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Notas sobre Ensaios III

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Tópicos: Ensaio de Fadiga | Ensaio de Impacto |

1) Ensaio de Fadiga

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Fadiga é uma falha que pode ocorrer sob solicitações bastante inferiores ao limite de resistência do metal, isto é, na região elástica. É consequência de esforços alternados, que produzem trincas, em geral na superfície, devido à concentração de tensões. No exemplo da Figura 1-I, uma barra submetida a um esforço de flexão alternado pode apresentar pequenas trincas em lados opostos A e B. Com a continuidade do esforço alternado, as trincas aumentam, reduzindo a área resistente da seção. A ruptura de dá quando essa área se torna suficientemente pequena para não mais resistir à solicitação aplicada (C).


Fig 1-I

A fratura por fadiga é visualmente identificável. A área de ruptura C tem um aspecto distinto da restante, que se forma gradualmente. A fadiga é um processo progressivo, mas a ruptura é brusca, falha que pode ser crítica em muitos casos.

Um ensaio de fadiga por flexão pode ser feito com um arranjo conforme Figura 1-II. Um motor gira um corpo de prova C. Os rolamentos externos são fixos em apoios e os internos recebem uma carga P, produzindo um esforço de flexão alternado devido à rotação do corpo de prova.


Fig 1-II

Portanto, um ciclo completo de flexão alternada é aplicado a cada volta do eixo e o número de voltas é registrado pelo contador A. Quando o corpo se parte por fadiga, o contador deixa de ser acionado e sua indicação é o número de ciclos que o corpo suportou com a carga P. Dadas as dimensões do corpo de prova, é possível calcular a tensão de flexão em função de P. Repetindo o ensaio para diversos valores de P, é possível elaborar um gráfico relacionando o número de ciclos até a ruptura com a tensão de flexão (Figura 1-III).


Fig 1-III

A curva superior é típica de um aço-carbono 0,5% C endurecido; a curva intermediária, de uma liga de alumínio e a inferior, de um ferro fundido. Pode-se notar que o aço tem um limite de resistência à fadiga, isto é, uma tensão abaixo da qual a vida da peça sob flexão alternada é teoricamente infinita.


2) Ensaio de Impacto

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A tenacidade de um material, avaliada a partir do ensaio de tração, pode dar uma idiia da 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 afetada pela existência de trincas ou entalhes e pela velocidade de aplicação da carga, condições que não podem ser facilmente implementadas em um ensaio comum de tração. A temperatura também exerce significativa influência.


Fig 2-I

O ensaio de impacto é simples conforme pode ser visto pelo esquema da Figura 2-I (a): um corpo de prova padronizado com um entalhe é rompido pela ação de um martelo em forma de pêndulo. O princípio de operação pode ser analisado pela vista lateral (b) da mesma figura. 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 diferenças entre as energias potenciais em h0 e em h1. Na prática, o instrumento tem uma escala graduada, com indicador de valor máximo, para 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 metro (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.


Fig 2-II

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 2-II (a). O entalhe comum é tipo "V", mas há também padrão em forma de "U" ou fenda terminada em furo (dimensões para V: comprimento 55 mm, seção 10 x 10 mm, entalhe a 45° profundidade 2 mm). Há padrões especiais (sem entalhe) para materiais como ferro fundido.

No padrão Izod, o corpo é engastado em um lado e recebe o impacto na outra extremidade conforme Figura 2-II (b).


Fig 2-III

Conforme mencionado, a resistência ao impacto dos materiais varia com a temperatura. As curvas do gráfico da Figura 2-III indicam, de forma aproximada, variações da energia de impacto Charpy para aços-carbono de diferentes teores de C, todos eles aquecidos (para formação da austenita) a 870°C por 4 horas e resfriados lentamente, de forma que a estrutura é basicamente ferrita e perlita.

Nota-se que há uma temperatura ou 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 é válido apenas para o corpo de prova. Não significa que, por exemplo, uma peça prática de aço com 0,6% C sofrerá sempre fratura frágil em temperatura ambiente.
Referências
Bouché, Ch. Leitner, A. Sans, F. Dubbel. Manual da Construção de Máquinas. São Paulo, Hemus, 1979.
Faires, V. M. Elementos Orgânicos de Máquinas. Rio, Livros Técnicos, 1976.
Chiaverini, V. Aços e Ferros Fundidos. São Paulo, ABM, 1982.

Topo | Rev: Set/2009