Introdução aos Ensaios dos Materiais
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Introdução aos Ensaios dos Materiais
Introdução aos Ensaios dos Materiais – Prof. Carlos Alexandre dos Santos INTRODUÇÃO AOS ENSAIOS DOS MATERIAIS Todo projeto de um componente mecânico, ou mais amplamente, qualquer projeto de engenharia, requer um amplo conhecimento das características, propriedades e comportamento dos materiais disponíveis para sua viabilização. Os critérios de especificação ou escolha de materiais impõem métodos normalizados para a realização dos ensaios, que objetivam levantar as propriedades mecânicas e seu comportamento sob determinadas condições de esforços. Essa normalização é fundamental para que se estabeleça uma linguagem comum entre fornecedores e usuários dos materiais, já que é prática comum a realização de ensaios de recebimento dos materiais encomendados, a partir de uma amostragem estatística representativa do volume recebido. A Figura 3.1 mostra a classificação geral dos processos de conformação dos metais, segundo seus critérios básicos, seja aplicação de tensões ou aplicação de temperaturas. Processos Mecânicos Aplicação de Tensões () Processos Metalúrgicos Aplicação de Temperaturas (T) Conformação por Deformação Plástica ( < ruptura ) Forjamento Extrusão Laminação Trefilação Conformação por Usinagem de Corte ( > ruptura ) Torneamento Fresagem Plainamento Retificação Conformação por Solidificação ( T > Tfusão ) Fundição Lingotamento Soldagem Conformação por Sinterização ( T < Tfusão ) Metalurgia do Pó Figura 3.1 - Quadro geral de classificação dos processos de conformação dos metais [Segundo Campos, 1978]. O comportamento mecânico de qualquer material utilizado em engenharia é função de sua estrutura interna e de sua aplicação em projeto. As relações existentes entre as diferentes 1 Introdução aos Ensaios dos Materiais – Prof. Carlos Alexandre dos Santos características que influenciam no desempenho de determinado componente e a parte da ciência que estuda tais relações podem ser vistas na Figura 3.2. Estrutura Interna do Material Comportamento Mecânico Metalurgia Mecânica Comportamento Estrutural / Projeto Figura 3.2 – Relação entre características dos materiais e seu comportamento mecânico. Vê-se pela Figura 3.3, que os processos que se encarregam de dar forma à matéria-prima, dependem da estrutura interna apresentada antes de cada etapa de processamento, o que progressivamente vai alterando a forma e a estrutura do material, implicando em propriedades particulares. No final do processo de fabricação, o componente terá um conjunto de propriedades decorrentes das características originais da matéria-prima, devidamente modificadas durante os processos, e que devem coincidir com as especificações finais de projeto. Metal Líquid o Estrutura Metalográfica Inicial ( estrutura bruta de fusão ) Passo 1 Processo 1 Forma 1 Estrutura 1 Processo 2 Forma 2 Estrutura 2 Passo 2 Produto Acabado Forma, estrutura e propriedades finais especificadas pelo projeto base. Passo Final Processo Final Forma Final Estrutura Final Especificações de Projeto Figura 3.3 - Esquema representativo do caminho de fabricação de uma peça desde a matériaprima (metal líquido) até o produto final. O fluxograma apresentado na Figura 3.4 mostra alguns processos envolvidos nos diferentes caminhos de fabricação de uma peça, desde a matéria-prima metálica até o produto acabado. 2 Introdução aos Ensaios dos Materiais – Prof. Carlos Alexandre dos Santos Matéria-Prima Metálica Sinterização Fusão Solidificação Solidificação Metalurgia do Pó Fundição Convencional Não Convencionais Lingotamento Não Convencionais Estático Compactação Dinâmica Líquida, Refusão por Laser, Contínuo Placas e Tarugos Chapas e Tiras Produto Semi Acabado Fusão/Solidificação Tratamentos Superfíciais Corte/Rebarbação Usinagem Soldagem Produto Acabado Figura 3.4 - Fluxograma representativo dos caminhos de fabricação de uma peça metálica. As características que o material especificado deve atender podem ser divididas em duas categorias: Características de Processamento referem-se às propriedades físicas da matéria-prima, como função dos processos de fabricação envolvidos na manufatura do produto final. Características de Aplicação referem-se às propriedades físicas desejadas no produto acabado, como função direta de sua utilização e comportamento estrutural. Exemplo 1.1: Tomando-se como referência a fabricação de um eixo de transmissão (Figura 3.5), a seqüência operacional, a partir do tarugo de aço obtido pelo vazamento do metal líquido num molde, deve ser a seguinte: 3 Introdução aos Ensaios dos Materiais – Prof. Carlos Alexandre dos Santos Matéria-Prima “Tarugo de Aço” Processo 01 “Forjamento” Processo 02 “Usinagem” Processo 03 “Tratamentos Térmicos e Termoquímicos” Objetivos: Dar uma pré-forma ao eixo e componentes através de conformação plástica Objetivos: Conferir dimensões finais e acabamento superficial por processos de retirada de excesso de materiais Objetivos: Melhorar ou adequar localmente as propriedades mecânicas do produto acabado ou componente Figura 3.5 - Fluxograma representativo dos processos envolvidos na fabricação de uma peça metálica. Para o exemplo em questão, as características que o material especificado deve atender são: Características de processamento Forjabilidade: facilidade de preenchimento da matriz; Usinabilidade: adequadas condições de corte; Suscetibilidade a tratamentos: o material deve apresentar condições de modificação estrutural através de tratamentos térmicos e superficiais; Características de aplicação Resistência mecânica: o eixo acabado deve apresentar a resistência especificada no projeto; Resistência ao desgaste: as partes responsáveis pela transmissão de movimento, no caso os dentes de engrenagens, devem apresentar determinado nível de dureza para evitar desgaste prematuro; Ductilidade: a possibilidade do eixo sofrer impactos durante o funcionamento exige que seu núcleo não seja frágil. Na seqüência de fabricação apresentada, os ensaios do material de referência são imprescindíveis nas seguintes etapas: No recebimento de material do fornecedor: análise química da composição do material encomendado, resistência mecânica e dureza. Na peça acabada: resistência mecânica, microestrutura e dureza, que devem estar compatíveis com a faixa de aceitação exigida pelo projeto. Peças fora de especificação devem ser rejeitadas e, 4 Introdução aos Ensaios dos Materiais – Prof. Carlos Alexandre dos Santos acima de um certo percentual, deve exigir ajustes nas etapas de fabricação para diminuir o índice de rejeição. 1.1 - Propriedades Mecânicas Os ensaios mecânicos permitem a determinação de propriedades mecânicas, que se referem ao comportamento do material quando sob a ação de esforços, e são expressas em função de tensões e/ou deformações[Apêndice A] . Tensões representam a resposta interna aos esforços externos atuantes sobre uma certa área em um corpo. Entre as principais propriedades dos materiais obtidas por ensaio, podem-se citar: Resistência: Representada por tensões, definidas em condições particulares . Elasticidade: Propriedade do material, pela qual a deformação que ocorre em função da aplicação de tensão desaparece quando a tensão é retirada . Plasticidade: Capacidade do material sofrer deformação permanente sem romper-se. Resiliência: Capacidade de absorção de deformação no regime elástico Tenacidade: Reflete a energia total necessária para provocar a fratura do material . 1.2 - Finalidade dos Ensaios dos Materiais As duas mais importantes finalidades da execução dos ensaios são: Permitir a obtenção de informações rotineiras do produto ensaios de controle: no recebimento de materiais de fornecedores e no controle final do produto acabado. Desenvolver novas informações sobre os materiais no desenvolvimento de novos materiais , novos processos de fabricação e novos tratamentos. 1.3 - Vantagens da Normalização dos Materiais e Métodos de Ensaio A normalização tem por objetivo fixar os conceitos e procedimentos gerais que se aplicam aos diferentes métodos de ensaios, e suas principais vantagens são: Tornar a qualidade do produto mais uniforme; Reduzir os tipos similares de materiais; Orientar o projetista na escolha do material adequado; Permitir a comparação de resultados obtidos em diferentes laboratórios; Reduzir desentendimentos entre produtor e consumidor. 1.4 - Classificação dos Ensaios dos Materiais Quanto à integridade geométrica e dimensional da peça ou componente: i ) Destrutivos: provocam inutilização parcial ou total da peça; 5 Introdução aos Ensaios dos Materiais – Prof. Carlos Alexandre dos Santos Ex: Tração, Dureza, Fadiga, Fluência. ii ) Não- Destrutivos: não comprometem a integridade da peça; Ex: Raios-X, Raios-, Ultra-Som, Partículas Magnéticas. Quanto à velocidade de aplicação da carga: i ) Estáticos: carga aplicada de maneira suficientemente lenta, induzindo a uma sucessão de estados de equilíbrio (processo quase-estático); Ex: Tração, Compressão, Flexão, Dureza e Torção. ii ) Dinâmicos: carga aplicada rapidamente ou ciclicamente; Ex: Fadiga e Impacto. iii ) Carga Constante: carga aplicada durante um longo período; Ex: Fluência. Ensaios de Fabricação: Não avaliam propriedades mecânicas, fornecendo apenas indicações do comportamento do material quando submetido a um processo de fabricação: Estampabilidade, Dobramento, etc. Métodos de Ensaios: Determinam que os ensaios devem ser realizados em função da geometria da peça, do processo de fabricação, e de acordo com as normas técnicas vigentes, podendo ser: Ensaios da própria peça Ensaios de modelos Ensaios em amostras Ensaios em corpos-de-prova retirados de parte da estrutura REFERÊNCIAS 1 - CALLISTER, W.D., Engenharia e Ciência dos Materiais. Uma Introdução, Rio de Janeiro: LTC Editora, 2002. 2 - VAN VLACK, L. H. Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais, Rio de Janeiro: McGrallHill, 1998. 3 - GARCIA, A., SPIM, J.A., SANTOS, C.A., Ensaios dos Materiais, Rio de Janeiro: LTC Editora, 1998. 4 - SMITHS, W.; HASHEMI, J. Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Rio de Janeiro: McGrall-Hill, 1998. 5 - REED-HILL, Physical Metallurgy, Rio de Janeiro: McGrall- Hill, 1998. 6