O comportamento dos materiais metálicos em relação à tração

Por Mauricio Ferraz de Paiva*

Normalmente, os ensaios mecânicos de materiais metálicos envolvem vários tipos sendo capazes de demonstrar todo o perfil de funcionamento do que está sendo ensaiado: o de tração, dobramento, estampabilidade, compreensão, impacto e dureza.

Para os projetos ou para a fabricação de dispositivos ou componentes, é essencial conhecer o comportamento do material com o qual se vai trabalhar. Isso significa saber quais são suas propriedades em diversas condições de uso e é isso que os ensaios mecânicos de materiais metálicos realizam.

Assim, os ensaios mecânicos de materiais metálicos são importantes justamente porque através deles se pode conhecer e analisar as propriedades mecânicas de um material ou dispositivo e ainda testá-lo em condições diferentes. Isso proporciona muito mais segurança e eficácia na hora de utilizá-lo na indústria, por exemplo. Essas propriedades mecânicas geralmente abrangem fatores como tipos de cargas e sua frequência de aplicação, temperaturas, desgaste, entre outros.

Conhecer e prever o comportamento do material ou dispositivo utilizado sobre variadas condições de trabalho, força e temperatura é fundamental para que um projetista saiba como ele vai funcionar em determinadas situações e o que esperar dele. É possível obter todas essas informações com a realização dos ensaios mecânicos de materiais metálicos.

Normalmente, os ensaios mecânicos de materiais metálicos envolvem vários tipos sendo capazes de demonstrar todo o perfil de funcionamento do que está sendo ensaiado: o de tração, dobramento, estampabilidade, compreensão, impacto e dureza. Eles devem ser feitos em conformidade com uma série de normas técnicas, respeitando sua metodologia para garantir a eficácia e segurança dos resultados. Isso é essencial para que o material possa obter certificados que irão aumentar o seu valor e atestar seu funcionamento.

A NBR ISO 6892-1 de 04/2013 – Materiais metálicos – Ensaio de Tração – Parte 1: Método de ensaio à temperatura ambiente especifica o método de ensaio de tração de materiais metálicos e define as propriedades mecânicas que podem ser determinadas à temperatura ambiente. O Anexo A apresenta recomendações complementares para máquinas de ensaio controladas por computador. A NBR ISO 6892-2 de 10/2013 – Materiais metálicos – Ensaio de tração – Parte 2: Método de ensaio à temperatura elevada especifica um método de ensaio de tração de materiais metálicos a temperaturas mais altas que à temperatura ambiente.

Durante as discussões acerca da velocidade de ensaio na preparação da NBR ISO 6892, decidiu-se recomendar o emprego do controle da taxa de deformação nas futuras revisões da norma. Na parte 1 da NBR ISO 6892, há disponíveis dois métodos de velocidades de ensaio. O primeiro, método A, é baseado nas taxas de deformação (inclusive a velocidade de separação do travessão) e o segundo, método B, é baseado em taxas de tensão.

O Método A tem por objetivo minimizar a variação das velocidades de ensaio no momento em que são determinados os parâmetros sensíveis à taxa de deformação e, também, minimizar a incerteza de medição dos resultados do ensaio. Na parte 2 da NBR ISO 6892 são descritos dois métodos de velocidade de ensaio. O primeiro, o Método A, é baseado em taxas de deformação (incluindo a taxa de separação do travessão) com tolerâncias apertadas (+- 20%), ao passo que o segundo, o Método B, é baseado em faixas e tolerâncias de taxa de deformação.

O Método A tem por objetivo minimizar a variação das taxas de ensaio no momento em que são determinados os parâmetros sensíveis à taxa de deformação e, também, minimizar a incerteza de medição dos resultados do ensaio. A influência da velocidade de ensaio nas propriedades mecânicas, determinada pelo ensaio de tração, é normalmente maior em uma temperatura elevada que à temperatura ambiente.

Tradicionalmente, as propriedades mecânicas determinadas por ensaios de tração em temperaturas elevadas têm sido determinadas a uma taxa de deformação ou tensão menor do que à temperatura ambiente. A parte 1 recomenda o uso de taxas de deformação pequenas, mas, além disso, são permitidas taxas de deformação maiores para aplicações específicas, como comparação com propriedades à temperatura ambiente na mesma taxa de deformação.

Na preparação da parte 2, houve decisão, durante as discussões relativas à velocidade de ensaio, de se considerar a eliminação do método de taxa de tensão em revisões futuras. O ensaio consiste em deformar um corpo de prova por força de tração, geralmente até a fratura, para a determinação de uma ou mais propriedades mecânicas definidas no item 3. O ensaio deve ser realizado à temperatura ambiente, entre 10°C e 35°C, salvo se especificado de outra maneira.

Os ensaios realizados sob condições controladas devem ser realizados à temperatura de 23 °C +- 5 °C. A forma e as dimensões dos corpos de prova podem ser condicionadas pela forma e dimensões dos produtos metálicos dos quais são extraídos esses corpos de prova. Em geral, o corpo de prova é obtido por usinagem de uma amostra do produto, por estampagem, ou ainda por fundição.

Produtos de seção transversal uniforme (perfis, barras, fios etc.), bem como os corpos de prova fundidos (por exemplo, de ferro fundido ou de ferros-ligas), podem ser ensaiados sem serem usinados. A seção transversal do corpo de prova pode ser circular, quadrada, retangular, anular, ou, em casos especiais, o corpo de prova pode apresentar outro tipo de seção transversal uniforme.

Os corpos de prova devem, preferencialmente, apresentar relação entre o comprimento de medida inicial, Lo, e a área da seção transversal inicial do comprimento paralelo, So, tal que Lo = k So, em que k é um coeficiente de proporcionalidade. Esses são os denominados corpos de prova proporcionais. O valor internacionalmente adotado para k é 5,65. O comprimento de medida inicial não pode ser inferior a 15 mm.

Quando a seção transversal do corpo de prova for muito pequena para que este requisito se aplique com k = 5,65, um valor mais alto (preferencialmente 11,3) ou um corpo de prova não proporcional pode ser usado. Os corpos de prova usinados devem incorporar um raio de transição entre as cabeças e o comprimento paralelo, se esses elementos apresentarem dimensões diferentes.

As dimensões do raio de transição são importantes e é recomendado que sejam definidas na especificação do material, desde que não estejam dadas no anexo apropriado (ver. 6.2). As cabeças podem ser de qualquer tipo, para se adaptarem às garras da máquina de ensaio. O eixo do corpo de prova deve coincidir com o eixo de aplicação da força.

O comprimento paralelo, Lc, ou, no caso de o corpo de prova não apresentar raios de transição, o comprimento livre entre garras deve ser sempre maior que o comprimento de medida inicial, Lo. Nos casos em que o corpo de prova consista de um segmento não usinado do produto ou de uma barra de ensaio não usinada, o comprimento livre entre garras deve ser suficiente para que as marcações do comprimento de medida estejam a uma distância razoável das garras (ver Anexos B a E).

Os corpos de prova fundidos devem incorporar um raio de transição entre as cabeças e o comprimento paralelo. As dimensões desse raio de transição são importantes e é recomendado que sejam definidas na especificação do produto. As cabeças podem ser de qualquer tipo, para se adaptarem às garras da máquina de ensaio.

O comprimento paralelo, Lc, deve ser sempre maior que o comprimento de medida inicial, Lo. Os principais tipos de corpos de prova estão definidos nos Anexos B a E, de acordo com a forma e o tipo do produto, conforme a tabela abaixo. Outros tipos de corpos de prova podem ser especificados nas normas de produto.

As dimensões relevantes do corpo de prova devem ser medidas em um número suficiente de seções transversais, perpendicularmente ao eixo longitudinal, na porção central do comprimento paralelo do corpo de prova. Recomenda-se um número mínimo de três seções transversais. A área da seção transversal inicial, So, é a área média da seção transversal, que deve ser calculada a partir das medições das dimensões apropriadas.

A exatidão deste cálculo depende da natureza e do tipo de corpo de prova. Os Anexos B a E descrevem métodos para a determinação de So para diferentes tipos de corpos de prova e contêm especificações relativas à exatidão da medição. Para a marcação do comprimento de medida inicial, as extremidades do comprimento de medida inicial, Lo, devem ser levemente marcadas com traços ou linhas, mas não com riscos que possam resultar em uma ruptura prematura.

Para corpos de prova proporcionais, o valor calculado do comprimento de medida inicial pode ser arredondado para o múltiplo de 5 mm mais próximo, desde que a diferença entre o comprimento marcado e o calculado seja menor que 10% de Lo. O comprimento de medida inicial deve ser marcado com exatidão de +-1%. Se o comprimento paralelo, Lc, for muito maior que o comprimento de medida inicial, como por exemplo, em corpos de prova não usinados, podem ser marcados vários comprimentos de medida originais parcialmente sobrepostos.

Em alguns casos, pode ser útil traçar, na superfície do corpo de prova, uma linha paralela ao eixo longitudinal, ao longo da qual se marcam os comprimentos de medida originais. Para a determinação da resistência de prova (extensão plástica ou total), o extensômetro utilizado deve estar de acordo com a NBR ISO 9513, classe 1 ou melhor, na faixa pertinente.

Para outras propriedades (com maior extensão), pode ser utilizado na faixa pertinente um extensômetro classe 2 pela NBR ISO 9513. O comprimento de medida extensométrica não pode ser menor que 10 mm e deve corresponder à porção central do comprimento paralelo.

Qualquer parte do extensômetro que se projete além do forno deve ser projetada ou protegida de correntes de ar, de modo que as flutuações na temperatura ambiente tenham apenas efeito mínimo nas leituras. É aconselhável a manutenção de estabilidade térmica razoável da temperatura e da velocidade do ar ao redor da máquina de ensaio.

O dispositivo de aquecimento para o corpo de prova deve ser tal que o corpo de prova possa ser aquecido à temperatura especificada T. As temperaturas indicadas Ti são as temperaturas medidas na superfície do comprimento paralelo do corpo de prova, com correções aplicadas para quaisquer erros sistemáticos conhecidos, mas sem consideração da incerteza do equipamento de medição da temperatura.

Os desvios admitidos entre a temperatura especificada T e as temperaturas indicadas Ti, e a variação de temperatura admissível máxima ao longo do corpo de prova, são dados na tabela abaixo. Para temperaturas especificadas maiores que 1.100 °C, os desvios admitidos devem ser definidos por meio de acordo prévio entre as partes envolvidas.

Quando o comprimento de medida é menor que 50 mm, um sensor de temperatura deve medir a temperatura em cada extremidade do comprimento paralelo diretamente. Quando o comprimento de medida é igual ou maior que 50 mm, um terceiro sensor de temperatura deve medir próximo ao centro do comprimento paralelo. Este número pode ser reduzido se o arranjo geral do forno e do corpo de prova for tal que, a partir da experiência, sabe-se que a variação na temperatura do corpo de prova não excede o desvio admitido especificado em 9.3.1.

Contudo, ao menos um sensor deve estar medindo a temperatura do corpo de prova diretamente. As junções do sensor de temperatura devem fazer contato térmico com a superfície do corpo de prova e estar convenientemente abrigadas da radiação direta da parede do forno.

O sistema de medição de temperatura deve ter uma resolução igual ou melhor que 1°C e uma exatidão de +- 0,004 T °C ou +- 2 °C, o que for maior. O sistema de medição de temperatura inclui todos os componentes da cadeia de medição (sensor, cabos, dispositivo indicador e junção de referência).

Todos os componentes do sistema de medição de temperatura devem ser verificados e calibrados sobre a faixa de trabalho em intervalos que não excedam um ano. Os erros devem ser registrados no relatório de verificação. Os componentes do sistema de medição de temperatura devem ser verificados por métodos rastreáveis à unidade internacional (unidade SI) de temperatura.

O relatório de ensaio deve conter no mínimo as seguintes informações, salvo acordo em contrário das partes interessadas: referência a esta norma NBR ISO 6892 estendida com as informações das condições de ensaio especificadas, por exemplo, NBR ISO 6892-2 A113; identificação do corpo de prova; material especificado, se conhecido; tipo de corpo de prova; localização e direção de amostragem dos corpos de prova, se conhecidas; modos de controle do ensaio e taxas de ensaio ou faixas de taxas de ensaio, respectivamente, se diferente dos métodos recomendados e valores descritos na norma; tempo de encharque; temperatura do ensaio; método para estabelecer o comprimento de medida extensométrica Le; e resultados do ensaio.

Convém que os resultados sejam arredondados com as precisões seguintes (de acordo com a NBR ISO 80000-1) ou melhores, se não estiverem especificadas em normas de produtos: valores de resistência, em megapascals, para o número inteiro mais próximo; valores de extensão percentual no ponto de escoamento, Ae, até 0,1 %; todos os outros valores de alongamento percentual até 0,5 %; e redução de área percentual, Z, até 1 %.

*Mauricio Ferraz de Paiva é engenheiro eletricista, especialista em desenvolvimento em sistemas, presidente do Instituto Tecnológico de Estudos para a Normalização e Avaliação de Conformidade (Itenac) e presidente da Target Engenharia e Consultoria – mauricio.paiva@target.com.br