Ensaio de tração

Ensaio de tração:
Introdução

O Ensaio de Tração fornece dados quantitativos que permitirão cálculos matemáticos para a determinação de parâmetros importantes de modo que os profissionais que trabalham na área de materiais possam decidir quanto à utilização de um material específico para determinado fim.

Nos últimos séculos, não havia um controle regulado de qualidade dos produtos acabados porque a construção dos objetos era basicamente feita à mão. Avaliava-se a qualidade por meio do uso. Atualmente, pode-se entender que o controle de qualidade deve começar com as matérias-primas e deve ser realizado em todo o processo de produção, incluindo a inspeção e o teste final dos produtos acabados. O ensaio mecânico de materiais é o procedimento padronizado utilizado para isto, contando com cálculos, gráficos e consulta de tabelas, todos obedecendo as respectivas normas técnicas.

Realizar um ensaio consiste em submeter um objeto já fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente a situações que simulam os esforços que eles vão sofrer nas condições reais de uso, atingindo limites extremos de solicitação.

Ensaio de tração:
Importância

Conhecer as propriedades mecânicas de um material é uma tarefa importante para que os profissionais que trabalham no desenvolvimento de um novo produto, bem como na conferência da matéria prima  ou no produto acabado avaliando se este apresenta caracteristicas de segurança e eficiência com relação ao seu uso.

O ensaio de tração tem grande importância, uma vez que serve para averiguação de suas propriedades, realização de análises de risco, analisar possíveis falhas e verificar qual o comportamento do material sob determinadas condições de trabalho.

Os ensaios mecânicos podem ser realizados em protótipos ou em corpos de prova. A importância da realização de ensaios em protótipo é pela possibilidade de verificar o comportamento do material sob as condições de uso do objeto. Deste modo, é possível avaliar se o material apresenta características adequadas à sua função. Sob outra perspectiva, quando o ensaio é feito em corpos de prova, os resultados obtidos são mais gerais, normalmente utilizados para testar as propriedades intrínsecas do material.

Ensaio de tração:
Gráfico de tensão deformação

Sendo um dos ensaios mais empregados atualmente na indústria, o ensaio de tração avalia diversas propriedades mecânicas dos materiais, através de características extraídas da análise do gráfico gerado por esse ensaio, o qual é conhecido como diagrama tensão deformação, sendo muito útil para complementar a análise matemática envolvida no processo.

Materiais metálicos

A partir do gráfico de tensão deformação dos materiais metálicos poderíamos descrever todo os parâmetros importantes no ensaio. Abaixo podemos entender melhor estes parâmetros, que aparecem quando o material está sujeito a esforços de natureza mecânica (isso quer dizer que esses parâmetros determinam a maior ou menor capacidade que o material tem para transmitir ou resistir aos esforços que lhe são aplicados):

Figura 2 – Gráfico típico de tensão x deformação de um ensaio de tração

A partir das medidas de cargas e os respectivos alongamentos, constrói-se o gráfico de tensão x deformação, como mostra a figura 2, a qual mostra essa relação para diferentes tipos de Metais. A análise dos gráficos obtidos com os ensaios de tração permite o levantamento de inúmeras informações que são apresentadas a seguir:

Módulo de elasticidade (ou módulo de Young) é dado pela razão entre a tensão aplicada em um material pela sua deformação. O módulo de elasticidade é preferencialmente obtido na fase elástica do material, ou seja, na fase em que se aplica uma tensão no material que tende a se deformar e quando esta tensão é interrompida o material volta a seu estado inicial.

Podemos obter o módulo de elasticidade através da inclinação (coeficiente angular) do segmento linear no gráfico tensão deformação. Nos materiais metálicos, o módulo de elasticidade é considerado uma propriedade insensível com a microestrutura, visto que o seu valor é fortemente dominado pela resistência das ligações atômicas, sendo apresentado conforme a relação:

Equação 1:
E = σ / ε.

Onde pode ser observado a proporcionalidade entre a tensão aplicada (σ) e a deformação (ε).

Deformação Plástica: À medida que o material continua a ser deformado além do regime elástico, a tensão deixa de ser proporcional à deformação e, portanto, a lei de Hooke não mais será obedecida, ocorrendo uma deformação permanente e não recuperável denominada deformação plástica. Para a maioria dos materiais metálicos, a transição do comportamento elástico para o plástico é gradual, ocorrendo uma curvatura no ponto de surgimento da deformação plástica, a qual aumenta mais rapidamente com a elevação de tensão.

Limite elástico: O limite elástico, também denominado limite de elasticidade e limite de fluência, é a tensão máxima que um material elástico pode suportar sem sofrer deformações permanentes após a retirada da carga externa. Ou seja, dentro do limite elástico o material retorna ao seu estado normal elástico depois de sofrer uma dada deformação.

Limite de proporcionalidade: É o limite ao qual a tensão aplicada não é mais proporcional ao alongamento, ou seja, o material não apresenta mais linearidade.

Limite de resistência: O limite de resistência à tração (algumas vezes representada pela sigla LRT) é a tensão no ponto máximo do gráfico de tensão deformação de engenharia, a qual corresponde à tensão máxima que pode ser sustentada por uma estrutura sob tração. Observando o gráfico ainda da figura 2, após o escoamento a tensão necessária para continuar o processo de deformação plástica em materiais metálicos aumenta até alcançar um valor máximo e a partir desse ponto, a tensão diminui até a fratura do material. Isso ocorre devido à rápida diminuição da seção resistente do corpo de prova ao se ultrapassar a tensão máxima, sendo expressa pela equação:

Equação 2:
σ = F / A0

Onde F é a força ou carga instantânea aplicada em uma direção ortogonal à seção reta (A0) e A0 representa a área da seção do corpo de prova (antes da aplicação da força).

Ductilidade: Representa uma medida do grau de deformação plástica que o material suportou até a fratura. Um material que experimenta uma deformação plástica muito pequena ou mesmo nenhuma quando da sua fratura é chamado de frágil. A ductilidade pode ser expressa quantitativamente tanto pelo alongamento percentual como pela redução de área percentual. Pode-se obter o alongamento percentual AL% da seguinte maneira:

Equação 3:
AL% = (Lf – L0/L0) * 100

onde Lf representa o comprimento da porção útil do corpo de prova no momento da fratura e L0 o comprimento útil original. Um conhecimento da ductilidade dos materiais é importante, pois dá uma indicação do grau segundo o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes de fraturar, além de especificar o grau de deformação permissível durante operações de fabricação.

Tenacidade: A Tenacidade representa uma medida da capacidade de um material em absorver energia até a fratura. Esta é uma propriedade desejável para casos de peças sujeitas a choques e impactos, como engrenagens, correntes etc., portanto, a geometria do corpo de prova, bem como a maneira como a carga é aplicada, são fatores importantes nas determinações de tenacidade. Além disso, a tenacidade à fratura é uma propriedade indicativa da resistência do material à fratura quando este possui uma trinca.

Resiliência: É definida como a capacidade de um material absorver energia quando é deformado elasticamente, e após o descarregamento recuperar essa energia. Os materiais resilientes são aqueles que possuem limites de escoamento elevados e módulos de elasticidade pequenos, normalmente ligas onde são utilizadas na fabricação de molas. Pode ser representada pela seguinte equação:

Equação 4:
Uf = (σ esc^2) / 2ε

Onde o módulo de resiliência Uf relaciona a tensão de escoamento (σ esc) com o módulo de elasticidade.

Encruamento: O encruamento é um fenômeno modificativo da estrutura dos metais, em que a deformação plástica causará o endurecimento e aumento de resistência do metal. O encruamento de um metal pode ser definido então como sendo o seu endurecimento por deformação plástica.

Estricção ou Empescoçamento: Pode ser entendido como uma “formação de pescoço” ou “estiramento” que ocorre quando o aumento da dureza por encruamento é menor que a tensão aplicada e o material sofre uma grande deformação. Fica localizado na região em uma seção reduzida em que grande parte da deformação se concentra.

Coeficiente de Poisson: o coeficiente de Poisson (ν) é um parâmetro resultante da razão entre as deformações lateral e axial. Uma vez que as deformações laterais e a deformação axial sempre terão sinais opostos, o sinal negativo foi incluído nesta relação para que ν seja sempre um número positivo. O coeficiente de Poisson mede a rigidez do material na direção perpendicular à direção de aplicação da carga uniaxial. Os valores de ν para diversos metais estão entre 0,25 e 0,35 e no máximo 0,50. O coeficiente de Poisson é definido então como sendo o valor positivo ν que satisfaz a relação:

Equação 5:
V = – (εx/εz)= – (εy/εz)

Onde 𝜀 é representado a extensão lateral ou transversal, e a extensão segundo a direção do esforço uniaxial aplicado.

Ensaio de tração típico em metais:

Considerando agora um ensaio de tração típico para aços (Figura 3), inicialmente, ocorre deformação elástica, ou seja, a tensão e deformação tendem a aumentar linearmente e quando a carga é retirada o corpo poderia relaxar as tensões e retomar à sua forma original, dessa região do gráfico é possível obter-se o módulo de elasticidade do material, que é proporcional a rigidez do material.

Prosseguindo o ensaio, há um ponto em que o corpo entra no regime plástico de deformação, esse ponto é denominado limite de proporcionalidade (B), isto é, o alongamento é permanente. Em seguida, o corpo deforma-se até que a tensão limite de resistência seja atingida (C), onde se inicia a estricção. Por fim, o ensaio segue até a ruptura do corpo (D).

Figura 3 – Gráfico de Tensão deformação de um ensaio de tração

Além das propriedades mecânicas, através da curva é possível avaliar a resiliência e tenacidade de um material, em outras palavras, a capacidade de um material absorver energia no regime elástico e plástico, respectivamente. Ainda, através da análise macroscópica da fratura, do perfil das regiões do gráfico e das normas técnicas é possível classificar um material em dúctil ou frágil.

Na Figura 4 são apresentado os Ensaios de tração típicos para materiais dúcteis e frageis, sendo que os Materiais dúcteis tendem a apresentar grande deformação plástica, ocorrendo estricção no corpo de prova durante o ensaio, esse é o caso do cobre, aços baixo carbono ou da maioria dos polímeros. No caso de materiais frágeis, ocorre pouca ou nenhuma deformação plástica, pois o material armazena toda a energia aplicada para deformá-lo e fratura catastroficamente, isso ocorre com ferro fundido cinzento, aço temperado e materiais cerâmicos.

A forma e a magnitude do gráfico de tensão deformação de um metal dependerão da sua composição, tratamento térmico, histórico prévio de deformação plástica e da taxa de deformação, temperatura, e estado de tensão imposto durante o ensaio.

Figura 4 – Ensaios de tração típicos para o aço baixo carbono, cobre e ferro fundido cinzento

Materiais poliméricos

Os materiais poliméricos são geralmente compostos orgânicos baseados em carbono, hidrogênio e outros elementos não-metálicos que são constituídos de moléculas muito grandes e apresentam baixa densidade, podendo ser extremamente flexíveis.

Considerando os polímeros, o ensaio é sensível aos parâmetros estruturais e externos, por isso, existem curvas típicas para três grupos de polímeros: frágeis(a), plásticos(b) e elastoméricos(c), observa-se claramente que o comportamento dos polímeros difere dos metais, principalmente devido aos mecanismos de deformação. As principais normas utilizadas nesse caso são ASTM D638 e ISSO 527-1.

Figura 5 – Gráfico de tensão x deformação para polímeros (a) frágeis, (b) plásticos, (c) elastômeros.

Materiais cerâmicos

Os materiais cerâmicos são geralmente uma combinação de elementos metálicos e não-metálicos, geralmente são óxidos, nitretos e carbetos. São geralmente isolantes de calor e eletricidade e também são mais resistentes à altas temperaturas e à ambientes severos que metais e polímeros. Com relação às propriedades mecânicas as cerâmicas são duras, porém frágeis.

É muito difícil realizar ensaios de tração em materiais cerâmicos, pois trincas podem ser introduzidas no processo de fabricação dos corpos de prova. As cerâmicas são mais resistentes à compressão que em tração, devido à forma como as trincas se propagam.

Então, as curvas tensão deformação de materiais cerâmicos são geralmente obtidas por flexão (3 ou 4 pontos), que em ensaios de tração, pois é muito mais fácil produzir cerâmicas na forma de blocos de seção transversal retangular para esse tipo de ensaio.

Ensaio de tração:
Máquina Universal de ensaio

O ensaio de tração pode ser realizado em uma máquina universal de ensaio, que permite realizar diversos tipos de ensaios mecânicos. Essas máquinas utilizadas para o ensaio podem ser hidráulicas ou eletromecânicas, sendo que a eletromecânica é baseada em um motor elétrico que permite maior controle sobre variação de velocidade e deslocamento da travessa móvel.

As garras garantem a fixação e o alinhamento axial dos corpos de prova e os sistemas de fixação mais comuns são cunha, flange ou rosca. Para traçar o gráfico de  tensão deformação, a força aplicada é medida instantaneamente utilizando uma célula de carga, enquanto o alongamento é medido através do encoder do equipamento ou por extensômetros. O equipamento possui um software que permite o controle e ajuste dos parâmetros e funções bem como permite a visualização dos resultados do ensaio permitindo a geração de relatórios que podem ser salvos em um computador conectado ao equipamento para posterior analise.

Vale lembrar que a precisão de um ensaio de tração depende, evidentemente, da precisão e qualidade do equipamento. O dimensionamento correto do equipamento bem como a utilização de células de cargas precisas acompanhada do uso de extensômetro garante a confiabilidade dos resultados do ensaio.

Figura 6 – Máquina universal de ensaio: Modelo de coluna única e coluna dupla

Ensaio de tração:
Procedimentos normalizados

A crescente internacionalização do comércio de produtos põe em destaque a importância da normalização dos ensaios de materiais. Os ensaios de tração podem ser realizados em produtos acabados ou corpos de prova, utilizando normas técnicas para padronizar.

Para realização do ensaio coloca-se adequadamente o corpo de prova preso às garras, ajustando manualmente a altura da barra tracionada, de modo que as garras estejam alinhadas e que não haja nenhuma força atuando na célula de descarga. Define-se no software o método no qual será realizado o ensaio (tração), as dimensões do corpo de prova, velocidade do ensaio e de retorno, os limites de operação do equipamento, a forma de apresentação dos resultados, entre outros. O ensaio termina quando o material se rompe.

Corpo de prova

Para a execução do ensaio de tração a confecção do corpo de prova é de fundamental importância. O comprimento e formato do corpo de prova, a velocidade de aplicação da carga e as imprecisões dos ensaios afetam diretamente nos resultados obtidos. A fim de tornar os ensaios reprodutíveis, normas técnicas que garantem a padronização das dimensões e formatos dos corpos de prova são utilizadas, como ASTM E8M e ABNT MB-4.

A forma e dimensões do corpo de prova variam de acordo com a rigidez do material ensaiado, com a capacidade da máquina e com a geometria do produto acabado de onde foi retirado, de modo a garantir que ocorra a fratura na região útil do corpo de prova para poder validar o ensaio.

As propriedades mecânicas do material são medidas na parte útil do corpo de prova (região Lo) e as regiões extremas que são fixadas nas garras da máquina, são conhecidas como cabeças (D). As cabeças devem ter seção maior do que a parte útil para que a ruptura do corpo de prova não ocorra nelas e suas dimensões e formas dependem do tipo de fixação da máquina.

Em geral, corpos de prova apresentam seção transversal circular quando produzidos por fundição ou torneados a partir de um produto acabado cilíndrico, mas também podem apresentar seção transversal retangular quando retirados de chapas, nesse caso, deve-se atentar para a direção que o corpo de prova será retirado, pois chapas laminadas apresentam propriedades mecânicas anisotrópicas.

Figura 7 – Corpos de prova para ensaio de tração segundo norma técnica

Assim, em função do corpo de prova é possível determinar informações tanto do comportamento mecânico do material, quanto do processo de fabricação, como laminação, injeção, fundição ou de juntas soldadas.

Ensaio de tração:
Principais normas

Quando se trata de realizar ensaios mecânicos, as normas mais utilizadas são as referentes à especificação de materiais e ao método de ensaio. Um método descreve o correto procedimento para se efetuar um determinado ensaio mecânico.

Desse modo, seguindo sempre o mesmo método, os resultados obtidos para um mesmo material são semelhantes e reprodutíveis onde quer que o ensaio seja executado. Alguns exemplos de normas técnicas utilizadas pelos laboratórios de ensaios são:

ISO 6892 – Teste de tração de materiais metálicos

ISO 527-3 – Teste de tração em filmes e folhas

ASTM E8 / E8M – Teste de tração de materiais metálicos

ASTM D412 – Teste de tração de elastômeros

ASTM D638 – Teste de tração de plásticos

ASTM D6319 – Teste de tração em luvas médicas

ASTM D5035 – Teste de tira de alongamento e resistência têxtil

ASTM A370 – Teste de tração em tubos e tubulações

ASTM D1414 – Teste em O-Rings de borracha

ASTM D5034 – Teste de tração em tecidos

ASTM D882-18 – Teste de tração em plástico fino

ASTM F2458 – Teste de resistência de adesivos e selantes de tecido

Ensaio de tração:
Uso de extensômetro durante os ensaios

No ensaio sem o uso do extensômetro, o aumento do comprimento da amostra é medido pelo movimento da travessa móvel da máquina universal de ensaio, onde inclui deformações elásticas e acomodações de todo o sistema (máquina, amostra, célula de carga e elementos de fixação).

As medidas na região de deformação elástica da curva são sensivelmente afetadas e representam propriedades do conjunto material + sistema. Para grandes deformações (regiões de deformação plástica uniforme e não uniforme da curva de tração) o efeito das deformações do sistema tende a ser minimizado em relação à deformação da amostra.

Já no ensaio com o uso do extensômetro, o instrumento de medição é fixado no corpo de prova. Ele mede exclusivamente as deformações que ocorrem no material, dentro de um comprimento de referência, excluindo portanto os efeitos da deformação da máquina e dos elementos de fixação.

Figura 8 – Extensômetro típico utilizado em ensaio de tração

A extensometria é essencial para obtenção de propriedades na região elástica da curva, como os limites de elasticidade e de proporcionalidade e os módulos de elasticidade e de resiliência. Além disso, o uso do extensômetro permite também maior precisão na determinação do limite de escoamento convencional.

No gráfico de tensão deformação do alumínio abaixo foram realizadas duas medidas sendo o gráfico em preto sem a utilização do extensômetro e o gráfico de cor vermelha utilizando-se o extensômetro. Para o modulo de Young obteve-se o valor 71,4 GPa para ambos os casos, ou seja, com e sem extensômetro, entretanto temos valores muito maiores para o limite de resistência e alongamento quando não se utiliza o extensômetro.

Figura 9 – Gráfico de tensão x deformação do alumínio com e sem a utilização de extensômetro

Ensaio de tração:
Vídeos e apresentações

Nos vídeos a seguir, é explicado, de maneira geral, o funcionamento de uma máquina universal de ensaios, bem como a realização do ensaio de tração em um corpo de prova de um material polimérico.

Ensaio de tração:
Conclusão

O ensaio de tração demonstra-se extremamente útil para verificar o comportamento frágil ou dúctil do material ensaiado, assim como eventuais falhas em sua composição. Além disso, conhecer as propriedades mecânicas de um determinado material é fundamental para direcionar suas corretas aplicações.

Sendo assim, é importante se perguntar quanta tensão o material resiste, quando em um projeto, e se a carga submetida em certo ponto do seu projeto é adequada. A partir das propriedades fornecidas pelos resultados do ensaio de tração é possível responder a essas e a outras perguntas que irão garantir a segurança e a excelência para seu projeto ou aplicação em questão.