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ENSAIOS MECNICOS E MACROGRFICOS

Mdulo 11

1- ENSAIOS MECNICOS

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1.1 INTRODUO Os ensaios mecnicos so considerados como ensaios destrutivos, pois na maioria das vezes provocam a ruptura ou a inutilizao da pea ensaiada. As propriedades mecnicas constituem uma das caractersticas mais importantes dos metais em suas vrias aplicaes na engenharia, visto que, o projeto e a execuo de estruturas metlicas so baseados no comportamento destas propriedades. As propriedades mecnicas avaliam o comportamento de um material quando sujeito a esforos da natureza mecnica e correspondem as propriedades que, num determinado material, determinam a sua capacidade de transmitir e resistir aos esforos que lhe so aplicados, sem romper ou sem que produzam deformaes instveis. A determinao das propriedades mecnicas dos metais obtida atravs de ensaios mecnicos, realizados em corpos de prova (c.p.) de dimenses, forma e procedimento ou especificao de ensaio, padronizados por normas brasileiras e estrangeiras. A solda constitui uma forma de unio metlica com continuidade entre componentes de uma estrutura ou equipamento e por esta razo suas propriedades devem ser compatveis com as propriedades mecnicas do metal de base. Desta forma, os resultados dos ensaios mecnicos desde que satisfatrios, asseguram a quantidade mnima de solda em termos de propriedades mecnicas, bem como servem de base para qualificaes do metal de adio, do procedimento de soldagem, de soldadores e para verificar os testes de produo. No sentido de situar o leitor no contexto, o quadro a seguir ilustra a utilizao usual dos ensaios mecnicos, vrios deles rotineiros, em atividades de soldagem.

Ensaio

ATIVIDADES DE SOLDAGEM

Qualificao de metal de adio

Qualificao de

procedimento de soldagem

Qualificao de soldadores

Chapas de teste de

produo

Trao X X - X

Dobramento - X X X

Fratura - X X -

Dureza - X - X

Impacto Charpy X X - X

Impacto Drop-Weigth

- X - -

Macrogrfico - X X X

Obs: Na rea nuclear, o impacto DROP-WEIGHT requisito para qualificar matria prima. 1.2 - ORIENTAO DOS CORPOS DE PROVA As propriedades mecnicas de um material deformado termomecanicamente (exemplo: laminados, forjados, etc.) podem variar conforme a direo de onde foram extrados os corpos de prova para o

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ensaio. Este fenmeno denominado de anisotropia. Ento, deve-se verificar atravs das especificaes do material qual a direo exata para se retirar o corpo de prova. Quando se consulta as especificaes de materiais, normalmente so utilizados os termos ensaio longitudinal e ensaio transversal. Os termos acima se relacionam orientao da retirada dos corpos de prova, considerando-se a direo de laminao da pea a ser ensaiada.

Corpo de prova longitudinal Significa que o eixo longitudinal (E.L.) do corpo de prova paralelo direo de laminao da amostra do material a ser ensaiado, conforme demonstrado na figura 12.1. EXEMPLOS: a) A fora aplicada a um corpo de prova, em ensaio de trao longitudinal, deve ser na direo da

laminao. b) O eixo de fechamento de um corpo de prova, em ensaio de dobramento longitudinal, deve ser

ortogonal direo de laminao.

Amostra do material a ser ensaiado

corpo de prova plano

Ensaio de impacto longitudinal

Ensaio de Dobramento longitudinal Figura 12.1 Corpos de prova, para ensaio longitudinal retirados de produtos laminado.

Corpo de prova transversal Significa que o eixo longitudinal do corpo de prova ortogonal direo de laminao da amostra do material a ser ensaiado, conforme demonstrado na fig.12.2 EXEMPLOS:

Eixo de

fechamento

300

a) A fora aplicada a um corpo de prova, em ensaio de trao transversal, deve ser ortogonal direo de laminao.

b) O eixo de fechamento de um corpo de prova, com ensaio de dobramento transversal deve ser paralelo direo de laminao.

Ensaio de trao transversal Eixo de fechamento

Figura 12.2- Corpos de prova, para ensaio transversal, retirados de produto

laminado.

Corpos de prova com outras orientaes Temos, tais como, corpo de prova radial e corpo de prova tangencial, tm uso mais restrito, pois orientaes destes tipos raramente so utilizados na avaliao das propriedades mecnicas de produtos fabricados por tratamento termomecnicos. 1.3 - ENSAIO DE TRAO

Amostra do material a ser ensaiado

Ensaio de impacto transversal

301

Conceitos gerais O ensaio de trao, objetiva fornecer dados relativos capacidade, de um corpo slido, de suportar solicitaes quando aplicado sobre o mesmo, um esforo que tende a along-lo sendo determinado o comportamento das propriedades de resistncias tais como, o limite de escoamento, o limite de resistncia, etc. A verificao das propriedades de resistncia feita utilizando-se uma mquina especfica, denominada de mquina de ensaios universais onde fixada uma amostra, do material, denominada de corpo de prova (cp). A mquina de ensaios universais aplica esforos crescentes na direo uniaxial do corpo de prova, levando os mesmos at sua ruptura. Os esforos (cargas) so medidos na prpria mquina.

Corpos de prova O ensaio de trao feito em corpos de prova, cujas dimenses devem estar de acordo com uma norma de projeto ou especificao e com a capacidade da mquina de ensaio. Normalmente so utilizados corpos de prova de seo circular ou de seo retangular, conforme figura 12.3. A parte a ser testada situa-se na seo reduzida ao longo do comprimento l indicado. As partes de seo maior, nas extremidades (cabea), so fixadas mquina de ensaios universais, s quais se aplicam cargas opostas.

Corpo de prova com seo circular

Corpo de prova com seo retangular

Figura 12.3 Corpos de prova para ensaio de trao.

O corpo de prova possui regies com terminologia prpria, a saber. a) Cabeas: extremidade do corpo de prova pela qual o mesmo fixado mquina de ensaio de

modo que a fora de trao aplicada seja uniaxial. Devem ter seo maior do que a parte til para que a ruptura do corpo de prova no se processe nelas. Suas dimenses e formas dependem do tipo de fixao mquina.

A fixao do cp mquina depende do formato das cabeas, podendo ser fixado por cunhas, figura 12.4a; por rosca, figura 12.4b; por flanges, figura 12.4c; ou assentos esfricos, figura 12.4d.

(Parte til) Raio de concordncia

302

Figura 12.4 Tipos de cabeas de cp e sua fixao mquina

b) Zonas de concordncia: So as zonas que unem a parte til s cabeas com a finalidade de evitar

qualquer regio mais propcia fratura. c) Parte til: toda a regio cilndrica ou prismtica do corpo de prova, com dimenses definidas onde

se localiza a fratura e tambm onde so feitas as diversas determinaes, como ser visto adiante. Alm da utilizao de c.p. de seo reduzida, o ensaio de trao pode ser aplicado em toda a seo de um material, como o caso de tubos de pequeno dimetro. Isto ocorre quando o dimetro externo do tubo inferior ou igual ao mximo que as garras da mxima podem fixar. A fixao do tubo mquina feita atravs de mandris pela sua extremidade, de modo que as garras da mquina atuem sobre um determinado comprimento, ver figura 12.5. Alm de tubos, outros produtos onde tambm se realiza ensaio de trao no estado de produto acabado, sem reduo da seo, so barras, fios, cabos, parafusos, etc.

Figura 12.5 Corpo de prova de tubos Disposio do mandril e fixao do tubo mquina

Normalizaodos corpos de prova A utilizao de corpos de prova normalizados importante por vrios motivos, a saber. a) Facilidade de adaptao na mquina de ensaio; b) Uso de corpos de prova sem dimenses excessivas, que poderiam impedir a execuo do ensaio

por falta de capacidade na mquina de ensaio; c) Facilidade de clculo das propriedades mecnicas pelas expresses que sero vistas a seguir; d) Permite a comparao dos valores de alongamento e estrico, que so propriedades bastante

dependentes da forma e dimenses dos cps ensaiados;

12.4a 12.4b

12.4c 12.4d

303

e) Ausncia de irregularidades nos corpos de prova, que poderiam afetar os resultados, caso o ensaio fosse feito em corpo de prova no padronizado;

f) Reprodutibilidade e comparabilidade dos resultados obtidos no ensaio. Como j foi visto anteriormente, a parte til de um corpo de prova a regio onde so feitas as medidas das propriedades mecnicas do metal e a cabea do corpo de prova a parte destinada apenas fixao na mquina de ensaio. Estas duas partes so unidas por uma superfcie de concordncia. A normalizao dos corpos de prova atinge estas trs partes, como se v a seguir. Dependendo da forma e tamanho do produto acabada do qual foi retirado e da norma utilizada, um corpo de prova para ensaio de trao pode apresentar sua seo reta com formato retangular ou circular.

Corpos de prova com seo reta retangular So normalmente retirados de placas, chapas ou lminas e tem a seo reta retangular. Podem ter espessura igual espessura da placa ou chapa ou lmina. A especificao ASTM A370-92 normaliza as dimenses, e tolerncias de usinagem, conforme exemplo da figura 12.6.

Figura 12.6 Corpos de Prova com Seo Reta Retangular

Notas: 1- Medidas em mm; 2- G o comprimento original (inicial) da regio de referncia, do corpo de prova; 3- A espessura T do corpo de prova varia em funo da medida w, ou seja; - para W = 40 mm T= 5 mm no mnimo - para W = 12,5 mm T = 19mm no mximo - para W = 6,0 mm T = 6 mm no mximo

Corpos de prova com seo circular: Normalmente, so utilizados se o produto acabado for de seo circular ou irregular ou ainda, se for de espessura excessivamente grande, que exija um esforo muito grande para romp-lo. A especificao ASTM A 370 92 normalizam as dimenses e tolerncias de usinagem, conforme exemplo da figura 12.7.

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Figura 12.7 Corpo de prova com Seo Circular

Onde: G = 50 = 0,10 mm D = 12,5 = 0,25 mm R = 10 mm, no mnimo A = 60 mm, no mnimo Notas:1. G o comprimento original (inicial), comumente designado base de medida, localizado na parte til do corpo de prova; Notas :2. O comprimento inicial do corpo de prova cilndrico deve ser igual a 4 vezes o dimetro do corpo de prova. A preparao e usinagem desses corpos de prova permitem a fixao dos mesmos s mquinas de ensaios atravs de alguns tipos de cabeas, tambm normalizadas, que so particulares apenas aos corpos de prova de seo circular. A figura 12.8 d alguns exemplos do formato de cabeas de corpos de prova.

Figura 12.8 Cabeas de Corpo de Provas com Seo Circular

Corpos de Prova com seo total: Se o produto acabado for uma barra, um arame (fio), ou at um tubo, um segmento destes poder ser ensaiado diretamente, sem necessidade de se retirar um corpo de prova especial, bastando que o segmento tenha um comprimento suficiente para que se possa medir o alongamento na parte til e para que possa ser fixado na mquina de ensaio. O caso dos tubos que so ensaiados com toda a sua seo aplica-se apenas queles que possuam dimetros externos iguais ou inferiores ao mximo que as garras da mquina podem fixar, conforme figura 12.9.

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Figura 12.9 Ensaios de trao em tubos metlicos

Corpos de prova retirados de junta soldada: Em materiais soldados, podem-se retirar corpos de prova transversais ou longitudinais solda. A padronizao dos corpos feita por vrias normas. Como exemplo, citamos uma das mais utilizadas que o cdigo ASME seo IX, que normaliza as dimenses das peas de teste, assim como o local de retirada e o dimensionamento dos corpos de prova, com o objetivo de efetuar a qualificao de procedimentos de soldagem. Em corpos de prova transversais solda, apenas determinado o limite de resistncia trao. Isto porque ao se efetuar o ensaio de trao de um corpo de prova transversal, tensiona-se simultaneamente materiais de propriedades diferentes (metais de base e metal de solda) e os valores obtidos representam os valores de resistncia da junta soldada, que uma interao de vrios fatores que atuam na junta. Em corpos de prova longitudinais solda so determinadas todas as propriedades mecnicas, as quais so referentes unicamente ao metal depositado, ver figura 12.10, utilizado principalmente na qualificao do metal de adio.

Figura 12.10 Corpo de Prova Longitudinal solda

Diagrama tenso-deformao

Mandril

D= Dimetro interno do tubo

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Aplicando-se foras crescentes e de sentidos opostos nas extremidades de um cp pode-se observar, atravs de instrumentos, a variao do comprimento do cp (I) em funo da fora aplicada (F). Medidas simultneas de F e l, efetuadas certo nmero de vezes durante o ensaio, permitem traar um grfico F em funo de I. A figura 12.11 representa um grfico deste tipo. No mesmo grfico, se dividirmos o valor de F por So e o valor de l por Io teremos o grfico tenso-deformao, com a mesma forma do anterior, que traduz o comportamento do material durante o ensaio. Os termos tenso e deformao so definidos como se segue. Tenso - o quociente da fora (carga) aplicada sobre a rea inicial (S0) da seo transversal do corpo de prova. A tenso () geralmente expressa em Mpa ou N/mm (unidades corretas) ou em kgf/mm (unidade em desuso). Deformao a variao de comprimento, por unidade de comprimento, entre dois pontos situados sobre a geratriz ou superfcie do corpo de prova (parte til). A deformao (), geralmente expressa em percentagem e o seu clculo numrico ser abordado no estudo do alongamento.

Figura 12.11 Diagrama tenso-deformao

Os aspectos gerais dos metais sob uma carga de trao podem ser vistos na Figura 12.11. A linha reta OA representa o comportamento elstico do material, que corresponde a uma regio onde o diagrama linear, em virtude da deformao ser diretamente proporcional a carga aplicada (Lei de Hooke). Nesta regio, se em qualquer ponto dentro da linha OA a carga for aliviada, o descarregamento segue tambm a mesma reta OA e para um descarregamento total, o material volta a origem (ponto O), sem apresentar qualquer deformao residual ou permanente. A curva de A para B representa o escoamento do ao de baixo teor de C, onde o seu comportamento afasta-se da linearidade da regio elstica, para dar uma grande deformao com pouco ou nenhum acrscimo de carga. O ponto A da curva marca ento o incio da regio plstica, ou seja, se em qualquer ponto da curva, a partir de A, houver um descarregamento do corpo de prova at a carga tomar-se igual a zero, o material acumula uma deformao permanente ou residual. O segmento BC a regio de encruamento uniforme, ou seja, aps o metal sofrer o escoamento (trecho AB), adquire maior resistncia trao, pois est no estado encruado (endurecido). O segmento CD corresponde regio do diagrama em que ocorre a estrico do material, que a diminuio da seo transversal do corpo de prova, na regio aonde vai se localizar a ruptura. A ruptura ocorre no ponto D.

F (ou = F_) So

D

( ou = o

I Regio Elstica II Regio plstica

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A figura 12.12 compara os diagramas tenso-deformao de alguns aos-carbonos, em funo da variao do teor de carbono nos mesmos.

Figura 12.12 Diagramas tenso-deformao para aos carbono

Propriedades de resistncia Consideremos, novamente, o diagrama tenso-deformao de um ao de baixo teor de carbono, conforme figura 12.13.

Figura 12.13- Diagrama tenso-deformao de um ao de baixo carbono

Analisando o comportamento do material sob tenso, de trao, conforme o grfico anterior tem-se: Ponto 1 Corresponde ao limite de escoamento, ou seja, durante o ensaio de trao, corresponde carga que permanece constante ou diminui, formando um patamar no grfico, em que ocorrem deformaes permanentes no corpo de prova, ver figura 12.14. A tenso (e) corresponde ao incio da fase de escoamento e ao incio da plasticidade do corpo de prova. O escoamento, em materiais dcteis, caracterizado praticamente por uma oscilao ou uma parada do ponteiro da mquina durante toda a durao do fenmeno. Denomina-se limite de escoamento tenso atingida durante o escoamento que obtido pela expresso:

e= Fe SO

1,03% C

0,48% C

0,34% C

0,21% C

0,06% C

(deformao %)

70 56 42 28 14

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Onde: Fe = a fora (carga) de escoamento; e So = rea inicial da seo transversal do cp.

Figura 12.14 Determinao do Limite de Escoamento Quando no for possvel determinar o limite de escoamento com preciso suficiente em virtude da dificuldade de sua observao, adotar-se-, por conveno, o limite convencional n de escoamento ou simplesmente limite n, definido pela expresso: Os materiais onde no apresentam o fenmeno do escoamento ntido possuem o diagrama tenso-deformao apresentando-se geralmente, como uma curva com um trecho reto e que aps o limite de proporcionalidade, assume um formato tal que no permite determinar o limite de escoamento da maneira anteriormente descrita. Para estes casos, o limite n, (n) que corresponde ao limite de escoamento, a tenso aplicada que, aps sua retirada, provoca n% de deformao permanente. Geralmente, para aos de baixo teor de carbono, especifica-se n como 0,2% o que corresponde a uma deformao plstica de 0,002 por unidade de comprimento. Para determinar-se o limite convencional n, marca-se, no eixo das abscissas do grfico tenso-deformao do metal considerado, o valor n, e do ponto obtido traa-se uma paralela ao trecho retilneo da curva AO at encontrar esta, no ponto B, figura 12.15. A tenso correspondente ao ponto B o limite convencional n.

n =Fn SO

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Figura 12.15 Determinao grfica do limite convencional

Para ligas metlicas que se deformam relativamente pouco, como aos de mdio e alto carbono ou ligas no-ferrosas duras, pode-se tomar para n o valor de 0,1% ou mesmo 0,01% (aos para molas). Para cobre e algumas de suas ligas, que apresentam grande deformabilidade, o mtodo baseado na determinao do ponto da curva correspondente a uma deformao total, portanto desde a origem O, de 0,5% ou 0,005 (fig. 9.10). Marcado o valor 0,005 no eixo das abscissas, traa-se uma perpendicular a esse eixo, at encontrar a curva tenso-deformao no ponto E, ao qual corresponde a tenso relativa ao limite convencional n para esses tipos de metais. A determinao do limite de escoamento ou do limite convencional n dos metais e suas ligas muito mais fcil que a do limite de elasticidade. Da reside o fato de o limite de escoamento ser utilizado pelos projetistas, ao lado de um coeficiente de segurana para garantir que o metal trabalhe no regime elstico. Ponto 2 Corresponde ao limite de resistncia trao, ou seja, durante o ensaio de trao, corresponde a carga mxima exigida. A tenso mxima, suportada pelo corpo de prova antes da sua ruptura, indica o final da regio plstica do material que se caracteriza pelo endurecimento do material por deformao a frio, ou seja, pelo encruamento. Quanto mais o metal deformado, mais ele se torna resistente. O limite de resistncia trao calculado dividindo-se a maior carga pela rea inicial da seo transversal de cp. O conhecimento do limite de resistncia trao muito importante, pois por meio dele que se especificam os materiais. Ponto 3

t = Fn So

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Aps ser atingida a carga mxima (ponto 2 do diagrama), entra-se na fase de ruptura do material. Inicia-se o decrscimo visvel da seo transversal do corpo de prova e a carga diminui at que se d a sua ruptura total. A ruptura do material caracterizada pelo fenmeno da estrico que a deformao localizada na seo transversal no corpo de prova. Quanto menor for o teor de carbono do material, mais estrita se torna a seo nessa fase. A tenso de ruptura n que corresponde ao ponto 3, onde se d a ruptura do corpo e trmino de ensaio, no tem significado prtico e por isso normalmente no determinada nos ensaios. O ensaio de trao nos permite tambm determinar atravs da anlise dimensional final dos corpos de prova, os valores de alongamento percentual e coeficiente de estrico, que nos do uma idia sobre a dutilidade dos materiais.

$lonJamento perFentual () o acrscimo de comprimento da referncia, depois da ruptura, em relao ao comprimento inicial do corpo de prova. A determinao do alongamento, de um material, feita atravs das seguintes etapas: 1) Estabelece-se o comprimento inicial de medida (Io), no trecho correspondente parte til do cp, marcando-se pontos ou linhas de referncia sobre o cp, atravs de tinta, funcionamento leve ou risco suave de modo a no criar entalhes excessivos. Exemplo:

2) Executa-se o ensaio de trao at a ruptura do cp. 3) Junta-se cuidadosamente as 2 partes do cp fraturado e mede-se a distncia l entre as marcas de referncia. A preciso da leitura deve-se ser de 0,25 mm para comprimentos iniciais de 50mm ou menores e de 0,5% do comprimento inicial quando este for superior a 50mm. 4) Calcula-se o valor do alongamento percentual atravs da frmula anterior. NOTAS: a) Ao se registrar o valor do alongamento percentual, deve-se registrar tambm o comprimento inicial

(base de medida), pois os valores de alongamentos variam em funo do comprimento considerado. b) Se a fratura ocorrer fora do tero mdio de base de medidas ou em uma marca de puno ou

risco, o ensaio dever ser repetido caso o alongamento encontrado seja inferior ao mnimo especificado, pois o resultado obtido para o alongamento pode no ser representativo do material.

EXEMPLO:

= l lo x 100 (em%)

lo

311

Acordos ou especificaes de determinados materiais ou produtos podero admitir a determinao aproximada do alongamento percentual aps ruptura, mesmo que ele ocorra fora do tero mdio do comprimento final. O alongamento d uma medida comparativa da dutilidade de dois materiais. Quanto maior for o alongamento, mais dtil ser o material.

Coeficiente de estrico (Z) O coeficiente de estrico Z a relao, em percentagem, entre a diminuio de rea da seo transversal relativamente rea inicial, por ocasio da ruptura, e a rea inicial. O coeficiente de estrico calculado pela frmula: O mtodo de determinao do coeficiente de estrico depende do formato da seo transversal do corpo de prova, como descrito a seguir. a) Corpo de prova de seo circular. Mede-se o dimetro da seo transversal reta do corpo de prova mais prximo possvel da regio fraturada em duas direes ortogonais entre si e calcula-se o dimetro mdio (D); com este dimetro determina-se a rea da seo transversal reta, aps a fratura, conforme fig. 9.11.

Figura 12.16 Clculo da Estrico para seo Circular

b) Corpo de prova de Seo Retangular ou quadrada: Mede-se a variao das dimenses transversais, conforme mostra a figura 9.17.

Z = So - S x 100 (em %) So o

Z = Do - D x 100

Do

D = d1 + d2 2

312

Figura 12.17 Clculo da Estrico para seo retangular ou quadrada

Dispositivos de medio de tenso e deformao a) Aspectos Gerais O grfico traado num ensaio de trao, pela prpria mquina ou por meio de leituras sucessivas de deformao e cargas crescentes, tem como abscissas as deformaes , e como ordenadas as cargas F, e, tem a mesma funo que o grfico tenso () e deformao () em virtude dos valores So e lo serem constantes para um determinado corpo de prova. b) Dinammetro/Clula de carga A medio da tenso feita atravs da medio de carga, que fornecida pelo dinammetro nas mquinas antigas, e nas mquinas modernas, esta carga fornecida pela clula de carga, que um sistema com resistncias eletrnicas, fornecendo dados de alta preciso. c) Extensmetro A medida da deformao obtida mais comumente por meio de um extensmetro. Os extensmetros podem ser mecnicos, pticos, eltricos, e eletrnicos. Dentre eles, o mais simples o extensmetro mecnico com relgio comparador, do qual oportuno que se faa uma breve descrio. Este tipo de extensmetro consiste resumidamente num micromtro com preciso de 0,001 mm montado num dispositivo formado por dois tubos metlicos interpenetrantes, contendo cada um uma garra (uma em cada tubo) que serve para fixar o extensmetro no corpo de prova. O micrmetro fixado nos tubos e o seu ponteiro indica a deformao, medida que o tubo externo desliza sobre o interno, pela ao crescente da fora de trao do corpo de prova imposta pela mquina. A distncia entre as duas garras denominada brao do extensmetro e unicamente nessa distncia que medida a deformao, isto , relativamente ao grfico cargo-deformao, tudo se passa como se o corpo de prova possusse o comprimento do brao do extensmetro. Po essa razo, deve-se utilizar um brao suficientemente grande para que se possa medir a deformao em um comprimento maior possvel, a fim de se obter resultados mais fiis e representativos da deformao do corpo de prova. Desta maneira, constri-se a curva por pontos, lendo-se a deformao periodicamente (por exemplo, de 20 em 20 milsimos de milmetros de deformao), e simultaneamente observando-se a carga que produz cada deformao lida. Alguns exemplos de extensmetros so mostrados na figura 12.18 a seguir.

Z = So S x 100 So

So = A X B S = a x b

313

Figura 12.18 Exemplo de extensmetro

d) Mquinas de Ensaio As mquinas de ensaio universais, aqui comumente chamadas de mquinas de trao, possuem dois cabeotes acoplados, podendo um deles impor velocidades constantes de deformao. Essas mquinas podem ser do tipo hidrulico ou acionado por parafuso e a carga ento medida hidrulica ou mecanicamente (por sistema de alavancas ou por pndulo) ou ainda eletricamente por meio de uma clula de carga. O esforo imposto no corpo de prova transmitido para toda a mquina, que se deforma elasticamente junto com o corpo de prova. Uma mquina rgida, que pode imprimir uma velocidade constante de deformao, uma mquina tipo dura (com clula de carga), e quando ela pode manter um aumento de carga constante, ela chamada de mquina mole (mquina hidrulica, por exemplo). A velocidade de deformao (velocidade do ensaio) afeta o escoamento do metal de um modo geral, fazendo com que se observe tenses de escoamento mais altas, quanto maior for a velocidade de deformao. Essa afirmao vlida quanto mais sensvel for o material velocidade de deformao. O patamar de escoamento afetado pelo tipo de mquina de ensaio. Caso ela seja dura, a tenso do patamar decresce ou, caso seja mole, a tenso do patamar aumenta. As mquinas de ensaio possuem uma caracterstica chamada de constante de mola que determina o seu comportamento durante o escoamento do material, isto , durante a fase de escoamento do material h uma diminuio da carga e certa movimentao dos mbolos da mquina (ou equivalente) para relaxar a carga. O quociente entre a diminuio da carga e a movimentao dos mbolos para produzir esta diminuio a constante de mola. Uma mquina mole tem um valor baixo da constante de mola, impedindo a mudana brusca do diagrama, isto , no acusa prontamente o escoamento repentino do material: ela sensvel somente variao de cargas. Uma mquina dura tem um valor alto da constante de mola, permitindo maior sensibilidade na observao do comportamento do material durante a fase de escoamento; ela sensvel velocidade

Corpo de

prova

Corpo de

prova

314

de deformao. As mquinas duras se prestam, portanto, melhor determinao do limite de escoamento e devem ser preferidas quando a determinao deste valor for requerida. As figuras 12.19 e 12.20 mostram exemplos das mquinas de ensaio de trao.

Figura 12.19 vista geral de uma mquina de trao.

Figura 12.20 Detalhes da mquina durante um ensaio de trao

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Figura 12.21 Detalhes da mquina num ensaio de dobramento

1.4 - ENSAIO DE DOBRAMENTO

Descrio do Ensaio O ensaio de dobramento fornece uma indicao qualitativa da dutilidade do material. Por ser um ensaio de realizao muito simples, ele largamente utilizado nas indstrias e laboratrios, constando mesmo nas especificaes de todos os pases, onde so exigidos requisitos de dutilidade para certo material. O ensaio de dobramento comum no determina nenhum valor numrico. H, porm variaes do ensaio que permitem avaliar certas propriedades mecnicas do material. O ensaio, de um modo geral, consiste em dobrar um corpo de prova de eixo retilneo e seco circular, tubular, retangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados a uma distncia especificada, de acordo com o tamanho do corpo de prova, por intermdio de um cutelo, que aplica um esforo de flexo no centro do corpo de prova at que seja atingido um ngulo de dobramento especificado, ver figura 12.22. A carga, na maioria das vezes, no importa no ensaio e no precisa ser medida; o cutelo tem um dimetro D, que varia conforme a severidade do ensaio, sendo tambm indicado nas especificaes, geralmente em funo do dimetro ou espessura do corpo de prova. Quanto menor o dimetro, D, do cutelo, mais severo o ensaio e existem especificaes de certos materiais que pedem dobramento sem cutelo, denominado dobramento sobre si mesmo. O ngulo , medido conforme a figura 12.22, tambm determina a severidade de ensaio e geralmente de 90, 120 ou 180. Atingindo esse ngulo, examina-se a olho nu a zona tracionada do corpo de prova, que no deve conter trincas ou descontinuidades acima de um determinado valor. Caso contrrio, o material no passou no ensaio. Se o corpo de prova apresentar esses defeitos ou romper antes de atingir ou quando atingir o ngulo

Dispositivo de apoio de corpo de prova

Cutelo

Corpo de prova

Mesa intermediria

Rolete

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especificado, o material tambm no atende especificao do ensaio. Esse tipo de dobramento geralmente o mais utilizado na prtica e , s vezes, denominado de dobramento guiado. Como o dobramento pode ser realizado em qualquer ponto e em qualquer direo do corpo de prova, ele um ensaio que fornece indicao da dutilidade em qualquer regio desejada do material.

Figura 12.22 (a) e (b) Esquema do ensaio de dobramento; (c) corpo de prova dobrado at um ngulo O ensaio de dobramento a 180 pode ser realizado em uma s etapa, caso se tenha um, cutelo com o dimetro exigido pela norma adotada ou em duas etapas, quando o dimetro do cutelo exigido for muito pequeno ou mesmo nulo. Nesse caso, usa-se o menor cutelo que se dispe (dimetro D) para iniciar o ensaio, da maneira mostrada na figura 12.23, at um ngulo qualquer adequado e numa Segunda etapa, comprimi-se o corpo de prova dobrado no sentido de fech-lo completamente, de modo a atingir o ngulo de 180, usando-se um calo de dimetro aproximadamente igual a D (ou sem calo para um dobramento sobre si mesmo). H trs variantes no processo de dobramento, que so chamadas dobramento livre, dobramento semiguiado e dobramento guiado. Na primeira o dobramento obtido pela aplicao de fora nas extremidades do corpo de prova sem aplicao de fora no ponto de mximo dobramento (zona tracionada). Na segunda, uma extremidade engastada de algum modo e o dobramento efetuado na outra extremidade ou em outro local do corpo de prova. A figura 12.24 mostra essas duas variantes esquematicamente. No caso do dobramento semiguiado, a segunda etapa do processo igual ao dobramento livre. Ainda para o caso do dobramento semiguiado existe uma espcie de dobramento, denominado dobramento alternado, em que se submete o corpo de prova (geralmente um arame ou uma barra fina) a dobramentos sucessivos, um de cada lado do engaste. Esse tipo de dobramento exigido, por exemplo, para barras destinadas a armadura de proteo, geralmente especificado o nmero de dobramento para cada lado sem que haja ruptura do corpo de prova.

Figura 12.23 Duas etapas de dobramento com dimetro do cutelo igual a D, muito pequeno ou sem

cutelo.

317

Figura 12.24 (a) e (b) dobramento livre; (c), (d), (e), e (f) dobramento semiguiado.

A velocidade do ensaio no um fator importante no dobramento, desde que o ensaio no seja realizado com uma velocidade extremamente alta de maneira a enquadr-lo nos ensaios dinmicos. No caso do dobramento livre, principalmente, pode-se determinar o alongamento das fibras externas (tracionadas) do corpo de prova, medindo uma distncia lo, qualquer na regio apropriada, antes do ensaio, e medindo depois a distncia alongada, por meio de uma escala flexvel e aplicar a expresso descrita anteriormente para o clculo do alongamento como no ensaio de trao. Na figura 12.24(a) tem-se um cutelo que aplica esforos fora do ponto do mximo dobramento para o incio do ensaio. Na figura 12.24(b) termina-se o ensaio at o ngulo especificado ou at o alongamento desejado. Nas figuras 12.24(c), 12.24(d), 12.24(e) e 12.24(f), tm-se os possveis mtodos de ensaio de dobramento semiguiado, sendo que nas duas primeiras, a fora aplicada na extremidade livre do corpo de prova e nas outras duas figuras, o esforo aplicado no centro do corpo de prova. A diferena entre a figura 12.24(f) e a figura 12.22 que os apoios no caso do dobramento guiado sustentam longitudinalmente os braos do corpo de prova medida que ele dobrado e no caso do dobramento semiguiado, os apoios servem apenas para fixar a amostra. O corpo de prova poder ser retirado do produto acabado ou poder ser o prprio produto acabado, se ele for adequado para ser colocado na mquina de dobramento (como por exemplo, parafusos, pinos, barras, etc). No caso de chapas, por exemplo, necessria a retirada de corpo de prova de tamanho conveniente. Finalmente, no dobramento guiado, os apoios devem ser bem lubrificados para eliminar ao mximo o atrito, que provocaria tracionamento indevido no corpo de prova, aumentando a severidade do ensaio.

318

Existem outros processos de dobramento mais particulares para emprego em determinados materiais, tais como barras para construo civil, materiais frgeis, etc., que aqui no sero abordados por terem pouco interesse soldagem.

Ensaio de dobramento em corpos de prova soldados O ensaio de dobramento em corpos de prova retirados de peas de teste realizado, segundo o mtodo do dobramento guiado, em dispositivos como os mostrados na figura 12.25. As partes tracionadas ou rompidas so observadas e confrontadas com os requisitos da norma aplicvel para qualificao de procedimentos de soldagem ou de soldadores.

Figura 12.25 Dispositivo para ensaio de dobramento

Orientao dos corpos de prova Para juntas de topo (figura 12.26 a, b, c e d), dependendo da regio da solda a ser examinada, o ensaio realizado de cinco maneiras distintas: a) Dobramento Lateral Transversal: O eixo da solda perpendicular ao eixo longitudinal do corpo de

prova, o qual dobrado de modo que uma das superfcies laterais da solda torna-se a superfcie convexa do corpo de prova;

319

b) Dobramento Transversal de Face: O eixo da solda perpendicular ao eixo longitudinal do corpo de prova, o qual dobrado de modo que a face da solda fique tracionada, tornando-se a superfcie convexa do corpo de prova.

c) Dobramento Transversal da Raiz: Semelhante ao anterior, porm a raiz da solda que fica tracionada;

d) Dobramento Longitudinal da Face: O eixo da solda paralelo ao eixo longitudinal do corpo de prova, o qual dobrado de modo que a face da solda fique tracionada tornando-se a superfcie convexa do corpo de prova; e

e) Dobramento Longitudinal da Raiz: Semelhante ao anterior, porm a raiz da solda que fica tracionada.

Figura 12.26 (a) Corpo de prova para dobramento lateral transversal; (b) Corpo de prova para

dobramento transversal de face; (c) Corpo de prova para dobramento transversal de raiz; (d) Corpo de prova para dobramento longitudinal de face e de raiz.

Alguns critrios de aceitao A norma API 1104, item 2.643, especifica que o ensaio aceitvel se no ocorrem na solda ou entre esta e a zona de ligao, trincas nem defeitos maiores que 3,2mm ou metade daespessura do material, o que for menor, medidos em qualquer direo. Trincas que se originam nas bordas do corpo de prova durante o ensaio e menores que 6,4mm, medidas emqualquer direo no devem ser consideradas a menos que evidenciem a presena de outros defeitos. A norma ASME SEC IX item QW-163, especifica praticamente o mesmo que a norma API 1104, exceto onde acima est em negrito. Alm disso, especifica para as soldas de revestimento resistente a corroso de chapas cladeadas, que no so permitidos defeitos abertos maiores que 1,6mm medidos em qualquer direo e to pouco defeitos abertos maiores que 3,2mm localizados na zona de ligao. 1.5 - ENSAIO DE FRATURA

Descrio do ensaio O ensaio de fratura (com ou sem entalhe) denominado em algumas normas estrangeiras por Filet Weld Break Test, Fracture Test ou Nick Break Test e normalmente previsto como requisito para qualificao de procedimentos de soldagem e de soldadores. O ensaio realizado, em alguns casos, por dobramento de uma parte do corpo de prova sobre outra, de modo a tracionar a raiz da solda e, em outros casos, a solda rompida a partir de um entalhe. Em ambos os casos, a raiz da solda, fraturada ou no, e a solda fraturada a entalhe, so examinadas visualmente quanto sua compacidade, isto quanto penetrao na raiz e quanto presena de outras descontinuidades.

320

a) Corpos de Prova As figuras 12.27(a), 12.27(b), 12.28, 12.29(a) e 12.29(b) ilustram os corpos de prova utilizados para o ensaio de fratura.

(a) solda em ngulo Qualificao de soldadores

Figura 12.27 Corpos de prova para ensaio de fratura, segundo o cdigo ASME Sec.IX

Direo de dobramento

Parar e recomear a solda prximo do centro

Corpo de prova para ensaio macroscpio

Dimenso mxima da perna = t

Direo de dobramento

321

Figura 12.28 Corpo de prova para ensaio de fratura a entalhe, segundo a norma API 1104

PPHPDLRUHV

Aprox. 1/8 (3.17 mm)

Entalhe produzido por serra. O corpo de prova pode ser usinado ou cortado por oxi-corte. As bordas devem ser lisas e paralelas.

Espessura de parede

Os reforos da solda no devem ser removidos

(a)

322

Figura 12.29- Localizao de corpos de prova em peas de teste segundo a norma API 1104. b) Critrios de Aceitao Os requisitos para a aceitao do ensaio variam pouco de uma norma para outra. O cdigo ASME SEC IX considera o ensaio aceitvel, se no for evidenciada a presena de trincas ou falta de penetrao na raiz e ainda, se a soma dos comprimentos de incluses ou poros no excederem a 9,5 mm (3/8). A norma AWS D1.1 determina que a solda em ngulo da pea de teste deve Ter aparncia uniforme e livre de trincas, poros, sobreposies ou mordeduras excessivas. Alm disso, se ocorrer fratura, os requisitos so os mesmos da norma ASME SEC IX, porm mais restritivos. A norma API 1104 considera o teste aceitvel, se a fratura no evidencia presena de falta de penetrao ou falta de fuso. Fixa a dimenso mxima para poros isolados, nem como o percentual mximo da rea por eles ocupada; fixa tambm dimenses mximas permitidas para incluses de escria e a distncia mnima entre elas. 1.6 - ENSAIOS DE DUREZA

Conceitos Gerais Dureza uma propriedade mecnica bastante utilizada na especificao de materiais, em pesquisas metalrgicas e mecnicas e na comparao de diversos materiais. Sua determinao realizada por mtodos apropriados e o seu valor representa o resultado da manifestao combinadas de vrias propriedades inerentes ao material. Por esta razo, a sua conceituao difcil e entre os conceitos mais conhecidos destacam-se: - Dureza a resistncia deformao plstica permanente; - Dureza a resistncia ao risco ou a capacidade de riscar; - Dureza de um metal a resistncia que ele oferece penetrao de um corpo duro. O mtodo de determinao relacionado a este ltimo conceito dureza por penetrao o mais empregado no ramo da Metalurgia e da Mecnica e normalmente citado em especificaes tcnicas. Para aos-carbono e aos-liga de mdio teor de liga, a dureza proporcional ao limite de resistncia trao.

(25 mm) Aprox.

323

Na soldagem, a dureza influenciada pela composio qumica do metal de base, pela composio qumica do metal de adio, pelos efeitos metalrgicos do processo de soldagem, pelo grau de encruamento do metal de base e pelo tratamento trmico. Algumas normas e especificaes fixam os limites de dureza para o metal de base, zona afetada termicamente e zona fundida de certos aos, pois se apresentassem dureza excessiva, sofreriam perda da dutilidade e, portanto, comprometeria a sua aplicabilidade. Por ser um ensaio mecnico, o ensaio de dureza acha-se includo entre os ensaios destrutivos, porm em vrios casos no um ensaio destrutivo, pois depende do mtodo aplicado e da utilizao posterior da pea ou equipamento. Um caso tpico desta situao a verificao da dureza de soldas submetidas a tratamento trmico. Os principais mtodos de ensaio so os mtodos Brinell, ckwell e Vickers.

Ensaio de Dureza Brinell a) Mtodo O ensaio consiste em comprimir lentamente, por meio de uma carga P, uma esfera de ao de dimetro D, sobre uma superfcie plana, polida ou pelo menos preparada com esmeril fino ou com lima tipo mura, de um corpo de prova ou pea, durante um certo intervalo de tempo. A compreenso de esfera produz uma impresso permanente em forma de calota esfrica de dimetro d, que medida por meio de uma lupa graduada com preciso maior ou igual a 0,1mm. A medida de d a mdia de duas leituras tomadas a 90 uma da outra. A figura 12.30 exemplifica a determinao da dureza pelo mtodo Brinell.

Figura 12.30 Determinao da dureza Brinell

A dureza Brinell, representada por HB, definida em kgf/mm como o quociente entre a carga aplicada a superfcie da calota esfrica (impresso ou mossa) cuja expresso desenvolvida :

HB = _______2 P__________

D (D - ' d) A unidade kgf/mm pode ser omitida em vista da dureza constituir manifestao combinada de vrias outras propriedades inerente ao material. O ensaio normalmente utilizado realizado com carga de 3000 kgf para materiais ferrosos e a esfera, cujo dimetro deve ser de 10 mm, pode ser de ao ou, de carboneto de tungstnio aplicvel em materiais duras (HB > 450). O tempo de aplicao da carga normalmente de 30 segundos. b) Representao dos resultados obtidos

324

Como j foi visto anteriormente, o nmero de dureza Brinell, deve ser seguido pelo smbolo HB e sem qualquer sufixo a seguir, estas condies de representao ocorrem quando o ensaio for executado da seguinte forma: - Dimetro da esfera = 10 mm - Carga = 3000 kgf - Durao de aplicao da carga = 10 a 15 segundos (para materiais cujo comportamento plstico

independe da durao da aplicao da fora) Para outras condies, o smbolo HB recebe um sufixo formado por nmeros que indicam as condies especficas de testes, na seguinte ordem: dimetro da esfera, carga e tempo de aplicao da carga. Exemplo: 85 HB 10/500/30 = nmero 85 de dureza Brinell medido com esfera de dimetro igual a 10 mm e carga de 500kgf aplicada durante 30 segundos. c) Cargos Teoricamente poder-se-ia usar quaisquer cargas ou quaisquer esferas para um mesmo material e obter-se-ia o mesmo resultado, porm verificou-se que existem certas restries. Assim damos abaixo as seguintes normas a serem observadas no uso do mtodo BRINELL. O dimetro da impresso deve estar na relao (ASTM E 10): 0,24 D < d < 0,6 D A carga usada e o dimetro da esfera dependem da dureza do material a ser ensaiado. Assim, obtm-se o mesmo resultado para um mesmo resultado para um mesmo material quando, alm de se observar a relao acima, o valor (P) for constante D Temos ento : __P = 30; __P_ =10; __P_ = 5; _P_ =2,5; __P_ = 1,25. D D D D D De modo geral so utilizados para os diversos grupos de material os graus de carga indicados na tabela 12.1. A tabela 12.2 relaciona a espessura mnima do cp exigida para o mtodo de dureza Brinell. Normalmente, as cargas utilizadas para o ensaio de dureza Brinell, so: 3.000 kgf ou 500 kgf, com esfera de 10 mm. A tabela 12.3 mostra as recomendaes das foras de ensaio e as faixas de dureza para utilizao.

325

Tabela 12.1 Graus de carga para diversos materiais

Grau de carga

Grupos de materiais para

os quais devem ser

preferencialmente

Empregados os graus de carga

indicados

30 15 5 2,5 1,25 1,0

Ligas ferrosas e

ligas de alta resistncia

Metais e ligas no ferrosas

Ferro Ao Ao fundido Ferro fundido Ligas de titnio Ligas de nquel E cobalto para temperaturas elevadas

Ligas de alumnio Ligas de cobre Ligas de magnsio Ligas de zinco Lates Bronzes Cobre Nquel

Alumnio Magnsio Cobre Zinco Lato fundido

Liga de chumbo

Ligas de chumbo Ligas de estanho Metal patente

Tabela 12.2 Espessuras mnimas exigida para o mtodo de dureza Brinell. Espessura Mnima do

corpo de prova

Dureza mnima para que o ensaio Brinell possa ser realizado com segurana

mm 3.000 kgf 1.500 kgf 500 kgf

1.6 602 301 100

3,2 301 150 50

4,8 201 100 33

6,4 150 75 25

8,0 120 60 20

9,6 100 50 17

Tabela 12.3 Faixas recomendadas de dureza Brinell para utilizao. Dimetro da esfera

(mm) Fora Faixa de dureza

recomendada

10 3.000 kgf 96 a600

10 1.500 kgf 48 a 300

10 500 kgf 16 a100

tabela 12.4, a seguir, fornece valores de dureza Brinell, em funo do dimetro da impresso d, utilizando-se esfera com dimetro de 2,5mm.

326

Tabela 12.4 Dureza Brinell em funo do dimetro da impresso (continuao)

327

(continuao da tabela 12.4)

328

d) Aplicao O mtodo Brinell usado especialmente para metais no ferrosos, ferros fundidos, ao, produtos siderrgicos em geral e peas no temperadas. largamente empregado pela facilidade de aplicao, pois pode ser efetuado em qualquer mquina de ensaio de compresso e mesmo por aparelhos portteis de baixo custo. Sua escala contnua e sempre usada como referncia de dureza. Mesmo durezas de certas peas temperadas so expressas pela escala Brinell. e) Cuidados Especiais A espessura da pea a ser medida deve ser no mnimo igual a dez vezes a profundidade da impresso obtida. A superfcie a se medir deve Ter um raio de curvatura mnima de 5 vezes o dimetro da esfera utilizada. A distncia entre o centro de uma impresso e as bordas do corpo de prova deve-se no mnimo de 2,5 vezes o dimetro mdio da calota. Cada impresso deve estar distante de uma impresso vizinha no mnimo quatro vezes o seu dimetro (distncia de centro a centro). A carga de ensaio deve ser mantida sobre a pea a ser medida no mnimo 30 segundos. Para materiais cujo comportamento plstico depende da ao da fora de ensaio. Excees: para materiais em que HB> 300, este tempo pode ser reduzido h 10 segundos. Para materiais em que HB

329

Bloco Padro a) Fabricao Devem atender aos seguintes requisitos de fabricao: - A espessura do bloco deve variar em funo do dimetro da esfera, na forma como se segue: - Espessura >16 mm para esfera com 10 mm de dimetro. - Espessura >12 mm para esfera com 5 mm de dimetro. - Desmagnetizao, se o bloco for de ao; - De acabamento superficial, onde a superfcie de teste deve ser livre de riscos e com tolerncias de

rugosidade; - Homogeneidade e estabilidade de sua estrutura cristalina atravs de tratamento trmico; - De identificao da superfcie de teste. b) Padronizao A dureza dos blocos padronizados deve ser medida numa mquina de ensaio de dureza Brinell que tenha sido aferida segundo o mtodo ASTM E4. c) Identificao Cada bloco deve ter estampado no seu corpo as seguintes identificaes: - Mdia aritmtica dos valores de dureza encontrados na calibrao, e o tipo de esfera utilizada; - Nome ou marca do fornecedor; - Nmero de srie do bloco, e ano de calibrao; - A espessura do bloco ou uma marca padronizada na superfcie de teste.

Normalizao do Mtodo Os mtodos de ensaio para determinao da dureza Brinell, de verificao das mquinas e de calibrao dos blocos padres, esto normalizados pelo mtodo do ASTM E 10. Ensaio de Dureza Rockwell - Mtodo Baseia-se na medio da profundidade de penetrao de um penetrador, subtradas a recuperao elstica devida retirada de uma carga maior e a profundidade causada pela aplicao de uma carga menor. Os penetradores utilizados na dureza Rockwell so do tipo esfrico (esfera de ao temperado) ou cnico (cone de diamante com 120 de conicidade). O processo, em resumo, realizado em trs etapas; 1) Submete-se o corpo de prova a uma pr-carga (carga menor) com o objetivo de garantir um contato firme do penetrador com o corpo de prova. 2) Aplica-se a carga que, somada a pr-carga, resulta a carga nominal do ensaio at o ponteiro do mostrador parar. 3) Retira-se (alivia-se) a carga e faz-se a leitura. O mtodo Rockwell, muito usado por seu emprego rpido, subdividido em dois grupos: Rockwell Normal e Rockwell Superficial. Estes dois grupos so ainda decompostos em vrias escalas, conforme a carga e o penetrador usado no ensaio. Estas escalas so independentes umas das outras. Ao escolhermos o tipo de ensaio, devemos ter em considerao diversos fatores, tais como: material e tratamento trmico eventual, espessura do material a ser controlado, porosidade, etc. A figura 12.31 mostra com detalhes a seqncia esquemtica para determinao da dureza Rockwell.

330

Figura 12.31 Seqncia esquemtica de determinao de dureza Rockwell

Como vemos na figura 12.31, a seqncia de ensaio, dividida nas seguintes fases:

331

Fase 1 O corpo de prova, com a superfcie devidamente preparada, posicionado no apoio da mquina. O mostrador da mquina indica um valor aleatrio.

Fase 2 Eleva-se o corpo de prova, girando o apoio da mquina situado na extremidade da parte roscada, at o corpo de prova encostar na ponta do penetrador e o ponteiro do marcador atingir o zero da escala. Assim, o segmento A-B corresponde a profundidade da impresso devido aplicao da pr-carga de 10 kgf, por exemplo.

Fase 3 Aplica-se sobre a pr-carga, a carga de, por exemplo, 90 kgf. A pea fica ento submetida carga total de 100 kgf e a leitura no mostrador indica um valor nominal de dureza no representativo. Assim, o segmento A-C corresponde profundidade da impresso devido aplicao da carga total de 100 kgf, e o segmento B-C corresponde profundidade da impresso apenas devido carga de 90 kgf.

Fase 4 Atravs de dispositivo da mquina alivia-se a carga, mantendo-se a pr-carga, e faz-se a leitura do mostrador que agora indica o valor real da dureza. O segmento B-D corresponde diferena entre as profundidades das impresses e a um nmero no mostrador, que significa o valor da dureza Rockwell do material. O segmento D-C corresponde recuperao elstica do material aps Ter sido aliviada a carga (90 kgf).

Fase 5Aps feita a leitura do mostrador, abaixa-se o dispositivo de apoio do corpo de prova e, com isto, alivia-se a pr-carga (10 kgf) sobre o corpo de prova. NOTA: A escala do mostrador constituda de tal forma que uma impresso profunda acarreta um valor baixo na escala e uma impresso rasa acarreta um valor na escala. Portanto, um valor alto na escala significa que o material, em ensaio, tem alta dureza. - Representao dos resultados obtidos O nmero de dureza Rockwell deve ser seguido pelo smbolo HR com um sufixo, que indica a escala utilizada. Exemplos: 64 HRC: Nmero 64 de dureza Rockwell na escala Rockwell C. 81 HR 30N: Nmero 81 de dureza Rockwell superficial na escala Rockwell 30N. O nmero de dureza obtido corresponde a um valor adimensional, ao contrrio, ao contrrio da dureza Brinell. - Cargas e Campo de Aplicao Como j foi visto, antes da aplicao da carga submete-se o corpo de prova de prova a uma pr-carga, cujo valor depende do tipo de dureza Rockwell a se executar, como a seguir. - Para dureza Rockwell normal pr-carga = 10 kgf - Para dureza Rockwell superficial pr-carga = 3 kgf A tabela 12.5 relaciona todas as variveis para determinao das durezas Rockwell normal e Rockwell superficial.

332

Tabela 12.5 Escolha das condies de ensaio de dureza Rockwell normal e superficial pr-carga 10 kgf

Smbolo da Escala

Maior carga (kgf)

Penetrador Campo de aplicao

Rockwell A 60 Cone diamante, 120 de

conicidade

Ao cementado ou

temperado Rockwell C 150

Rockwell D 100

Rockwell B 100 Esfera de ao, 1,588 mm de

dimetro

Ao, ferro, bronze, lato, etc. at 240

Brinell

Rockwell F 60

Rockwell G 150

Rockwell E 100 Esfera de ao, 3,175 mm de

dimetro Rockwell H 60

Rockwell K 150

Rockwell L 60 Esfera de ao 6,350 mm de

dimetro

Material plstico Rockwell M 100

Rockwell P 150

Rockwell R 60 Esfera de ao, 12.70 mm de

dimetro Rockwell S 100

Rockwell V 150

Rockwell superficial pr-carga 3 kgf

15 N 15 Cone diamante, 120 de conicidade

Aos com tratamento trmico superficial, como

cementao, nitretao, etc

30 N 30

45 N 45

15 T 15 Esfera de ao, 1,588 mm de dimetro

Ao, ferro e outros metais at 240

Brinell, chapa, etc 30 30

45T 45

NOTA: As escalas mais utilizadas so B, C, F, A, N e T; as demais s empregadas em casos especiais. Para selecionar as escala C tem seu uso prtico entre os nmeros 20 e 69. Abaixo de 20, deve-se empregar a escala B para evitar erros. A dureza Rockwell B varia de aproximadamente 28 a94, a escala F, entre 69 e 98 e a escala A de 60 a 86. - Corpos de Prova O corpo de prova dever ser livre de impurezas superficiais, xidos ou quaisquer outros reativos para metais. As espessuras do corpo de prova ou da camada objeto da medio dever estar de acordo com as tabelas 12.6 e 12.7.

Tabela- 12.6 Espessuras mnimas para os corpos de prova a serem ensaiados nas escalas Rockwell A, C, F e B.

333

Espessura mnima (mm)

Dureza Rockwell A C F B

0,36 - - - -

0,41 86 - - -

0,46 84 - - -

0,51 82 - - -

0,56 79 69 - -

0,61 76 67 98 94

0,66 71 65 91 87

0,71 67 62 85 80

0,76 60 57 77 71

0,81 - 52 69 62

0,86 - 45 - 52

0,91 - 37 - 40

0,96 - 28 - 28

1,02 - 20 - -

Tabela 12.7 Espessuras mnimas para os corpos de prova a serem ensaiadas nas Escalas

Rockwell Superficiais: 15N, 30N, 45N, 15T, 30T, e 45T.

Espessura mnima (mm)

Dureza Rockewll- Escala superficial

15N 30N 45N 15T 30T 45T

0,15 92 - - - - -

0,20 90 - - - - -

0,25 88 - - 91 - -

0,30 83 82 77 86 - -

0,36 76 78,5 74 81 80 -

0,41 68 74 72 75 72 71

0,46 - 66 68 68 64 62

0,51 - 57 63 - 55 53

0,56 - 47 58 - 45 43

0,61 - - 51 - 34 31

0,66 - - 37 - - 18

0,71 - - 20 - - 4

0,76 - - - - - -

- Cuidados especiais Ao se fazer ensaios ROCKWELL no deve ser considerado o resultado do primeiro ensaio aps a troca do penetrador em virtude deste no estar ainda bem assentado no seu alojamento. A pea e a mesa de apoio devem estar bem limpas e uma bem assentada sobre a outra. O penetrador deve estar perpendicularmente pea. Se, por engano, for ensaiada uma pea temperada com o penetrador de esferas, deve-se trocar a esfera respectiva por esta ficar inutilizada. A carga deve ser aplicada sem choques e sem vibrao o que nos aparelhos conseguido por um amortecedor hidrulico. Esta aplicao deve durar de 6 a 10 segundos. Nos metais macios pode ser prolongada at 30 segundos, quando o ponteiro do indicador dever ficar imvel.

Ao se fazer uma medio de dureza em um material desconhecido, o procedimento correto primeiro realizar um ensaio selecionando-Ve a eVFala 52&.:(// $ poiV eVta eVFala tem finV VeletivoV ou VeMa a partir do reVultado oEtido na eVFala 52&.:(// $ Ve determina em Tue

escala dever ser realizado o ensaio. Na prtica a maioria dos profissionais, primeiro fazem uma mediomo na eVFala 52&.:(// & para depoiV tentar outra eVFala FaVo o reVultado Faia fora

da faixa de dureza HRC. Esta prtica evita que penetradores sejam danificados.

334

Quando se mede a dureza de peas cilndricas devem ser feitas correes adicionando-se os mesmos aos valores obtidos atravs da leitura do mostrador. A tabela 12.8 d um exemplo de correes de valores, quando se executando medies de dureza nas escalas RA, RC e RD, em funo do dimetro da pea ensaiada.

Tabela 12.8 Correo na dureza Rockwell devida curvatura do corpo de prova

Exemplo: Medindo-se a dureza, atravs da escala RC, de uma pea cilndrica de dimetro igual a 19mm encontrou-se o valor de 40 HRC. O resultado real encontra-se

adicionando-se a respectiva correo de 1HRC aos 40 HRC. - Verificao da calibragem das mquinas Existem dois mtodos de calibrao, que so: a) Verificao individual da capacidade de carga da mquina (normalizada pelo mtodo ASTM

E4), do penetrador e um plano de medio de profundidade seguida de um teste de desempenho. Esse mtodo aplica-se s mquinas novas reconstrudas.

b) Verificao pelo mtodo de teste em blocos padronizados. Esse mtodo deve ser usado em testes de auditagem, de laboratrio, ou de rotina para assegurar ao operador que a mquina est funcionando adequadamente.

Devido disponibilidade e a rapidez de uma medio, a verificao da calibrao das mquinas em blocos padronizados mais utilizada pelo usurio do equipamento. Alguns dos testes recomendados so os seguintes:

- Fazer pelo menos uma medio de dureza num bloco padro a cada dia que a mquina for

usada. - Fazer pelo menos 5 medies de dureza num bloco padro na escala e nvel de dureza na

qual a mquina est sendo usada. Se os valores encontrados estiverem dentro da faixa de tolerncia de dureza do padro, a mquina estar adequada ao uso.

335

- Bloco Padro a) Fabricao Devem atender requisitos de fabricao, tais como: - Da espessura, que no deve ser menor que 6,4mm; - Homogeneidade e estabilidade e sua estrutura cristalina, atravs de tratamento trmico; - De desmagnetizao, se o bloco for de ao; - De acabamento superficial (superfcie retificada e polida); - De critrio de renovao de sua calibrao. b) Padronizao Devem ser calibrados numa mquina de ensaio de dureza que tenha sido aferida segundo o mtodo ASTM E4. c) Identificao Cada bloco deve Ter estampado no seu corpo as seguintes identificaes: - Mdia aritmtica dos valores encontrados na sua padronizao com a escala de designao e

seguido de uma faixa de tolerncia; - Nome ou marca do fornecedor; - Nmero de srie do bloco; - A espessura do bloco ou uma marca padronizada na superfcie de teste. - Normalizao do mtodo Os mtodos de ensaios para determinao da dureza Rockwell normal e da dureza Rockwell superficial, esto normalizados pelo mtodo ASTM E 18.

Ensaio de dureza Vickers a) Mtodo baseado na resistncia que um material oferece penetrao de uma pirmide de diamante de base quadrada e ngulo entre faces de 136, sob uma determinada carga. O valor da dureza VICKERS HV o quociente da carga aplicada P pela rea da impresso S. HV = P = 1.8544P kgf/mm S d Onde:

S Quadrado da mdia aritmtica das diagonais d1 e d2, conforme figura 12.32, medidas por meio de um microscpio acoplado mquina de ensaio.

P Carga aplicada

d Diagonal mdia, ou seja, d1 + d 2 2

336

__d1 _+ d 2_ = d 2

Figura 12.32 Medio da diagonal no ensaio de dureza Vickers

A carga deve ser levemente na superfcie do corpo de prova, por meio de um pisto movido por uma alavanca; e mantida de 10 a15 segundos, depois do qual retirada e o microscpio movido manualmente at que localize a impresso. - Representao dos resultados obtidos O nmero de dureza Vickers deve ser seguido pelo smbolo HV com um sufixo, em forma de nmero, que, indica a carga, ou at um segundo sufixo, tambm em forma de nmero, que indica a durao de aplicao da carga quando esta diferir de 10 a 15 segundos, que o tempo norma. Exemplos:

440 HV 30 Dureza Vickers de 440 medidas sob uma carga de 30 kgf, aplicada de 10 15 segundos.

440 HV 30/20 Dureza Vickers de 440 medida sob uma carga de 30 kgf, aplicada por 20 segundos. - Cargas Os ensaios de dureza Vickers so feitos com cargas variando de 1kgf a 120 kgf. Na prtica o nmero de dureza Vickers constante quando o penetrador tipo pirmide de diamante de base quadrada e ngulo entre faces de 136, for usado com cargas aplicadas acima de 5 kgf. Comoo penetrador um diamante, sendo, portanto praticamente indeformvel, e como todas as impresses so semelhantes entre si no importando o seu tamanho, a dureza Vickers (HV) independente da carga, isto , nmero de dureza obtido o mesmo qualquer que seja a carga aplicada. Neste sistema, ao contrrio do Brinell, as cargas podem ser quaisquer, pois as impresses so sempre proporcionais s cargas para um mesmo material. Contudo, so recomendadas as cargas: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100 e 120 kgf. Cargas menores que um quilo so usadas nos aparelhos especiais para micro-dureza. Cargas para teste de micro-dureza variam de 1gf a 1000 gf (1kgf). Em funo da carga aplicada e do valor da diagonal mdia obtida, o nmero da dureza Vickers correspondente encontrado diretamente em tabelas, como o exemplo da tabela 12.6. Essas tabelas vem junto com as mquinas correspondem s cargas existentes e possveis de serem aplicadas com cada mquina. - Aplicao Esse tipo de dureza fornece escala contnua de dureza (de HV = 5 at HV = 1000 kgf/mm) para cada carga usada. O ensaio de dureza pelo mtodo Vickers apresenta, tambm outras vantagens, que so:

Impresses extremamente pequenas que no inutilizam a pea;

337

Grande preciso de medida;

Deformao nula do penetrador;

Existncia de apenas uma escala de dureza;

Aplicao para toda a gama de durezas encontradas nos diversos materiais;

Aplicao em qualquer espessura de material, podendo, portanto medir tambm durezas superficiais.

Muitas das aplicaes da dureza Vickers esto voltadas, atualmente, para o ensaio da micro-dureza. Assim, o uso da micro-dureza soluciona problemas, tais como:

Determinao das profundidades de superfcies cementadas, temperadas, etc;

Determinao de constituintes individuais de uma microestrutura;

Determinao da dureza em peas extremamente pequenas ou finas;

Determinao da dureza em metais muito duros ou muito moles.

Tabela 12.9 Nmeros de dureza HV utilizando-se a carga de 5 kgf

338

339

- Cuidados Especiais As diagonais devem ser mantidas com preciso e, para este fim, existe um microscpio acoplado mquina com preciso de 0,001 mm. A superfcie do corpo de prova tem que ser plana e polida. Deve-se tomar o cuidado de eliminar, durante a usinagem, partes do corpo de prova que possam ter sido afetadas (exemplo: endurecimento superficial) pelas operaes de corte. A superfcie do corpo de prova tem que estar alinhada com o penetrador, isto , a superfcie tem que ser normal ao eixo do penetrador, o desvio permitido de + 1 no ngulo. Como no caso da dureza Brinell, as impresses Vickers podem ocasionar erros quando suas impresses no apresentam seus lados retos, conforme figura 12.33, em virtude da orientao dos gros cristalinos com relao s diagonais da impresso. Assim, por exemplo, podemos considerar dois casos: 1) Impresso defeituosa devido ao afundamento do metal em torno das faces do penetrador, resultado um valor d maior que o real; isto ocorre em metais recozidos; 2) Impresso defeituosa devido aderncia do metal em volta das faces do penetrador resultando um valor d menor que o real; isto ocorre em metais encruados.

340

Figura 12.33 (a) Impresso perfeita de dureza Vickers; (b) impresso defeituosa:

afundamen to (F) impreVVmo defe ituoVa aderrnFia Os dois casos acima exigem correes para os valores encontrados que podem variar de at 10 % destes valores. Para superfcies de formato esfrico ou cilndrico, o raio de curvatura interfere no valor real da dureza, sendo, portanto necessrio serem corrigidos os valores encontrados atravs de fatores da correo. Os fatores de correo so normalizados e determinados em funo do quociente d/D:

d Diagonal mdia da impresso

D Dimetro da esfera ou cilindro

d Resulta um nmero que est correlacionado a um fator de correo, D como o exemplo mostrado na tabela 12.10. Os fatores de correo so utilizados multiplicando-se os mesmos pelo nmero de dureza obtido no ensaio.

Tabela 12.10 Fator de correo para uso nos ensaios de dureza Vickers feitos em corpos de prova esfricos

341

- Verificao da calibrao das mquinas Idntico ao procedimento para durmetro Rockweell, acrescido da exigncia da verificao de medies, ao microscpio. As medies sero das diagonais da impresso ao invs da medio da profundidade. - Bloco Padro Idntico ao procedimento para o durmetro Rocwell, acrescido de maior rigor quanto aceitao da rugosidade superficial dos blocos padres. - Normalizao do mtodo Os mtodos de ensaios para determinao da dureza Vickers, esto normalizados da seguinte forma: a) Mtodo ASTM E 92 de ensaio da dureza Vickers de materiais metlicos. b) Mtodo ASTM E 384 de ensaio de microdureza Vickers de materiais.

Mquinas de ensaio de dureza

342

Os ensaios de dureza, realizados em laboratrio, podem ser feitos em mquinas tambm chamadas de durmetros que, dependendo de sua aplicao, podem ser de dois tipos diferentes: 1) Durmetros especficos: Executam o ensaio apenas por um mtodo de dureza. Exemplos: a) Durmetro para determinao da dureza apenas pelo mtodo Brinell; b) Durmetro para determinao da dureza apenas pelo mtodo Rockwell, ver figura 12.34; c) Durmetro para determinao da microdureza Vickers, ver figura 12.35. 2) Durmetros Universais: Permitem a execuo de ensaios pelos mtodos Brinell, Rockwell e Vickers. So aparelhos que medem tambm a dureza em qualquer tipo de pea e em qualquer que seja o tipo de material. So capazes de receber, em sua mesa, desde peas grandes at as mais delgadas o que no pode ser feito em qualquer aparelho dos tipos comumente usados. Permitem tambm, a medio da dureza atravs da leitura direta em relgio medidor ou de projeo da imagem da impresso em tela provida de rgua de medio. A figura 12.36 d um exemplo de durmetro universal e suas partes principais.

Figura 12.34 Durmetro para ensaio de dureza Rockwell

343

Figura 12.35 Durmetro utilizado para medio de microdureza Vickers

Figura 12.36 Durmetro Universal

Medidores portteis para determinao da dureza - Introduo

Tela e dispositivo de medio

Fixador, penetrador e objetiva

Iluminao horizontal

Mesa de apoio mvel Seletor de cargas

Alavanca para aplicao da carga

344

Os ensaios relativos aos mtodos vistos anteriormente, so realizados em laboratrios em laboratrios, porm existem situaes onde o ensaio em laboratrio no pode ser executado. Opta-se ento pelo uso de medidores portteis de dureza que so usados principalmente para ensaio em equipamento, em peas de grande porte ou quaisquer outras condies. H tambm a facilidade no seu manuseio, pois podem ser utilizados em quaisquer outras posies alm da vertical. Os medidores portteis de dureza so tambm chamados de durmetros portteis. - Tipos de medidores Os medidores portteis de dureza so disponveis em diversos tipos, como se segue. a) Para medio de dureza Brinell: Os medidores portteis de dureza operam pela comparao das impresses provocadas simultaneamente no material testado e numa barra padro de dureza conhecida por uma esfera de ao de 10 mm de dimetro, pelo impacto de um martelo sobre um dispositivo de impacto ou haste do medidor. De forma idntica ao mtodo convencional, so feitas duas leituras de cada impresso por meio de uma lupa graduada, e com os dimetros mdios da barra padro determina-se, por tabelas ou clculo, a dureza da pea. Se a dureza for determinada por clculo, a relao abaixo utilizada.

HB2 = ( ) x HB1 Onde: HB1 = dureza da barra padro HB2 = dureza do metal testado d1 = dimetro da impresso d2 = dimetro da impresso no material testada Os fabricantes destes medidores recomendam que a barra padro seja de dureza prxima do material testado, bem como recomendam que o dimetro da impresso no ultrapasse 4 mm. O mtodo no possui a preciso do ensaio convencional, porm satisfatrio, entre outras aplicaes, na verificao de dureza de soldas aps o tratamento trmico destas. Dependendo do fabricante esses medidores podem se apresentar conforme os modelos mostrados na figura 12.37.

d2

d1

2

345

Onde: a) Haste com o terminal de ao temperado e dispositivos com mola para colocao da barra

padro, e da esfera de ao; b) Esfera de ao temperado de dimetro igual a 10 mm; c) Mola para presso da esfera; d) Barra padro de dureza conhecida.

Figura 12.37 (a) 0edidor portitil de dure]a %rinell tipo poldi (E) idem tipo teleErineller 01 Dispositivo de impacto ou bigorna; 02 Sapata de borracha flexvel; 03 Barra padro de dureza conhecida; 04 - Esfera de ao temperado de dimetro igual a 10 mm; 05 Pea em ensaio de dureza desconhecida; 06 Bloco de borracha flexvel para apoio; 07 Sistema de espaamento e travamento do bloco padro; 08 Martelo; 09 Lupa; 10 Imagem observada atravs da lupa.

346

b) Para medio de dureza Rockwell:

Figura 12.38 0edidor portitil de dure]a 5oFNZell tipo (rneVt

A figura 12.38 mostra um tipo de medidor de dureza pelo mtodo Rockwell C que se baseia no princpio da medio da profundidade da impresso, caracterstico do mtodo. Uma pr-carga de 0,05 kgf e logo aps uma carga de 5 kgf so aplicadas manualmente por 2 segundos e a leitura feita num mostrador pela indicao da extremidade de uma coluna de fludo que se desloca num tubo capilar. O comprimento da coluna de fludo proporcional profundidade da impresso. Devido pequena impresso que o aparelho provoca, ele pode ser posicionado em locais restritos tal como zona afetada termicamente de solda. Esse mtodo exige que a superfcie da pea esteja perfeitamente preparada e limpa, bem como todos os componentes que estejam em contato com a pea devem estar bem limpos. A pea deve Ter espessura mnima conforme a tabela 12.5. O aparelho permite utilizar mostradores com escalas de dureza Brinell ou Vickers em lugar da escala Rockwell C, sendo neste caso necessrio utilizar tambm os penetradores correspondentes.

Figura 12.39 Medidor porttil de dureza Rockwell

A figura 12.39 mostra um segundo tipo de medidor de dureza pelo mtodo Rockwell A, B, e C. O arco do aparelho funciona como elemento de carga; o relgio indica a carga aplicada (60, 100 ou 150 kgf, conforme se gira o volante) e a dureza Rockwell lida diretamente no mostrador (dial) do aparelho. c) Para medio de dureza Vickers

347

A dureza Vickers pode ser obtida, indiretamente, pela converso de escalas conforme instrues contidas no manual dos aparelhos descritos anteriormente. - Normalizao do mtodo O mtodo de determinao na dureza de materiais metlicos, atravs de medidores portteis, est normalizado pelo mtodo ASTM E 110.

Relaes de Converso de dureza Existem tabelas de converso das vrias escalas de dureza, o que muito prtico, visto que freqentemente uma determinada dureza Brinell, por exemplo deve ser conhecida quando apenas se determinou a dureza em outra escala Rockwell, por exemplo. A tabela 12.11 d um exemplo da correlao existente, para aos carbono, ligas, ferramenta, aos recozidos normalizados e temperados e revendidos. No se pode, entretanto, confiar demasiadamente nos valores de dureza obtidos o pela converso de escalas, pois h muitos fatores que impedem preciso nos resultados, tais como cargas e penetradores diferentes, impresses de formas diversas, comportamento diferente do material ensaiado sob a ao da carga (condies do encruamento resultante): De qualquer modo, e considerando que o ensaio de dureza no determina uma propriedade bem definida, as tabelas de converso, embora consistam de relaes empricas, so de grande utilidade prtica. A relao entre valores de dureza, determinados pelos mtodos Brinell, Vickers, Rockwell normal e Rockwell superficial, est normalizado pela norma ASTM E 140, que aplicvel a materiais com dureza superior a 226 HB.

Tabela 12.11 converso de valores de dureza

348

Relao entre dureza e limite de resistncia trao

349

Existe uma correlao aproximada entre os valores de dureza Brinell e de dureza Rockwell e os valores do limite de resistncia trao dos aos (ver tabela 12.12). A correlao aproximada em virtude das diversas composies qumicas e processos de fabricao dos aos, que podem fazer divergir os valores dos limites de resistncia trao obtida atravs dos valores de dureza, dos valores reais dos limites de resistncia trao. Quando for necessria uma converso mais precisa, a mesma deve ser desenvolvida especificamente, por exemplo, para cada composio qumica do ao, tratamento trmico, etc. Existe uma relao, determinada empiricamente, entre dureza Brinell e a resistncia trao, como se segue:

t = 0.36 HB Onde:

t = Limite de resistncia trao, em kgf/mm HB = Dureza Brinell, em kgf/mm Os dados constantes da tabela 12.12 no se aplicam a aos inoxidveis ferrticos, austnicos e martensticos. A converso da dureza para valores aproximados de limites de resistncia a trao so aplicveis apenas a aos carbono e aos liga de mdio teor em liga (aos com 5 a 10% de elementos de liga onde os elementos de liga no so aqueles que entram na composio qumica do ao carbono).

350

Tabela 12.12 Relao aproximada entre nmero de dureza Brinell e Rockwell e a resistncia trao

351

Tabela 12.12 Relao aproximada entre nmero de dureza Brinell e Rockwell e a resistncia trao (Continuao)

352

1.7 - ENSAIO DE IMPACTO

Conceitos Gerais O ensaio de impacto um ensaio empregado no estudo da fratura frgil dos metais, que caracterizado pela propriedade de um metal atingir a ruptura sem sofrer deformao aprecivel. Embora hoje em dia existam para esse fim ensaios mais elaborados e bem mais representativos, pela sua simplicidade e rapidez, o ensaio de impacto (s vezes denominado ensaio de choque ou impropriamente de ensaio de resilincia) um ensaio dinmico usado ainda em todo o mundo e consta de vrias normas tcnicas internacionais como ensaio obrigatrio, principalmente para materiais utilizados em baixa temperatura, como teste de aceitao do material. O corpo de prova padronizado e provido de um entalhe para localizar a sua ruptura e produzir um estado triaxal de tenses, quando ele submetido a uma flexo por impacto, produzida por um martelo pendular. A energia que o corpo de prova absorve, para se deformar e romper, medida pela diferena entre a altura atingida pelo martelo antes e aps o impacto, multiplicada pelo peso do martelo. Nas mquinas em geral, essa energia lida na prpria mquina, atravs de um ponteiro que desliza numa escala graduada, j convertida em unidade de energia. Pela medida da rea da seo entalhada do corpo de prova, pode-se ento obter a energia absorvida por unidade de rea, que tambm um valor til. Quanto menor for a energia absorvida, mais frgil ser o comportamento do material quela solicitao dinmica. O entalhe produz um estado triaxial de tenses, suficiente para provocar uma ruptura de carter frgil, mas apesar disso, no se pode medir satisfatoriamente os componentes das tenses existentes, que podem mesmo variar conforme o metal usado ou conforme a estrutura interna que o metal apresente. Desse modo, o ensaio de impacto em corpos de prova entalhados tem limitada significao e interpretao, sendo til apenas para comparao de materiais ensaiados nas mesmas condies. O resultado do ensaio apenas uma medida da energia absorvida na fratura de um corpo de prova, no fornecendo indicaes seguras sobre o comportamento do metal ao choque em geral. Existem vrios fatores que influem na resistncia ao impacto tais como entalhe ou descontinuidade, composio do metal de base, composio do metal de adio, tratamento trmico, grau de encruamento, tamanho de gro, temperatura, etc. Nos metais do sistema cbico de corpo centrado, a temperatura tem um efeito acentuado na resistncia ao impacto tal que, medida que a temperatura diminui o corpo de prova se rompe com fratura frgil ou cristalina e pequena absoro de energia. Acima dessa temperatura as fraturas do mesmo metal passam a ser dcteis e com absoro de energia bem maior em relao quela ocorrida em temperaturas baixas.

Normalizao dos corpos de prova Geralmente os corpos de prova entalhada para ensaio de impacto so de duas classes: corpo de prova Charpy e corpo de prova Izod, especificado pela norma ASTM E 23. Os corpos de prova Charpy podem ainda ser divididos em trs tipos, conforme a forme de seu entalhe. Assim, tem-se corpos de prova Charpy tipo A, B e C, tendo todos eles uma seo quadrada de 10 mm de lado e um comprimento de 55 mm. O entalhe feito no meio do corpo de prova e no tipo A tem a forma de um V, no tipo B, a forma de fechadura (EuraFo de FKave) e no tipo & a forma de 8 2 corpo de prova Izod tem uma seo quadrada de 10 mm de lado com um comprimento de 75 mm e o entalhe feito a uma distncia de 28 mm de uma das extremidades, tendo sempre a forma de um V. Os corpos de prova Charpy so livremente apoiados na mquina de ensaio, com uma distncia entre apoios especficos de 40 mm e o corpo de prova Izod e engastado, ficando o entalhe na altura da superfcie do engaste. As caractersticas de confeco dos corpos de prova da classe Charpy e classe Izod encontra-se nas figuras 12.40 e 12.41, respectivamente.

353

Figura 12.40 Dimenses dos corpos de prova Charpy

NOTA: Os tipos acima, com seo de 10 x10 mm, so considerados como de tamanho normal.

Figura 12.41 Dimenses do corpo de prova Izod

NOTAS: 1- Este corpo de prova da classe Izod, corresponde ao tipo D 2- ([iVtem outroV tipoV normali ]adoV pela $670 Fomo o tipo [ da Veomo Tuadrada e tipo \

e ] de Veomo FirFular 0aV de utili]aomo reVtrita em virtude da difiFuldade de Folocao do corpo de prova na mquina e da dificuldade de equivalncia desses tipos com os anteriores.

Pode-se ainda empregar corpos de prova de tamanho reduzido, caso no seja possvel retirar os corpos de prova normais, mas da, os resultados obtidos no podem evidentemente ser comparados com os resultados dos corpos de prova normais. Quando o material a ser testado tiver espessura menor que 11 mm, corpos de prova de tamanho reduzido devem ser usados. Quando esse tipo de corpo de prova requerido, o nvel de energia especificado ou temperatura de ensaio ou ambos devem ser modificados. A confeco dos corpos de prova de tamanho reduzido segue a orientao da figura 12.42.

NOTA: Nos corpos de prova de tamanho reduzido o comprimento (L), o ngulo do entalhe e o raio do entalhe (R) so constantes e iguais ao corpo da prova de tamanho normal. As dimenses A, B e C variam conforme abaixo.

Referncias do corpo de prova tamanho normal

354

Figura 12.42 Dimenses dos corpos de prova CharpY V de tamanho reduzido

- Tolerncias dimensionais Os corpos de prova, aps a usinagem e antes do ensaio, devem ser submetidos anlise dimensional e controlados em todos os parmetros como se segue: a) Tolerncias permitidas para corpos de prova Charpy tipos A, B e C:

ngulo entre dois lados adjacentes -> 90 +10 min.

Dimenses (A e B) da seo transversal ->+0,075 mm

Comprimento do corpo de prova (L) -> + 0, -2,5 mm

Centro de entalhe (L/2) ->+1 mm

ngulo do entalhe ->+ 1

Raio de entalhe ->+0,025 mm

Dimenso (C) da profundidade do entalhe: Para corpos de prova tipo A -> 2 +0,025 mm Para corpos de prova tipos B e C -> 5 +0,075 mm

Acabamento superficial requerido -> 2 m na superfcie entalhada e face oposta; 4 m nas outras duas superfcies.

b) Tolerncias permitidas para corpos de prova Charpy tipo A com medidas reduzidas

Dimenses (A e B) da seo transversal ->+0,075 mm

Raio do entalhe ->+0,025 mm

Dimenses do entalhe ->+ 0,025 mm

Acabamento superficial requerido -> 2 m na superfcie entalhada e face oposta; 4 um nas outras duas superfcies.

c) Tolerncias permitidas para corpos de prova Izod tipo D

Dimenses da seo transversal ->+0,025 mm

Comprimento do corpo de prova -> +0, - 2,5 mm

ngulo do entalhe ->+ 1

Raio do entalhe ->+0,025 mm

Dimenso da profundidade do entalhe -> 2 +0,025 mm

ngulo entre dois lados adjacentes -> 90 + 10 min

Acabamento superficial requerido -> 2 m na superfcie entalhada e face oposta; 4 um nas outras duas superfcies.

355

- Usinagem do entalhe Na usinagem do entallKe partiFularmente oV em forma de 9 deve-se dispor de equipamentos adequados e meios de controle do perfil do entalhe, pois, a menor variao na usinagem do entalhe pode introduzir erros nos resultados dos ensaios. A usinagem do entalhe pode ser feita atravs de brochadeira (ver figura 12.43), plaina ou fresa e o controle de seu perfil pode ser feito atravs de um projetor de perfil (ver figura 12.44). Faz-se o controle do perfil do corpo de prova elaborando-se um gabarito, correspondente ao aumento da objetiva. O gabarito deve ser em escala e em papel indeformvel e semitransparente ou transparente. O gabarito deve ser fixado tela do projetor atravs de presilhas existentes no mesmo.

Figura 12.43 Brochadeira para usinagem do entalhe em corpos de prova

Corpo de prova

Brochadeira

Dispositivo

356

Figura 12.44 Projetor de perfis

Outros cuidados a serem tomados so: - Os entalhes devem ser usinados aps o tratamento trmico, quando aplicvel. - Corpos de prova com entalhe em forma de buraco de chave devem Ter o furo redondo

cuidadosamente perfurado com baixa velocidade de corte. O corte da ranhura pode ser executado por qualquer mtodo praticvel, mas de forma que a superfcie do furo no fique defeituosa.

- Retirada dos corpos de prova Toda norma que especifica ensaios deve indicar o local para a retirada dos corpos de prova, bem como a orientao do corpo de prova e a direo do entalhe. O cuidado acima leva em considerao a alterao significativa dos resultados do ensaio em funo da orientao do carpo de prova e a direo do entalhe, que tem como principal exemplo as peas trabalhadas mecanicamente. A figura 12.45 mostra o efeito da direcionalidade nas curvas de impacto, em corpos de prova Charpy retiradas em trs locais distintos e entalhes com diferentes orientaes.

Tela

Presilha

Objetiva

Controle de movimentao da mesa

Dispositivo de iluminao horizontal

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Figura 12.45 Influncia da orientao do corpo de prova e da direo do entalhe no ensaio de

impacto num ao de baixo carbono

Tcnicas de ensaio - Ensaio de impacto com flexo do corpo de prova O corpo de prova Charpy apoiado e o corpo de prova Izod engastado na mquina de ensaio, sendo o martelo montado na extremidade de um pndulo e ajustado num ponto de tal maneira que sua energia cintica no ponto de impacto tenha um valor fixo e especificado. O martelo solto e bate no corpo de prova no local mostrado nas figuras. 12.46 e 12.47 para as tcnicas Charpy e Izod respectivamente.

Figura 12.46 Ensaio de impacto Charpy

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Figura 12.47 Ensaio de impacto Izod

Depois de romper o corpo de prova, o martelo sobe at uma altura que inversamente proporciona energia absorvida para deformar e romper o corpo de prova. Assim, quanto menor for altura atingida pelo martelo, mais energia o corpo de prova absorveu. Essa energia lida diretamente na mquina de ensaio. A figura 12.48 abaixo mostra mais claramente o desenvolvimento do ensaio.

Figura 12.48 Seqncia esquemtica do ensaio de impacto

Corpo de prova

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O entalhe submetido a uma tenso de trao logo que o corpo de prova flexionado pelo choque com o martelo, produzindo nele um estado triaxial de tenses (tenso radial ao entalhe, longitudinal e transversal), que depende das dimenses do corpo de prova e do entalhe. Conforme ser visto mais adiante, a temperatura de ensaio tem uma influncia decisiva nos resultados obtidos em material de baixa e mdia resistncia e deve, portanto, ser mencionada no resultado, junto com o tipo de corpo de prova que foi ensaiado. A energia medida um valor relativo e comparativo entre dois ou mais resultados, se esses forem obtidos nas mesmas condies de ensaio, isto , mesma temperatura, mesmo tipo de entalhe e mesma mquina (para garantir o mesmo atrito e a mesma velocidade do pndulo), porm, pelas razes j mencionadas, no um dado que possa servir de clculo em projetos de Engenharia. Em ensaios temperatura diferente da temperatura ambiente, o corpo de prova Charpy o mais recomendado, devido sua maior facilidade de colocao na mquina. Nesses casos, aquece-se ou resfria-se a amostra, mantendo-se cerca de 10 minutos na temperatura desejada e coloca-se rapidamente na mquina, acionando-se imediatamente o pndulo para o ensaio. A dutilidade do metal tambm pode ser avaliada no ensaio de impacto pela porcentagem da contrao do entalhe, alm de ser possvel tambm se Ter pela anlise do aspecto da superfcie da fratura por um exame visual, se a fratura foi fibrosa (dtil), granular ou cristalina (frgil). NOTA: Material dtil aquele que, quando submetido a esforos de trao, apresenta grandes deformaes antes de se romper (exemplo: ao carbono) e material frgil aquele que quando submetido a esforos de trao, se deforma relativamente pouco antes de se romper (exemplo: ferro fundido).

360

Figura 12.49 Ensaio de impacto Charpy O ensaio de impacto com flexo do corpo de prova tem as caractersticas da figura 12.49 acima, para a tcnica Charpy e as caractersticas da figura 12.47 para a tcnica Izod

- Ensaio de impacto com trao do corpo de prova Essa variante do mtodo de ensaio, que utiliza a trao em vez de flexo para o ensaio de impacto, mais empregada para estudos do que em ensaios de rotina. Nesse caso, o corpo de prova tem seo circular, liso ou entalhado e a carga aplicada pelo martelo pendular na direo axial do corpo de prova. O entalhe, se houver, abrange toda a seo do corpo de prova, como no caso de trao com corpo de prova entalhado, visto no item anterior. O resultado tambm dado pela perda da energia potencial do pndulo e o ensaio pode evidentemente ser realizado em qualquer temperatura, embora seja menos usado para esse fim, devido dificuldade de colocao de corpo de prova na mquina. O corpo de prova rosqueado numa das extremidades no prprio martelo, no lado oposto ao lado que bate nos corpos de prova de flexo por impacto, conforme Charpy ou Izod. A outra extremidade do corpo de prova rosqueada num bloco dimensionado conforme a mquina, que, batendo no apoio da mquina, confere a carga de trao axialmente no corpo de prova, ocorrendo ento a fratura axial do espcime. Em geral, o resultado fornecido em energia por unidade de rea, para no depender das dimenses do corpo de prova. A rea considerada deve ser aquela na regio do entalhe, se houver, ou a rea da seo paralela do corpo de prova. A figura 12.50 mostra as caractersticas do ensaio de impacto com trao do corpo de prova. Esta tcnica de ensaio normalmente no aplicada para verificar a resistncia ao impacto de soldas.

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Figura 12.50 Ensaio de impacto com trao do corpo de prova

Procedimento de ensaio - Procedimento de rotina para verificao da mquina de ensaio Antes de ensaiar um grupo de corpos de prova, a mquina deve ser testada por uma oscilao livre do pndulo, com o indicador na posio inicial. Na condio de oscilao livre, o pndulo deve indicar energia nula no mostrador da mquina (ver figura 12.51); caso contrrio, o valor indicado no mostrador de