Quais os ensaios podem ser realizados para o levantamento das propriedades mecânicas do aço?

Resumo

O presente artigo tem como objetivo identificar o tipo de liga de um material desconhecido e elaborar o gráfico de tensão-deformação de engenharia do aço carbono SAE 1017. Para isso, foi realizado o ensaio de dureza Vickers para um e o ensaio de tração para o outro respectivamente. Os dados da tração do SAE 1017 foram importados para a Excel a fim de se gerar o gráfico e o valor da dureza do material desconhecido foi comparado com valores na literatura. Concluiu-se que com o ensaio de tração foi possível obter informações como a região de deformação plástica, limite de escoamento e tensão de fratura e que a amostra ensaiada no durômetro se assemelha ao aço SAE 1060 e ao SAE 1117. 

Palavras-chave: propriedades mecânicas; tração; dureza; tensão-deformação

MECHANICAL TESTS FOR THE CHARACTERIZATION OF MATERIALS   

Abstract

The purpose of this article is to identify the alloys of an unknown material and the stress-strain graph of the SAE 1017 carbon steel. For this, the Vickers hardness for one and the tensile test for the other respectively. The traction data of SAE 1017 were imported into Excel in order to generate the graph and the hardness value of the unknown material was compared with values in the literature. It was concluded that with the tensile test it was possible to obtain information such as the plastic deformation region, yield limit and fracture stress and that the sample tested on the durometer resembles SAE 1060 steel and SAE 1117.

1 INTRODUÇÃO

Diversos materiais são expostos a ação de forças ou cargas quando estão em uso. A ligação da resposta do material a aplicação dessa forças ou cargas, expressa o comportamento mecânico do material. Devido a isso é de grande importância ter conhecimento das características do material para que se possa construir algo a partir dele, de modo que deformações resultantes não sejam acentuadas e que não ocorram fraturas. Para isso, são feitos experimentos em laboratórios que simulam o mais próximo possível as condições de quando os materiais estão em função, para que assim as propriedades mecânicas desses materiais sejam averiguadas. Nesses experimentos são analisados a carga aplicada, que pode ser de compressão, tração ou cisalhamento, o tempo em que ela foi empregada, podendo ser apenas de uma fração de segundo ou muitas horas, a temperatura de execução e as condições ambientais também são verificadas.

Os procedimentos para os ensaios mecânicos são padronizados por normas (ABNT, NBR, ASTM, etc) que respeitam testes, cálculos, gráficos e consultas em tabelas, buscando reconhecer as propriedades do material ensaiado, ou seja, buscam formas e meios de testar o material da melhor maneira possível e assim, garantir a qualidade. Ademais, realizar um ensaio mecânico pode colaborar com vários fatores além das regulamentações impostas nos produtos. Além do caráter positivo adquirido pelas agências regulamentadoras, realizar um ensaio mecânico pode ser identificado como uma forma de garantir que o material utilizado é o ideal para a funcionalidade do produto e para a execução de projetos de desenvolvimento de produtos.

A importância dos ensaios mecânicos é a de conhecer as principais propriedades do material (resistência mecânica, elasticidade, plasticidade e dureza) desse modo, é possível garantir ou estimar a durabilidade do produto, bem como avaliá-lo a fim de antecipar possíveis problemas decorrentes do seu mau uso. Também, é possível estimar a resistência e a durabilidade do material e dessa forma, prever possíveis riscos e situações nas quais o material não deve ser submetido, evitando fraturas e rupturas. Além disso, como os ensaios mecânicos são responsáveis por prever e estimar possíveis problemas estruturais de determinado produto, evita-se rupturas inesperadas durante a execução do serviço, o que aumenta a segurança no ambiente de trabalho. Ademais, através dos ensaios mecânicos é garantido que a manutenção seja realizada no tempo correto, o que mantém a vida útil do produto, reduzindo possíveis custos envolvendo quebras de maquinário ou trocas de peças.

Dentre os tipos de ensaios mecânicos estão o de tração e o de dureza. O ensaio de tração permite saber como os materiais reagem aos esforços de tração, quais são seus limites de resistência, a partir de que momento eles se rompem e as suas propriedades mecânicas (módulo de elasticidade, tensão de escoamento, tensão de ruptura, alongamento, estricção). Esse tipo de ensaio faz com que o corpo de prova receba um esforço que tende a alongá-lo fazendo com que se deforme até quebrar. Também, antes da ruptura ocorre a deformação e além disso, quando a força axial está dirigida para fora do corpo ao qual está aplicada ela é chamada de força axial de tração. Essa força produz a deformação do corpo de prova, ou seja, aumenta o seu comprimento e diminui a área da secção transversal. 

O ensaio de dureza é bastante utilizado na especificação e comparação de materiais, sendo possível, por meio de tabelas, obter uma correlação aproximada entre os métodos de determinação de dureza Brinell, Rockwell e Vickers e os valores de limite de resistência a tração. Em específico, o método de dureza Vickers leva em consideração a relação ideal entre o diâmetro da esfera do penetrador e o diâmetro da calota esférica obtida. Além disso, esse método usa outro tipo de penetrador que permite medir qualquer valor de dureza desde os materiais mais moles até os mais duros. Somados aos outros métodos ele é um bom caminho para atender as necessidades dos processos industriais cada vez mais sofisticados e exigentes. Ademais, o método Vickers é baseado na resistência que o material oferece a penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo de 136 graus entre faces e a marca deixad no material ensaiado. Em linguagem matemática diz-se que o valor da dureza Vickers é o quociente da carga aplicada pela área de impressão deixada no corpo ensaiado.

Esse artigo apresenta informações obtidas a partir dos ensaios de tração e de dureza  Vickers, tendo como objetivo analisar e relacionar com as literaturas os dados adquiridos, para dessa forma, identificar o tipo de material do corpo de prova usado no ensaio de dureza e construir o gráfico de tensão-deformação de engenharia do vergalhão composto de aço carbono SAE 1017 usado no ensaio de tração.

2 MATERIAIS E MÉTODOS

Foram fornecidos dois materiais distintos para a realização dos dois ensaios propostos. O primeiro uma viga adaptada para um ensaio de tração e o segundo uma amostra envolta em baquelite para a realização do teste de dureza. A divisão e o preparo das amostras é de suma importância para a realização dos ensaios, como explica  BRISOLA (2008):

A representatividade da amostra é um dos parâmetros a ser controlado, ou seja, a amostra que será utilizada para a análise deve conter todos os elementos presentes na amostra principal. Para isso, há a necessidade de uma boa homogeneização, cuidados na etapa de amostragem e cominuição eficiente. Para nos certificarmos da qualidade dos resultados devemos, sempre que possível, fazer duplicata 

Assim, se iniciou com a realização do ensaio de tração, “Tipicamente um ensaio de tensão-deformação leva vários minutos para ser realizado e é destrutivo, ou seja, a amostra testada é deformada permanentemente e, frequentemente, fraturada” ( CALLISTER, 2008, P.101). Nesse ensaio foi utilizada uma amostra irregular, que inicialmente possuía 10mm de diâmetro, 75 mm² de área útil, feita de aço 1017.Com o fim desse primeiro ensaio se obtém o gráfico tensão deformação da amostra.

Dando prosseguimento, a segunda amostra,  que se constituía de um fragmento do aço envolto em baquelite, foi utilizada em um ensaio de dureza Vickers, onde uma carga de 9,8 N é aplicada por 10 segundos e a dureza da amostra é calculada. Para se minimizar os erros se realiza o teste 5 vezes em regiões distintas da amostra e a dureza é tida como a média dos resultados obtidos.

3 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Esse sistema de medição, simultaneamente a aplicação da carga, monitora e armazena as variáveis do ensaio. Para a análise dos dados, foram observadas apenas a carga e o alongamento, a fim de se encontrar os valores da tensão e deformação de engenharia. Tais dados foram reunidos em um arquivo de texto e importados para o Excel, onde foi realizado o tratamento dos dados e gerado o gráfico. 

O tratamento dos dados se fez necessário devido as condições físicas do ensaio, pois devido a peça possuir formato irregular, não seguindo recomendações de nenhuma agência reguladora, houve maior suscetibilidade a possíveis escorregamentos entre o corpo de prova e as garras da máquina. Vale ressaltar que essas distorções no gráfico foram visualizadas próximas a pontos essenciais de análise, como a região de escoamento, o limite de resistência à tração (LRT), além dos momentos inicial e final do ensaio.

[GRÁFICO]

Diante disso, é importante ter em mente que os resultados aqui apresentados estão suscetíveis a erros aleatórios gerados por tais condições. No ensaio de tração, já era sabido que o vergalhão ensaiado era composto de Aço Carbono SAE 1017, e o ensaio tem o intuito de agregar mais dados a literatura, se caracterizando por mais um material de pesquisa.

Na região de deformação elástica caso haja um crescimento linear entre a tensão e a deformação, o Módulo de Elasticidade pode ser definido encontrando-se a inclinação dessa reta, e embora isso ocorra na maioria dos materiais, esse não foi o caso, pois mesmo nesse ponto inicial não foi possível encontrar uma relação linear. Na transição entre as deformações elástica e plástica, há a região de escoamento, de vital importância para a escolha de um material para um projeto de engenharia. O LRT e a tensão de fratura foram determinados mais facilmente, com a simples observação dos dados, e seus valores, em conjunto com o limite de escoamento, estão representados no quadro abaixo. 

[QUADRO]

O teste de dureza foi realizado em outro material, que se desconhecia a composição química, porém tendo em vista que as propriedades mecânicas são influenciadas diretamente pela composição, pode-se inferir com qual material foi feito a amostra ensaiada. Comparando-se o valor de dureza, obtido através da média dos cinco ensaios, com valores na literatura, conclui-se que o suposto material coincide com um aço SAE 1060 ou SAE 1117, quando laminados a quente. O aço SAE 1060, se configura como uma boa combinação de dureza e tenacidade quando tratado, e o aço SAE 1117 possui boa usinabilidade, pois além de carbono também possui quantidades controladas de enxofre.

CONCLUSÕES

Com a realização do ensaio de tração se obteve um gráfico tensão-deformação do vergalhão composto de Aço Carbono SAE 1017. Esse gráfico foi obtido quando se tratou os dados fornecidos pela máquina que realizou esse primeiro experimento.

Com os dados já refinados foi possível obter as informações principais do material, como sua região de deformação plástica, limite de escoamento e tensão de fratura. Essas informações nos permitem analisar o material antes do seu uso para saber se ele está ou não apto a função desejada.

Na realização da segunda parte dos experimentos se testou por meio de um ensaio de Vickers a dureza de uma amostra inicialmente desconhecida.

Com o valor de dureza obtido e comparado com outros valores já conhecidos na literatura se constatou que a amostra muito se assemelhava a dois tipos de liga, o aço SAE 1060 e o SAE 1117.

REFERÊNCIAS

CALLISTER JUNIOR, William D.. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Intrução. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002.

VINHOLI, Luiís Antônio; PACHECO, Taisa Beatriz. Ensaio de Dureza. 2015. Disponível em: <https://www.academia.edu/26921073/Ensaio_de_Dureza_1?fbclid=IwAR1u46acAyfcC2UE_B_bt4Bt-JvVDTnTYNRagzn7TvmRaN1gdPoqWqRJIWs>. Acesso em: 19 mar. 2019

CIMM, Site. Corpos de prova para o ensaio de tração. Disponível em: <https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6543-corpos-de-prova-para-o-ensaio-de-tracao?fbclid=IwAR0Quh_UPKKqBZqfgGuo7pIRRpbk5fkNCIXfTyzknyJpbj33wmof2J2p0GM#.XJRROfZFzIV>. Acesso em: 20 mar. 2019.

BRISOLA, Daisiana Frozi. Otimização no preparo de amostras para análise em espectrofotômetro de fluorescência de raios X. 2008

Quais são os tipos de ensaios mecânicos?

Quais são as principais propriedades mecânicas dos materiais obtidas por ensaios?

O que são os ensaios mecânicos?

Quais as propriedades mecânicas podem ser obtidas com o ensaio de tração?