1a,2a,3a,4a e 5 aulas Ensaios Mecânicos Prof. Decio

FACULDADE FA CULDADE DE D E TECNOLOGIA DE SOROCABA Coordenadoria de Projetos 

Materiais para Construção Mecânica I 

Apostila  LABORATÓRIO  Análise dos Corpos de Prova  Tipos de Ensaios  Ensaios de Dureza  Ensaios de Tração  Ensaio de Dobramento  Ensaio de Impacto  Exercícios Resolvidos 

Profº Msc. Décio Cardoso da Silva

1

ANÁLISE DOS CORPOS DE PROVA PARA ENSAIOS MECÂNICOS cp = corpo de prova cp = Aço Aço = liga Fe + C + elementos químicos Tipos: Aço Comum (SAE 1020; C= 0,18%-0,23%) Aço liga (SAE 8620; C= 0,18%-0,23%; Mn=0,7%-0,9%; Si=0,15%-0,3%; Ni=0,4%-0,7%; Cr= 0,4%-0,6%; Mo=0,15%-0,25%)

Condições do CP´s:  1ª. Bruto Laminado: Laminado: influência da composição química: ↑ %C = ↑ dureza 2ª. Tratado Termicamente: Termicamente: mudanças das propriedades através dos tratamentos térmicos. Tratamento Térmico: operações de aquecimento e resfriamento que visam aumentar ou diminuir a dureza dos materiais. Recozimento: aquecimento + tempo + resfriamento lento (forno) = ↓ dureza 2.1 Recozimento: Têmpera: aquecimento + tempo + resfriamento rápido (água ou óleo) = ↑ 2.2 Têmpera: dureza p/ ligas com C ↑ 0,35% + Revenimento (alívio de tensões). 2.3 Tratamento Térmoquímico: Térmoquímico: C ↓ 0,35% Ex.: Cementação (60% de carvão vegetal + 40% BaCO 3 ≈ 920ºC p/8h)

TIPOS DE ENSAIOS ENSAIOS DE DUREZA: NÃO DESTRUTIVOS ENSAIOS DE TRAÇÃO, IMPACTO, DOBRAMENTO, FADIGA: DESTRUTIVOS OS ENSAIOS CLASSIFICARÃO OS MATERIAIS DENTRO DE DOIS GRUPOS PRINCIPAIS, DE ACORDO COM A SUA DEFORMAÇÃO: MATERIAIS DÚCTEIS: apresentam grandes deformações antes da ruptura. Material recozido recozido ou ↓ %C. MATERIAIS FRÁGEIS: apresentam mínimas deformações antes da ruptura. Material temperado temperado ou ↑ %C. %C. 2

ANÁLISE DOS CORPOS DE PROVA PARA ENSAIOS MECÂNICOS cp = corpo de prova cp = Aço Aço = liga Fe + C + elementos químicos Tipos: Aço Comum (SAE 1020; C= 0,18%-0,23%) Aço liga (SAE 8620; C= 0,18%-0,23%; Mn=0,7%-0,9%; Si=0,15%-0,3%; Ni=0,4%-0,7%; Cr= 0,4%-0,6%; Mo=0,15%-0,25%)

Condições do CP´s:  1ª. Bruto Laminado: Laminado: influência da composição química: ↑ %C = ↑ dureza 2ª. Tratado Termicamente: Termicamente: mudanças das propriedades através dos tratamentos térmicos. Tratamento Térmico: operações de aquecimento e resfriamento que visam aumentar ou diminuir a dureza dos materiais. Recozimento: aquecimento + tempo + resfriamento lento (forno) = ↓ dureza 2.1 Recozimento: Têmpera: aquecimento + tempo + resfriamento rápido (água ou óleo) = ↑ 2.2 Têmpera: dureza p/ ligas com C ↑ 0,35% + Revenimento (alívio de tensões). 2.3 Tratamento Térmoquímico: Térmoquímico: C ↓ 0,35% Ex.: Cementação (60% de carvão vegetal + 40% BaCO 3 ≈ 920ºC p/8h)

TIPOS DE ENSAIOS ENSAIOS DE DUREZA: NÃO DESTRUTIVOS ENSAIOS DE TRAÇÃO, IMPACTO, DOBRAMENTO, FADIGA: DESTRUTIVOS OS ENSAIOS CLASSIFICARÃO OS MATERIAIS DENTRO DE DOIS GRUPOS PRINCIPAIS, DE ACORDO COM A SUA DEFORMAÇÃO: MATERIAIS DÚCTEIS: apresentam grandes deformações antes da ruptura. Material recozido recozido ou ↓ %C. MATERIAIS FRÁGEIS: apresentam mínimas deformações antes da ruptura. Material temperado temperado ou ↑ %C. %C. 2

TRATAMENTOS TÉRMICOS USUAIS Tratamentos térmicos são operações industriais, realizadas com o material, em fornos industriais com objetivo de alterar as sua dureza e propriedades mecânicas. Essas mudanças ocorrem devido as mudanças nas estruturas internas do material. Os tratamentos térmicos são realizados em fornos aquecidos à gás, óleo ou eletricidade. Os fornos elétricos se utilizam de resistência elétricas, por estas resistências passam correntes elétricas (i). Na passagem pela resistência vai ocorrer o efeito Joule, isto é, ocorrerá aquecimento local (na resistência) devido a dificuldade de passagem desta corrente pela resistência. Este calor aquece o forno e portanto a carga. Os fornos a óleo ou à gás se utilizam de maçaricos, que é uma peça posicionada na parede do forno de forma mais ou menos tubular, nele entram ar (sob pressão) gás ou óleo. O ar fornece o oxigênio que vai reagir com o carbono do combustível na reação de combustão: C + O2  Δ (chama)

→

CO2 + Kcal

A reação de combustão libera calor (Kcal) e para iniciar a reação é necessária a presença de uma chama. O calor liberado na queima do óleo ou do gás, vai aquecer o material que esta no forno. Os fornos industriais possuem controle de temperatura, através de "termopares". Outro detalhe, nos fornos à óleo ou à gás eles precisam ter uma saída para gases de combustão. Esta saída de gases é feita pela chaminé.

PRINCIPAIS TRATAMENTOS TÉRMICOS Têmpera  Finalidade : Obter dureza alta nos aços. Ciclo:  1. Aquecer o material dentro do forno até a temperatura programada; 2. Manter essa temperatura durante 1h/polegada de espessura (peça) ou 1h/ton se for carga; 3. Desligar o forno; 4. Retirar a carga; 5. Rapidamente esfriar em tanque de água ou óleo. Resultado: Alta Resultado: Alta dureza. Gráfico: 

temperatura

850ºC

manter aquecer

desligar esfriar em água ou óleo tempo 3

Revenimento (obrigatório após a Têmpera) Finalidade:  Aliviar as tensões de têmpera e reduzir alguns pontos da dureza de têmpera. Ciclo:  1. Aquecer o material dentro do forno até a temperatura programada; 2. Manter 1hora/tonelada para carga ou 1hora/polegada de espessura (peça); 3. Desligar; 4. Esfriar o material dentro do forno. Resultado: Dureza alta inferior a dureza da têmpera Gráfico:  temperatura manter

400ºC

aquecer

300ºC

desligar esfriar no forno retirar tempo

Recozimento  Finalidade: Reduzir a dureza dos materiais. Ciclo:  1. Aquecer o material dentro do forno até a temperatura programada; 2. Manter 1h/ton. p/ carga ou 1h/polegada de espessura (peça); 4. Desligar o forno; 5. Esfriar o material dentro do forno; 6. Retirar em 500ºC. Resultado: Dureza baixa; Gráfico:  temperatura 850ºC

500ºC

manter

aquecer

desligar esfriar no forno retirar tempo 4

Normalização  Finalidade: Homogeneizar a estrutura e obter média dureza. Ciclo:  1. Aquecer o material dentro do forno até a temperatura programada; 2. Manter a temperatura durante 1h/ton. p/ carga ou 1h/polegada de espessura p/ peça; 3. Desligar; 4. Retirar a carga e esfriar ao ar. Resultado: Dureza média Gráfico:  temperatura manter

860ºC

aquecer

desligar esfriar ao ar

tempo

Solubilização  Finalidade: Obter dureza baixa em ligas não ferrosas e aço inoxidável. Ciclo:  1. Aquecer o material dentro do forno até a temperatura programada; 2. Manter 1h/ton. p/ carga ou 1h/polegadas de espessura p/ peça; 3. Desligar; 4. Retirar a carga; 5. Colocá-la em tanque de água. Resultado: Dureza baixa Gráfico:  Exemplo Aço Inox temperatura 1180ºC

manter

aquecer

desligar resfriar em água tempo 5

Envelhecimento  Finalidade: Aumenta a dureza de ligas não ferrosas. Ciclo:  1. Aquecer dentro do forno; 2. Manter 1h/ton. p/ carga ou 1h/polegada de espessura p/ peça; 3. Desligar; 4. Esfriar dentro do forno; Gráfico: Exemplo de liga de Alumínio temperatura 550ºC

manter

desligar esfriar dentro do forno

aquecer tempo

ENSAIO DE DUREZA Finalidade  A finalidade do ensaio de dureza é: 1. Confrontar valores especificados na compra do material com valores recebidos; 2. Definir velocidade de corte e especificar ferramentas adequadas a serem utilizadas nas operações de usinagem (torneamento, fresagem, etc); 3. Medir o resultado de um tratamento térmico feito no material. Dureza = resistência à deformação plástica, ou seja, penetração de um material duro no outro. Análise de dureza para o projetista = base de medida Análise para o técnico de usinagem  = resistência ao corte do metal (medida de comparação)

6

Ensaio de dureza Brinell (J. A. Brinell) 

(Norma ABNT – MB 60) Seqüência Operacional:  1. Preparar o CP; O Corpo de Prova (CP) é uma peça obtida com material a ser ensaiado. a) obter por corte, duas superfícies planas e paralelas; b) lixar ou polir as superfícies. 2. Posicionar a peça na mesa da máquina; 3. Aplicar a carga programada (usar a alavanca da máquina); 4. Aguardar (30 seg.) 5. Retirar a carga 6. Fazer a leitura do diâmetro da calota impressa no visor da máquina; 7. Levar este diâmetro a uma tabela ou fórmula e obter em correspondência a HB (dureza Brinell) do material. Obs.:  

A distância do centro da Impressão até a lateral deve ser no mínimo igual a 2,5 vezes o diâmetro da impressão;



A espessura do corpo de prova deve ser igual a 10 vezes o diâmetro da impressão;



Para materiais excessivamente duros (acima de 500 HB) usar esfera de carboneto de tungstênio, para evitar a deformação da esfera e resultado falso.



Os equipamentos de corte e lixamento devem possuir refrigeração para evitar que o calor gerado no corte ou lixamento, altere a dureza original do material.

Máquina Brinell  Máquina Brinell

Original Modificada

Máquina Original  P(F)= 3000 Kgf Penetrador = esfera de aço temperado de diâmetro de 10 mm

7

Máquina Modificada  P(F) = Variável (187.5 Kgf, 62.5 Kgf, 31.25 Kgf, 15.625 Kgf) Penetrador = esfera de aço temperado de diâmetro de 5 mm ou 2,5 mm Para todos os ensaios Brinell a relação F/D 2 deve ser constante. No caso de medir dureza de aço e ferro fundido a relação F/D2 deve ser igual a 30. HB = P(F) S

Fórmula: 

[Kgf] [mm2] HB => P(F) =>   HB S





 D  D   

2P 

 D

2



2

d 

[ Kgf / mm² ] 



HB = Hardness Brinell [Kgf/mm²] P(F) = Carga Aplicada [Kgf] S = Área da calota impressa [mm²] D = Diâmetro do penetrador  2,5 [mm] d = diâmetro da impressão [mm] p = profundidade da calota impressa [mm] P(F) D

p d

Análise da dureza mediante o Ø da deformação 

Escala Brinell  Materiais de baixa dureza: HB < 235 Materiais de média dureza: 235 < HB < 286 Materiais de alta dureza:HB > 286

DUREZA 90 A 415 HB

MATERIAIS AÇOS E FERROS FUNDIDOS Cu, Al E SUAS LIGAS MAIS DURAS Cu, Al, E LIGAS MAIS MOLES Pb, Sn, Sb

30 A 140 HB 15 A 70 HB 30HB

8

Durômetro Brinell HPO250 (também utilizado para dureza Vickers) O Ø da esfera é em função da espessura do CP.

Diâmetro da esfera (mm) F(Kgf)= 30D2 10 3000 5 750 2,5 187,5

F(Kgf)= 10D2 1000 250 62,5

F(Kgf)= 5D2 500 125 31,25

F(Kgf)= 2,5D2 250 62,5 15,625

Para verificar a validade do ensaio: Conhecendo que a espessura da chapa deverá se no mínimo 10 vezes a  profundidade da calota e utilizando: 

 HB

F  

 Dp

  

p = profundidade da impressão  9

Ensaio de dureza Rockwell  Outra possibilidade de medição de dureza dos materiais é utilizando o ensaio Rockwell (HR). O princípio do ensaio é a medida da profundidade do furo provocado pelo penetrador da máquina, a leitura é direta no painel da máquina não necessitando nem de tabela nem de fórmula. Há várias escalas de dureza Rockwell: A, B, C, D, E..., porém na prática as mais usuais são as escalas B e C.

Aplicação das cargas = etapas 1ª. carga = pré - carga (contato firme entre o penetrador e o material) 2ª. carga = carga do ensaio Tipos de penetradores:  esférico = esfera de aço temperado = leitura na escala vermelha cônico = cone de diamante com 120º de conicidade = leitura na escala preta

10

Valor de dureza = profundidade alcançada pelo penetrador, subtraídas as recuperações elásticas.

Tipos de escalas Rockwell:  Rockwell Normal = avaliação das durezas em geral pré-carga = 10 Kgf carga = 60; 100; 150 Kgf ESCALA DE DUREZA ROCKWELL NORMAL E APLICAÇÕES COR DA CARGA ESCALA MAIOR

PENETRADOR

A

Preta

60

diamante

20 a 88 HRA

C

Preta

150

diamante

20 a 70 HRC

D

Preta

100

diamante

40 a 77 HRD

B

Vermelha 100

esfera 1/16”

20 a 99 HRB

ESCALA

FAIXA DE CAMPO UTILIZAÇÃO APLICAÇÃO

DE

Carbetos, folhas de aço com fina camada superficial endurecida aço, Ti, aços com camada endurecida profunda, materiais com HRB>100 Chapas finas de aço com pequena camada endurecida ligas de Cu, ligas de Al, materiais recozidos

Ensaio Rockwell B (HRB)  Em geral é utilizado para materiais de baixa dureza, e na mesma máquina podemos realizar ensaios HRB, HRC e HRA (dureza superficial). Dureza HRB 

Pré-carga: 10 Kgf. Carga de ensaio: 100 Kgf. Penetrador: esfera de aço temperado no diâmetro de 1" 16 O valor máximo da escala HRB é 120, porém, na prática trabalha-se até 99 HRB. A partir daí muda-se para HRC.

Ensaio Rockwell C (HRC)  É utilizado em materiais de alta e média dureza. Dureza HRC 

Pré-carga: 10 Kgf Carga do ensaio:150 Kgf Penetrador: Cone com ponta de diamante

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Escala HRC 

Materiais de alta dureza: HRC > 30 Materiais de média dureza: 30 > HRC > 22 Materiais de baixa dureza: HRC < 22 (muda-se a escala para HRB) Sequência Operacional:  1. Preparar o CP; a) obter por corte, duas superfícies planas e paralelas; b) lixar ou polir as superfícies. 2. Posicionar o CP na mesa da máquina; 3. Aplicar a pré-carga (P1 = 10 Kgf), um mostrador menor vai indicar a aplicação da pré-carga. Seu ponteiro (pequeno) deve parar em um ponto do mostrador. Para isto deve se erguer a mesa até o CP tocar no penetrador da máquina; 4. Zerar a máquina: colocar o ponteiro maior no zero; 5. Aplicar a 2a carga (P2) e aguardar; 6. Retirar a carga e fazer a leitura no painel da máquina indicada pelo ponteiro grande. Exemplos de Durezas  60HRC 90HRB 25HRC 500HB 180HB

material temperado material recozido material normalizado material temperado material recozido

Rockwell Superficial  Avaliação das durezas em folhas finas ou lâminas ou camadas superficiais de materiais. pré-carga = 3kgf carga = 15; 30; 45 kgf ESCALA DE DUREZA ROCKWELL SUPERFICIAL E APLICAÇÕES ESCALA COR DA CARGA ESCALA MAIOR

PENETRADOR

15N

Verde

15

diamante

30N

Verde

30

diamante

45N

Verde

45

diamante

15T

Verde

15

esfera 1/16”

30T

Verde

30

esfera 1/16”

45T

Verde

45

esfera 1/16” 12

FAIXA DE CAMPO UTILIZAÇÃO APLICAÇÃO

65 a HR15N 40 a HR30N 35 a HR45N 50 a HR15T 10 a HR30T 10 a HR45T

DE

90 aplicações similares a HRC 80 aplicações similares a HRC 70 aplicações similares a HRC 94 aplicações similares a HRB 84 aplicações similares a HRB 75 aplicações similares a HRB

Representação da dureza Rockwell:  92 HRB = valor adimensional, possui significado somente se comparado a valores de mesma escala. Profundidade de penetração:  Espessura mínima do cp deverá ser 10 vezes a profundidade atingida pelo penetrador. Medida aproximada da penetração:  Penetrador de diamante: HR Normal: P = 0, 002 x (100 - HR) HR Superficial: P = 0, 001 x (100 - HR) Penetrador esférico: HR Normal: P = 0, 002 x (130 - HR) HR Superficial: P = 0, 001 x (100 – HR) Ex:  1. Calcular a espessura mínima que deverá apresentar uma chapa de aço 1050, ensaiada na escala Rockwell de dureza, sabendo-se que a dureza estimada do material é de 52HRC. 2. Um corpo de prova com 2,30 mm de espessura, cujo material é aço SAE 1010, e sua condição é recozida, a dureza prevista pelo fabricante é aproximadamente de 52HRB. É possível ensaiar com esta escala?

Ensaio de dureza Vickers  O ensaio de dureza Vickers leva em conta a relação ideal entre as dimensões do penetrador e de sua deformação. Objetivos:  Medir qualquer valor de dureza, incluindo desde os materiais mais frágeis (duros) até os mais dúcteis (moles). Vantagens:  a) escala contínua; b) impressões pequenas; c) grande precisão de medida; d) deformação nula do penetrador; e) existência de apenas uma escala de dureza; f) aplicação em qualquer espessura de material; g) aplicações em diversos tipos de materiais (ferrosos e não ferrosos); h) determinação de microdureza dos microconstituintes de um material; i) aplicação em materiais submetidos a qualquer tratamento térmico. 13

Por definição:

HV = P(F) [Kgf] S [mm2]

Onde: P(F) = força aplicada pela máquina; S = área de uma pirâmide impressa no corpo de prova S=

d2 onde d = diagonal da base da pirâmide 1, 85444

A força aplicada é variável de 1 a 120 Kgf. Penetrador: Pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º Tempo normal de aplicação da carga = 10 a 15 segundos.

As medidas das diagonais d1 e d2, serão fornecidas pelo durômetro, leituras em 0, 001mm.

2

 A



d 

 136  2 sen    2   0

 HV 

F  

2

d 

0

2 sen 68

 HV 

F  18544 , 

2

d 

→

 HV 

ou

d 

0

Fx 2 sen 68 

2

d 

1,8544F  

 HV 

onde:  F = [kgf]

d  

d1



2

d 2

[mm]

14

Representação do valor de dureza:  300HV10; 585HV5; 273HV3 Erros nas leituras: 

Seqüência operacional :  1. 2. 3. 4. 5. 6.

Preparar o CP; Posicionar o CP na máquina; Erguer a mesa até o penetrador; Aplicar a carga programada, aguardar mais ou menos 20 segundos; Retirar a carga; Fazer a leitura das duas diagonais do quadrado impresso no painel e calcular a média; 7. Levar esta diagonal a uma tabela ou fórmula e obter a dureza HV. Espessura mínima nos ensaios:  Mede-se os comprimentos das diagonais e multiplica-se pelo fator 1,5, para se obter a espessura mínima do material. Exemplo: Uma chapa de aço SAE 1070 de 0,50 mm espessura, deverá ser medida dureza na escala HV e espera-se um resultado em torno de 250 - 280HV30. Após a leitura da dureza, constatou-se que a dureza foi de 260 HV30, este ensaio foi válido? Por que?

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Valores de dureza HV com relação a HB; HRC; HRB ( prática)  até 360 HV ≈ 360HB acima destes valores procurar tabelas para equivalência HB ou HV ≈ 10 * HRC (510 HB ≈ 51 HRC) HB ou HV ≈ 2 * HRB (180 HB ≈ 90 HRB) Aplicações do ensaio Vickers  1. Medir dureza de qualquer material; 2. Medir Microdureza; 3. Medir dureza da camada endurecidas.

Ensaio de Microdureza  É a medida de dureza dos componentes estruturais do material.  Deve ser usada carga P(F) menor que 1 Kgf.  A leitura da diagonal é feita com auxilio de microscópio. O CP deve ser preparado para leitura microscópica com polimento e ataque de um reativo.

Dureza Superficial  Trata-se de medir a dureza de camadas endurecidas por cementação ou nitretação. Cementação : tratamento superficial para aumentar a dureza superficial apenas em aços de baixo teor de carbono. Processo : aquecer a peça até 920°C em fornos com atmosfera rica em carbono (Ex: atmosfera com gás metano) por 8 horas. O carbono livre obtido na atmosfera vai penetrar na peça, até mais ou menos 1,2 mm de profundidade. Desligar o forno. Retirar e esfriar em água. Obs.: Para medir HV preparar o CP e utilizar carga de até 10 Kgf.

ENSAIO DE TRAÇÃO Considerações iniciais:  O projetista, para iniciar um projeto mecânico ou estrutural, precisa conhecer as forças que irão atuar no componente mecânico a ser projetado. Estas forças são definidas baseando-se no que se pretende do projeto. Em outras palavras força aplicada é um "dado" do projeto. Conhecidas estas forças ou a força aplicada, o projetista vai analisar e definir o material a ser utilizado. Para isto vai consultar manuais e normas (como por exemplo: Metals Handbook). Estes manuais contém todas as aplicações dos materiais e suas propriedades mecânicas. Através de cálculos, baseados em forças atuantes nos componentes e resistência mecânica dos materiais, chega-se às medidas dos componentes.

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O projeto deve detalhar: 1 2. 3. 4. 5.

Material a ser utilizado na fabricação das peças; Medidas, cotas; Tolerâncias; Processo de fabricação das peças; Resistência mecânica dos materiais.

Finalidade do ensaio:   Confrontar valores obtidos no ensaio com os valores solicitados na compra do material especificados pelo projeto;  Como planejamento das operações de forjamento a frio das peças;  Medir o resultado especificado pelo tratamento térmico feito no material. Os valores que são obtidos no ensaio de tração, já estão em geral especificados nos "manuais" e nas normas de fabricação dos materiais. Em que consiste o Ensaio de Tração?  Consiste em aplicar em um corpo de prova, forças de tração, aplicado de forma lenta, crescente e contínua, até sua ruptura. Durante o ensaio, serão observados alguns valores destas forças “F” aplicadas. Corpo de Prova: é padronizado por normas mundiais. Conceitos Básicos: Tensão no Material ( ) = Kgf/mm2. Deformação (   ): É a variação que ocorre nas medidas de um material sujeito a uma força F. Há dois tipos de deformação: Elástica (instantânea) e Plástica (permanente). Deformação Elástica: Ocorre quando cessa a força, cessa também a deformação. Deformação Plástica: Ocorre quando cessa a força, não cessa a deformação. Máquina de Ensaio:  É a Máquina Universal de Ensaio de Tração. Possui um painel, neste estão indicados os valores das forças F, aplicadas no corpo de prova em todo instante.

Em cada instante é possível calcular a tensão no corpo de prova. Tensão =

Ft So

F

onde: F = Força aplicada no instante t qualquer So = Área inicial transversal do corpo de prova

So = π x r 2

r = raio do corpo de prova

Fases do Ensaio:  1ª Fase:  Fase Elástica, nesta vale a Lei de Hooke, as deformações são proporcionais as tensões. 17

Esta equação é similar a y = a x (equação do 1º grau), portanto a representação gráfica é uma reta. Tensão

1˚ Fase

Def.

2ª Fase:  Fase Plástica, proporcionais à tensão.

não

vale a Lei de Hooke, as deformações não são

Tensão

LE

Def.

Cálculos:  Limite de Escoamento:  LE = Fe [Kgf] So [mm2] Fe - Força apresentada no painel na 1º indicação do ponteiro. LE - É a menor tensão que provoca o início da deformação permanente no material. So - Área inicial do corpo de prova. (п r 2) Limite de Resistência:  LR = Fr So

[Kgf] [mm2]

Fr - Força observada no painel na 2º indicação do ponteiro. LR - É a maior tensão que o material suporta sem se romper. So - Área inicial do corpo de prova. (п r 2) Tensão

LR

LE

Def. Elást.

Def. Plástica

18

Def.

Alongamento: É o aumento de comprimento do corpo de prova. Lf - Lo = Alongamento ou de forma porcentual

F

F Lo

Comprimento Lo

Alongamento → 100%

(Lf - Lo)

→

Lf 

A%

Fórmula: A% x Lo = (Lf - Lo) x 100% Estricção: É a redução de área que ocorre no corpo de prova. So - Sf = Estricção ou de forma porcentual So

→ So (So - Sf) →

Sf 

100% E%

Fórmula: E% x So = (So - Sf) x 100% Material Frágil:  Características :  1 - Possui alta dureza. 2 - Se for aço, é temperado. 3 - O valor de LE é bem próximo de LR 4 - Os valores de Alongamento e Estricção são baixos, se comparados com os valores de um material de baixa dureza. 5 - Apresenta no ensaio de tração um baixo valor de deformação plástica (permanente). Gráfico típico:  Tensão LR LE

Def.

Material Dúctil: 

Def.

Plástica

Características:  1 Apresenta baixa dureza; 2 Se for aço, é recozido; 3 O valor de LE é bem menor do que o LR, chega a ser ± 50% do valor de LR; 4 Os valores de Alongamento e Estricção são altos se comparados com materiais de alta dureza; 5 Apresenta no ensaio de tração um alto valor de deformação plástica. 19

Gráfico Típico: 

Tensão LR

LE

Def.

Def.

Elástica

Plástica

Def.

Os valores de LE e LR são menores do que os valores de LE e LR de um material de alta dureza.

ENSAIO DE DOBRAMENTO Finalidade : Medir a ductilidade do material. No Ensaio de Dobramento calcula- se o ângulo α de dobramento. Corpo de prova:  O corpo de prova pode ser circular ou retangular. O valor máximo do ângulo α é 180°, isso indica que há máxima ductilidade e mínima dureza. α

Máquina utilizada:  Máquina de Ensaio de Tração, utilizando dispositivos denominados cutelos. F

O Ensaio de Dobramento termina quando: 1. O ângulo α pedido for atingido; 2. Houver ruptura do material. 20

ângulo externo α

Aplicação Industrial:  Como teste de recebimento de material, com o qual serão feitas peças por deformação a frio. Ex: Forjamento a frio. Complementado pelo ensaio de tração.

ENSAIO DE IMPACTO A finalidade do ensaio de impacto não é determinar a resistência do material ao impacto, mas sim indicação comportamento sujeito a impacto. O que se calcula no ensaio de impacto? - No ensaio de impacto calcula-se a Tenacidade (T) do material.

T

= E ( Kgm/cm² ) E  Energia Aμ

Aμ  área tranversal útil do corpo de prova. Corpo de prova: baseado na norma ASTM E-23 e tipos: A, B, C tipo A = entalhe em “V”; tipo B = entalhe em “fechadura”; tipo C = entalhe em “U” Padrão utilizado :( norma ABNT MB 1116 tipo A = entalhe em “V”)

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Máquina de Ensaio: 

Pêndulo método Charpy Inicialmente o pêndulo possui energia potencial máxima e cinética nula. O pêndulo está em repouso, e com a queda energia cinética será aumentada e a energia potencial diminuída. Parte desta energia é usada para romper o corpo de prova, em seguida a ruptura do corpo de prova o pêndulo volta em direção a posição inicial. A energia gasta para romper o material é indicada no painel em Kgm. É necessário girar o pêndulo em vazio sem o corpo de prova, para que possa ser medida a energia gasta para vencer a força de atrito do mancal e a resistência do ar. Portanto: Efinal = E1 - E2 E1  energia com o corpo de prova. E2  energia sem o corpo de prova.

Atenção: Kgm diferente de Kgf Fatores que influenciam o resultado: 1. Temperatura do local de ensaio; 2. Temperatura do corpo de prova; 3. Modelo do corpo de prova.

Obs: Quanto maior a temperatura, maior será o valor de T. Quanto maior a pureza, menor será o valor de T. Material Tenaz : Não quebra e não se deforma sob ação do impacto.

22

ANEXOS EXERCÍCIOS : 1. Calcular a tensão no corpo de prova, em um ensaio de tração, sendo dados F, observado no painel da máquina naquele instante: F = 5000 Kgf Ø do C.P = 12,00 mm

2. Dimensionar um cabo para erguer uma carga de 500 Kg. Sendo dados: Coeficiente de segurança: 0,5 LR do material do cabo: 50 Kgf / mm² Peso do elevador: 50 Kg 3. Uma peça de secção quadrada de lado L = 20 mm vai trabalhar sob a ação de uma força de tração de 5000 Kgf. O material recebido para fazer a peça apresenta o seguinte resultado no ensaio de tração: Fe = 3000 Kgf Fr = 6000 Kgf Ø C.P = 12,70 mm Verificar se a peça vai quebrar em serviço e se não quebrar o que vai ocorrer? 4. Determinar a capacidade de uma prensa para forjar uma peça a frio, sendo dados do ensaio de tração do material adquirido para fazer a peça: Fe = 5000 Kgf Fr = 10000 Kgf Ø do C.P = 12,7 mm Ø da peça = 30,00 mm

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS : 1. Calcular a tensão no corpo de prova, em um ensaio de tração, sendo dados F, observado no painel da máquina naquele instante. F = 5000 Kgf Ø do C.P = 12.00 mm σ

= F So

So = п r ² r → raio do corpo de prova

= 5000 = 44.20 Kgf/mm² 36π

2. Dimensionar um cabo para erguer uma carga de 500 kg. Sendo dados: Coeficiente de segurança: 0,5 LR do material do cabo: 50 Kgf/mm² Peso do elevador: 50 Kg 23

Força atuante no cabo = 500 + 50 = 550 Kg → que corresponde a 550 Kgf Tensão máxima admissível → Lr x Coef. de segurança → 50 x 0,5 = 25 Kgf/mm² máx= 25 Kgf/mm² So > 22 π r² > 22

σ

Condição para o cabo não quebrar σ cabo < σ máx 550 < 25 → So > 22,00 mm² So

r² > 7 → r > 2,64 Ø > 5,28 → 6,00 mm²

3. Uma peça vai trabalhar sob a ação de uma força de tração de 5000 Kgf. O material recebido para fazer a peça, apresenta o seguinte resultado no ensaio de tração. Fe = 3000 Kgf Fr = 6000 Kgf Verificar se a peça vai quebrar em serviço e se não quebrar o que vai ocorrer? Ø C.P = 12,70 mm peça de secção quadrada de lado L = 20 mm  Tensão LE = Fe = 3000 = 23,68 Kgf/mm² So π(6,35)²

47,36 23,68

LR = Fr = 6000 = 47,36 Kgf/mm² So π(6,35)² σ

12,5

peça = 5000 = 12,5 Kgf/mm² So

Def.

A peça não vai quebrar, a tensão na peça (12,5 Kgf/mm²) é menor que o LR do material (47,36 Kgf/mm²) σ peça < LR. Vai ocorrer uma deformação elástica durante o uso porque σ na peça (12,5 Kgf/mm²) < LE do material (23,68 Kgf/mm²). 4. Determinar a capacidade de uma prensa para forjar uma peça a frio, sendo dados do ensaio de tração do material adquirido para fazer a peça: Fe = 5000 Kgf Fr = 10000 Kgf Ø do C.P = 12,7 mm Ø da peça = 30,00 mm LE = Fe = 5000 = 39,47 Kgf/mm² So π(6,35)²

 Tensão  Tensão na peça

78,94 39,47

LR = Fr = 10000 = 78,94 Kgf/mm² So π(6,35)²

Def.

24

Condição para Deformação da Peça Le

<

σ

peça <

39,47

<

F < π(15)²

78,94

39,47

<

F < 706,86

78,94

Multiplicando 27900 <

Lr

Multiplicando F

<

55800

A capacidade da prensa necessária para deformar o material na operação de forjamento será de no mínimo 27900 Kgf, e de no máximo 55800 Kgf.

Exercícios de dureza Escala Brinell 1 - Calcular através da fórmula (HB) a dureza de CP de Aço 1060 com penetrador ( D) de 10,00mm , 5,00mm e 2,5mm , sendo a impressão da calota (d) de 4,00mm, 2,00mm e 1,00 mm respectivamente, aplicando o fator de carga .

2 - Calcular a profundidade de impressão (p) através da fórmula abaixo, de um material que apresentou uma dureza de 140 HB, com uma carga de 187,5Kgf.

3 - O material acima possui uma espessura de 1,95 mm, verificar se o ensaio terá validade. Justifique 4 - Calcular o diâmetro da calota (d) de um material que apresentou uma dureza de 321 HB com penetrador de esférico de 2.5 mm, sendo F = 30 . D2 5 - Calcular o diâmetro da calota (d) de um material que apresentou uma dureza de 260 HB, com penetrador de 5.00 mm, sendo F = 10 D2 . 6 - A espessura mínima de um material é de 10 vezes a profundidade de impressão (d) . A espessura encontrada foi de 1.94 mm; Calcular a dureza encontrada. 7 - Um material foi ensaiado na máquina padrão e apresentou uma dureza de 107 HB ; O mesmo material também foi ensaiado em máquina modificada e apresentou uma dureza de 207 HB , sendo a espessura igual a ¼ ". Qual dos ensaios terá validade? 25

8 - O diâmetro da impressão da calota (d) tem que obdecer a relação 0,2D < d < 0,6D. Utilizando o exercício nº 01, verificar se os resultados obtidos estarão de acordo com relação acima.

Exercícios de Dureza – Vickers ,Rockwell e Brinell 1 – São dados : D = 5 mm ; F = 250 kgf ; d = 1,08 mm. Calcular a dureza Brinell. 2 – Dados : HB = 257 ; D = 10 mm. Calcular a espessura minima do material. 3 – Um material após o ensaio apresentou uma espessura de 0,850 mm. Foi ensaiado com HV30. Calcular a dureza e a diagonal encontrada. 4 – Um aço (c.p.) T.R., apresentou dureza de 58 HRC. Calcular a profundidade do penetrador, e a espessura mínima deste material. 5 – Um aço (c.p.) apresentou um dureza de 95HRB. Calcular a profundidade de penetração e a espessura mínima para este material. 6 – Um material normalizado apresentou uma dureza de 196 HB, e possui uma espessura de 2 mm. Passar para a escala HRB e verificar a validade do ensaio. 7 – Um material apresentou uma dureza de 65 HR15N. Este material possui uma espessura de 0,25 mm. Justificar o resultado. 8 – Um material apresentou uma dureza de 22 HR30T. Calcular a espessura mínima para se validar o ensaio, sendo que a espessura deste material é de 1mm. 9 – Um material apresentou as seguintes durezas: 220 HV, 135 HRB, 27 HRC e 270 HB. Qual ou quais estão corretas. Justifique. 10 – Um material cementado e temperado foi ensaiado em HV10 e apresentou um resultado de 672 kgf/mm2. Foi ensaiado com 150 kgf e apresentou uma dureza de 47 HRC. Qual do resultado está correto. Porque ?

QUESTIONÁRIO MATERIAIS 1  – LABORATÓRIO (PROF° DÉCIO) 1 – Como preparar um corpo de prova para ensaio de Dureza? 2  – Quais os penetradores e cargas aplicadas para os ensaios: Brinell (padrão), HRB, HRC e Vickers? 3 – Como realizar os ensaios Vickers e HRC? 4 – Quais as aplicações do ensaio Vickers? 26

5 – O que é Microdureza? 6 – Qual o valor da pré-carga e em que ensaio ela é utilizada? 7 – O que se lê nos painéis das máquinas de dureza Rockwell e Vickers? 8 – Dar um valor de dureza para aço temperado, aço recozido e aço normalizado. 9 – O que é aço temperado? E o aço temperável? 10 – Para que serve a Cementação? 11 – Qual o ciclo de TT para temperar, recozer e normalizar um aço? 12 – Quando se utiliza o TT de Solubilização? 13 – Por que não se indica utilizar o ensaio Brinell para medir a dureza de materiais acima de 500HB? 14 – Como sabemos se uma Têmpera e um Recozimento foram bem feitos? 15 – Qual o ciclo gráfico da Têmpera e do Recozimento? 16 – O que é Solubilização e Revenimento? 17 – Por que deve haver refrigeração no local do corte e lixamento de corpos de prova? 18 – O que se lê no painel da máquina de ensaio de Tração? 19 – Como são aplicadas as “Forças” no corpo de prova em um ensaio de Tração? 20 – O que é LE e LR? (definição). 21 – Quais as características de um material frágil? E de um material dúctil? 22 – Lei de Hooke: Cite a fórmula e explique as condições em que essa lei se aplica. 23 – Em que fase do ensaio de Tração a lei de Hooke é válida? 24  – Esquematizar o gráfico de ensaio de Tração de um material frágil e de um material dúctil. Indique todos os pontos. 25 – Defina deformação plástica. 26 – Defina Tenacidade e como ela é calculada. 27 – Sendo dados: Material A = 60 HRC e Material B = 200HB a) Qual é temperado? b) Qual é recozido? c) Qual tem maior LR? d) Qual tem maior LE? e) Qual tem maior T(tenacidade)? 27

28 – Quais as unidades de Tenacidade e de limite de Resistência? 29 – Calcular a tensão em uma peça de Ф = 10 mm, sendo a força aplicada F = 500 Kgf. 30 – Sendo dados: Fe = 5000 Kgf; Fr = 7000 Kgf; Ф cp = 12 mm;

Lo = 150 mm; A = 5% E = 8%

Calcular: LE; LR; Lf (comprimento final) e Sf (área final). 31 – Calcular LE, LR, Lf e Sf sendo dados de um ensaio de Tração: Fe = 3000 Kgf; Fr = 5000 Kgf; Ф cp = 12,7mm;

Lo = 120 mm; A = 5%; E = 7%

32 – Dimensionar um cabo para erguer uma carga de 150 Kg sendo dados: LR do material do cabo: 200 Kgf/mm²; coeficiente de segurança: 0,5; peso do elevador: 50 Kg. 33  – Definir a capacidade de uma prensa para forjar um blanque de Ф = 5 mm sendo dados do ensaio de Tração do material do blanque: Fe = 3000 Kgf; Fe = 6000 Kgf; Ф cp = 12,7mm; Indicar todos os cálculos. 34  – Uma peça está sujeita a uma força de Tração no valor de 5000 Kgf. O diâmetro da peça é de 20 mm. Qual a tensão na peça? A peça vai quebrar em serviço se o LR do material da peça valer 50 Kgf/mm²? Fazer os cálculos e justificar. 35 - Para que serve o ensaio de Dobramento? 36 – Quando é que se encerra o ensaio de Dobramento? 37 – Qual o ângulo (α) máximo que pode ser alcançado? 38 – Esquematizar os ângulos: α = 30°; α = 45°. 39  – Como se conhece através do resultado do ensaio de Dobramento que um material está com máxima ductibilidade? 40 – Sendo dados: MAT A = 90HRB; MAT B = 60HRC: a) Qual é o Temperado? b) Qual é o Normalizado? c) Qual é o Recozido? d) Qual tem maior T? e) Qual tem maior ângulo α? 28

f) Qual tem maior LE? g) Qual tem maior dureza? h) Qual é frágil? i) Qual é dúctil? 41 – O que se lê no painel do Pêndulo de Charpy? 42 - Quais os fatores que influenciam o resultado de um ensaio de Impacto? 43 – Dados de um ensaio de Impacto: Aμ = 500mm²; E = 30 Kgm Calcule a Tenacidade. 44 – Qual a energia gasta para romper um corpo de prova por impacto sendo: Energia total gasta = 30 Kgm; Energia gasta para vencer o atrito no mancal e resistência do ar = 5 Kgm 45 – Calcular a Tenacidade de um material sendo dados: Energia gasta no ensaio em vazio = 5 Kgm; Energia gasta com o CP de prova = 20 Kgm; CP com lado L = 10 mm 46 – Tendo dois materiais na seguinte situação: MAT A = rompeu com ângulo α = 30°; MAT B = rompeu com ângulo α = 90°;

a) Qual tem maior dureza? b) Qual tem maior T? c) Qual tem maio LR? 47 – Calcular em Newton e em Kgf a Força peso de um corpo de 50 Kg.

QUESTIONÁRIO MATERIAIS I  – LABORATÓRIO BASE PARA 2ª AVALIAÇÃO 1 – Quais os penetradores e cargas para os ensaios de dureza HRB, HRC e HV? 2 – Dar exemplo na escala HRB de uma baixa dureza. 3 – Dar exemplo na escala HRC de um material temperado. 4 – O que é Microdureza? 5 – Qual o equipamento usado para medir microdureza? 29