Máquina Universal de Ensaios
A Máquina Universal de Ensaios ou Máquina de ensaio de tração é utiliza para realizar ensaios em uma ampla gama de materiais como metais, concreto, borrachas, tecidos, vegetais, entre outros, ou seja não há material que não possa ser testado em uma máquina de ensaio. O equipamento pode executar com precisão os testes em corpos de prova, protótipos e inclusive, no produto final. Por isso, hoje a ferramenta é empregada em praticamente todas as áreas.
Como exemplo, os setores de Metalmecânica, construção civil, medicina, automobilismo, vestuário, mobiliário, dentre outros, têm conquistado ótimos resultados com o instrumento. Para você entender melhor este assunto, veja neste artigo como os ensaios de materiais são realizados e como funciona a máquina universal de ensaios.
1. Introdução
Em janeiro de 2018 a empresa de vendas online Amazon tinha 562 milhões de produtos diferentes à venda. Mais de 1 bilhão de produtos podem ser encontrados a qualquer momento no eBay e o brasileiro Mercado Livre anunciava 128 milhões de produtos diferentes ao final de 2015. A diversidade de produtos cria um novo desafio para a engenharia de produtos e materiais.
A competitividade de produtos não é mais uma questão apenas de preço e funcionalidade. Outras preocupações, tais como design e durabilidade e até mesmo o impacto ambiental e social do produto afetam sua vida útil como fonte de receita para as empresas.
Uma das bases para a diversificação de ofertas que temos atualmente é a evolução dos materiais empregados. Pesquisas com o aço, por exemplo, criaram um material mais flexível e barato, o que permitiu a evolução da indústria automobilística, ao passo que ligas mais robustas permitiram a construção de prédios e torres mais altos, mais resistentes a intempéries ou mais inteligentes.
A criação de novos materiais também resultou em novas indústrias e toda uma variedade de produtos e aplicações: a criação de supercondutores levou ao chip, que revolucionou a indústria de eletrônicos e criou um novo mercado de computadores pessoais, que evoluiu e criou um novo mercado de celulares inteligentes.
Figura 1: Do produto natural, para o barro, para o vidro, para o plástico, para o PET, para o alumínio e para objeto de design.
Uma questão, porém, permanece básica: para que qualquer produto tenha valor comercial ele deve ter um desempenho esperado nas condições de uso definidas.
Assim, por desempenho esperado entende-se não apenas a funcionalidade (fazer o prometido), mas também a segurança (há várias normas internacionais e leis que definem as características básicas de toxicidade, flamabilidade e manuseio do produto), a durabilidade (a vida útil do produto afeta sua rentabilidade e a percepção de qualidade do consumidor) e o descarte (há leis e normas definindo cada etapa da vida do produto, desde a extração de seus materiais básicos até sua devolução à natureza).
Figura 2: Funcionalidade – saindo do ponto A e chegando no ponto B
Assim, uma etapa fundamental da fabricação de qualquer produto é a etapa de testes. Testes podem ser efetuados em materiais básicos, componentes individuais, no produto acabado ou ainda em modelos do produto acabado.
Um dos componentes mais importantes da engenharia de produtos é a utilização e seleção de materiais, não só porque isso definirá as etapas da vida do produto, desde sua obtenção ao descarte, incluindo todos os processos de manufatura (e todas as implicações econômicas e ambientais de cada etapa), mas também porque as propriedades dos materiais empregados definirão quais os processos de fabricação.
1.2 Ensaio de materiais
Os ensaios de materiais servem para determinar as propriedades e características de materiais, componentes, estruturas ou qualquer outro tipo de produto. Os materiais podem ser caracterizados por suas propriedades físicas e químicas.
Entre as propriedades físicas, destacam-se as propriedades mecânicas, ou seja, a forma como os materiais reagem às forças nele aplicadas, ou a resistência do material. A determinação da resistência dos materiais é fundamental para dimensionar as peças e componentes de um produto, evitando desperdícios e prejuízos, e para definir o grau de segurança e qualidade dos materiais empregados, evitando acidentes e fatalidades.
Para definir a resistência de um material é preciso conhecer o limite desse material. Isso é feito, basicamente, submetendo um objeto já fabricado ou um material que vai ser processado industrialmente aos esforços que ele deverá sofrer quando utilizado nas condições reais, esperadas ou padrão de uso e observando-se os limites suportados, ou seja, em que ponto o objeto ou material apresenta uma falha. A falha de um material pode ser classificada como micro ou macroscópica.
A falha material microscópica é definida em termos de iniciação e propagação de trincas e, como o nome indica, nem sempre é percebida a olho nu. A falha material macroscópica é definida em termos da capacidade de suportar cargas ou armazenar energia, traduzida pela alteração visível de sua estrutura (fratura ou escoamento; falha de tensão ou deformação, energética (critério S, critério T), dano, empírica).
Os ensaios podem ser realizados no próprio produto final, em protótipos (versão preliminar de um produto, produzida em pequena quantidade) ou em corpos de prova (amostra do material que se deseja testar), alguns exemplos são apresentados na Figura 3.
Figura 3 – Exemplos de materiais e produtos para a realização de ensaios mecânicos
A Máquina Universal de Ensaio é utilizada para executar uma variedade de ensaios padronizados em materiais, componentes, estruturas, e produtos diversos. Esses ensaios são executados para determinar as propriedades e características dos materiais.
1.3 Importância dos ensaios
É essencial que, cada peça, material ou produto seja, ensaiado de acordo com métodos preestabelecidos. Geralmente, estão publicados em normas técnicas (NBR ABNT, ISO, DIN, ASTM, dentre outras), que são reconhecidas por garantir que a preparação, manipulação, formas de medida, análises, cálculos e condições de uso das amostras sejam empregadas universalmente. Essas normas também definem e especificam os corpos de prova para cada material e característica a ser ensaiado.
As máquinas de ensaio universal são empregadas para realizar ensaios em uma grande variedade de materiais (desde metais ou concreto até borracha e tecidos) e podem ser usadas com o produto final, protótipos ou corpos de prova. Normalmente os fabricantes das máquinas de ensaios universais também fornecem corpos de prova específicos, para facilitar a condução e a padronização dos ensaios.
É por isso que na atualidade as máquinas de ensaios universais são encontradas em qualquer área como metal-mecânica, construção cível, medicina, automobilística, vestuário, setor moveleiro, entre outros.
1.4 Características
A maioria das máquinas de ensaios universais é modular. Seus componentes mais comuns são:
Estrutura mecânica – consiste de uma ou duas colunas que sustentam a máquina.
Travessa superior – Consiste em uma travessa em aço que se localiza na parte superior da estrutura da máquina.
Travessa inferior – Consiste em uma travessa em aço que se localiza na parte inferior da estrutura da máquina.
Travessa móvel – Consiste de uma travessa móvel que se move para cima ou para baixo a uma velocidade constante para aplicação da força.
Células de carga – um transdutor de força ou qualquer outro meio para medir a carga. Geralmente exige calibração periódica.
Garras e atuadores – São utilizados para fixar os espécimes (corpos de prova) ou produtos para o ensaio.
Extensômetro – Dispositivo para medição da extensão ou deformação.
Software – Dispositivo para saída dos resultados – a forma como os resultados são disponibilizados. A maioria das máquinas modernas também oferece processamento e cálculos adicionais por software.
Condicionamento – controle de certas condições de ensaio (temperatura, umidade, pressão etc). Geralmente é externo à máquina, como uma sala de condições controladas ou uma câmara dentro da qual a máquina (ou o espécime de ensaio) é colocada.
Figura 4 – Características da Máquina Universal de Ensaio.
1.5 Modelos de máquina universal de ensaio
Os modelos de Máquina Universal de Ensaio podem ser classificados quando ao mecanismo de geração de carga (Eletromecânica ou Hidráulica), quanto ao tipo de ensaio (estático ou dinâmico), quanto a sua estrutura (coluna única ou coluna dupla), quanto a acomodação (Portátil, Bancada ou Autoportante), e quanto a capacidade ( 50 a 300.000 kgf).
1.5.1 Geração de carga
Hidráulica:
A máquina universal de ensaio hidráulica pode ser fabricada utilizando o uma unidade hidráulica que é capaz de promover a aplicação de carga nas amostras. Uma das principais vantagens deste sistema é a capacidade de gerar grandes cargas, entretanto o controle da velocidade e deslocamento da travessa móvel são prejudicados.
Eletromecânica:
A máquina universal de ensaio eletromecânica pode ser fabricada utilizando servomotor que é capaz de promover a aplicação de carga controlada e precisa nas amostras. Uma das principais vantagens deste sistema é a capacidade de controle da velocidade e de deslocamento da travessa móvel. Uma das desvantagens são para a fabricação de máquinas com capacidade de carga acima de 100 toneladas.
1.5.2 Tipos de ensaios
Ensaio estático:
O ensaio mecânico estático consiste na aplicação de uma velocidade constante de carregamento em uma amostra ou produto, medindo-se a deformação sofrida por este ou a tensão resultante.
Ensaio dinâmico:
O ensaio mecânico dinâmico ou ensaio de fadiga consiste na aplicação de tensão ou deformação mecânica oscilatória (cíclica), que é geralmente senoidal, em uma amostra ou produto, medindo-se a deformação sofrida por este ou a tensão resultante.
1.5.3 Estrutura
A estrutura da máquina universal de ensaio pode ser de 01 coluna ou de duas colunas, a escolha do modelo irá depender da capacidade de carga que se deseja realizar os ensaios e o tamanho das amostras que serão ensaiadas.
A escolha de uma máquina de ensaio de tração de 01 coluna geralmente é indicada para baixas capacidades de carga até 1000 kgf e com amostras de tamanho reduzido.
A escolha de uma máquina de ensaio de tração de 02 colunas é indicado para capacidades de carga maiores que 500 kgf e para amostras que terão dimensões e volumes maiores.
Figura 5 – Máquina Universal de Ensaios – Coluna única e Coluna dupla
1.5.4 Acomodação
A acomodação da máquina universal de ensaio pode ser dividida em Portátil, bancada e autoportante.
O modelo de máquina de ensaio portátil possui a característica de ser possível transportar o equipamento a qualquer lugar onde se deseja realizar os ensaios.
O modelo de máquina de ensaio de bancada possui a característica de ser possível a acomodação sobre uma bancada de apoio.
O modelo de máquina de ensaio de autoportante possui a característica de ser possível autoportante e não necessita de bancada de apoio.
Figura 6 – Máquina Universal de Ensaio, Portátil, de Bancada e Autoportante
1.5.5 Capacidade de carga
A máquina universal de ensaio pode ser classificado com relação a sua capacidade de carga e que podem ser encontradas em uma ampla faixa de 50 kgf a 300.000 kgf, os principais modelos são:
Máquina universal de ensaios de 50 kgf
Máquina universal de ensaios de 200 kgf
Máquina universal de ensaios de 500 kgf
Máquina universal de ensaios de 1.000 kgf
Máquina universal de ensaios de 2.000 kgf
Máquina universal de ensaios de 3.000 kgf
Máquina universal de ensaios de 5.000 kgf
Máquina universal de ensaios de 10.000 kgf
Máquina universal de ensaios de 20.000 kgf
Máquina universal de ensaios de 30.000 kgf
Máquina universal de ensaios de 60.000 kgf
Máquina universal de ensaios de 100.000 kgf
Máquina universal de ensaios de 200.000 kgf
Máquina universal de ensaios de 300.000 kgf
1.6 Tipos de ensaios realizados na máquina universal de ensaio
Ensaios são um conjunto de procedimentos descritos detalhadamente a serem aplicados a diferentes materiais para averiguação dos resultados causados. O importante é que sejam conduzidos de maneira padronizada e controlada, de forma que seus resultados sejam facilmente reconhecíveis e avaliáveis por outras pessoas, e reproduzíveis.
Esses testes padronizados e controlados são chamados de ensaios. A primeira etapa do ensaio é definir as condições e especificações de ensaio. Existem normas técnicas para ensaios (NBR ABNT, ISO, DIN, ASTM e outras).
O primeiro passo é definir onde os testes serão aplicados. Normalmente escolhe-se uma amostra do material, componente ou produto, que é chamada de corpo de prova. Basicamente, os ensaios das propriedades mecânicas dos materiais são classificados como destrutivos ou não destrutivos.
Ensaios destrutivos são aqueles que deixam algum sinal na peça ou corpo de prova submetido ao ensaio, mesmo que estes não fiquem inutilizados.
Ensaios não destrutivos (END ou NDT em inglês – nondestructive testing) são aqueles praticados de forma a não alterar permanentemente suas propriedades físicas, químicas, mecânicas ou dimensionais. Os ensaios não destrutivos implicam um dano imperceptível ou nulo.
As Máquinas de ensaios universais são empregadas na execução de uma grande variedade de ensaios destrutivos, tais como:
Ensaio de tração
O ensaio de tração consiste na aplicação de uma força de tração axial num corpo de prova padronizado, promovendo a deformação do material conforme o esforço. Isso provoca o alongamento até fraturar o material. Devido à facilidade de execução e reprodutibilidade dos resultados, este ensaio é amplamente utilizado.
Ensaio de compressão
O ensaio de compressão analisa como o material responde ao ser pressionado. É baseado na aplicação uniaxial de carga compressiva em um corpo de prova, que tende a causar um encurtamento ou ruptura do material.
Ensaio de flexão
O ensaio de flexão aplica uma carga crescente em determinados pontos de uma viga bi apoiada – geralmente, em três ou quatro pontos. Simultaneamente, a carga aplicada e a deflexão da barra são monitoradas. Uma de suas características é trabalhar apenas no regime elástico de deformação.
Ensaio de cisalhamento
O ensaio de cisalhamento determina a resistência do material às forças que atuam sobre ele, provocando um deslocamento em planos diferentes, mas mantendo a constância do volume. Esse processo chama-se cisalhamento. O ensaio consiste na aplicação de uma força perpendicular ao eixo longitudinal do corpo de prova. Ao reagir a essa força, o material desenvolve em sua seção transversal uma resistência ao cisalhamento.
Ensaio de dobramento
O ensaio de dobramento consiste em dobrar um corpo de prova, gerando uma deformação predominantemente plástica no material dúctil. O ensaio utiliza uma barra de seção transversal constante, que pode ser circular, retangular ou tubular, assentado em dois apoios afastados a uma distância especificada em função das dimensões do corpo de prova.
Ensaio de embutimento
O ensaio de embutimento avalia a estampabilidade de materiais, relacionando propriedades mecânicas e estruturais da peça com as máximas deformações possíveis de ser realizadas sem que ocorra ruptura.
Ensaio de Arrancamento
O ensaio de arrancamento é usado para determinar a força necessária para remover uma parte de um material de outra parte. Esse teste é comumente usado em aplicações onde a aderência entre duas partes é crucial, como em soldas, fixadores e adesivos. No ensaio de arrancamento, uma amostra do material é fixada a uma base e uma força é aplicada para separar as duas partes. A força necessária para arrancar a amostra é registrada e utilizada para avaliar a aderência entre as superfícies.
Ensaio de Aderência
O ensaio de aderência é usado para determinar a força de aderência entre duas superfícies. Esse teste é importante para aplicações onde a aderência entre duas superfícies é crucial, como em pinturas, revestimentos e adesivos. No ensaio de aderência, uma amostra do material é submetida a uma força de tração ou cisalhamento para separar as duas superfícies em contato. A força necessária para a separação é registrada e utilizada para avaliar a aderência entre as superfícies.
Ensaio de Fadiga
O ensaio de fadiga é usado para determinar a resistência de um material à fadiga, que é o enfraquecimento do material devido a ciclos repetidos de tensão ou deformação. Esse teste é crucial para aplicações onde o material pode ser submetido a ciclos repetidos de tensão ou deformação, como em componentes de máquinas, estruturas de aeronaves e implantes médicos. No ensaio de fadiga, uma amostra do material é submetida a uma carga cíclica que varia em magnitude ao longo do tempo. A amostra é submetida a um número específico de ciclos até que ocorra a falha.
1.7 Vídeos sobre a máquina universal de ensaio
Ensaios são um conjunto de procedimentos descritos detalhadamente a serem aplicados a diferentes materiais para averiguação dos resultados causados. O importante é que sejam conduzidos de maneira padronizada e controlada, de forma que seus resultados sejam facilmente reconhecíveis e avaliáveis por outras pessoas, e reproduzíveis.
Conclusão
você viu neste artigo como a máquina universal de ensaios pode realizar os mais diversos tipos de ensaios em amostras e em produtos. Ainda conheceu as principais características e modelos de máquinas, além dos principais tipos de ensaios.
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