Teste de resistência de materiais: Guia de propriedades mecânicas

I. Propriedades mecânicas dos materiais

As propriedades mecânicas dos materiais referem-se a uma série de características mecânicas exibidas pelos materiais sob a ação da força, refletindo sua capacidade de resistir à deformação ou ao dano sob várias formas de forças externas.

1. Força

Resistência é a capacidade de um material de resistir à deformação plástica e à fratura sob cargas externas. Na engenharia, a resistência ao escoamento e a resistência à tração são comumente usadas, que podem ser medidas por meio de testes de tração.

• Força de escoamento: O limite de escoamento quando os materiais metálicos sofrem escoamento, medido em MPa;
• Resistência à tração: A capacidade de um material de suportar forças de tração, medida em MPa;
• Resistência à compressão: A capacidade de um material de resistir a forças de compressão, medida em MPa;
• Resistência à flexão: A capacidade de um material de suportar forças de flexão, medida em MPa;
• Resistência ao cisalhamento: A capacidade de um material de resistir a forças de cisalhamento, medida em MPa.

2. Dureza

Dureza é a resistência de um material à deformação plástica, arranhões, desgaste ou corte, e é a capacidade de um material de resistir à indentação de objetos que não causam deformação permanente sob determinadas condições.

Vários processos de usinagem em mecânica são realizados com a seleção de ferramentas de diferentes durezas, de acordo com as diferentes propriedades do material.

A dureza inclui a dureza Rockwell (HR), a dureza Shore (HS), a dureza Vickers (HV) e a dureza Brinell (HBW), entre outras.

3. Plasticidade

Plasticidade é a capacidade de um material de sofrer deformação plástica sem fraturar sob forças externas.

Os indicadores comuns de plasticidade usados na engenharia são o alongamento e a redução da área. O alongamento é a proporção percentual do alongamento da amostra após a fratura em relação ao seu comprimento original, denotado pelo símbolo A.

A redução da área é a razão entre a área de seção transversal reduzida após a fratura e a área de seção transversal original, indicada por Z. Quanto maior o alongamento e a redução da área, melhor a plasticidade; inversamente, mais fraca a plasticidade.

4. Resistência ao impacto

A capacidade de um material de resistir a cargas de impacto é chamada de resistência ao impacto, expressa como resistência ao impacto a_k (unidade: J/cm² ) ou energia de absorção de impacto A_k (unidade: J).

5. Resistência à fadiga

A resistência à fadiga ou limite de fadiga é a tensão máxima na qual um material metálico não falha sob um número infinito de ciclos de carga alternados. Na prática, é impossível realizar testes de ciclos de carga alternados infinitos em materiais metálicos.

Em geral, nos testes, é especificado que: a tensão máxima na qual o aço não fratura após 10⁷ ciclos e não ferrosos metais após 10⁸ ciclos de cargas alternadas é chamada de resistência à fadiga. Quando a tensão alternada aplicada é uma tensão cíclica simétrica, a resistência à fadiga resultante é indicada por S.

II. Testes de propriedades mecânicas e tecnológicas

Os testes de materiais fornecem informações sobre as alterações nas propriedades dos materiais de engenharia sob forças externas (como tensão, compressão, flexão, torção, cisalhamento e flexão). As propriedades de resistência dos materiais variam de acordo com o fato de a carga aplicada ser estática (baixa taxa de deformação do material) ou dinâmica (alta taxa de deformação do material).

1. Teste

Uma amostra de plástico sofre estresse sob uma força de tração crescente. A amostra se alonga e, quando a força de tração aumenta até um determinado valor, o material se rompe (carga estática).

Se o material for submetido a uma força de impacto repentina que produza estresse, ele se fratura como se fosse cortado por uma faca (carga dinâmica). O objetivo do teste é determinar a resistência, a dureza, a usinabilidade e as propriedades de estampagem profunda do material, bem como as propriedades de flexão, forjamento e soldagem.

2. Teste de material do workshop

O objetivo não é obter dados de teste, mas apenas fornecer dados para compreender as propriedades de processamento do material.

3. Formabilidade

Aqueça e forje uma barra de aço plana até que apareçam rachaduras nas bordas. Após o forjamento, a largura do aço plano deve aumentar de 1 a 1,5 vezes a largura original sem que o material se rache.

4. Conformação a frio

A conformação a frio refere-se a métodos de processamento, como tosquiaA conformação a frio é um processo que consiste em moldar, dobrar e esticar materiais sem aquecimento. Os processos de conformação a frio incluem o encabeçamento a frio, a laminação a frio e o forjamento em matriz.

5. Teste de arquivo

O teste de lima mostra que o aço com alta dureza é difícil de limar.

6. Teste de extração profunda

Uma placa de aço fixada é gradualmente pressionada sob a ação de um punção circular, com pressão crescente até que apareçam rachaduras na placa de aço.

7. Teste de faísca

Ao observar os fenômenos de faísca produzidos durante a moagem do aço, é possível determinar o tipo de aço.

8. Teste de torneira

Suspenda uma peça de aço (principalmente ferro fundido) livremente e, em seguida, bata levemente nela para distinguir entre aço fundido (som claro), ferro fundido cinzento (som opaco) e peças fundidas com rachaduras e cavidades de contração.

9. Inspeção visual

Inspecione a qualidade da superfície para identificar defeitos externos (cavidades de contração, rachaduras e entalhes).

Métodos de teste de materiais

10. Teste de expansão e alargamento do tubo

Determine se o rasgo ocorre em ambas as extremidades ao expandir o tubo. Para o teste de alargamento, a borda do tubo é girada para fora até que apareçam rachaduras.

11. Determinação da dureza do material pela comparação de indentações

Coloque uma esfera de aço entre duas placas de metal de diferentes durezas (como aço e alumínio) e prenda-as em um torno de bancada. Os diâmetros de indentação da superfície serão diferentes, permitindo a comparação da dureza das duas placas de metal.

12. Determinação da dureza pelo método Rebound

Utilize a deformação elástica. Uma bola de aço é lançada de uma certa altura; os materiais com maior dureza terão uma altura de rebote maior, enquanto os materiais mais macios terão uma altura de rebote menor.

III. Teste de tração

Barras de teste padrão são usadas para testes de tração. A carga é aumentada gradualmente. Sob a ação da força externa F, a seção transversal da barra de teste é submetida à tensão de tração, o corpo de prova é alongado e, por fim, quebra no meio. Força de tração externa F (N), alongamento Δl (mm).

Alongamento Δl = l - l₀

• l - comprimento após o alongamento (mm);
• l₀ - comprimento original (mm).

1) Se a força de tração F dobrar, o alongamento Δl também dobrará, e o alongamento será proporcional à carga. Se a carga for removida, a barra de teste retorna ao seu comprimento original l₀ . A estrutura atômica permanece inalterada sob tensão (limite proporcional P).

2) Se a força de tração for aumentada, o material inicialmente permanecerá elástico e, quando a força externa for removida, ele retornará ao seu comprimento original. Esse processo continua até o limite elástico E.

A razão entre o alongamento e o comprimento original é chamada de taxa de alongamento: A = (l - l₀ ) : l₀ ou A = Δl : l₀ .

Devido à ação da tensão de tração, a tensão interna é gerada no material, e a força que atua em uma unidade de área é chamada de tensão.

σ=F/A₀

Onde

• F - força aplicada (N);
• A₀ - área da seção transversal original (mm)² );
• σ - tensão (MPa).

3) Se a tensão aumentar, a taxa de alongamento aumentará significativamente até que a carga não aumente mais, mas o material continue a se alongar. A estrutura atômica começa a se mover, atingindo o limite de rendimento. Com mais carga, ocorre o estrangulamento na barra de teste.

O alongamento do material aumenta muito. Esse é o limite máximo da carga, chamado de limite de tração, expresso como resistência à tração R_m que é a carga máxima atuando em um objeto de 1 mm² seção transversal, como R_m = 800MPa.

4) Com a carga contínua, o material "flui" até se romper no ponto Z.

5) Na prática de engenharia, não é permitida a deformação permanente das peças de trabalho ou das peças da máquina, e são permitidas cargas dentro da faixa de deformação elástica.

IV. Teste de dureza

1. Teste de dureza Brinell

Uma força externa F é aplicada para pressionar uma esfera de aço com diâmetro D no material de teste. Depois de remover a carga externa, o diâmetro d da indentação é medido. A dureza Brinell é

HB = Força externa F (N) aplicada ao corpo de prova / Área de superfície A ₀ da indentação (mm) ² )

Nos testes reais, o valor da dureza Brinell pode ser lido diretamente a partir do diâmetro de indentação medido d.

2. Teste de dureza Vickers

Adequado para amostras muito finas ou pequenas. Meça o comprimento diagonal da indentação produzida por uma pirâmide de diamante no corpo de prova. Denotado como HV, por exemplo, 30HV indica a dureza Vickers em uma carga de teste de 300N.

3. Teste de dureza Rockwell

Utiliza uma esfera de aço ou um cone de diamante como indentador, sendo que a principal medida é a profundidade de penetração. Para compensar os erros de medição devido a superfícies sujas, primeiro é aplicada uma pré-carga de 100N ao indentador e, em seguida, o ponteiro do medidor de dureza é ajustado para zero, seguido por uma força adicional de 1400N.

Tomando como exemplo o método de teste de dureza Rockwell C usando um cone de diamante, se a profundidade de penetração e = 0,2 mm, então a unidade de dureza Rockwell HRC = 0, e para cada 0,002 mm de diferença dessa profundidade de penetração, isso representa um grau de dureza Rockwell.

Por exemplo: Se um cone penetrar 0,14 mm na amostra, a diferença em relação a 0,2 mm é de 0,06 mm, portanto, a dureza Rockwell é 0,06 mm/0,002 mm = 30HRC.

V. Teste de impacto entalhado

Use a amostra de entalhe de impacto de carga dinâmica. Diferente do teste de tração com carga dinâmica, esse método pode medir a resistência ao impacto do entalhe.

O teste de impacto de entalhe é realizado em uma máquina de teste de impacto de pêndulo. O martelo do pêndulo atinge o centro do entalhe do corpo de prova colocado nos suportes em ambas as extremidades. Após a fratura do entalhe, o ponteiro do mostrador indica a altura do pêndulo.

A resistência ao impacto do entalhe é

a_k=A_k/S₀

Na fórmula

• S ₀ - Área da seção transversal da fratura (cm)² );
• A _k - Energia de absorção de impacto (J).