UNIVERSIDADE DE TRÁS-OS-MONTES E ALTO DOURO
ENGENHARIA DE REABILITAÇÃO E ACESSIBILIDADES
PROCESSOS DE FABRICO
DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS MECÂNICAS MATERIAIS DE
CONSTRUÇÃO
1.
INTRODUÇÃO
Neste trabalho vão ser obtidas e comparadas as características de três matérias distintos recorrendo
a ensaios de tracção. Descrevem-se, inicialmente, as características do ensaio de tracção
distinguindo-o de outros ensaios de caracterização das propriedades mecânicas dos materiais.
Através do ensaio de tracção realizado numa máquina de ensaios (no caso uma máquina universal
electromecânica) obter-se-á a curva força/deslocamento para três provetes de materiais diferentes e
a partir destes dados obtém-se a curva tensão/deformação. Partindo destas curvas pretende-se
calcular as propriedades mecânicas dos três materiais: um aço, uma liga de alumínio e um material
compósito. As propriedades a obter serão o módulo de Young, a tensão e a extensão limite de
proporcionalidade, a tensão e extensão de cedência, a tensão e extensão de rotura, o módulo
secante a 0.2% e a extensão após rotura. Nem todas estas propriedades poderão ser obtidas nos três
materiais.
2.
TRABALHO PRÉ-LABORATORIAL
Foram obtidos os seguintes registos tensão/deformação para um aço ao carbono com 0.2% de
Carbono:
Tensão
(MPa)
Extensão
(%)
0
207
379
414
469
496
510
517
524
517
503
476
448
386
353
0
0.1
0.2
0.5
1.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
19.0(Rotura)
a. Represente a curva tensão-deformação;
b. Calcule a tensão limite de proporcionalidade;
c. Determine a tensão de rotura do aço;
d. Calcule a extensão de rotura;
e. Calcule o módulo de Young;
f. Calcule a tensão de cedência a 0.2%;
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3.
4.
EQUIPAMENTO

Máquina de ensaios Instron 1025

Extensómetro de braços

Paquímetro
Teoria
Quando uma carga é aplicada a um sólido resulta uma deformação no sólido. A deformação é
elástica se é completamente eliminada quando a carga é removida. A tensão é a força/unidade de
área (  
F
l
) e a extensão é o alongamento/unidade de comprimento (  
). As tensões e as
A
l
deformações elásticas são proporcionais e estão relacionadas com o Módulo de Elasticidade ou
Módulo de Young E pela Lei de Hooke (   E ). Está implícito nesta equação que as tensões e as
extensões são axiais. Note-se que na lei de Hooke, uma relação linear entre as tensões e as
deformações, o Módulo de Young representa o declive dessa recta.
Se a deformação é permanente diz-se plástica. O início da deformação plástica corresponde à
tensão necessária para iniciar o movimento das deslocações (um tipo de defeito) na estrutura
cristalina do sólido. A tensão necessária para produzir deformação permanente é a tensão de
cedência do material. Alguns materiais exibem um ponto de cedência claro, enquanto outros
mostram uma diminuição lenta do declive na zona elástica. Nestes, a tensão de cedência é
convencionalmente definida como a tensão necessária para produzir uma deformação permanente
de 0.2% (extensão 0.002). Em alguns materiais parte ou a totalidade da deformação residual que
permanece após remover a carga, pode ser gradualmente recuperada. Neste caso a deformação dizse inelástica.
Em materiais dúcteis, a deformação necessária para a sua rotura é relativamente grande comparada
com os materiais frágeis. A deformação plástica dos materiais dúcteis pode requerer tensões
progressivamente maiores porque as deslocações multiplicam-se durante o processo e o seu
movimento torna-se mais difícil devido ao aumento do grau de interacção entre elas. Este processo
é designado por endurecimento ou encruamento. Por vezes é possível observar bandas
propagando-se ao longo do provete durante o encruamento. Estas bandas são conhecidas por
bandas de Lüders indicando a multiplicação e o movimento das deslocações. Apenas são visíveis
após polimento dos provetes. Quando a taxa de encruamento é maior que a taxa de diminuição da
secção transversal, isto é:
d


dA
A
ocorre uma deformação uniforme. Mas se a taxa de encruamento é muito baixa ocorre uma
diminuição acentuada da secção transversal concentrada numa zona do provete designada por
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estricção. Este fenómeno inicia-se quando a carga atinge um valor máximo e a partir daqui a
deformação não é mais uniforme. A tensão correspondente à carga máxima é a tensão de rotura do
material (Ultimate Tensile Strength – UTS). A extensão após rotura é uma medida da ductilidade
do material. Não inclui a deformação elástica mas inclui a deformação uniforme e a deformação
localizada na estricção. Determina-se juntando as duas partes do provete fracturado e medindo a
distância entre dois traços previamente marcados no provete.
O processo de deformação termina com a rotura do provete. Num material frágil isto ocorre pela
propagação de fissuras iniciadas em defeitos microscópicos no material. As fissuras propagam-se
por clivagem, o que envolve rotura de ligações atómicas em planos cristalográficos específicos,
com o trabalho de deformação gasto primeiramente na criação de novas superfícies (energia de
superfície). Por outro lado, os materiais frágeis tendem a fracturar por nucleação de micro-vazios.
Visto que a deformação plástica consome quantidades significativas de energia na criação e
movimento de deslocações, roturas dúcteis estão normalmente associadas com grandes trabalhos
de fractura. A área sobre a curva tensão-deformação é uma medida da energia necessária para
fracturar o provete e caracteriza a tenacidade do material com unidades de trabalho/unidade de de
volume do comprimento de referência,
A capacidade do material absorver grandes quantidades de energia no domínio elástico e a sua
restituição após descarga, é a resiliência do material, sendo caracterizada pelo módulo de
resiliência.
A tensão nominal ou de engenharia é a força/unidade da secção inicial do provete:  
F
.A
A0
extensão nominal ou de engenharia é o alongamento/unidade de comprimento (comprimento de
referência inicial):  
L
. As tensões e extensões reais ou verdadeiras são determinadas a partir
L0
das dimensões instantâneas durante o ensaio. Portanto, a curva tensão-deformação de engenharia
ou convencional não dá uma indicação verdadeira das características de deformação do material
porque é baseada inteiramente nas dimensões originais do provete, e estas mudam continuamente
durante o ensaio. Também, um material dúctil que está a ser traccionado, torna-se instável e
“empescoça” no decorrer do ensaio. Como a área da secção transversal do provete diminui
rapidamente nesta fase do ensaio, a carga requerida para continuar a deformação vai diminuindo.
A tensão média baseada na área inicial, diminui e a curva tensão-deformação convencional cai
após atingir a carga máxima (ver Figura 1). Nesta altura, o material continua a endurecer até à
rotura, de modo que a tensão necessária para continuar a deformação também aumenta. Se se usa a
tensão real, baseada na área da secção transversal actual do provete, verifica-se que a tensão real
aumenta progressivamente até à rotura (ver Figura 2). Por outro lado, se a medida da extensão for
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

Figura 1. Curva tensão-deformação convencional de um aço com baixo teor em carbono.
baseada nas dimensões instantâneas, a curva obtida é conhecida por curva tensão-deformação real.
Demonstra-se que para pequenas deformações, por exemplo as deformações elásticas, não há
diferenças significativas entre as extensões de engenharia e reais. As propriedades pedidas serão
obtidas através das curvas tensão-deformação convencionais. A curva da figura 1 é típica dos
materiais metálicos. Para pequenos valores da deformação (zona elástica) a curva tensãodeformação é linear. Nesta região o declive da curva representa o módulo de Young ou de
elasticidade. Visto que muitos materiais não exibem um ponto de cedência nítido, isto é, uma
transição visível entre a zona elástica e a zona plástica, o ponto de cedência é definido como a
tensão que origina uma deformação plástica permanente de 0.2%. Por esta convenção, traça-se
uma linha paralela à zona elástica partindo de 0.002 de extensão. O ponto de intersecção com a
curva é o ponto de cedência ou tensão de cedência. A tensão de rotura, obtém-se determinando a
tensão máxima atingida pelo material. Por outro lado muitos materiais não apresentam uma zona
linear elástica inicial. Nestes materiais pode usar-se o módulo secante a x% de deformação, e
obtém-se determinando o declive da recta que une o ponto inicial (deformação nula) com o ponto
da curva de deformação x% .
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Figura 2. Comparação das curvas tensão-deformação convencional e tensão-deformação real.
5.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
A.
Medir as dimensões dos provetes (média de três medições);
B.
Traçar na zona de deformação do provete duas vezes o comprimento de referência.
C.
Efectuar a calibração do extensómetro:
i. Colocar o extensómetro no calibrador ajustando as navalhas ás marcações no
micrómetro;.
ii. Colocar a zero e fazer OK no computador;
iii. Dar 10 voltas ao micrómetro (L0=25mm) ou 20 voltas (L0=50mm);
iv. Fazer OK no computador
D.
Efectuar a calibração da célula de carga no computador;
E.
Colocar o provete nas amarras da máquina de ensaios;
F.
Colocar o extensómetro no provete;
G.
Por a zeros o extensómetro e a célula de carga;
H.
Iniciar o ensaio;
I.
Gravar os ficheiros de dados do ensaio;
J.
Juntar as duas partes do provete e estimar o comprimento final entre referências;
K.
Registar o tipo de rotura do material;
L.
Repetir a partir de E para os outros provetes.
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6.
RELATÓRIO
O relatório deverá respeitar os seguintes requisitos:
i. Sumário
ii. Objectivos
iii. Descrição simplificada do ensaio
iv. Equipamento utilizado
v. Apresentação das leituras recolhidas durante a realização do ensaio;
vi. Determinação das propriedades mecânicas dos aços:
a. Tensão limite de proporcionalidade e extensão limite de proporcionalidade
b. Tensão de cedência e extensão de cedência
c. Tensão limite convencional a 0.2%
d. Módulo de Young
e. Módulo Secante a 0.2%
f. Tensão de rotura e extensão de rotura
g. Extensão após rotura
vii. Análise dos resultados
viii. Conclusões
ix. Bibliografia
Dados a recolher no início do ensaio:
Desenho e dimensões dos provetes
Comprimento de referência
Dados a recolher no final do ensaio:
Comprimento de referência após rotura
Ficheiro dos registos do computador (SIDE)
Fotos dos provetes após os ensaios.(SIDE).
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