Prime esas kazançlarla ilgili diğer hususlar

A Figura 3.1 mostra a fratura, falha mecânica de uma ponte nos Estados Unidos. Eventos indesejáveis ocasionados por falhas mecânicas de materiais colocam em risco o bem mais precioso, a vida humana, além das perdas econômicas e interferência na disponibilidade de produtos e serviços [7]. Falha em uma estrutura ocorre, quando a estrutura fica completamente inutilizada, ou, quando ela ainda pode ser utilizada, mas não é mais capaz de desempenhar a sua função satisfatoriamente, ou, quando uma séria deterioração a torna insegura para ser utilizada [19].

Acidentes catastróficos marcam a humanidade e ocorreram por falhas estruturais, como se pode ver nas Figuras 3.1 e 3.2.

Historicamente, o interesse e o estudo da questão da fratura, no caso fratura frágil foram intensificados durante a Segunda Guerra Mundial, quando alguns navios sofreram fraturas, tanto em alto mar quanto em cais. Estes eventos ocorreram mais intensamente nos meses de inverno, mostrando que o aço doce utilizado nas estruturas tornava-se frágil em condições especiais [7]. Observa-se na Figura 3.2, que o casco partiu-se completamente em duas partes.

Figura 3.2 – Fratura frágil em um petroleiro dos Estados Unidos [7].

A possibilidade de falha em soldas foi aventada também como causa possível dos colapsos. O problema gerou várias pesquisas que resultaram no desenvolvimento de ensaios e métodos de manufatura mais adequados para as condições de serviço. Assim foi desenvolvido, no início do século XX, o ensaio de impacto, um dos mais antigos, para avaliar uma falha [7].

Devido a esses problemas, isto é, devido às falhas no material, foi introduzido o estudo de análise de falha. Cabe ao engenheiro antecipar e planejar possíveis falhas e, se ela ocorrer, identificar sua causa e tomar providências contra futuros incidentes. As

principais razões para se conduzir uma análise de falhas consistem, então, na determinação e na descrição dos fatores responsáveis pela falha do componente estrutural ou da própria estrutura.

É imprescindível o conhecimento da resistência dos materiais à fratura, para que a sua aplicação estrutural seja segura e garanta a utilização de estruturas, como a Ponte Seto, no Japão, com segurança e qualidade, atendendo aos requisitos para os quais o componente foi projetado [19].

A Ponte foi concluída em abril de 1988. Composta por 3 pontes suspensas, 2 pontes montadas por cabos, 4 pontes elevadas e 1 ponte suporte. Possui um comprimento de 9.368m, sendo consumidas na construção 660.000 toneladas de aço. Os aços para os cabos de sustentação possuem alta resistência mecânica, da ordem de, 1,6GPa ou 4 vezes a resistência de um aço estrutural.

Na figura 3.3 vê-se a parte mais longa da ponte suspensa que possui um comprimento de 1.723m, sendo que as vigas pesam 43.000 toneladas. Os cabos são compostos de 34.417 fios de diâmetro 5,1mm, sendo o diâmetro do cabo de 1,06m e o peso do cabo de 25.000 toneladas. A principal vantagem de utilização de aço de alta resistência se dá pela redução da área transversal dos membros e, portanto, de seu peso [19].

3.2. Ensaios Mecânicos

Pelo que foi descrito anteriormente, o estudo dos vários parâmetros obtidos através dos ensaios mecânicos, com base nas propriedades de resistência mecânica, facilitam o dimensionamento de uma peça, garantindo, assim, sua utilização com segurança e qualidade, atendendo aos requisitos para o qual o componente foi projetado.

Pode-se definir “Ensaios Mecânicos” como a observação do comportamento de um material, quando submetido à ação de agentes externos, como esforços e outros.

Os ensaios são executados sob condições padronizadas, em geral definidas por Normas, (ABNT, ASTM, BS, DIN, AFNOR, JIS, etc.) [20] de forma que seus resultados sejam significativos para cada material e possam ser facilmente comparados [7].

Neste contexto serão abordados os seguintes ensaios mecânicos: Tração

Impacto Dureza

Tenacidade à fratura

Destes ensaios serão avaliadas as seguintes propriedades mecânicas: resistência mecânica, elasticidade, ductilidade, e tenacidade à fratura.

O objetivo é a verificação de propriedades dos materiais para aplicação no controle de qualidade. Os ensaios podem ser destrutivos e não-destrutivos.

3.2.1. Ensaio de tração

É um dos ensaios mais utilizados na determinação das propriedades mecânicas da maioria dos materiais. O corpo-de-prova tem dimensões padronizadas, definidas, por exemplo, pela Norma ASTM E 8M-95ª [20], “Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials”. No ensaio de tração, uma barra metálica (corpo-de-prova) submetida a um esforço longitudinal crescente de tração sofre uma mudança progressiva de extensão (Figura 3.4).

Figura 3.4 – Figura representativa da deformação progressiva de extensão em um ensaio de tração [7].

Na condição inicial, a parte central tem um comprimento L0 e a área transversal é dada por S0. O equipamento de ensaio aplica gradativamente a partir do zero uma força de tração no corpo-de-prova. Assim, de forma genérica, pode-se dizer que, a cada valor de força aplicada F, corresponde um alongamento L do corpo. Continuando o aumento da força F, chega-se, como em (c) da Figura 3.4, ao ponto de ruptura do material, finalizando o ensaio.

No lugar da força, usa-se a tensão de tração , que é a relação entre força e área da seção transversal. No ensaio, transforma-se curva força “versus” alongamento obtida do registro da máquina em uma curva tensão “versus” deformação ou alongamento percentual, considera-se apenas a área inicial do corpo, (independe do material) equação 3.1.

E no lugar da deformação absoluta é usada a deformação relativa ao comprimento inicial L0 (Equação 3.2):

= L / L 0 = ( L – L 0 / L 0 ) (3.2)

Ductilidade

A ductilidade é a capacidade dos materiais de se deformar sem se romper. Pode ser medida por meio do alongamento ou da estrição, ou seja, a redução na área da seção transversal do corpo-de-prova. Quanto mais dúctil o material, maior será a redução de área ou o alongamento antes da ruptura.

Tenacidade

A tenacidade de um material é uma medida da energia que ele absorve antes e durante o processo de fratura. Trata-se de um parâmetro muito importante para a caracterização do material, uma vez que ele diz respeito à resistência à fratura do material.

A tenacidade pode ser calculada através da área num gráfico Tensão - Deformação do material. Portando, basta integrar a curva que define o material, da origem até a ruptura.

Elasticidade

Até certo nível de tensão aplicada o material trabalha no regime elástico-linear, isto é, segue a Lei de Hooke e a deformação específica é proporcional ao esforço aplicado.

A elasticidade de um material é a sua capacidade de voltar à forma original em ciclo de carregamento e descarregamento. A deformação elástica é reversível, ou seja, desaparece quando a tensão é removida.

A deformação elástica é conseqüência da movimentação dos átomos constituintes da rede cristalina do material, desde que a posição relativa desses átomos seja mantida. A relação entre os valores da tensão e da deformação linear específica, na fase elástica, é o módulo de elasticidade, cujo valor é proporcional às forças de atração entre os átomos. Portanto, relaciona-se com a rigidez do material.

O trecho 0P da Figura 3.6 é a região ou regime elástico-linear do material, ou seja, o comprimento retorna ao valor L0 se o ensaio for interrompido nessa região. O trecho OL é a região ou regime elástico não linear. A tensão máxima na mesma é o limite de elasticidade

σ

L do material.

Figura 3.6 – Gráfico tensão x deformação apresentando a região elástica [7].

Dentro da região elástica, no trecho 0P, a tensão é proporcional à deformação, isto é, o material obedece à Lei de Hooke ( Equação 3.3):

Onde E é o módulo de elasticidade do material (não tem relação com o ponto E da curva). Para aços, um valor típico de E é 2,06x105MPa ou 206GPa.

Ultrapassado o limite de proporcionalidade (

σ

_P), tem lugar a fase elástica não linear (PL), na qual ocorrem deformações crescentes sem variação de tensão (patamar de escoamento). O valor constante dessa tensão é uma das mais importantes características dos aços estruturais e é denominada tensão limite de escoamento. A partir do ponto L (Figura 3.6) tem-se o início da região plástica ou escoamento do material, significando a existência de deformações residuais permanentes.

Plasticidade

A partir do ponto L (Figura 3.6) tem-se o início da região plástica ou escoamento do material, significando a existência de deformações residuais permanentes.

Deformação plástica é a deformação permanente provocada por tensão igual ou superior à

σ

E, resistência associada ao limite de elasticidade. É o resultado de um

deslocamento permanente dos átomos que constituem o material, diferindo, portanto, da deformação elástica, em que os átomos mantêm as suas posições relativas. A deformação plástica altera a estrutura interna do metal, tornando mais difícil o escorregamento posterior e aumentando a dureza do metal.

Esse aumento na dureza por deformação plástica é denominado endurecimento por deformação a frio, ou encruamento, e é acompanhado da elevação do valor da resistência mecânica e redução da ductilidade do metal.

É usual, em função da incerteza na determinação, considerar início ou limite de escoamento

σ

E a tensão que produz uma deformação residual = 0,002 ou 0,2% (ponto E

conforme Figura 3.6). Após o escoamento, isto é, após o final do patamar de escoamento, quando houver, a estrutura interna do material se rearranja passando pelo encruamento, em

que se verifica novamente a variação de tensão com a deformação específica, porém de forma não-linear.

Depois do limite de escoamento há uma significativa redução da área da seção transversal, e o corpo-de-prova começará a formar um pescoço e a se afinar localizadamente, próximo ao seu centro. Devido ao fato da área da seção reta diminuir, agora mais rapidamente do que o aumento da carga de deformação pelo encruamento, a carga necessária para deformar o corpo-de-prova diminuirá e a tensão igualmente continuará a cair até se atingir a fratura. A tensão real segue algo como a curva tracejada da Figura 3.7. Mas a convenção é usar tensão convencional ou de engenharia, em relação à área inicial.

Figura 3.7 – Gráfico tensão x deformação (tensão real e convencional) [22].

Em B, da Figura 3.7, tem-se a tensão máxima (limite de resistência) e, em R, a ruptura do corpo-de-prova. A tensão

σ

_B é a tensão máxima, também denominada resistência à tração do material. E, naturalmente, a tensão em R é a tensão de ruptura σ_Rup. A resistência à ruptura do material é calculada dividindo-se a carga máxima que ele suporta (ponto de instabilidade), antes da ruptura, pela área da seção transversal inicial do corpo-de-prova. Observa-se que

σ

_B é calculado em relação à área inicial, apesar de o material sofrer uma redução de área quando solicitada à tração. Embora a tensão verdadeira deva ser calculada considerando-se a área real, a tensão tal como foi definida anteriormente é mais importante, pois os projetos são feitos com base nas dimensões iniciais. [21-23]

3.2.2. Ensaios de impacto

No ensaio de impacto, um corpo-de-prova com entalhe pode ser fraturado pelo impacto de um pêndulo ou martelo, que cai de uma distância fixa (energia potencial constante) numa velocidade pré-determinada (energia cinética constante). O ensaio mede a energia absorvida pelo corpo-de-prova, sendo a energia absorvida no impacto o parâmetro de avaliação da “propriedade”, isto é, o ensaio mede a quantidade de energia que um dado material pode absorver, ou seja, a energia gasta na fratura do corpo-de-prova. Quanto maior a quantidade de energia absorvida, mais tenaz será o material: se a energia absorvida for alta, a fratura é dita dúctil e se a energia absorvida for baixa a fratura é dita frágil.

Os ensaios de impacto antecipam o pior conjunto de circunstâncias que poderiam provocar uma falha que são: baixa temperatura, elevada taxa de deformação e um concentrador de tensões causado pela presença de um entalhe ou uma descontinuidade no corpo-de-prova. Os métodos usados são: Charpy e Izod, normalizados pela Norma ASTM E 23-94 b [20] “Standard Teste Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materiais”. Ambos usam o mesmo aparato de impacto, isto é, o pêndulo. A diferença está na fixação e posição do corpo-de-prova. No ensaio de impacto Charpy o corpo-de-prova é biapoiado, e no ensaio de impacto Izod o corpo-de-prova é fixado por um par de garras na posição vertical. Para esses ensaios a energia potencial da elevação do martelo se transforma em energia cinética na descida. Parte desta energia é transferida para o corpo- de-prova, que poderá provocar sua ruptura. A energia residual eleva o martelo no movimento de oscilação do pêndulo. A diferença entre a altura de queda e a altura de retorno representa a energia para romper o corpo-de-prova (Figura 3.8) [24].

A energia absorvida pelo corpo-de-prova é de acordo com o esquema da Figura 3.8 (equação 3.4): ) cos .(cos . β − α =W R Eabs (3.4)

Figura 3.8 – Ensaio de impacto Charpy, apresentando ângulos de queda e elevação [24]. Para efeito do ensaio de impacto, a energia pode ser expressa em ft-lb, Joules ou kgf.m ou energia por unidade de espessura do corpo-de-prova na seção do entalhe (J/cm ou ft-lb/in), ou energia por unidade de área na seção do entalhe (J/m² ou ft-lb/in²) [24].

Ensaio de impacto Charpy

O corpo-de-prova é fixado no suporte, na base da máquina, por meio de um dispositivo de centralização. O martelo, preso a uma altura determinada para fornecer uma energia cinética conhecida no momento do impacto com o corpo-de-prova, é liberado e pode romper o corpo-de-prova na região do entalhe, continuando ou não, sua trajetória até certa altura.

A medição da energia absorvida no impacto é feita por meio de um cursor que acompanha o martelo em todo o seu curso até seu retorno, indicando a diferença entre a energia inicial e a energia final do martelo. A altura de elevação do martelo após o impacto dá a medida da energia absorvida pelo corpo-de-prova. (Figura 3.9) [24]. O posicionamento do entalhe é tal que o impacto ocorre na região de maior tensão.

Figura 3.9 – a) Início do ensaio de impacto Charpy b) Fim do ensaio de impacto Charpy. O entalhe é executado no ponto médio do comprimento e pode ter 3 diferentes formas: em V, em forma de fechadura e em U invertido, que correspondem aos grupos A, B e C respectivamente (Figura 3.10).

Figura 3.10 – Tipos de entalhes para o ensaio de impacto Charpy [23].

A principal vantagem do ensaio de impacto Charpy é que o ensaio é simples e o corpo-de-prova é quase sempre barato e pequeno e é um método simples de acompanhar a

mudança do tipo de fratura de um aço em função da temperatura. Para um dado tipo de ensaio e cada metal específico, existe uma faixa de temperatura crítica, abaixo da qual a fratura é frágil, com baixa absorção de energia. Acima de uma faixa de temperatura crítica a fratura é dúctil, com absorção de energia muitas vezes maior do que a do comportamento frágil. Entre estas temperaturas críticas existe um campo denominado campo de temperatura de transição, ou intervalo de transição dúctil-frágil onde o comportamento da fratura pode ser misto (Figura 3.11). Para o traçado da curva resistência ao impacto versus temperatura é preciso realizar o ensaio com uma grande quantidade de corpos-de-prova para cada temperatura [21-24].

Figura 3.11 – Curva representativa de fratura frágil-dúctil em ensaios de impacto [19]. Para efeito prático de projeto, o conhecimento da temperatura de transição é essencial, pois a partir dela podem-se planejar as condições de serviço de forma a não ocorrer fratura frágil do componente projetado. O ensaio de impacto permite comparar as tenacidades ao impacto de dois ou mais materiais [24].

3.2.3. Ensaios de dureza

Pode-se considerar dureza como a resistência que um material oferece à penetração de outro em sua superfície, ou seja, trata-se da determinação da resistência à deformação plástica do material.

O ensaio de dureza pode ser feito em peças acabadas, pois deixa apenas uma pequena marca quase imperceptível. Essa característica faz dele um importante meio de controle da qualidade do produto.

Conforme a magnitude do carregamento imposto no penetrador, pode-se classificar o ensaio de duas formas: macropenetração (carga maior do que 200gf) ou micropenetração (carga menor do que 200gf) [21,23,25].

Dureza Brinell

Seja um material representado pelo bloco na Figura 3.12, que é submetido à ação de uma esfera de material duro de diâmetro D, comprimida por uma força F.

Figura 3.12 – Representação esquemática de um ensaio de dureza Brinell [25]. O método do ensaio de dureza Brinell consiste em endentar o material com uma esfera de aço endurecido ou metal duro com 10mm de diâmetro com uma carga de

3.000kgf. Isso produz uma cavidade no material de diâmetro d, conforme Figura 3.12. Para materiais mais macios a carga é reduzida para 1.500kgf ou 500kgf para reduzir endentação excessiva. A carga total é normalmente aplicada por 10 ou 15 segundos no caso de ferro fundido ou aço, e pelo menos durante 30 segundos para outros metais. A dureza Brinell

(HB) do material é dada pela fórmula (Equação 3.5) [25]:

HB = 2 F /{ D [D - (D2 - d2)]}. ( 3.5)

onde: D é o diâmetro da esfera e d é o diâmetro da impressão, ou da endentação.

Um número Brinell revela as condições de ensaio e tem um formato como "75 HB 10/500/30", significando que o valor 75 foi obtido para a dureza (HB = Hardness Brinell), usando uma esfera de aço de 10mm de diâmetro, com uma carga de 500kgf, aplicados durante 30 segundos. Em ensaio com metais muito duros, a esfera de aço é substituída por uma esfera de carboneto de tungstênio [21-23].

A unidade é a mesma da tensão (Pascal ou outras). Para alguns materiais, a resistência à tração pode ser estimada a partir da dureza Brinell com a seguinte relação (Equação 3.6):

σ

R =

σ

B= k HB. (3.6)

A tabela 3.1 fornece valores de k para alguns materiais.

Tabela 3.1 – Tabela de constantes de proporcionalidade k [23].

Tipo Material Aço Carbono Aço Liga Cobre Latão Bronze Laminado Bronze Fundido Liga, Al, Cu, Mg Liga Al, Mg Outras Ligas Mg Alumínio Fundido k 0,36 0,34 0,40 0,22 0,23 0,35 0,44 0,43 0,26

Dureza Rockwell

O ensaio de dureza Rockwell consiste em endentar o material sob ensaio com um cone de diamante ou endentador de esfera de aço endurecido. O endentador é pressionado contra a superfície do corpo-de-prova com uma pré-carga F0, usualmente de 10kgf ou 15kgf. Quando o equilíbrio é atingido, um dispositivo indicativo (ponteiro) que segue os movimentos do endentador e responde às variações da profundidade de penetração, é ajustado para a posição zero. Ainda com a pré-carga aplicada, uma segunda carga é introduzida, aumentando a penetração. Atingido novamente o equilíbrio, a carga é removida, mantendo-se a pré-carga. A remoção da carga provoca uma recuperação elástica parcial, reduzindo a profundidade da penetração. O aumento permanente na profundidade da penetração resultante da aplicação e remoção da carga é usado para calcular o valor da dureza Rockwell. A Figura 3.13 apresenta os passos e a descrição para a execução do ensaio de dureza Rockwell [21,23,25].

Para materiais relativamente duros, o objeto penetrante é um cone de diamante com ângulo de vértice de 120º. Esta escala é chamada Rockwell C ou HRC. Para a escala

Rockwell B ou HRB é usada uma esfera de aço temperado de diâmetro 1/16 de polegada, para materiais semi-duros ou macios. Em ambos os casos, são aplicados uma carga padrão definida em normas e a dureza é dada pela profundidade de penetração.

As peças do material ensaiado devem estar limpas e a área da região do ponto de medida deve ser lisa. As vantagens do ensaio Rockwell incluem a medida direta do valor da dureza e a rapidez do ensaio. Além disto, o ensaio é não destrutivo [7,21,23,25].

Dureza Vickers

O ensaio de dureza Vickers consiste em endentar o material, sob ensaio, com um endentador de diamante, na forma de uma pirâmide reta de base quadrada e um ângulo de 136º entre as faces opostas, utilizando uma carga de 1 a 100kgf. Calcula-se a área S da superfície impressa, pela medição das suas diagonais, usando-se um microscópio. A dureza Vickers HV é calculada dividindo-se a carga (em kgf) pela área da endentação e é dada por (Equação 3.7):

HV = F/S. (3.7) Existe uma proporcionalidade entre a força aplicada e a área. Portanto, o resultado não depende da força, o que é muito conveniente para medições em camadas finas. Nos Estados Unidos a unidade usada é libra-força e em alguns países europeus, quilograma- força ou Newton ou quiloNewton [7,21,23,25].

A Figura 3.14 apresenta as características dos penetradores usados nos ensaios de dureza Rockwell (HR), Brinell (HB) e Vickers (HV).

Figura 3.14 – Representação esquemática de tipos de penetradores usados no ensaio de dureza [25].

3.3. Fundamentos de Fratura

A fratura simples consiste na separação de um corpo em duas ou mais partes em resposta a uma tensão imposta que possua natureza estática (isto é, constante ou que se modifica lentamente ao longo do tempo) e a temperaturas que são baixas quando comparadas com a temperatura de fusão do material. A tensão aplicada pode ser de tração, compressão ou de cisalhamento ou outras. O estudo de fratura a ser apresentado resulta de uma carga de tração uniaxial [7,19,22].

Para a engenharia são considerados basicamente dois tipos de fratura: dúctil e frágil. A classificação está associada ou baseada na habilidade de um material em experimentar uma deformação plástica. Os materiais com comportamento dúctil exibem

Belgede SOSYAL GÜVENLİK HUKUKU (sayfa 113-117)