Ciencia E Engenharia Dos Materiais

1. INTRODUCAO

1.1. Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas são quem definem a resposta do material à aplicação de forças (solicitação mecânica). As principais propriedades são: resistência, elasticidade, ductilidade, fluência, dureza e tenacidade. A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos.

Os tipos de solicitação são: força lenta (estática), força rápida (impacto), força variável (vibração), presença de trincas, entalhes ou defeitos de fabricação e altas temperaturas (oxidação, modificação nas propriedades) e os tipos de tensões são: tração, compressão, cisalhamento e torção.

1.2. Ensaios Mecânicos

Os ensaios mecânicos são utilizados para determinar as propriedades mecânicas do material. Em um ensaio mecânico, utilizamos corpos de prova e normas técnicas como ASTM (American Society for Testing and Materials) e ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). Os ensaios mais comuns no estudo de materiais são os de: tração, compressão, torção, choque, desgaste, fadiga e dureza.

Figura 1: Forças aplicadas no corpo de prova para causar tração, cisalhamento e torção.

1.3. Ensaio de Impacto

O Ensaio de Impacto se caracteriza por submeter o corpo ensaiado a uma força brusca e repentina, que deve rompê-lo. A maioria dos ensaios estudados anteriormente não avalia o comportamento dos materiais submetidos a esforços dinâmicos. No caso da fadiga, embora os esforços sejam dinâmicos, o ensaio correspondente leva mais em conta o fato de serem cíclicos.

A tenacidade de um material, avaliada a partir do ensaio de tração, pode dar uma idéia de sua resistência ao impacto, mas a relação não é necessariamente conclusiva. Esse fato tornou-se relevante durante a segunda guerra mundial, quando navios passaram a usar chapas soldadas no lugar da tradicional construção rebitada.

Sob impacto, trincas iniciadas em regiões de solda podiam propagar-se pelas chapas, que não apresentavam perda de tenacidade ou ductilidade em ensaios de tração.

Foram desenvolvidos então ensaios específicos para impactos, considerando que a resistência a eles é grandemente afetada pela existência de trincas ou entalhes e pela velocidade de aplicação da carga, condições que podem se facilmente implementadas em um ensaio comum de tração. A temperatura também exerce significativa influência.

Figura 2: Desenho esquemático do ensaio de impacto.

O ensaio de impacto é simples conforme pode ser visto pelo esquema acima. Em (a) temos um corpo de prova padronizado com um entalhe que é rompido pela ação de um martelo em forma de pêndulo. O princípio de operação pode ser analisado pela vista lateral em (b).

Supõe-se que o pêndulo seja levado até uma posição tal que o seu centro de gravidade fique a uma altura h0 em relação a uma referência qualquer. Desprezando a resistência do ar e o atrito no pivô, uma vez liberado e na ausência do corpo de prova, o pêndulo deverá atingir mesma altura do outro lado pelo princípio da conservação da energia.

Se o corpo de prova é inserido e rompido pelo impacto do pêndulo, a energia absorvida nessa operação faz o pêndulo atingir, no outro lado, uma altura máxima h1 menor que h0. Ou seja, a resistência ao impacto do material é dada pela diferença entre as energias potenciais em h0 e em h1.

Na prática, o instrumento tem uma escala graduada, com indicador de valor máximo, para a leitura direta da diferença de energias. Por ser energia, a resistência ao impacto deve ser dada em Joules (J), de acordo com o Sistema Internacional.

Em equipamentos mais antigos, podem ser consideradas unidades como quilograma-força m (kgf.m) ou libra-força pé (lbf.ft). Há dois padrões comuns para o ensaio: Charpy e Izod. O primeiro é usual nos Estados Unidos e o segundo, na Europa.

Figura 3: Impacto dado no ensaio Charpy (a) e no Izod (b)

No ensaio Charpy, o corpo de prova tem um entalhe central e é apoiado em ambas as extremidades. O impacto se dá no centro, conforme figura 3 (a).

O entalhe comum é tipo “V”, mas há também padrão em forma de “U” ou fenda terminada em furo. Também há padrões especiais (sem entalhe) para materiais como ferro fundido.

No padrão Izos, o corpo é engastado em um lado e recebe o impacto na outra extremidade, conforme figura 3 (b).

1.3.1. Influência da Temperatura

A resistência ao impacto dos materiais varia com a temperatura. As curvas do gráfico da figura 4 indicam, aproximadamente, variações da energia de impacto Charpy para aços-carbonos de diferentes teores de carbono, todos eles aquecidos a 870º (para a formação de austenita) por 4 horas e resfriados lentamente, de forma que a estrutura é basicamente ferrita e perlita.

Figura 4: Variação da energia de impacto em função da temperatura para diferentes teores de carbono.

Notar que há uma temperatura ou uma faixa de temperaturas para a qual a energia de impacto muda de patamar, ou seja, de um valor mais baixo (impacto frágil) para outro mais alto (impacto dúctil). Mas isso, naturalmente, é válido apenas para o corpo de prova. Não significa que, por exemplo, uma peça prática de aço com 0,6% de carbono sofrerá sempre fratura frágil em temperatura ambiente.

1.3.2. Tipos de Fratura

As fraturas produzidas por impacto podem ser frágeis ou dúcteis.

Figura 5: Exemplo de fratura frágil e de fratura dúctil.

1.3.2.1. Fratura Frágil

As fraturas frágeis se caracterizam pelo aspecto cristalino. Os materiais frágeis rompem-se sem nenhuma deformação plástica, de forma brusca. Por isso, esses materiais não podem ser utilizados sem aplicações