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UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO

ENGENHARIA DE REABILITAÇÃO E ACESSIBILIDADES

PROCESSOS DE FABRICO

DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS MATERIAIS DE

CONSTRUÇÃO

1. INTRODUÇÃO

Neste trabalho vão ser obtidas e comparadas as características de três matérias distintos recorrendo

a ensaios de tracção. Descrevem-se, inicialmente, as características do ensaio de tracção

distinguindo-o de outros ensaios de caracterização das propriedades mecânicas dos materiais.

Através do ensaio de tracção realizado numa máquina de ensaios (no caso uma máquina universal

electromecânica) obter-se-á a curva força/deslocamento para três provetes de materiais diferentes e

a partir destes dados obtém-se a curva tensão/deformação. Partindo destas curvas pretende-se

calcular as propriedades mecânicas dos três materiais: um aço, uma liga de alumínio e um material

compósito. As propriedades a obter serão o módulo de Young, a tensão e a extensão limite de

proporcionalidade, a tensão e extensão de cedência, a tensão e extensão de rotura, o módulo

secante a 0.2% e a extensão após rotura. Nem todas estas propriedades poderão ser obtidas nos três

materiais.

2. TRABALHO PRÉ-LABORATORIAL

Foram obtidos os seguintes registos tensão/deformação para um aço ao carbono com 0.2% de

Carbono:

Tensão

(MPa) 0 207 379 414 469 496 510 517 524 517 503 476 448 386 353

Extensão

(%) 0 0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 19.0(Rotura)

a. Represente a curva tensão-deformação;

b. Calcule a tensão limite de proporcionalidade;

c. Determine a tensão de rotura do aço;

d. Calcule a extensão de rotura;

e. Calcule o módulo de Young;

f. Calcule a tensão de cedência a 0.2%;

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3. EQUIPAMENTO

Máquina de ensaios Instron 1025

Extensómetro de braços

Paquímetro

4. Teoria

Quando uma carga é aplicada a um sólido resulta uma deformação no sólido. A deformação é

elástica se é completamente eliminada quando a carga é removida. A tensão é a força/unidade de

área (A

F ) e a extensão é o alongamento/unidade de comprimento (

l

l ). As tensões e as

deformações elásticas são proporcionais e estão relacionadas com o Módulo de Elasticidade ou

Módulo de Young E pela Lei de Hooke ( E ). Está implícito nesta equação que as tensões e as

extensões são axiais. Note-se que na lei de Hooke, uma relação linear entre as tensões e as

deformações, o Módulo de Young representa o declive dessa recta.

Se a deformação é permanente diz-se plástica. O início da deformação plástica corresponde à

tensão necessária para iniciar o movimento das deslocações (um tipo de defeito) na estrutura

cristalina do sólido. A tensão necessária para produzir deformação permanente é a tensão de

cedência do material. Alguns materiais exibem um ponto de cedência claro, enquanto outros

mostram uma diminuição lenta do declive na zona elástica. Nestes, a tensão de cedência é

convencionalmente definida como a tensão necessária para produzir uma deformação permanente

de 0.2% (extensão 0.002). Em alguns materiais parte ou a totalidade da deformação residual que

permanece após remover a carga, pode ser gradualmente recuperada. Neste caso a deformação diz-

se inelástica.

Em materiais dúcteis, a deformação necessária para a sua rotura é relativamente grande comparada

com os materiais frágeis. A deformação plástica dos materiais dúcteis pode requerer tensões

progressivamente maiores porque as deslocações multiplicam-se durante o processo e o seu

movimento torna-se mais difícil devido ao aumento do grau de interacção entre elas. Este processo

é designado por endurecimento ou encruamento. Por vezes é possível observar bandas

propagando-se ao longo do provete durante o encruamento. Estas bandas são conhecidas por

bandas de Lüders indicando a multiplicação e o movimento das deslocações. Apenas são visíveis

após polimento dos provetes. Quando a taxa de encruamento é maior que a taxa de diminuição da

secção transversal, isto é:

A

dAd

ocorre uma deformação uniforme. Mas se a taxa de encruamento é muito baixa ocorre uma

diminuição acentuada da secção transversal concentrada numa zona do provete designada por

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estricção. Este fenómeno inicia-se quando a carga atinge um valor máximo e a partir daqui a

deformação não é mais uniforme. A tensão correspondente à carga máxima é a tensão de rotura do

material (Ultimate Tensile Strength – UTS). A extensão após rotura é uma medida da ductilidade

do material. Não inclui a deformação elástica mas inclui a deformação uniforme e a deformação

localizada na estricção. Determina-se juntando as duas partes do provete fracturado e medindo a

distância entre dois traços previamente marcados no provete.

O processo de deformação termina com a rotura do provete. Num material frágil isto ocorre pela

propagação de fissuras iniciadas em defeitos microscópicos no material. As fissuras propagam-se

por clivagem, o que envolve rotura de ligações atómicas em planos cristalográficos específicos,

com o trabalho de deformação gasto primeiramente na criação de novas superfícies (energia de

superfície). Por outro lado, os materiais frágeis tendem a fracturar por nucleação de micro-vazios.

Visto que a deformação plástica consome quantidades significativas de energia na criação e

movimento de deslocações, roturas dúcteis estão normalmente associadas com grandes trabalhos

de fractura. A área sobre a curva tensão-deformação é uma medida da energia necessária para

fracturar o provete e caracteriza a tenacidade do material com unidades de trabalho/unidade de de

volume do comprimento de referência,

A capacidade do material absorver grandes quantidades de energia no domínio elástico e a sua

restituição após descarga, é a resiliência do material, sendo caracterizada pelo módulo de

resiliência.

A tensão nominal ou de engenharia é a força/unidade da secção inicial do provete: 0A

F . A

extensão nominal ou de engenharia é o alongamento/unidade de comprimento (comprimento de

referência inicial): 0L

L . As tensões e extensões reais ou verdadeiras são determinadas a partir

das dimensões instantâneas durante o ensaio. Portanto, a curva tensão-deformação de engenharia

ou convencional não dá uma indicação verdadeira das características de deformação do material

porque é baseada inteiramente nas dimensões originais do provete, e estas mudam continuamente

durante o ensaio. Também, um material dúctil que está a ser traccionado, torna-se instável e

“empescoça” no decorrer do ensaio. Como a área da secção transversal do provete diminui

rapidamente nesta fase do ensaio, a carga requerida para continuar a deformação vai diminuindo.

A tensão média baseada na área inicial, diminui e a curva tensão-deformação convencional cai

após atingir a carga máxima (ver Figura 1). Nesta altura, o material continua a endurecer até à

rotura, de modo que a tensão necessária para continuar a deformação também aumenta. Se se usa a

tensão real, baseada na área da secção transversal actual do provete, verifica-se que a tensão real

aumenta progressivamente até à rotura (ver Figura 2). Por outro lado, se a medida da extensão for

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Figura 1. Curva tensão-deformação convencional de um aço com baixo teor em carbono.

baseada nas dimensões instantâneas, a curva obtida é conhecida por curva tensão-deformação real.

Demonstra-se que para pequenas deformações, por exemplo as deformações elásticas, não há

diferenças significativas entre as extensões de engenharia e reais. As propriedades pedidas serão

obtidas através das curvas tensão-deformação convencionais. A curva da figura 1 é típica dos

materiais metálicos. Para pequenos valores da deformação (zona elástica) a curva tensão-

deformação é linear. Nesta região o declive da curva representa o módulo de Young ou de

elasticidade. Visto que muitos materiais não exibem um ponto de cedência nítido, isto é, uma

transição visível entre a zona elástica e a zona plástica, o ponto de cedência é definido como a

tensão que origina uma deformação plástica permanente de 0.2%. Por esta convenção, traça-se

uma linha paralela à zona elástica partindo de 0.002 de extensão. O ponto de intersecção com a

curva é o ponto de cedência ou tensão de cedência. A tensão de rotura, obtém-se determinando a

tensão máxima atingida pelo material. Por outro lado muitos materiais não apresentam uma zona

linear elástica inicial. Nestes materiais pode usar-se o módulo secante a x% de deformação, e

obtém-se determinando o declive da recta que une o ponto inicial (deformação nula) com o ponto

da curva de deformação x% .

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Figura 2. Comparação das curvas tensão-deformação convencional e tensão-deformação real.

5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

A. Medir as dimensões dos provetes (média de três medições);

B. Traçar na zona de deformação do provete duas vezes o comprimento de referência.

C. Efectuar a calibração do extensómetro:

i. Colocar o extensómetro no calibrador ajustando as navalhas ás marcações no

micrómetro;.

ii. Colocar a zero e fazer OK no computador;

iii. Dar 10 voltas ao micrómetro (L0=25mm) ou 20 voltas (L0=50mm);

iv. Fazer OK no computador

D. Efectuar a calibração da célula de carga no computador;

E. Colocar o provete nas amarras da máquina de ensaios;

F. Colocar o extensómetro no provete;

G. Por a zeros o extensómetro e a célula de carga;

H. Iniciar o ensaio;

I. Gravar os ficheiros de dados do ensaio;

J. Juntar as duas partes do provete e estimar o comprimento final entre referências;

K. Registar o tipo de rotura do material;

L. Repetir a partir de E para os outros provetes.

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6. RELATÓRIO

O relatório deverá respeitar os seguintes requisitos:

i. Sumário

ii. Objectivos

iii. Descrição simplificada do ensaio

iv. Equipamento utilizado

v. Apresentação das leituras recolhidas durante a realização do ensaio;

vi. Determinação das propriedades mecânicas dos aços:

a. Tensão limite de proporcionalidade e extensão limite de proporcionalidade

b. Tensão de cedência e extensão de cedência

c. Tensão limite convencional a 0.2%

d. Módulo de Young

e. Módulo Secante a 0.2%

f. Tensão de rotura e extensão de rotura

g. Extensão após rotura

vii. Análise dos resultados

viii. Conclusões

ix. Bibliografia

Dados a recolher no início do ensaio:

Desenho e dimensões dos provetes

Comprimento de referência

Dados a recolher no final do ensaio:

Comprimento de referência após rotura

Ficheiro dos registos do computador (SIDE)

Fotos dos provetes após os ensaios.(SIDE).