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.
- [message]
- ##exclamation-triangle## Atenção
- Note que a fragilidade não é uma propriedade normalmente desejável, já que tudo pode estar sujeito ao impacto em algum momento ou outro. Quantas vezes você deixou seu celular cair no chão? Pense como você se sentiria se você tivesse que trocá-lo toda vez que ele caísse no chão acidentalmente?
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 tração é um ensaio de
resistência unidirecional / uniaxial realizado normalmente a temperatura
ambiente e portanto não era representativo das condições de trabalho que
os navios “liberty” dos Estados Unidos estavam sendo submetidos:
- Temperaturas mais baixas;
- Estado de tensão triaxial (Tensão nos três eixos - X, Y
e Z);
- Carga aplicada de maneira dinâmica (impacto);
Depois de grandes perdas humanas e
materiais pela falha em serviço desses navios, foram desenvolvidos ensaios
específicos para impactos.
A resistência ao impacto é
grandemente afetada pela temperatura mas também por condições que não podem ser
facilmente implementadas em um ensaio comum de tração:
- Existência de trincas ou entalhes;
- Velocidade de aplicação da carga;
Os navios de transporte dos Estados
Unidos eram dúcteis onde foram fabricados e testados, diferentemente deles nas
águas frias da Europa. Com isso concluímos que existem materiais frágeis
e materiais fragilizáveis, como por exemplo as soldas dos navios liberty.
Mesmo utilizando materiais dúcteis,
com resistência suficiente para suportar uma determinada aplicação ou carga,
verificou-se na prática que um material dúctil pode romper-se de forma frágil,
após uma dada temperatura.
O ensaio de impacto consiste em
submeter um corpo de prova entalhado, padronizado, a uma flexão provocada por
impacto por um martelo(hammer na figura abaixo) pendular.
O ensaio de impacto permite obter a
energia utilizada na deformação e fratura do corpo de prova. Esta energia é a
medida da diferença entre a altura inicial do pêndulo h e a altura máxima
atingida após a ruptura do corpo de prova 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 frágil será o comportamento do material
aquela temperatura.
Finalidade do ensaio de impacto
O ensaio de impacto é aplicado por
exigência de normas (ASME, AWS, DIN, ISO, etc) e temos diversas razões para
utilizá-lo.
Uma das razões é avaliar os
materiais em equipamentos que operarão em baixas temperaturas. Mais
especificamente, é utilizado na avaliação do comportamento frágil dos materiais
e age como ferramenta auxiliar para estudo da temperatura de transição
dúctil-frágil dos materiais.
O resultado dessa avaliação, porém,
tem significação e interpretação limitados e seu resultado não é
conclusivo. Por esta razão, o ensaio deve-se restringir à comparação de
materiais ensaiados nas mesmas condições.
Para resultados mais quantificáveis,
deve-se utilizar o ensaio CTOD e, alternativamente, o ensaio de queda livre ou
drop weight test.
A explicação da limitação do ensaio
de impacto é devido ao fato das componentes das tensões triaxiais presentes no
corpo de prova durante o ensaio não podem ser medidas satisfatoriamente porque
dependem de diversos fatores.
Assim, não é podemos relacionar a energia
absorvida pelo corpo de prova com o comportamento do metal a um
impacto qualquer, o que somente aconteceria se a peça inteira fosse ensaiada
nas condições de trabalho.
Pode-se também utilizar o ensaio de
impacto para avaliar o sucesso (ou fracasso) de condições de fabricação, como a
soldagem ou ciclos de tratamentos térmicos 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 é padronizado por
normas (ASTM A370 por exemplo) e provido de um entalhe de medidas também
padronizadas para permitir a localização da fratura e produzir um estado
triaxial de tensões.
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 é o mais usado sem sombra de dúvida. É tão usado que o
ensaio de impacto é chamado as vezes de "charpy" (pronuncia-se com
som mais forte no Y).
Corpo de prova Charpy
Os corpos de prova Charpy são
classificados em tipo A. B e C, com seção 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 são apoiados de forma centralizada e a distância entre
esses apoios é de 40 mm.
A figura abaixo mostra o formato,
dimensões e os entalhes desses três tipos de corpos de prova.
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 seção
quadrada de 10 mm, comprimento de 75 mm, entalhe a uma distância de 28 mm de
uma das extremidades, em forma de V. É engastado na sua parte maior, e o
entalhe fica próximo ao ponto de engaste.
Os corpos de prova com entalhes mais
profundos (Exemplo Izod e Charpy tipo A) são empregados para mostrar a
diferença de energias absorvidas nos ensaios de metais mais dúcteis. Esses cps
têm a tendência de ocasionar fraturas frágeis 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 |
O corpo de prova Izod é engastado
(preso) na máquina de ensaio.
Corpos de prova reduzidos
No caso de materiais cujas dimensões
não permitem a confecção de corpos de prova normais (espessura menor que 11
mm), é possível retirar os corpos de prova reduzidos. Porém o comprimento, o
raio do entalhe e o ângulo 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 após
tratamento térmico, quando aplicável. 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 orientação e direção para a
confecção do entalhe implicam em alterações significativas nos resultados do
ensaio.
Temos a seguir três posições de retirada e/ou posicionamento do entalhe em corpos de prova Charpy, retirados de posições diferentes de uma chapa de aço.
Três possibilidades de retirada e posicionamento do entalhe em corpos de prova Charpy |
Ensaio de impacto (diferentes posições de retirada) |
O corpo de prova B também tem entalhe transversal. Só que, neste caso, o entalhe atravessa o núcleo 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 |
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 de tal maneira que sua energia cinética no ponto de impacto tenha um valor fixo e especificado. O martelo é solto e bate no corpo de prova pelo lado oposto ao entalhe.
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.
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 é do tipo “V”, mas há também entalhes na forma de “U” ou fenda terminada em furo. As dimensões para o entalhe tipo V são:
- Comprimento 55 mm;
- Seção 10 x 10 mm;
- Entalhe a 45º;
- 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.
Considerações 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 é o mais recomendado por ser de mais simples posicionamento na máquina. O manuseio dos cps pode ser feito com o uso de uma tenaz (tipo de garra) apropriada para suas dimensões. É também o ensaio de impacto mais barato, em comparação 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, então 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 tração, também é possível estimar a ductilidade do material apenas observando a região fraturada do corpo de prova. Quanto maior for o percentual de cisalhamento mais dúctil será o material (veja no tópico de tração).
Avaliação dos resultados
Os critérios de avaliação deste ensaio são:- Energia absorvida pelo corpo de prova. A energia absorvida nos corpos de prova ensaiados é lida no mostrador da máquina;
- A característica e percentual da fratura (dúctil ou frágil). O percentual de cisalhamento é função da área da porção da fratura que tem aspecto brilhante.
- 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.
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 não ensaiado(em baixo);
- cp após ensaio(do meio);
- cp/material muito dúctil(de cima);
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