Ensaio de Tração

Ensaio de tração

Introdução

O ensaio de tração consiste em submeter um corpo de prova de geometria definida (formas e dimensões padronizadas) a um esforço crescente na direção axial que tende a alonga-lo, levando-o a se romper.

Os esforços utilizados para realização do ensaio são medidos na própria máquina e o ensaio ocorre até a ruptura do material.

Corpo de prova de tração rompendo
Corpo de prova de tração rompendo

O ensaio de tração, as vezes conhecido como ensaio de "estricção", é feito em corpos de prova padronizados por normas (ASTM, ASME, ABNT e outras). Isso se faz necessário para que os resultados obtidos possam ser comparados ou, se necessário, reproduzidos.

Para a escolha da dimensão padronizada do corpo de prova também deve ser levada em consideração a capacidade da máquina de tração, disponível para a realização do ensaio.Eu já vivi um caso que o laboratório fez um cp (corpo de prova) que tinha as extremidades tão pequenas que a máquina de ensaio não conseguia prender. A solução foi fazer uma adaptação mas você deve evitar esse tipo de situação.

O ensaio de tração é um dos ensaios mecânicos mais utilizados. Ele tem como objetivo fornecer dados relativos à capacidade de um sólido de suportar solicitações aplicadas a uma estrutura. As vezes usamos o termo "carga" ou "tensões" no lugar de solicitações.

Procedimento do ensaio de tração

Este é um sugerido guia passo a passo para a execução de ensaio de tração de ensaios metálicos a temperatura ambiente ou 25ºC. Acredito que vai ajudar os estudantes a melhor visualizar o funcionamento do ensaio de tração e dar as bases para o seu acompanhamento.
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    • ##exclamation## Atenção
      • Obs.: Existem ensaios de tração para outros materiais como polímeros (polipropileno por exemplo) que são envelhecidos a alta temperatura por vários dias, antes de serem de fato ensaiados. A ideia aqui é focar em materiais metálicos que são mais comuns no dia a dia do inspetor de soldagem (minha área).

1) Preparação da máquina de ensaio de tração

Quando do início do ensaio ou caso haja longos períodos de inatividade da máquina, deve-se testar ou mesmo esquentar a máquina até as temperaturas de testes, com o objetivo de minimizar erros de leitura.

2) Inspeção e medição das dimensões dos corpos de prova

Dimensões incorretas e falhas na preparação do corpo de prova pode fornecer dados incorretos e invalidar o ensaio.

3) Marcação do comprimento inicial do corpo de prova

A marcação e posterior leitura do comprimento final é explicada mais a frente.

4) Zerar a máquina de teste

A máquina deve estar prepara de tal forma que o “zero” indicado pela máquina realmente equivalha a “zero” de força real. Qualquer pré carga aplicada, como na ocasião do posicionamento do corpo de prova, deve ser indicada como diferente de “zero”.

5) Posicionamento do corpo de prova

Em corpos de prova de seção reduzida (cp gravatinha), deve-se limitar a área de pegada à cabeça do cp (definições mais a frente).

6) Execução

A velocidade do teste não pode ser maior que a velocidade máxima que a máquina possui para registrar com precisão a carga aplicada e a deformação.

7) Determinação da tensão limite de escoamento

Existem dois principais métodos para a determinação desta tensão que serão vistos mais a frente.

8) Determinação da tensão limite de resistência a tração

Divisão da carga máxima pela área da seção transversal inicial do corpo de prova.

9) Cálculo do alongamento

É feita em função do comprimento inicial e final do corpo de prova (ver abaixo).

10) Arredondamento, avaliação dos resultados e elaboração do relatório

Algumas referências normativas para a execução o ensaio de tração (materiais metálicos) são ASTM A370 e ASTM E8.

Corpos de prova para ensaio de tração

O corpo de prova é constituído de cabeças e parte útil, unida pela zona de concordância. As cabeças são as partes extremas, utilizadas para fixar o corpo de prova à máquina. A parte útil é a seção reduzida do corpo de prova onde acontece a ruptura e onde serão feitas as diversas determinações.

Quando não é possível retirar o corpo de prova do material a ser ensaiado, realiza-se o ensaio em produtos acabados, como acontecem com os tubos de pequeno diâmetro, vergalhões, parafusos, cabos de aço, arames, etc.

Os corpos de prova mais utilizados são os de seção circular, normalmente utilizado quando o produto acabado é de seção circular. Pode ser retangular caso o cp seja retirado de placas, chapas ou lâminas.

A fixação de tubos de pequeno diâmetro à máquina de ensaios é feita por meio de garras colocadas de cada lado do tubo e de um mandril na parte interna.

Em materiais soldados, podemos retirar corpos de prova no sentido longitudinal ou transversal da solda, como pode ser observado nas figuras a seguir.

Corpos de prova com a solda no sentido longitudinal ou transversal da solda

Os ensaios dos corpos de prova transversais (figura da esquerda) normalmente determinam apenas o limite de resistência à tração. Isso porque, ao efetuar o ensaio de um corpo de prova com solda, tencionam-se, simultaneamente, dois materiais de propriedades diferentes (metal de base e metal de solda).

Ainda sobre o cp transversal, os valores obtidos no ensaio não representam as propriedades nem de um nem de outro material, e sim da junta soldada, que é uma interação de vários fatores que atuam na junta.

Em corpos de prova longitudinais à solda são determinadas todas as propriedades mecânicas, as quais são referentes unicamente ao metal depositado (Veja a figura da direita). O cp longitudinal é usado principalmente na qualificação do metal de adição.

Gráfico Tensão X Deformação

O ensaio de tração permite que as deformações no material durante o ensaio sejam uniformemente distribuídas no corpo de prova até ser atingida uma carga próxima ao final do ensaio, quando aparece o fenômeno da estricção ou redução da seção transversal do corpo de prova. Em adição a isso, a velocidade lenta de aumento da carga durante todo o teste permite medir satisfatoriamente a resistência a tração do material.

A deformação (uniforme) e a variação desta com a força aplicada é uma informação útil fornecida pela máquina de ensaio. Esta informação é fornecida na forma de gráfico e mostra a relação entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o ensaio e onde é possível analisar o comportamento do material.

Mas o que nos interessa para a determinação das propriedades do material ensaiado é a relação entre tensão e deformação. No ensaio de tração, o registro da curva tensão/ deformação é feito através de medições simultâneas da força F aplicada e da variação do comprimento sofrido pelo corpo de prova durante a realização do ensaio.


A tensão σ, que é expressa em mega pascal (Mpa), Newton por milímetro quadrado (N/mm2) ou em quilograma-força por milímetro quadrado (Kgf/mm2), é calculada dividindo a força F ou carga aplicada, pela área da seção inicial da parte útil do corpo de prova, S0.

Formula da tensão

Deformação ou alongamento é a variação de comprimento entre dois pontos do corpo de prova. A deformação, normalmente expressa em porcentagem, é determinada dividindo a variação de comprimento inicial e final medido entre dois pontos “delta” L (Δl), pelo próprio comprimento inicial Lo.

Calculo do alongamento

Dividindo o valor F por So, e o valor do alongamento “delta” l por Lo que é o comprimento inicial da parte útil, tem-se o gráfico tensão/deformação que apresenta duas regiões: uma é a região elástica e a outra é a plástica.

Gráfico tensão-deformação

A região elástica representa o comportamento elástico do material. Nesta região a deformação é diretamente proporcional à carga aplicada, obedecendo à lei de Hooke:

Lei de Hooke

O módulo de elasticidade representa a rigidez do material. Desta forma, quanto maior o módulo de elasticidade, menor será a deformação elástica provocada por uma certa tensão, ou seja, o metal será mais rígido. Se a carga for aliviada nesta região, em qualquer ponto da reta, o material volta ao ponto de origem (ponto O), seguindo a reta sem qualquer deformação residual ou permanente.

Terminada a zona elástica, no ponto A (chamado de limite de escoamento) do gráfico, inicia-se a zona de deformação plástica, na qual o material exibe deformação permanente após descarregamento total. A linha/curva entre “A” e “B” representa o escoamento do material, onde temos uma grande deformação com pouco (e as vezes nenhum) acréscimo de carga.

Obs.: Existem materiais que não apresentam o limite de escoamento nítido. Na verdade o escoamento nítido é a excessão ao invés da regra mas é dado destaque aqui pois é mais didático na hora de entender o fenômeno do escoamento.

Para esses metais que possuem transição suave do regime elástico para o plástico (a maioria), as deformações plásticas se iniciam no ponto no qual a curva tensão-deformação deixa de ser linear. No entanto, é difícil determinar este ponto precisamente.

Como consequência, criou-se uma convenção na qual é construída uma linha reta paralela à porção elástica, passando pela deformação de 0,2% da deformação total. A tensão correspondente à intersecção desta linha com a curva tensão-deformação é o limite de escoamento (veja exemplo mais abaixo).

A curva BC é a região de encruamento uniforme. Depois de ter grande deformação no escoamento, o material fica com maior resistência à tração conforme vai se aproximando do ponto C, pois o material fica “encruado” ou “endurecido”.

Neste ponto C inicia-se uma deformação localizada, em algum ponto da parte útil do corpo de prova. Essa deformação chama-se estricção, isto é, a diminuição da seção transversal do corpo de prova na região onde se localiza a ruptura. A ruptura finalmente ocorre no ponto D.

Curva convencional X Curva real

Normalmente as tensões no ensaio de tração são calculadas tendo como denominador a área inicial da seção transversal do corpo de prova, sendo este valor aplicado para o cálculo da tensão em qualquer ponto da curva. Entretanto a área do corpo de prova varia ao longo do ensaio.

Quando levantamos a curva tensão deformação baseada no valor fixo da área da secção inicial do corpo de prova obtemos uma curva dita normal, ou de engenharia.

Ao realizarmos os cálculos baseados no valor tomado ponto a ponto da área da seção transversal do corpo de prova, três ocorrências podem ser verificadas. Basicamente não há alteração no trecho reto da curva, referente ao regime elástico.

A curva referente à região de encruamento fica ligeiramente deslocada para cima, e a grande mudança se dá devido à brusca diminuição causada pela estricção que faz com que a tensão após o limite de resistência cresça exponencialmente. A esta curva chamamos curva real.

Curva de tensão de engenharia X curva real

A direita temos o gráfico real de tensão durante o ensaio e a esquerda temos o gráfico dito normal, ou de engenharia.

A figura abaixo compara os diagramas convencionais tensão deformação de alguns aços-carbono, em função da variação do teor de carbono dos mesmos.

Diagramas convencionais tensao deformacao, em funcao da variacao do teor de carbono

Propriedades Mecânicas

As propriedades mecânicas determinadas no ensaio de tração são:
  • Limite de escoamento
  • Limite de resistência à tração
  • Limite de ruptura
  • Alongamento percentual
  • Coeficiente de estricção.

Limite de escoamento

Limite de escoamento é a tensão na qual ocorre o fenômeno de escoamento no material. Fisicamente podemos dizer que o limite de escoamento é a medida da resistência de um material à deformação plástica.

A tensão de escoamento é obtida pela expressão:

Limite de escoamento

O limite de escoamento do material é utilizado pelos projetistas após a consideração de um coeficiente de segurança, como garantia de que o metal especificado trabalhará no regime elástico, pois a deformação plástica deverá ser evitada.

Durante o ensaio de tração, o limite de escoamento (ponto 1) corresponde à carga que se mantém constante ou diminui, enquanto inicia a deformação plástica no corpo de prova. O limite de escoamento se caracteriza por uma oscilação ou uma parada do ponteiro da máquina durante toda a duração do fenômeno.

Indicação do limite de escoamento no gráfico

Existem materiais que não apresentam nitidamente o limite de escoamento. Neste caso para substitui-lo é adotado, por convenção internacional, o limite n ou limite convencional n de escoamento, definido pela expressão:

Limite convencionado de escoamento

Isto significa que o limite n (σn) é a tensão aplicada que, após seu descarregamento, provoca n por cento de deformação permanente.

Para os aços de baixo teor de carbono, especifica-se n como 0,2%, o que corresponde a uma deformação plástica de 0,002 por unidade de comprimento.

Obs.: Você não precisa decorar esses valores. Os exemplos numéricos são dados para mostrar o conceito da obtenção do escoamento e ilustrar a diferença entre os materiais.

Por exemplo, para determinar a tensão correspondente ao limite 0,2%, toma-se a deformação igual a 0,2%, medida a partir do ponto O de origem, no eixo das abscissas do diagrama tensão/deformação. Obtém-se o ponto A

Do ponto A obtido traça-se uma linha paralela à porção reta da curva da zona elástica. A interseção da reta com a curva (ponto B) determina a tensão σ.

Determinação gráfica do limite de escoamento convencionado

Para ligas metálicas com uma região plástica muito pequena, como é o caso de aços de médio e alto teor de carbono e ligas não ferrosas muito duras, pode-se considerar n como 0,1 % ou mesmo 0,01 %, quando se trata de aços para molas.

No caso de cobre e diversas ligas de cobre, que têm grande plasticidade, a determinação do limite convencional é feita tomando para n como 0,5% ou seja, 0,005 por unidade de comprimento.

Limite de resistência

O limite de resistência serve para especificar os materiais, da mesma forma que a análise química identifica os materiais. Fisicamente podemos dizer que o limite de resistência é a tensão máxima que o material pode suportar sem começar a estricção.

O limite de resistência à tração do material ensaiado é calculado pela carga máxima atingida no ensaio e corresponde à tensão máxima (ponto 2 abaixo).

Dividimos a força máxima pela área inicial da seção transversal do corpo de prova, fórmula abaixo:

Fórmula da tensão

Indicação gráfica do limite de resistência

Tensão de ruptura

Atingindo o ponto 2, correspondente à carga máxima durante o ensaio, começa a redução sensível da seção transversal do corpo de prova, e a carga diminui até que aconteça sua ruptura total.

Quanto mais dúctil é o material, maiores são a deformação e o alongamento antes da ruptura, o que provoca uma deformação localizada no corpo de prova, chamada estricção e um pouco depois a ruptura ocorre nessa região mais estreita do material.

Infelizmente a exceção ocorre quando temos um defeito interno no material, na solda ou de preparação do cp fora da região mais estreita. Este evento geralmente leva a ruptura precoce, prejudicando o ensaio.

A ruptura do corpo de prova, ponto 3, determina o término do ensaio. A tensão de ruptura não é determinada durante o ensaio por não ter nenhuma utilidade prática.

Indicação gráfica da tensão de ruptura

Alongamento percentual

O alongamento percentual nada mais é do que o acréscimo percentual do comprimento do corpo de prova em relação ao seu comprimento inicial.

Determinação e cálculo do alongamento

O cálculo do alongamento do corpo de prova fraturado pode ser realizado segundo as seguintes etapas:

1ª etapa determina-se o comprimento inicial de medida (Lo) na parte útil do corpo de prova e divide-se esse comprimento em partes iguais por meio de pequenos riscos transversais, traçados sobre a tinta aplicada nessa área. Os riscos devem ser feitos com cuidado para evitar entalhes que possam contribuir para direcionar a ruptura (quebra) do corpo de prova durante o ensaio.

2ª etapa corresponde à realização do ensaio, em que o corpo de prova será rompido.

3ª etapa se junta da melhor forma possível, as duas partes rompidas do corpo de prova e mede-se o comprimento L final.

Quando o comprimento inicial for de 50 mm ou menor, a determinação do comprimento final deve ser feita com precisão de 0,25 mm; caso o comprimento inicial seja maior que 50 mm, a precisão a ser utilizada é de 0,5% do comprimento adotado.

A determinação do comprimento final é feita da seguinte maneira: Supondo que o comprimento Lo seja de 50 mm e que contenha 10 divisões, e se a ruptura ocorrer no centro ou próximo ao centro da parte útil do corpo de prova, juntamos as partes e contamos 5 divisões de cada lado (10 divisões por 2) e medimos o comprimento “L” final.

L = 10 divisões

O rompimento deve acontecer no terço médio do corpo de prova, se a ruptura ocorrer próximo ao fim da parte útil do corpo de prova, de modo a não haver 5 divisões em um dos lados, conta-se o número máximo de divisões possível do lado menor da parte útil rompida, por exemplo, 3 divisões.

Do outro lado contam-se as 3 divisões correspondentes mais 2 divisões que ficaram faltando no primeiro lado.

O comprimento será dado pela medida das 8 divisões (três de um lado e cinco do outro) e mais duas que correspondem à parte faltante do lado menor.

4ª e última etapa calcula-se o valor do alongamento percentual por meio da fórmula:

Cálculo do alongamento percentual
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    • ##exclamation## Atenção
      • Obs.: O alongamento indica de maneira comparativa a ductilidade de diferentes materiais a mesma temperatura de ensaio. Quanto maior o valor do alongamento obtido pelo ensaio de tração, mais dúctil (No Brasil falamos apenas “dútil”) será o material.

Coeficiente de estricção

O coeficiente de estricção Z é a relação, em percentual, entre a diferença das áreas da seção inicial S0 e seção final S pela área da seção S0.

Calcula-se o valor do alongamento percentual por meio da fórmula:

Cálculo do coeficiente de estriccão

Fraturas típicas

O ensaio de tração produz fraturas típicas nos corpos de prova em função do tipo de material ensaiado.

Aços carbono frágeis apresentam fratura plana, enquanto aços dúcteis apresentam fraturas do tipo taça-cone. Há ainda um terceiro tipo referente a materiais de elevada ductilidade, tais como os recozidos, que se apresentam da forma dita cone-cone.

corpo de prova tração
Fratura de um corpo de prova de tração
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    • ##exclamation-triangle## Atenção
      • O mesmo tipo de fratura em ensaios diferentes podem ter significados diferentes. O ensaio de torção em comparação com o de tração é um bom exemplo.

Equipamento

O equipamento utilizado (máquina) para a realização do ensaio de tração é constituído basicamente de um dispositivo de fixação do corpo de prova acoplado a uma máquina, dotada de sistema eletromecânico ou hidráulico de aplicação de forças crescentes de tração.

A tração é aplicada de maneira contínua até a ruptura do corpo de prova. O equipamento possui um sistema para registrar as forças aplicadas durante o ensaio.

Equipamento utilizado para a realização do ensaio de tracão
Equipamento utilizado para a realização do ensaio de tração

A precisão de um ensaio de tração depende da precisão dos aparelhos de medida mas também da forma de execução do ensaio. Mesmo no início do ensaio de tração, se esse não for bem conduzido, grandes erros podem ser cometidos.

Exemplo: Se o corpo de prova não estiver corretamente alinhado, os esforços assimétricos que surgirão poderão nos levar a falsas leituras das deformações (considerando uma mesma carga aplicada).

Avaliação dos resultados

A avaliação dos resultados é feita pela comparação entre os valores das propriedades mecânicas do material, obtidos no ensaio de tração, com os valores mínimos especificados por normas. Quando o resultado obtidos no ensaio é igual ou maior que o especificado, então o material ensaiado é considerado aprovado.

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 Tração. Blog Materiais, [s. l], 2017. Disponível em: https://www.materiais.gelsonluz.com/2017/10/ensaio-de-tracao.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,AISI,11,ASTM,72,Calor Específico,30,Composição Química,138,Densidade,146,Elementos-Quimicos,109,Ensaios Destrutivos,14,Livros,3,Massa Específica,14,Massa-Atômica,31,Massa-Molar,65,Massa-Molecular,46,Numero-Atomico,109,Peso Específico,87,Ponto-de-Ebulição,46,Ponto-de-Fusão,68,Propriedades,7,Químicas,20,SAE 10XX,24,SAE 13XX,1,SAE 41XX,3,SAE 43XX,2,SAE 5XXX,2,SAE 61XX,1,SAE 86XX,3,SAE 93XX,1,Termos Técnicos,30,Viscosidade,49,
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