Ensaio de Impacto

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## 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?
O ensaio ganhou importância a partir da segunda guerra mundial, quando navios passaram a usar chapas soldadas no lugar da tradicional construção 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 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’)
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
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
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
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 posições de retirada)
Ensaio de impacto (diferentes posições 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 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
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.

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:
  1. Energia absorvida pelo corpo de prova. A energia absorvida nos corpos de prova ensaiados é lida no mostrador da máquina;
  2. 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.
  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 não ensaiado(em baixo);
  • cp após ensaio(do meio);
  • cp/material muito dúctil(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 parágrafo abaixo e cole na sua seção de bibliografia (ou referências bibliográficas). Lembre-se de substituir os "X" maiúsculos 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 citação segue a norma ABNT NBR 6023 (Sim ela foi revisada).

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Aço Carbono,27,Aço Cromo,2,Aço Cromo Molibdênio,3,Aço Cromo Níquel Molibdênio,6,Aço Cromo Vanádio,1,Aço Inoxidável,11,Aço Manganês,1,Afinidade-Eletronica,87,AISI,11,ASTM,72,Calor Específico,30,Calor-Fusao,93,Calor-Vaporizacao,96,Composição Química,138,Condutividade-Eletrica,79,Condutividade-Termica,104,Densidade,240,Dilatacao-Termica,85,Distribuicao-Eletronica,109,Elementos-Quimicos,109,Eletronegatividade,102,Energia-de-Ionizacao,102,Ensaios Destrutivos,14,Estados-de-Oxidacao,104,Estrutura-Cristalina,95,Familia,78,Grupo,109,Isotopos,109,Livros,3,Massa Específica,14,Massa-Atômica,140,Massa-Molar,65,Massa-Molecular,46,Modulo-de-Elasticidade,81,Numero-Atomico,109,Periodo,106,Peso Específico,87,Ponto-de-Ebulição,140,Ponto-de-Fusão,164,Potencial-de-Ionizacao,101,Propriedades,7,Químicas,20,Raio-Atomico,86,Raio-Covalente,87,Raio-Ionico,78,SAE 10XX,24,SAE 13XX,1,SAE 41XX,3,SAE 43XX,2,SAE 5XXX,2,SAE 61XX,1,SAE 86XX,3,SAE 93XX,1,Simbolo-Quimico,109,Termos Técnicos,30,Valencia,98,Viscosidade,49,Volume-Atomico,94,
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