência decisiva nos resultados obtidos em materiais de baixa e média resistência e deve, portanto, ser mencionada no resultado, junto com o tipo de corpo de prova que foi ensaiado. A energia medida é um valor relativo e comparativo entre dois ou mais resultados, se esses forem obtidos nas mesmas condições de ensaio, isto é, mesma temperatura, mesmo tipo de entalhe e mesma máquina. Em ensaios a temperaturas diferentes da temperatura ambiente, o corpo de prova Charpy é mais recomendado, devido a sua maior facilidade de colocação na máquina. Nesses casos, aquece-se ou resfria-se a amostra, mantendo-a cerca de 10 minutos na temperatura desejada e coloca-se rapidamente na máquina, acionando-se imediatamente o pêndulo para o ensaio.
  18. 18. Técnica do EnsaioA máquina deve ser testadapor uma oscilação livre dopêndulo, com o indicador naposição inicial. Na condiçãode oscilação livre, o pêndulodeve indicar energia nula nomostrador da máquina; casocontrário, o valor indicado nomostrador deve serdiminuído do resultadoobtido no ensaio do corpo deprova.
  19. 19. Influência da Temperatura A energia absorvida num corpo de prova de um metal de baixa resistência acusada numa máquina de ensaio de impacto varia sensivelmente com a temperatura de ensaio. Um corpo de prova a uma temperatura T1, pode absorver muito mais energia do que se ele estivesse a uma temperatura T2, bem menor que T1, ou pode absorver praticamente a mesma energia a uma temperatura T3, pouco menor ou pouco maior que T1.
  20. 20. Influência da Temperatura Há uma faixa de temperaturas relativamente pequena, na qual a energia absorvida cai apreciavelmente. O tamanho dessa faixa varia com o metal, sendo, às vezes, uma queda bastante brusca.
  21. 21. Influência da Composição QuímicaO conteúdo de carbono na composição química do materialtambém influencia na sua tenacidade.
  22. 22. Influência do Entalhe Os valores de energia determinados são comparações quantitativas em um selecionado corpo de prova, mas não podem ser convertidos em valores de energia que serviriam para cálculos em projetos de engenharia. O comportamento do entalhe indicado em um ensaio individual se aplica somente para o tamanho do corpo de prova, geometria do corpo de prova, e condições de ensaio envolvidas, e não pode ser generalizado para outros tamanhos de corpo de prova e outras condições.
  23. 23. Aplicação do Ensaio O ensaio de impacto é um ensaio essencialmente comparativo para metais de uso em Engenharia. A energia absorvida para romper o corpo de prova pode ser utilizada como instrumento de controle da qualidade destes materiais. O exame visual da fratura do corpo de prova rompido, aliado à energia absorvida, pode servir para análises de fraturas em serviço destes materiais, além de poder também ser utilizado para a escolha de materiais em bases comparativas, no caso de metais de média resistência. Para os metais de baixa resistência, essa escolha pode ser baseada unicamente na aparência da fratura, bem como a tensão e a temperatura possíveis de serem usadas num projeto, com a garantia de evitar rupturas catastróficas, sob condições de serviço.
  24. 24. Aplicação do EnsaioA máquina para ensaio de impacto éuma máquina na qual um corpoentalhado é rompido por uma simplespancada de um pêndulo oscilandolivremente.O pêndulo é solto de uma altura fixadade modo que a energia da absorvidapelo impacto com o corpo de prova édeterminada. A altura que o pênduloatinge, depois da ruptura do corpo deprova é medida e usada paradeterminar a energia residual dopêndulo.
  25. 25. Aplicação do EnsaioO corpo de prova é suportado horizontalmente (corpo de prova de Charpy)como uma barra simples, com o eixo do entalhe na posição vertical e érompido por uma pancada do pêndulo no meio da face oposta ao entalhe.As máquinas devem ter graduações diversas para altura inicial do pêndulo, afim de dar maior precisão de leitura na escala mais adequada que garanta aruptura do corpo de prova. Para os materiais de uso normal, uma escalamáxima de 30 kgf.m ou mais precisamente 33,19 kgf.m (325,44 Joules),garante a ruptura de um corpo de prova mesmo bastante dúctil.O valor acima se refere à energia cinética do pêndulo quando ele está empleno movimento na parte mais baixa da trajetória ou à energia potencialgravitacional quando ele está em repouso no ponto mais alto da trajetória.
  26. 26. Aplicação do EnsaioAtritoA perda de energia por atrito, por resistência ao ar do pêndulo e por atritosno ponteiro de leitura, se não corrigida, será incluído na perda de energiaatribuída para quebrar o corpo de prova e pode influenciar significativamentenos resultados do ensaio.Existem máquinas cuja leitura de energia absorvida é dada em graus, ou seja,é dado o ângulo que o pêndulo atingiu após o rompimento do corpo deprova. Após o ensaio, através de tabelas, faz-se a correlação do ânguloindicado no mostrador com um respectivo valor da energia absorvida. Nessetipo de máquina, as perdas por atrito não são normalmente compensadaspelo fabricante da máquina.Em máquinas com leitura direta de energia, as perdas de energia por atritosão, normalmente, compensadas através do aumento da altura de partida(altura inicial) do pêndulo.
  27. 27. Aplicação do EnsaioAvaliação dos resultadosO ensaio de impacto deve consistir de, no mínimo, três (3) corpos de prova,retirados de uma peça de testes.Os critérios de avaliação dos resultados variam de norma para norma. Para anorma ASTM, por exemplo, o valor médio de energia absorvida deve ser igualou superior ao mínimo especificado. Adicionalmente, nenhum valorindividual poderá ser menor que o mínimo especificado.Caso ocorra uma das duas situações, um re-teste com três corpos de provadeve ser feito e, cada corpo de prova deve atingir um valor de energiaabsorvida igual ao mínimo específico. O percentual de cisalhamento e adimensão em mm, da expansão lateral, oposta ao entalhe, são outroscritérios freqüentemente utilizados para aceitação nos ensaios de impactodos corpos de prova Charpy V.
  28. 28. Avaliação da FraturaPercentual de Cisalhamento (fratura dúctil)O percentual de cisalhamento pode ser determinado por um dos seguintes métodos:1º) medir o comprimento e a largura da porção de aparência brilhante da fratura como mostra a figura abaixo e determinar o percentual de cisalhamento (fratura dúctil) pela tabela a seguir.
  29. 29. Avaliação da Fratura Tabela da determinação do percentual de cisalhamento.
  30. 30. Avaliação da Fratura 2º) Comparar a aparência da fratura do corpo de prova com a aparência da fratura do quadro mostrado na figura abaixo.
  31. 31. Ensaio de ImpactoENSAIO DE QUEDA-LIVRE DE PESO (Drop-weight test)O ensaio de impacto Charpy V, como já foi visto, é um ensaioestatístico aplicado mais no controle de lotes de materiaissupostamente homogêneos.Entretanto, não se presta para o desenvolvimento demateriais de maior tenacidade e nem mesmo para acomparação da tenacidade de materiais diferentes, emvirtude de utilizar corpos de prova com entalhes usinados osquais são conseguem reproduzir a fratura frágil nastemperaturas e tensões observadas em serviço.
  32. 32. Corpo-de-ProvaCorteDeve ser cortado por qualquer processo desde que se tome contraproblemas, tais como, o superaquecimento do material durante o corte.O corpo de prova após deve manter as mesmas características domaterial que lhe deu origem.Quanto a orientação, a ASTM E208 diz que o ensaio é insensível aosentido de laminação.Entretanto, a não ser que de outra forma acordado, todos os corpos deprova especificados pelo cliente dever ser seguindo a mesmaorientação, e esta deve ser anotado no relatório de registro do ensaio.
  33. 33. Corpo-de-ProvaConfecção do EntalheUm cordão de solda deve ser depositado sobre a superfície do corpode prova e deve ter aproximadamente 63,5 mm de comprimento e12,7 mm de largura.O consumível deve ser do tipo que deposite um metal de solda decaracterísticas frágil que, junto com o metal de base, garanta osurgimento de um entalhe metalúrgico e cause a formação de umatrinca.Após a soldagem deve-se fazer um corte de serra (entalhegeométrico), transversalmente ao cordão de solda com a finalidade delocalizar a ruptura no corpo da prova.
  34. 34. Corpo-de-provaFigura do CP
  35. 35. Conceito do EnsaioO ensaio é conduzido submetendo-se conjuntos de corpos deprova (quatro a oito corpos de prova por conjunto) de umdeterminado material, a um dispositivo de impacto em quedalivre, numa seqüência de temperaturas selecionadas, paradeterminar a máxima temperatura na qual o corpo de provaquebra.Uma série de corpos de prova é ensaiada a diferentestemperaturas, após uniformização da temperatura em banhoapropriado.O tempo mínimo de imersão dos corpos de prova, apóshomogeneização da temperatura, deve ser de 45 ou 60 minutos,dependendo da natureza do banho.
  36. 36. Conceito do EnsaioO apoio inferior do corpo de prova garante que o mesmo não sejasolicitada acima do limite de escoamento do material, isto é, omaterial do corpo de prova é flexionado pelo dispositivo de impactoaté um limite de deformação, determinado pelo apoio do corpo deprova, que solicita do material esforços apenas na zona elástica.A figura abaixo mostra um esquema do ensaio.
  37. 37. Avaliação dos ResultadoO ensaio avalia a capacidade de um aço de resistir aesforços na zona elástica, na presença de uma pequenadescontinuidade.Após o ensaio, os corpos de prova devem ser examinados ea avaliação dos resultados utiliza a terminologia “quebra”,“não quebra” e “não ensaiado”, como segue:
  38. 38. Avaliação dos Resultados“Quebra” → O corpo de prova é considerado quebrado se,rompendo, atingir apenas uma ou as duas bordas na superfíciede tração (lado da solda); não é necessária a completa separaçãodo corpo de prova no seu lado de compressão para que sejaconsiderado como “quebrado”.
  39. 39. Avaliação dos Resultados“Não quebra” → O corpo de prova desenvolve uma trinca visível, apartir do entalhe feito no cordão de solda, sem contudo atingirnenhuma das bordas da superfície de tração, conforme figura abaixo.“Não ensaiado” → Condições em que a trinca não é visível após o ensaioou quando o corpo de prova não foi flexionado suficientemente até atingiro seu apoio inferior.

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