Ensaio de Impacto ūüí™ {Atualizado em 2021}

ensaio de impacto

O que é o ensaio de impacto?

O ensaio de impacto é utilizado para entender e avaliar a fragilidade dos metais. A fragilidade dos metais está associada a característica ou propriedade que esse metal tem de atingir a ruptura (ou fratura) sem sofrer deformação apreciável.
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    • ##exclamation-triangle## Aten√ß√£o
      • Note que a fragilidade n√£o √© uma propriedade normalmente desej√°vel, j√° que tudo pode estar sujeito ao impacto em algum momento ou outro. Quantas vezes voc√™ deixou seu celular cair no ch√£o? Pense como voc√™ se sentiria se voc√™ tivesse que troc√°-lo toda vez que ele ca√≠sse no ch√£o acidentalmente?
O ensaio ganhou import√Ęncia a partir da segunda guerra mundial, quando navios passaram a usar chapas soldadas no lugar da tradicional constru√ß√£o rebitada. 

Até a época, este comportamento frágil não era entendido porque não podia ser previsto por nenhum outro ensaio executado, como por exemplo pelo ensaio de tração.

O ensaio de tra√ß√£o √© um ensaio de resist√™ncia unidirecional / uniaxial realizado normalmente a temperatura ambiente e portanto n√£o era representativo das condi√ß√Ķes de trabalho que os navios “liberty” dos Estados Unidos estavam sendo submetidos:
  • Temperaturas mais baixas;
  • Estado de tens√£o triaxial (Tens√£o nos tr√™s eixos - X, Y e Z);
  • Carga aplicada de maneira din√Ęmica (impacto);
Depois de grandes perdas humanas e materiais pela falha em serviço desses navios, foram desenvolvidos ensaios específicos para impactos.

A resist√™ncia ao impacto √© grandemente afetada pela temperatura mas tamb√©m por condi√ß√Ķes que n√£o podem ser facilmente implementadas em um ensaio comum de tra√ß√£o:
  • Exist√™ncia de trincas ou entalhes;
  • Velocidade de aplica√ß√£o da carga;
Os navios de transporte dos Estados Unidos eram d√ļcteis onde foram fabricados e testados, diferentemente deles nas √°guas frias da Europa. Com isso conclu√≠mos que existem materiais fr√°geis e materiais fragiliz√°veis, como por exemplo as soldas dos navios liberty.

Mesmo utilizando materiais d√ļcteis, com resist√™ncia suficiente para suportar uma determinada aplica√ß√£o ou carga, verificou-se na pr√°tica que um material d√ļctil pode romper-se de forma fr√°gil, ap√≥s uma dada temperatura.

O ensaio de impacto consiste em submeter um corpo de prova entalhado, padronizado, a uma flex√£o provocada por impacto por um martelo(hammer na figura abaixo) pendular.

O ensaio de impacto permite obter a energia utilizada na deforma√ß√£o e fratura do corpo de prova. Esta energia √© a medida da diferen√ßa entre a altura inicial do p√™ndulo h e a altura m√°xima atingida ap√≥s a ruptura do corpo de prova h’.

Altura do ensaio de impacto (h e h’)
Altura do ensaio de impacto (h e h’)
Observe que quanto menor for h’, mais energia foi absorvida pelo corpo de prova. Por outro lado, quanto menor for a energia absorvida(maior h’), mais fr√°gil ser√° o comportamento do material aquela temperatura.

Finalidade do ensaio de impacto

O ensaio de impacto √© aplicado por exig√™ncia de normas (ASME, AWS, DIN, ISO, etc) e temos diversas raz√Ķes para utiliz√°-lo.

Uma das raz√Ķes √© avaliar os materiais em equipamentos que operar√£o em baixas temperaturas. Mais especificamente, √© utilizado na avalia√ß√£o do comportamento fr√°gil dos materiais e age como ferramenta auxiliar para estudo da temperatura de transi√ß√£o d√ļctil-fr√°gil dos materiais.

O resultado dessa avalia√ß√£o, por√©m, tem significa√ß√£o e interpreta√ß√£o limitados e seu resultado n√£o √© conclusivo. Por esta raz√£o, o ensaio deve-se restringir √† compara√ß√£o de materiais ensaiados nas mesmas condi√ß√Ķes. 

Para resultados mais quantific√°veis, deve-se utilizar o ensaio CTOD e, alternativamente, o ensaio de queda livre ou drop weight test.

A explica√ß√£o da limita√ß√£o do ensaio de impacto √© devido ao fato das componentes das tens√Ķes triaxiais presentes no corpo de prova durante o ensaio n√£o podem ser medidas satisfatoriamente porque dependem de diversos fatores.

Assim, n√£o √© podemos relacionar a energia absorvida pelo corpo de prova com o comportamento do metal a um impacto qualquer, o que somente aconteceria se a pe√ßa inteira fosse ensaiada nas condi√ß√Ķes de trabalho.

Pode-se tamb√©m utilizar o ensaio de impacto para avaliar o sucesso (ou fracasso) de condi√ß√Ķes de fabrica√ß√£o, como a soldagem ou ciclos de tratamentos t√©rmicos impostos.

Outra aplicação bem comum também é para validação do procedimento de soldagem utilizado em determinada junta soldada. Não basta saber se o material é adequado, a solda também deve ser avaliada.

Tipos de corpos de prova

O corpo de prova √© padronizado por normas (ASTM A370 por exemplo) e provido de um entalhe de medidas tamb√©m padronizadas para permitir a localiza√ß√£o da fratura e produzir um estado triaxial de tens√Ķes.

Os corpos de prova geralmente utilizados para a realização do ensaio de impacto são: corpo de prova charpy e corpo de prova izod, ambos especificados pela norma ASTM E23.

Desses dois, o tipo de cp (corpo de prova) tipo charpy √© o mais usado sem sombra de d√ļvida. √Č t√£o usado que o ensaio de impacto √© chamado as vezes de "charpy" (pronuncia-se com som mais forte no Y).

Corpo de prova Charpy

Os corpos de prova Charpy s√£o classificados em tipo A. B e C, com se√ß√£o quadrada de 10 mm, comprimento de 55 mm e entalhes no centro do corpo de prova. 

O tipo A tem o entalhe na forma de V, o tipo B na forma de buraco de fechadura e o tipo C na forma de U. Os corpos de prova tipo Charpy s√£o apoiados de forma centralizada e a dist√Ęncia entre esses apoios √© de 40 mm.

A figura abaixo mostra o formato, dimens√Ķes e os entalhes desses tr√™s tipos de corpos de prova.

Três tipos de corpos de prova de charpy
Três tipos de corpos de prova de charpy
O corpo de prova Charpy é apoiado na máquina de ensaio.

Corpo de prova Izod

O corpo de prova Izod tem se√ß√£o quadrada de 10 mm, comprimento de 75 mm, entalhe a uma dist√Ęncia de 28 mm de uma das extremidades, em forma de V. √Č engastado na sua parte maior, e o entalhe fica pr√≥ximo ao ponto de engaste.

Os corpos de prova com entalhes mais profundos (Exemplo Izod e Charpy tipo A) s√£o empregados para mostrar a diferen√ßa de energias absorvidas nos ensaios de metais mais d√ļcteis. Esses cps t√™m a tend√™ncia de ocasionar fraturas fr√°geis mais facilmente.

Em ensaio de materiais mais frágeis, como é o caso do FoFo (ferro fundido) ou metais fundidos sob pressão, os corpos de prova normalmente não necessitam do entalhe. Isso porque o material já é naturalmente mais frágil.

Corpo de prova Izod
Corpo de prova Izod
O corpo de prova Izod é engastado (preso) na máquina de ensaio.

Corpos de prova reduzidos

No caso de materiais cujas dimens√Ķes n√£o permitem a confec√ß√£o de corpos de prova normais (espessura menor que 11 mm), √© poss√≠vel retirar os corpos de prova reduzidos. Por√©m o comprimento, o raio do entalhe e o √Ęngulo do entalhe do corpo de prova permanecem constantes.

Usinagem do Entalhe

Devemos dispor de equipamentos adequados e meios de controle de perfil do entalhe, pois uma pequena variação na usinagem do entalhe pode introduzir grandes erros no resultado do ensaio.

Obs.: A Petrobras através de suas normas exige a verificação do entalhe em um projetor de perfis antes da realização do ensaio de impacto charpy por exemplo.

A usinagem do entalhe pode ser feita por meio de brochadeira, plaina ou fresadora, e o seu perfil deve ser controlado por um projetor de perfil. 

Sempre que eu vou acompanhar um ensaio de impacto eu peço para o operador colocar um corpo de prova no projetor de perfil para que eu possa avaliar a conformidade do entalhe.

Os entalhes devem ser usinados ap√≥s tratamento t√©rmico, quando aplic√°vel. Corpos de prova entalhados em forma de "buraco de fechadura" devem ter o furo circular cuidadosamente aberto com baixa velocidade de corte. 

O corte da ranhura pode ser executado por qualquer método aplicável, mas de forma que a superfície do furo não fique defeituosa.

Retirada dos Corpos de Prova

As normas especificam o local de retirada dos corpos de prova, uma vez que sua orienta√ß√£o e dire√ß√£o para a confec√ß√£o do entalhe implicam em altera√ß√Ķes significativas nos resultados do ensaio.

Temos a seguir tr√™s posi√ß√Ķes de retirada e/ou posicionamento do entalhe em corpos de prova Charpy, retirados de posi√ß√Ķes diferentes de uma chapa de a√ßo.

Três possibilidades de retirada e posicionamento do entalhe em corpos de prova Charpy
Três possibilidades de retirada e posicionamento do entalhe em corpos de prova Charpy
Três possibilidades de retirada e posicionamento do entalhe em corpos de prova Charpy
Submetidos ao ensaio de impacto, esses corpos apresentaram três curvas diferentes, como mostra o gráfico a seguir.

Ensaio de impacto (diferentes posi√ß√Ķes de retirada)
Ensaio de impacto (diferentes posi√ß√Ķes de retirada)
No corpo de prova A, o entalhe está transversal às fibras do material. A curva A mostra que este foi o corpo de prova que apresentou a maior quantidade de energia absorvida.

O corpo de prova C, que possui entalhe no sentido da fibra (o que favorece o cisalhamento), tem a menor absorção de energia possível.

O corpo de prova B tamb√©m tem entalhe transversal. S√≥ que, neste caso, o entalhe atravessa o n√ļcleo da chapa, cortando todas as fibras transversalmente.

A curva encontra-se numa situação intermediária, em comparação com as outras duas. Essa relação entre as curvas permanece constante, qualquer que seja a temperatura do ensaio.

Técnica de Ensaio

O ensaio de impacto pode ser visto pelo esquema dado abaixo.
Funcionamento do ensaio de charpy
Funcionamento do ensaio de charpy
Um corpo de prova padronizado com um entalhe é rompido pela ação de um martelo na forma de pêndulo (a). O princípio de operação pode ser analisado pela vista lateral (b) da mesma figura.

Sup√Ķe-se que o p√™ndulo seja levado at√© uma posi√ß√£o tal que o seu centro de gravidade fique a uma altura h0 em rela√ß√£o a uma refer√™ncia de tal maneira que sua energia cin√©tica no ponto de impacto tenha um valor fixo e especificado. O martelo √© solto e bate no corpo de prova pelo lado oposto ao entalhe.

Desprezando a resist√™ncia do ar e o atrito no piv√ī, uma vez liberado e na aus√™ncia do corpo de prova, o p√™ndulo dever√° atingir mesma altura do outro lado pelo princ√≠pio da conserva√ß√£o da energia.

Depois de romper o corpo de prova, o martelo sobe até uma altura que é inversamente proporcional a energia absorvida para deformar e romper o corpo de prova. Assim, quanto menor for altura atingida pelo martelo, mais energia o corpo de prova absorveu. Essa energia é lida diretamente na máquina de ensaio.

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 leitura direta da diferença de energias. Por ser energia, a resistência ao impacto em relatórios é geralmente registrada em Joules (J). No entanto, a energia absorvida pelo corpo de prova pode também ser expressa em kgf/m (quilograma-força por metro) ou lb/ft (libra por pé) ou J (Joule). Algumas máquinas mais antigas no Brasil costumam exibir a energia em kgf/m sendo necessária a conversão para Joule.

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 acima(a).

O entalhe mais comum √© do tipo “V”, mas h√° tamb√©m entalhes na forma de “U” ou fenda terminada em furo. As dimens√Ķes para o entalhe tipo V s√£o:
  • Comprimento 55 mm;
  • Se√ß√£o 10 x 10 mm;
  • Entalhe a 45¬ļ;
  • Profundidade 2 mm.

Equipamento

O equipamento do ensaio é basicamente constituído de um pêndulo (martelo) que é solto em queda livre de uma altura fixada, um local de apoio do corpo de prova e um instrumento de medição, que contém um mostrador com escala graduada.

Este mostrador permite determinar a energia absorvida para romper o corpo de prova, por meio da diferença entre a altura inicial e a altura final atingida pelo pêndulo.

Considera√ß√Ķes sobre o ensaio

A temperatura de ensaio está diretamente relacionada com os resultados obtidos em material de baixa e média resistência e deve, portanto, ser registrada no resultado junto com o tipo de corpo de prova que foi ensaiado.

Os ensaios de impacto são normalmente especificados para baixas temperaturas, porém podem ser realizados também sob temperaturas ambientes ou até sob temperaturas superiores à do ambiente.

Nos casos em que a temperatura de ensaio não é temperatura ambiente, os corpos de prova devem ser inseridos na máquina e rompidos em até cinco segundos (para que não haja variação significativa da temperatura). Em adição a isso, o meio de aquecimento e/ou resfriamento tem que ter um controle para a manutenção e homogeneização da temperatura.

O ensaio charpy √© o mais recomendado por ser de mais simples posicionamento na m√°quina. O manuseio dos cps pode ser feito com o uso de uma tenaz (tipo de garra) apropriada para suas dimens√Ķes. √Č tamb√©m o ensaio de impacto mais barato, em compara√ß√£o com ensaios como o de CTOD.

Alguns cuidados devem ser tomados quando da execução do ensaio de impacto. Por exemplo, antes do início do ensaio, a máquina deve ser verificada por meio de uma oscilação livre do pêndulo, de modo que o pêndulo liberado em queda livre indique uma energia nula no mostrador da máquina.

Caso este procedimento revele que o mostrador registra algum valor de energia, ent√£o este valor deve ser retirado dos resultado obtidos durante o ensaio com corpo de prova.

Não é recomendável efetuar apenas um ensaio de impacto para se tirar alguma conclusão do material ensaiado, mesmo tomando-se o máximo cuidado na realização do mesmo.

Como os resultados de vários corpos de prova de um mesmo material podem variar entre si, é necessário fazermos, no mínimo, três ensaios para se ter uma média aceitável como resultado. Cada três corpos de prova de um mesmo local é chamado de set, exemplo: 1 set da solda, 1 set da ZAC etc...

Como no ensaio de tra√ß√£o, tamb√©m √© poss√≠vel estimar a ductilidade do material apenas observando a regi√£o fraturada do corpo de prova. Quanto maior for o percentual de cisalhamento mais d√ļctil ser√° o material (veja no t√≥pico de tra√ß√£o).

Avaliação dos resultados

Os critérios de avaliação deste ensaio são:
  1. Energia absorvida pelo corpo de prova. A energia absorvida nos corpos de prova ensaiados é lida no mostrador da máquina;
  2. A caracter√≠stica e percentual da fratura (d√ļctil ou fr√°gil). O percentual de cisalhamento √© fun√ß√£o da √°rea da por√ß√£o da fratura que tem aspecto brilhante.
  3. Percentual de expansão lateral do corpo de prova. A expansão lateral é o acréscimo da face oposta ao entalhe, na direção do próprio entalhe, após a ruptura do corpo de prova. Este critério é muito raro e quase nunca é exigido.
O principal resultado do ensaio de impacto é a energia absorvida pelo corpo de prova para se deformar e romper.

A energia é calculada pela variação da energia potencial do martelo (componente da máquina de ensaio de impacto) antes e após o impacto. Lembrando que quanto menor for a energia absorvida, mais frágil será o material naquela temperatura.

Veja na figura abaixo exemplos de corpos de prova charpy:
  • cp n√£o ensaiado(em baixo);
  • cp ap√≥s ensaio(do meio);
  • cp/material muito d√ļctil(de cima);
Note que não é esperado que o material não quebre, ou seja, esperamos que o material quebre/frature como o cp do meio na figura abaixo. O cp que não quebra pode causar danos a máquina de ensaio e sua possível descalibração.

Exemplos de corpos de prova charpy
Exemplos de corpos de prova charpy
A avaliação dos resultados do ensaio deve estar de acordo com a norma, especificação ou projeto nos quais são definidos os valores médios e mínimos aceitáveis para considerar os ensaios como aprovados.

Referências Bibliográficas

Citação

Gostaria de citar este meu artigo em seu trabalho ou monografia? 

Copie o par√°grafo abaixo e cole na sua se√ß√£o de bibliografia (ou refer√™ncias bibliogr√°ficas). Lembre-se de substituir os "X" mai√ļsculos pelas datas da sua consulta.

LUZ, Gelson. Ensaio de Impacto. Blog Materiais, [s. l], 2017. Disponível em: https://www.materiais.gelsonluz.com/2017/10/ensaio-de-impacto.html. Acesso em: XX de XXXX de 20XX.

Obs.: Esta cita√ß√£o segue a norma ABNT NBR 6023 (Sim ela foi revisada).

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