O documento descreve o ensaio de impacto Charpy, que avalia a resistência à fratura de metais. O ensaio envolve a quebra de uma amostra normalizada com entalhe através de um impacto controlado, e mede a energia absorvida no processo de fratura. A temperatura do ensaio influencia fortemente os resultados. O ensaio fornece uma medida comparativa da tenacidade de diferentes metais e lotes de produção.

2. Conceito do Ensaio
Ensaio Charpy
O ensaio de impacto se caracteriza por submeter o corpo ensaiado a uma
força brusca e repentina, que deve rompê-lo.
É um ensaio empregado no estudo da fratura frágil dos metais, que é
caracterizado pela propriedade de um metal atingir a ruptura sem sofrer
deformação apreciável.
Embora existam para esse fim ensaios mais elaborados e bem mais
representativos, pela sua simplicidade e rapidez, o ensaio de impacto é um
ensaio dinâmico usado ainda em todo o mundo sendo obrigatório para
teste de aceitação de material, principalmente para materiais utilizados em
baixa temperatura.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Corpo-de-Prova
Dimensões dos corpos-de-prova para ensaio de impacto Charpy.

9. Corpo-de-Prova
Corpo-de-prova ajustado na máquina de ensaio.

10. Corpo-de-Prova
Pode-se, ainda, empregar corpos de prova de tamanho reduzido,
caso não seja possível retirar os corpos de prova normais, mas
daí, os resultados obtidos não podem, evidentemente, serem
comparados com os resultados dos corpos de prova normais.
Quando o material a ser testado tiver espessura menos que 11
mm, corpos de prova de tamanho reduzido devem ser usados.
Quando esse tipo de corpo de prova é requerido, o nível de
energia especificado ou temperatura de ensaio ou ambos, devem
ser modificados.

11. Corpo-de-Prova
A confecção dos corpos de prova de tamanho reduzido segue a
orientação abaixo:

12. Corpos de Prova
Orientação dos Corpos de Prova
Toda norma que especifica ensaios de impacto deve indicar o
local para retirada dos corpos de prova, bem como a
orientação do corpo de prova e a direção do entalhe.
O cuidado acima leva em consideração a alteração
significativa dos resultados do ensaio em função da
orientação do corpo de prova e da direção do entalhe, que
tem como principal exemplo as peças trabalhadas
mecanicamente.

13. 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.

14. 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.

15. Técnicas do Ensaio
O corpo de prova Charpy é
apoiado e engastado na máquina
de ensaio, sendo o martelo
montado na extremidade de um
pêndulo e ajustado num ponto,
de tal maneira que sua energia
cinética, no ponto de impacto,
tenha um valor fixo e
especificado.
O martelo é solto e bate no corpo
de prova, no local mostrado na
figura .

16. 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.

17. Técnicas do Ensaio
Máquinas de ensaio Charpy

18. 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.

19. Técnica do Ensaio
A máquina deve ser testada
por uma oscilação livre do
pêndulo, com o indicador na
posição inicial. Na condição
de oscilação livre, o pêndulo
deve indicar energia nula no
mostrador da máquina; caso
contrário, o valor indicado no
mostrador deve ser
diminuído do resultado
obtido no ensaio do corpo de
prova.

20. 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.

21. 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.

22. Influência da Composição Química
O conteúdo de carbono na composição química do material
também influencia na sua tenacidade.

23. 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.

24. 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.

25. Aplicação do Ensaio
A máquina para ensaio de impacto é
uma máquina na qual um corpo
entalhado é rompido por uma simples
pancada de um pêndulo oscilando
livremente.
O pêndulo é solto de uma altura fixada
de modo que a energia da absorvida
pelo impacto com o corpo de prova é
determinada. A altura que o pêndulo
atinge, depois da ruptura do corpo de
prova é medida e usada para
determinar a energia residual do
pêndulo.

26. Aplicação do Ensaio
O corpo de prova é suportado horizontalmente (corpo de prova de Charpy)
como uma barra simples, com o eixo do entalhe na posição vertical e é
rompido por uma pancada do pêndulo no meio da face oposta ao entalhe.
As máquinas devem ter graduações diversas para altura inicial do pêndulo, a
fim de dar maior precisão de leitura na escala mais adequada que garanta a
ruptura do corpo de prova. Para os materiais de uso normal, uma escala
máxima 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 em
pleno movimento na parte mais baixa da trajetória ou à energia potencial
gravitacional quando ele está em repouso no ponto mais alto da trajetória.

27. Aplicação do Ensaio
Atrito
A perda de energia por atrito, por resistência ao ar do pêndulo e por atritos
no ponteiro de leitura, se não corrigida, será incluído na perda de energia
atribuída para quebrar o corpo de prova e pode influenciar significativamente
nos 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 de
prova. Após o ensaio, através de tabelas, faz-se a correlação do ângulo
indicado no mostrador com um respectivo valor da energia absorvida. Nesse
tipo de máquina, as perdas por atrito não são normalmente compensadas
pelo fabricante da máquina.
Em máquinas com leitura direta de energia, as perdas de energia por atrito
são, normalmente, compensadas através do aumento da altura de partida
(altura inicial) do pêndulo.

28. Aplicação do Ensaio
Avaliação dos resultados
O 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 a
norma ASTM, por exemplo, o valor médio de energia absorvida deve ser igual
ou superior ao mínimo especificado. Adicionalmente, nenhum valor
individual poderá ser menor que o mínimo especificado.
Caso ocorra uma das duas situações, um re-teste com três corpos de prova
deve ser feito e, cada corpo de prova deve atingir um valor de energia
absorvida igual ao mínimo específico. O percentual de cisalhamento e a
dimensão em mm, da expansão lateral, oposta ao entalhe, são outros
critérios freqüentemente utilizados para aceitação nos ensaios de impacto
dos corpos de prova Charpy V.

29. Avaliação da Fratura
Percentual 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.

30. Avaliação da Fratura
Tabela da determinação do percentual de cisalhamento.

31. Avaliação da Fratura
2º) Comparar a aparência da fratura do corpo de prova com a
aparência da fratura do quadro mostrado na figura abaixo.

32. Ensaio de Impacto
ENSAIO DE QUEDA-LIVRE DE PESO (Drop-weight test)
O ensaio de impacto Charpy V, como já foi visto, é um ensaio
estatístico aplicado mais no controle de lotes de materiais
supostamente homogêneos.
Entretanto, não se presta para o desenvolvimento de
materiais de maior tenacidade e nem mesmo para a
comparação da tenacidade de materiais diferentes, em
virtude de utilizar corpos de prova com entalhes usinados os
quais são conseguem reproduzir a fratura frágil nas
temperaturas e tensões observadas em serviço.

33. Corpo-de-Prova
Corte
Deve ser cortado por qualquer processo desde que se tome contra
problemas, tais como, o superaquecimento do material durante o corte.
O corpo de prova após deve manter as mesmas características do
material que lhe deu origem.
Quanto a orientação, a ASTM E208 diz que o ensaio é insensível ao
sentido de laminação.
Entretanto, a não ser que de outra forma acordado, todos os corpos de
prova especificados pelo cliente dever ser seguindo a mesma
orientação, e esta deve ser anotado no relatório de registro do ensaio.

34. Corpo-de-Prova
Confecção do Entalhe
Um cordão de solda deve ser depositado sobre a superfície do corpo
de prova e deve ter aproximadamente 63,5 mm de comprimento e
12,7 mm de largura.
O consumível deve ser do tipo que deposite um metal de solda de
características frágil que, junto com o metal de base, garanta o
surgimento de um entalhe metalúrgico e cause a formação de uma
trinca.
Após a soldagem deve-se fazer um corte de serra (entalhe
geométrico), transversalmente ao cordão de solda com a finalidade de
localizar a ruptura no corpo da prova.

35. Corpo-de-prova
Figura do CP

36. Conceito do Ensaio
O ensaio é conduzido submetendo-se conjuntos de corpos de
prova (quatro a oito corpos de prova por conjunto) de um
determinado material, a um dispositivo de impacto em queda
livre, numa seqüência de temperaturas selecionadas, para
determinar a máxima temperatura na qual o corpo de prova
quebra.
Uma série de corpos de prova é ensaiada a diferentes
temperaturas, após uniformização da temperatura em banho
apropriado.
O tempo mínimo de imersão dos corpos de prova, após
homogeneização da temperatura, deve ser de 45 ou 60 minutos,
dependendo da natureza do banho.

37. Conceito do Ensaio
O apoio inferior do corpo de prova garante que o mesmo não seja
solicitada acima do limite de escoamento do material, isto é, o
material do corpo de prova é flexionado pelo dispositivo de impacto
até um limite de deformação, determinado pelo apoio do corpo de
prova, que solicita do material esforços apenas na zona elástica.
A figura abaixo mostra um esquema do ensaio.

38. Avaliação dos Resultado
O ensaio avalia a capacidade de um aço de resistir a
esforços na zona elástica, na presença de uma pequena
descontinuidade.
Após o ensaio, os corpos de prova devem ser examinados e
a avaliação dos resultados utiliza a terminologia “quebra”,
“não quebra” e “não ensaiado”, como segue:

39. Avaliação dos Resultados
“Quebra” → O corpo de prova é considerado quebrado se,
rompendo, atingir apenas uma ou as duas bordas na superfície
de tração (lado da solda); não é necessária a completa separação
do corpo de prova no seu lado de compressão para que seja
considerado como “quebrado”.

40. Avaliação dos Resultados
“Não quebra” → O corpo de prova desenvolve uma trinca visível, a
partir do entalhe feito no cordão de solda, sem contudo atingir
nenhuma das bordas da superfície de tração, conforme figura abaixo.
“Não ensaiado” → Condições em que a trinca não é visível após o ensaio
ou quando o corpo de prova não foi flexionado suficientemente até atingir
o seu apoio inferior.