Introdução

Em engenharia, os materiais estão expostos a diferentes tipos de cargas. As cargas a que os materiais podem ser sujeitos podem ser listadas como tração, compressão, flexão, corte ou torção. Ao mesmo tempo, estas cargas podem diferir de forma estática ou dinâmica. O material pode ter de resistir a uma ou mais destas cargas ao mesmo tempo. Neste caso, é necessário saber qual o material a utilizar e em que condições. Para agrupar os materiais, as suas reacções sob determinadas cargas são observadas através de ensaios e as propriedades mecânicas dos materiais são assim reveladas.

Podemos separar os ensaios para obtenção das propriedades de elasticidade em estáticos e dinâmicos. Para que um ensaio seja estático, a força deve ser aplicada a uma frequência máxima de 1 Hz, de forma constante e de uma só vez. Neste caso, a tensão é constante e o rácio de alongamento é inferior a 0,25 no ensaio estático. Os ensaios dinâmicos são utilizados para este tipo de cargas, uma vez que os ensaios estáticos não conseguem formar um modelo adequado para cargas que mudam subitamente. Nos ensaios dinâmicos, a carga é variável e é aplicada uma deformação sinusoidal à amostra. Estes ensaios também podem ser efectuados a altas ou baixas temperaturas. Como resultado dos ensaios dinâmicos, obtém-se informação sobre a dureza e o amortecimento. Podemos considerar os ensaios de fadiga como um sub-ramo dos ensaios dinâmicos. A carga é aplicada de forma cíclica. Estes ensaios são realizados com ciclos de tração-puxão, compressão-compressão ou compressão-reversa. Como resultado do ensaio de fadiga, a vida útil dos materiais pode ser determinada. A resistência à fadiga e a resistência à fissuração também são determinadas com o ensaio de fadiga.

 

Ensaio de tração

O ensaio de tração é um dos ensaios mais comuns em engenharia para determinar as propriedades de resistência dos materiais. É efectuado para determinar as propriedades mecânicas de materiais isotrópicos. Este ensaio baseia-se basicamente na aplicação de uma força de tração sobre o provete a partir de faces opostas na mesma direção, e na monitorização da tensão sobre o material até à rutura do mesmo. Como resultado do ensaio de tração, podem ser obtidos a tensão de cedência, a tensão de cedência máxima, a ductilidade, o módulo de Young, o módulo de corte e o coeficiente de Poisson do material.

Curvas de tensão - deformação

Curvas de tensão e deformação

A tensão nominal de tração aplicada ao material durante o ensaio é a seguinte

Onde F é a força de tração e A_0 é a área da secção transversal sob tensão. E a deformação é definida como;

Em que L_0 é o comprimento inicial do espécime e Δ_L é o alongamento do material após o ensaio.

Com os valores derivados do ensaio, obtém-se a curva tensão-deformação. Esta curva revela o ponto de rutura do material, o limite de elasticidade, a resistência máxima à tração e a condição de fragilidade-ductilidade. Outra vantagem é que ela fornece informações independentemente das dimensões do material.

O diagrama acima mostra a curva tensão-deformação de um material frágil.

Para a maioria das curvas, a parte inicial é linear. O valor do limite de elasticidade é obtido na curva quando uma curva paralela à inclinação da curva é traçada a partir do ponto em que o alongamento na curva tensão-deformação é 0,2%. Podemos determinar a tensão máxima que um material pode suportar sem danos permanentes utilizando a sua tensão de cedência. Até este ponto, o objeto encontra-se na região elástica. Depois disso, o material entra na zona plástica, onde as forças exercidas sobre ele causam danos permanentes.

Tensão de cedência

O declive da linha imaginária que traçamos para encontrar o limite de elasticidade dá-nos o módulo de Young, que é uma propriedade importante do material. O módulo de Young é obtido por:

A equação seguinte representa o coeficiente de Poisson, que é o negativo do rácio entre o deslocamento horizontal e o deslocamento vertical:

Teste

A maior parte das secções transversais dos provetes utilizados no ensaio de tração são apresentadas na figura. As amostras podem ser formadas como uma folha ou um cilindro.

Podem ser utilizados diferentes tipos de fixação, dependendo dos vários materiais e níveis de sensibilidade de medição. Cada método de fixação tem as suas próprias vantagens e desvantagens.

Teste de compressão

O ensaio de compressão demonstra como os materiais se comportam quando comprimidos ou esmagados. Normalmente, o ensaio dura até que a substância se desfaça ou até um limite pré-determinado. A carga que o material pode suportar antes de se rasgar e a extensão da sua degradação até esse ponto são assim calculadas. Para testar um material, este é frequentemente aquecido ou arrefecido e sujeito a várias direcções de força de compressão. No entanto, os ensaios podem ser efectuados em condições diferentes.

Os materiais com elevada resistência à tração têm geralmente baixa resistência à compressão. Por este motivo, estes materiais são examinados através de ensaios de compressão. Os materiais em que são realizados mais ensaios de compressão são geralmente materiais frágeis, por exemplo, materiais compósitos, betão, madeira, metal e tijolo; polímeros, plásticos e espumas.

Como resultado do ensaio de compressão, obtém-se uma curva de força-deformação. A força é então convertida em tensão para criar uma curva de tensão-deformação. Esta curva é muito semelhante à curva tensão-deformação no ensaio de tração. Apenas os eixos estão na direção para mostrar o encurtamento.

Tensão de compressão - % Deformação de compressão

Os cálculos efectuados para o ensaio de tração são igualmente válidos para o ensaio de compressão. A resistência à compressão é expressa como;

Trituração

O esmagamento é utilizado para expressar o quanto o material foi encurtado durante o ensaio.

Exprimir o esmagamento.

Inchaço

A dilatação é o crescimento da secção transversal do material a ser testado. Os materiais dúcteis são mais susceptíveis de inchar. É formalizado por:

Teste

Os materiais frágeis são normalmente objeto de ensaios de compressão. As caraterísticas de compressão de espumas rígidas são fornecidas pela ISO 844 como um exemplo das normas. Os valores e formas da área da secção transversal, os valores de temperatura-humidade e os resultados previstos das amostras são indicados nesta norma. As tensões são indicadas em kPa.

O valor da elasticidade de compressão na norma é o seguinte:

Aqui, σ_e, é a força no final da região elástica convencional, h_0 é a espessura inicial do material, e x_e é o caminho percorrido pela força que gera a tensão.

De seguida, apresentam-se algumas das normas desenvolvidas para os ensaios de compressão:

ASTM D575-91 - Métodos de ensaio normalizados para as propriedades da borracha em compressão

ASTM E9-19 - Métodos de ensaio normalizados para o ensaio de compressão de materiais metálicos à temperatura ambiente

TS EN ISO 14126 - Compósitos plásticos reforçados com fibras - Determinação das propriedades de compressão na direção do plano

 

Descrição da técnica

A avaliação do comportamento mecânico de uma amostra em condições de tração e compressão pode ser realizada para fornecer dados básicos sobre as propriedades do material, que são fundamentais para a conceção de componentes e para a avaliação do desempenho em serviço. Os requisitos para os valores de resistência à tração e à compressão e os métodos de ensaio destas propriedades estão especificados em várias normas para uma grande variedade de materiais. Os ensaios podem ser efectuados em amostras de material maquinado ou em modelos em tamanho real ou à escala de componentes reais. Estes ensaios são normalmente efectuados com um instrumento de ensaio mecânico universal.

Um ensaio de tração é um método para determinar o comportamento dos materiais sob uma carga de tração axial. Os ensaios são realizados fixando a amostra no aparelho de ensaio e, em seguida, aplicando uma força à amostra através da separação das cruzetas da máquina de ensaio. A velocidade da cruzeta pode ser variada para controlar a taxa de deformação no provete de ensaio. Os dados do ensaio são utilizados para determinar a resistência à tração, o limite de elasticidade e o módulo de elasticidade. A medição das dimensões do provete após o ensaio também fornece valores de redução de área e alongamento para caraterizar a ductilidade do material. Os ensaios de tração podem ser realizados em muitos materiais, incluindo metais, plásticos, fibras, adesivos e borrachas. Os ensaios podem ser efectuados a temperaturas subambientes e elevadas.

Um ensaio de compressão é um método para determinar o comportamento de materiais sob uma carga de compressão. Os ensaios de compressão são realizados carregando o espécime de ensaio entre duas placas e, em seguida, aplicando uma força ao espécime movendo as cruzetas em conjunto. Durante o ensaio, a amostra é comprimida e a deformação versus a carga aplicada é registada. O ensaio de compressão é utilizado para determinar o limite elástico, o limite proporcional, o ponto de cedência, a resistência à cedência e (para alguns materiais) a resistência à compressão.

 

Informações analíticas

Resistência à compressão - A resistência à compressão é a tensão de compressão máxima que um material é capaz de suportar sem fraturar. Os materiais frágeis fracturam durante o ensaio e têm um valor de resistência à compressão definido. A resistência à compressão dos materiais dúcteis é determinada pelo seu grau de distorção durante o ensaio.

Limite elástico - O limite elástico é a tensão máxima que um material pode suportar sem deformação permanente após a remoção da tensão.

Alongamento - O alongamento é a quantidade de extensão permanente de uma amostra que foi fracturada num ensaio de tração.

Módulos de elasticidade - O módulo de elasticidade é a relação entre a tensão (abaixo do limite proporcional) e a deformação, ou seja, o declive da curva tensão-deformação. É considerado a medida de rigidez ou resistência de um metal.

Limite proporcional - O limite proporcional é a maior quantidade de tensão que um material é capaz de atingir sem se desviar da relação linear da curva tensão-deformação, ou seja, sem desenvolver deformação plástica.

Redução da área - A redução da área é a diferença entre a área da secção transversal original de um provete de tração e a área mais pequena após a fratura na sequência do ensaio.

Estirpe - A deformação é a quantidade de mudança no tamanho ou na forma de um material devido à força.

Ponto de rendimento - O ponto de cedência é a tensão num material (normalmente inferior à tensão máxima atingível) em que ocorre um aumento da deformação sem um aumento da tensão. Apenas alguns metais têm um ponto de cedência.

Resistência ao escoamento - O limite de elasticidade é a tensão à qual um material apresenta um desvio específico de uma relação tensão-deformação linear. Um desvio de 0,2% é frequentemente utilizado para metais.

Resistência à tração final - A resistência à tração final, ou UTS, é a tensão de tração máxima que um material pode suportar sem fratura. É calculada dividindo a carga máxima aplicada durante o ensaio de tração pela área da secção transversal original da amostra.

 

Aplicações típicas

Tração e compressão propriedades da matéria-prima para comparação com as especificações do produto

Obter dados sobre as propriedades dos materiais para modelação de elementos finitos ou outra conceção de produtos para o comportamento mecânico e desempenho de serviço desejados

Simulação do desempenho mecânico de componentes em serviço

 

Requisitos de amostragem

Os ensaios de tração normais em metais e plásticos são realizados em amostras de ensaio especialmente preparadas. Estes provetes podem ser amostras cilíndricas maquinadas ou amostras de placas planas (dogbone). As amostras de ensaio devem ter um rácio específico de comprimento para largura ou diâmetro na área de ensaio (calibre) para produzir resultados repetíveis e cumprir a norma método de ensaio requisitos. Os produtos tubulares, as fibras e os fios podem ser testados à tração em tamanho real, utilizando dispositivos especiais que promovem uma óptima aderência e localização da falha.

O provete mais comum utilizado para ensaios de compressão é um cilindro circular direito com extremidades planas. Podem ser utilizadas outras formas, no entanto, estas requerem dispositivos especiais para evitar a encurvadura. As configurações especiais para ensaios de componentes ou simulações de serviço dependem da máquina de ensaio específica a ser utilizada.

A diferença entre equipamento de teste de tração e de compressão

No caso dos ensaios de tração, a máquina de ensaio exerce uma carga de tensão ou força que puxa as amostras de ensaio de tração para fora. No caso dos ensaios de tração de plásticos, a amostra de ensaio é afastada para medir a resistência à tração e outras propriedades, incluindo a rigidez e o limite de elasticidade. Existem várias normas industriais comuns que fornecem métodos acordados para os ensaios de tração de plásticos. A ASTM D638 e a ISO 527-2 apresentam ambas geometrias e dimensões de amostras de teste padronizadas semelhantes, mas diferentes. Estes testes requerem pegas de tração que se espera que agarrem a amostra e que se ajustem à medida que esta se afina durante o processo de teste. Estes acessórios são diferentes dos acessórios de compressão. 

Nos ensaios de compressão, a máquina de ensaio exerce uma carga ou força de empurrão ou compressão para esmagar a amostra de ensaio até esta se partir ou esmagar. Os ensaios de compressão de um material de espuma estrutural polimérica são abrangidos por ASTM D1621 que especifica o tipo de placas de compressão e o defletómetro utilizados. A amostra de ensaio é colocada entre placas de ensaio de compressão até que a estrutura celular falhe ou se rompa.

Uma máquina de ensaio universal pode efetuar ensaios de tração e de compressão, ou ambos. A cruzeta pode ser usada para puxar ou comprimir a amostra de teste que está localizada entre a placa de base e a cabeça móvel.

Os dispositivos de ensaio de tração, ou garras, e os sensores de deformação (conhecidos como extensómetros) não podem realizar ensaios de compressão. Além disso, as garras de tração são especialmente adaptadas para cobrir a geometria e as dimensões exactas do provete de ensaio. As placas de ensaio de compressão e o defletómetro também só podem realizar um ensaio de compressão, pelo que, neste caso, são necessários os dois conjuntos de acessórios.

 

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