Ensaios Mecânicos: História e Tipos de Ensaios de Impacto em Aço, Esquemas de Energia

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Ensaios Mecânicos – Prof. Carlos Baptista

6 – ENSAIO DE IMPACTO E TRANSIÇÃO DÚCTIL-FRÁGIL

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Considerações Iniciais: O Titanic

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Considerações Iniciais: Os Navios da classe Liberty (2a^ Guerra Mundial)

 O ensaio de impacto já existia antes da 2 ª Guerra Mundial, mas não foi considerado um requisito de especificação de materiais até o reconhecimento de sua capacidade de detectar a transição dúctil-frágil em aços.  O principal fato que impulsionou a adoção do ensaio de impacto em normas de fabricação e especificação de materiais foi o grande número de falhas ocorridas em navios mercantes (cargueiros Liberty e petroleiros T 2 ) durante a Guerra.  Esforço de guerra exigiu que o tempo de fabricação dos navios fosse dramaticamente reduzido. Uso intensivo de processo de soldagem.  Fatores: Baixa soldabilidade do aço e treinamento deficiente de soldadores (defeitos em juntas soldadas), Projeto deficiente (caminho preferencial para as trincas), Tensões residuais (contribuíram para a progressão da fratura).

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Considerações Iniciais: Os Navios da classe Liberty (2a^ Guerra Mundial)

 O problema foi tão grave que a Marinha dos Estados Unidos instalou um Comitê de Investigação para determinar suas causas e formas de corrigi-lo. No relatório final desta comissão consta que, de 4. 694 navios avaliados de fevereiro/ 1942 a março/ 1946 , houve 1. 441 casos de dano reportados em 970 navios (mais de 20 %), que exigiram reparos ou resultaram na perda do navio. Alguns sofreram falha repentina no inverno, mesmo estando descarregados e em águas calmas.  Nunca houve o registro de um número tão grande de falhas em um mesmo tipo de estrutura na história da engenharia.  Para o conhecimento da época, as causas eram um mistério. Investigou-se o papel da soldagem, do projeto, dos materiais, etc. Desenvolveu-se um critério de qualidade baseado na energia absorvida pela amostra em um ensaio de impacto.

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Estado Triaxial de Tensão devido a um Entalhe:

( x = direção da largura; y = direção carga axial; z = direção da espessura)

• Na base do entalhe, a tensão axial em y é alta e a amostra tenta encolher nas direções x e z. Há tensão de flexão (direção x) devido à ação de viga do entalhe. Mas imediatamente fora da raiz não há tensão axial aplicada nas superfícies livres: o material não tenta encolher nestas direções. Como há continuidade de material, haverá resistência à contração dentro do entalhe.

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Ensaios com Pêndulo Circular:

 Dentre os vários ensaios dinâmicos para estudar a fratura frágil, os ensaios de impacto com pêndulo são mais empregados.  Dois principais tipos: Charpy com entalhe em V e Izod (Norma ASTM E 23 ).  Augustin Charpy sugeriu o ensaio de impacto (em formato próximo ao que é empregado atualmente) em junho de 1901 , na França. O inglês Edwin Izod apresentou sua proposta para ensaio de impacto com pêndulo em 1903. Augustin Charpy (1865 - 1945)

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Corpos-de-Prova Charpy e Izod:

Diferença entre os tipos de ensaio:

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Máquinas de Ensaio:

 Charpy

Izod 

Fixador para corpo-de-prova Izod

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Transição Dúctil-Frágil:

 Apresentam temperatura de transição bem definida: Aços ferríticos usados em aplicações estruturais como Navios, Vasos de pressão e Tubulações, Pontes. Além de outros metais CCC, como os metais refratários (Nb, Ta, Mo, W).  Transição no Modo de Fratura: Coalescência de Microcavidades Clivagem   Dúctil Frágil   Alta Temperatura Baixa Temperatura

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Resultados dos Ensaios de Impacto:

 Realizam-se ensaios a diferentes temperaturas.  Avalia-se: i) Energia Absorvida na Fratura; ii) Aparência da Fratura; iii) Deformação (expansão lateral ou contração da raiz do entalhe).  A transição usualmente é gradual: Dificuldade de definir com precisão uma temperatura de transição dúctil-frágil. Critérios arbitrários.

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Ensaios de Impacto em altas temperaturas realizados na EEL/USP:

0 200 400 600 800 1000 1200 2 4 6 8 10 12 Ti86,5Si13, Ti 86 Si 12 B Energy (J) Temperature ( oC ) (Máquina cedida pela AMR/IAE/CTA)

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Aplicações e Limitações do Ensaio Convencional:

 A medida de uma temperatura de transição pelo ensaio Charpy fornece uma forma de

controle de qualidade com respeito à fratura frágil, permitindo diferenciar aços com diferentes composições ou diferentes tratamentos térmicos. O tamanho de grão também afeta a temperatura de transição.

 O ensaio é muito usado por seu baixo custo, rapidez de realização e por empregar amostras

pequenas.

 É empregado para avaliar a fragilização por tratamentos térmicos (fragilidade ao revenido),

ou fragilização por hidrogênio (devido a processos de solda, galvanoplastia, decapagem, tratamentos térmicos, e outras situações em que o hidrogênio esteja presente).

 Apresenta limitações devido ao entalhe

com raiz arredondada, pequeno tamanho da amostra e medida da energia TOTAL de fratura (não separa entre iniciação e propagação da fratura). Apresenta alta dispersão em seus resultados.

 A temperatura de transição depende

não somente do critério de avaliação, mas também da espessura da amostra.

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Melhorias e Critérios Adicionais:

 Ensaio de Impacto Instrumentado.  Correlações CVN vs. KIc.  Teste da Queda do Peso (DWT) e outros.

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