Campus de Ilha Solteira Vinicius Souza Morais Projeto E Construção De Charpy Utilizando A Modelagem Numérica Da Plataforma Ansys® No Estudo Comparativo Entre Ensaios Numéricos E Práticos A Partir De Diferentes Propriedades Mecânicas De Materiais Compósitos Ilha Solteira – SP Junho de 2016 Campus de Ilha Solteira PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS DOS MATERIAIS Projeto E Construção De Charpy Utilizando A Modelagem Numérica Da Plataforma Ansys® No Estudo Comparativo Entre Ensaios Numéricos E Práticos A Partir De Diferentes Propriedades Mecânicas De Materiais Compósitos Vinicius Souza Morais Orientador: Prof. Dr. Newton Luiz Dias Filho Tese apresentada à Faculdade de Engenharia – UNESP - Campus de Ilha Solteira, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Ciência dos Materiais. Área de conhecimento: Engenharia Metalúrgica e de Materiais Ilha Solteira – SP Junho de 2016 Morais Projeto E Construção De Charpy Utilizando A Modelagem Numérica Da Plataforma Ansys® No Estudo Comparativo Entre Ensaios Numéricos E Práticos A Partir De Diferentes Propriedades Mecânicas De Materiais CompósitosIlha Solteira2016 177 Sim Tese (doutorado)Ciências dos MateriaisEngenharia Metalúrgica e de MateriaisSim . . FICHA CATALOGRÁFICA Desenvolvido pelo Serviço Técnico de Biblioteca e Documentação Morais, Vinicius Souza. Projeto e construção de charpy utilizando a modelagem numérica da plataforma ansys® no estudo comparativo entre ensaios numéricos e práticos a partir de diferentes propriedades mecânicas de materiais compósitos / Vinicius Souza Morais . -- Ilha Solteira: [s.n.], 2016 177 f. : il. Tese (doutorado) - Universidade Estadual Paulista. Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira. Área de conhecimento: Ciência e Engenharia dos Materiais, 2016 Orientador: Newton Luis Dias Filho Inclui bibliografia 1. Charpy. 2. Compósitos. 3. Fibras naturais. 4. Ansys. 5. Propriedades mecânicas. M827p Agradecimentos AGRADECIMENTOS Primeiramente aos verdadeiros amigos e familiares aliados com Deus, pelo apoio, incentivo e dedicação, que nunca me deixaram; Ao Prof. Dr. Newton Luiz Dias Filho, pelo companheirismo, incentivo, amizade e orientação desta tese (UNESP, Ilha Solteira – SP); Aos meus ex-professores de graduação que compõe a banca examinadora deste doutoramento, pelo aceite de contribuição deste trabalho: Prof. Dr. Hidekasu Matsumoto e Prof. Dr. Vicente Afonso Ventrella (UNESP, Ilha Solteira – SP); À banca externa de titulares composta por: Prof. Dr. Amâncio Rodrigues da Silva Júnior (CPO-UFMS, Campo Grande – MS) e Prof. Dr. Marcus V. M. Varanis (FAEN-UFGD, Dourados – MS) pelo aceite e contribuição nesse trabalho; Aos funcionários do Departamento de Física e Química, biblioteca e secretaria de pós-graduação que direta ou indiretamente contribuíram para a realização desse trabalho (UNESP, Ilha Solteira – SP); Ao Departamento de Engenharias: Mecânica, Mecatrônica e Computação da Universidade Católica Dom Bosco pela disponibilidade de pronta utilização da máquina universal de ensaios Tração e Charpy (UCDB, Campo Grande – MS); Ao Departamento de Engenharias do Centro Universitário Anhanguera de Campo Grande pela disponibilização da máquina universal de ensaios Tração (UNIDERP, Campo Grande – MS); Ao departamento da Faculdade de Odontologia da Universidade Federal de Mato Grosso do Sul por permitir que eu me afastasse, quando necessário, por várias vezes no intuito da realização de ensaios e/ou testes desta tese (UFMS, Campo Grande – MS). Resumo RESUMO Desde a antiguidade os seres humanos vêm buscando aprimorar o uso de materiais em seu favor, buscando conferir vantagens de aspectos diversos. Aliado à necessidade de experimentação de novos materiais os softwares simuladores foram impulsionados e conferiram uma poderosa ferramenta da atualidade. A partir desta premissa, a inserção de conhecimento, princípios de estudo e aprendizado, principalmente no que tange a modelagem de ensaios mecânicos como o de tração e de impacto destrutivo Charpy foram realizados. Posteriormente uma máquina de ensaio destrutivo do tipo Charpy foi confeccionada e instrumentada analógico-digitalmente. De posse de bons resultados da máquina, a mesma foi utilizada no comparativo entre teoria e prática a partir de diferentes materiais, possibilitando que tais dados em forma de tabelas e gráficos serem confrontados com resultados obtidos através de simulações com o software comercial. Ensaios de Tração foram realizados em máquinas universais em diferentes materiais metálicos e compósitos (fibras naturais e sintéticas), coletados seus devidos dados e posteriormente confrontados com a literatura e software comercial. Os resultados oriundos das fibras naturais, principalmente do bambu, surtiram efeitos interessantes proporcionando uma maior resistência, leveza e redução no custo para sua produção. Palavras chave: Charpy, Ansys®, Fibras Naturais, Compósitos, Propriedades Mecânicas. Abstract ABSTRACT Since ancient times humans have sought to improve the use of materials in their favor, seeking to confer advantages in many aspects. Together with the need to experiment with new materials simulators were driven software and gave a powerful tool today. From this premise, the inclusion of knowledge, study and learning principles, especially regarding the modeling of mechanical tests such as tensile and Charpy destructive impact were performed. Later, a destructive test machine Charpy type was made and analog-digitally instrumented. Possession of good results of the machine, it was used in the comparison between theory and practice from different materials, enabling such data in tables and graphs are faced with results obtained through simulations with commercial software. Tensile tests were performed on machines in different metal materials and composites (natural and synthetic fibers) collected their proper data and subsequently confronted with the literature and commercial software. The results derived from natural fibers, mainly bamboo, have heightened interesting effects providing greater strength, light weight and reduced cost for production. Keywords: Charpy, Ansys®, Natural Fibres, Composites, Mechanical Properties. Objetivos OBJETIVOS A proposta deste Doutorado objetivou três frentes principais que foram utilizadas no decorrer do desenvolvimento da tese, a saber:  Com relação aos ensaios de impacto Charpy:  Confecção do equipamento e instrumentação analógica e digital;  Confecção de corpos de provas metálicos e compósitos (fibras naturais e sintéticas);  Estudo de resultados de impacto e coleta de dados.  Com relação aos ensaios de Tração:  Confecção de corpos de provas metálicos e compósitos (fibras naturais e sintéticas);  Estudo de resultados de tração e coleta de dados.  Com relação ao software Ansys®:  Princípios de funcionamento;  Estudo das potencialidades do software;  Testes de modelagem e simulação de propriedades mecânicas;  Estudo dos resultados das simulações oriundas do software e posterior confrontamento com resultados de testes e literatura pertinente. Preâmbulo PREÂMBULO Este Doutoramento foi discorrido em: Resumo, Objetivos, este Preâmbulo, Lista de Figuras, Lista de Tabelas, Sumário, além de 05 capítulos seguido das Referências Bibliográficas e Anexos. Os Capítulos contemplam em um primeiro foco: assuntos relacionados às propriedades mecânicas de materiais, bem como ensaios mecânicos, construção de equipamentos e confecção de corpos de prova. Em um segundo foco: esse trabalho trata de uma abordagem geral sobre o tratamento numérico dado ao assunto, suas vantagens e desvantagens, assim como uma simulação de alguns aspectos mecânicos. De forma resumida, os Capítulos discorrem sobre:  1º Capítulo – Está relacionado à fundamentação teórica sobre propriedades e ensaios mecânicos, uma breve descrição de alguns ensaios mecânicos dando prioridade ao ensaio Charpy, onde o mesmo será confeccionado e ensaiado. Também é abordada nesse capítulo a teoria que envolve os principais processos mecânicos de fabricação utilizados. Por fim, este capítulo contempla também uma abordagem numérica teórica sobre elementos finitos, utilizado como ferramenta nas soluções de equações no programa comercial Ansys®.  2º Capítulo – Como a análise computacional dada envolverá ensaios mecânicos, no intuito de comparar uma simulação teórica com análise de ensaios destrutivos, uma máquina de ensaios Charpy foi construída, foco principal deste capítulo que prevê: montagem, ajuste, instrumentação analógica e digital. Preâmbulo  3º Capítulo – Contempla o confeccionamento dos corpos de provas para os ensaios de tração e Charpy de forma prática em laboratórios. Além de uma breve teoria sobre materiais utilizados na composição dos compósitos e suas proporções. Corpos de provas metálicos e compósitos normalizados foram criados neste capítulo, realizando assim, ainda nesse capítulo, determinados ensaios de tração e impacto Charpy.  4º Capítulo – Trata-se dos resultados e discussões das situações abordadas no corpo da tese como: resultados simulação-experimental de tração para materiais metálicos e compósitos, resultados simulação-experimental do ensaio de rompimento Charpy para o Aço 1045, além de resultados de ensaios de tração e Charpy para os compósitos seguidos de resultados de propriedades como: Tensão de Escoamento, Módulo de Elasticidade e Energia Absorvida por Temperatura, respectivamente.  5º Capítulo – Resume as principais conclusões do trabalho e suas perspectivas futuras. Em seguida contempla-se a Bibliografia referenciada e/ou consultada seguido de: ANEXO A - Projeto e Sincronismo de dados Charpy; que trata dos desenhos do projeto da máquina Charpy em CAD seguido de teste de sincronismo entre resultados analógicos e digitais da referida máquina; e ANEXO B - Gráficos, ensaios e resultados; que aborda dados captados da máquina universal de ensaios através de “Relatório de Ensaio” de tração realizados para os conjuntos de corpos de prova feitos a partir de compósitos dispostos em ordem crescente de Tensão de Escoamento, além de relatórios extras dos ensaios; Lista de Figuras LISTA DE FIGURAS Capítulo 1 Figura 1.1 – Dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-deformação por tração 22 Figura 1.2 – Diagrama tensão-deformação obtido por meio de um ensaio de tração 23 Figura 1.3 – Diagrama tensão-deformação para um material frágil 24 Figura 1.4 – Diagrama tensão-deformação para uma liga típica de alumínio 25 Figura 1.5 – Curva tensão-deformação no regime elástico linear 25 Figura 1.6 – Curva tensão-deformação não-linear 26 Figura 1.7 – Ensaio Brinell 29 Figura 1.8 – Penetrador Vickers 31 Figura 1.9 – Pequenas trincas em barra submetida a esforço de flexão alternado 32 Figura 1.10 – Arranjo para ensaio de fadiga por flexão 32 Figura 1.11 – Ruptura por número de ciclos e tensões 33 Figura 1.12 – Representação de um ensaio de impacto 34 Figura 1.13 – Apoios dos corpos de prova no ensaio Charpy 35 Figura 1.14 – Variações de energia de impacto com temperatura 36 Figura 1.15 – Exemplo de homopolímero e copolímero 37 Figura 1.16 – Polímeros lineares 37 Figura 1.17 – Cadeia ramificada 38 Figura 1.18 – Ligação cruzada 39 Figura 1.19 – Ligação em rede 39 Figura 1.20 – Diferentes tipos de compósitos 42 Figura 1.21 – O aumento do uso de compósitos no período de 1990 a 2000 43 Figura 1.22 – Processos de fabricação 45 Figura 1.23 – Máquina de serra fita. Vertical à direita e horizontal à esquerda 46 Figura 1.24 – Tipos de soldagem 47 Figura 1.25 – Torno convencional 48 Figura 1.26 – Tipos de torneamento e suas partes 48 Figura 1.27 – Ferramentas aplicadas no torno convencional 49 Figura 1.28 – Ferramentas de roscar 50 Figura 1.29 – Tipos de fresamento 51 Figura 1.30 – Tipos de fresadoras 51 Figura 1.31 – Máquina de ensaio de tração universal 52 Figura 1.32 – Região de comportamento elástico 54 Lista de Figuras Figura 1.33 – Limite de elasticidade 55 Figura 1.34 – Determinação de E para materiais com zona elástica não linear 57 Figura 1.35 – Limite de escoamento 58 Figura 1.36 – Corpo de prova característico de um ensaio de tração 60 Figura 1.37 – Máquina utilizada para o ensaio de tração 61 Figura 1.38 – Formato dos corpos de prova utilizados para o ensaio de tração 61 Figura 1.39 – Formato dos corpos de prova para o ensaio de tração com entalhe 61 Figura 1.40 – Molde para a preparação dos corpos de prova, ensaio de tração 62 Figura 1.41 – Corpo de prova característico de um ensaio de tração 62 Figura 1.42 – Tipos de corpos de provas Charpy 63 Figura 1.43 – Estados das tensões nos corpos de provas com e sem entalhe 63 Figura 1.44 – Analogia MEF 65 Figura 1.45 – Modo de utilização do MEF em carrocerias 66 Figura 1.46 – Ilustração da utilização da ferramenta MEF em Crashtest 66 Figura 1.47 – Ilustração da utilização da ferramenta MEF em sistemas de proteção 68 Figura 1.48 – Estrutura não simétrica: malha de elementos finitos e ação exterior 72 Figura 1.49 – Estrutura não simétrica: malha deformada 73 Figura 1.50 – Principais tensões e respectivas direções 73 Figura 1.51 – Campo de deslocamentos verticais 74 Capítulo 2 Figura 2.1 – Influência do raio da ponta do entalhe na resistência ao impacto 78 Figura 2.2 – Variáveis de Projeto 79 Figura 2.3 – Cutelo 80 Figura 2.4 – Fresando a Porca de sustentação 80 Figura 2.5 – Base de Apoio do Corpo de Prova 80 Figura 2.6 – Eixo de Giração 81 Figura 2.7 – Eixo de Giração e Mancais 81 Figura 2.8 – Base de Apoio 81 Figura 2.9 – Chapas laterais 82 Figura 2.10 – Mancais 82 Figura 2.11 – Martelo 82 Figura 2.12 – Dimensões de acordo com a norma do Cutelo 83 Figura 2.13 – Mancais montados 83 Figura 2.14 – Rolamentos nos mancais 83 Figura 2.15 – Eixo de Giro sendo Montado 84 Figura 2.16 – Guias das Bases Laterais 84 Figura 2.17 – Base da Estrutura da Máquina 84 Figura 2.18 – Base de Apoio do Corpo de Prova 85 Figura 2.19 – Conjunto Parcialmente Montado 85 Figura 2.20 – Eixo do Pêndulo 86 Figura 2.21 – Cutelo Montado 86 Figura 2.22 – Folga no eixo 86 Figura 2.23 – Vista explodida 87 Figura 2.24 – Vista montada 87 Figura 2.25 - Peças perfil L cortadas pelo processo de corte por serra fita 88 Figura 2.26 - Apoio do Charpy soldado 89 Figura 2.27 – Pintura anti-ferrugem (esquerda) e Definitiva (direita) 89 Lista de Figuras Figura 2.28 - Objetivo final da instrumentação analógica 91 Figura 2.29 – Dispositivo de instrumentação analógica finalizado 92 Figura 2.30 – Charpy finalizado confeccionado durante esse doutoramento 92 Figura 2.31 – Encoder incremental ótico angular (BERTIN e LOPES, 2012) 94 Figura 2.32 – Encoder incremental (DECOM, 2012 apud OLIVEIRA, 2007) 95 Figura 2.33 – Estrutura de um encoder de contato (BERTIN e LOPES, 2012) 95 Figura 2.34 – Discos codificados de encoders óticos angulares absolutos tipos (a) Binário (b) Gray (c) código Gray gerado (BERTIN e LOPES) 96 Figura 2.35 – Arduíno (RENNA et al 2013) 97 Figura 2.36 – Kit com encoder e o disco (imagem do próprio autor) 98 Figura 2.37 – Kit arduíno montado e programado (imagem do próprio autor) 99 Figura 2.38 – Teste feito no arduíno e encoder (imagem do próprio autor) 99 Figura 2.39 – Montagem do encoder e disco no eixo da máquina pendular (imagem do próprio autor) 100 Figura 2.40 – Kit arduino e kit do encoder fixados na máquina (imagem do próprio autor) 100 Capítulo 3 Figura 3.1 – Corpo de prova Tipo I (em milímetros), padronizado segundo a norma ASTM D638 102 Figura 3.2 – Moldes para confeccionamento dos CP’s (imagem do próprio autor) 109 Figura 3.3 – Fibras naturais e pesagem (imagem do próprio autor) 109 Figura 3.4 – Fibras de bambu ainda “in natura” (imagem do próprio autor) 110 Figura 3.5 – Fibras de kevlar, resina e preparação (imagem do próprio autor) 110 Figura 3.6 – Corpo de prova sendo ensaiado na EMIC e respectivo resultado (imagem do próprio autor) 110 Figura 3.7 – Corpos de prova diversos (Sem Fibra, Fibra de Bambu, Nylon, Coco, Cana e outros) (imagem do próprio autor) 111 Figura 3.8 – Dimensões dos corpos de prova, norma ASTM E-23 112 Figura 3.9 – Dimensões dos corpos de prova, norma ASTM E-23 para Charpy do tipo A 112 Figura 3.10 – Energia de Impacto x Temperatura. Onde NDT é Temperatura de ductilidade nula e FTP é Temperatura 100% fibrosa (dúctil) 113 Figura 3.11 – Corpos de prova tipo Charpy A – Esquerda com utilização de programa computacional; Direita criado a partir de usinagem mecânica 114 Figura 3.12 – Máquina de ensaios mecânicos WDW100EB 100KN (imagem do próprio autor) 115 Figura 3.13 – Corpos de prova diversos materiais no ensaio de tração (imagem do próprio autor) 116 Figura 3.14 – Corpos de prova nos ensaios – Resina pura (imagem do próprio autor) 117 Figura 3.15 – Corpos de prova depois dos ensaios – Fibra de Kevlar (imagem do próprio autor) 117 Figura 3.16 – Corpos de prova depois dos ensaios – Fibra de coco (imagem do próprio autor) 118 Figura 3.17 – Corpo de prova metálico rompido por Ensaio Charpy, mostrando regiões de fratura dúctil (cinza escuro) e de fratura frágil (aspecto rugoso) 119 Lista de Figuras Capítulo 4 Figura 4.1 – Gráfico de energia de absorção de impacto para o Aço, Alumínio e Cobre através de dados oriundos de literatura, análise Ansys e ensaios Charpy 121 Figura 4.2 – Materiais “in natura” adquiridos para ensaio rompimento Charpy 122 Figura 4.3 – Gráfico de limites de escoamento para o Aço, Alumínio e Cobre através de dados oriundos de literatura, análise Ansys e ensaios M.U.E. 123 Figura 4.4 – Gráfico de limites de resistências à tração para o Aço, Alumínio e Cobre através de dados oriundos de literatura, análise Ansys e ensaios M.U.E. 124 Figura 4.5 – Gráfico da energia absorvida x temperatura de ensaio, UNESP Guaratinguetá 131 Figura 4.6 – Gráfico Comparativo: Energia absorvida (J) x Temperatura (ºC) para o aço 1045 133 Figura 4.7 – Engastes em forma de cubo e cutelo com dimensões reais 134 Figura 4.8 – Engastes e cutelo em forma circular 134 Figura 4.9 – Engastes em forma de chapa dobrada e cutelo com dimensões reais 134 Figura 4.10 – Engastes em forma de cubo arredondado nas extremidades e cutelo com dimensões reais 134 Figura 4.11 – Sequência retirada da filmagem virtual de um rompimento característico charpy 135 Figura 4.12 – Gráfico Comparativo das três curvas: Energia absorvida (J) x Temperatura (ºC) para o aço 1045 136 Figura 4.13 – Gráfico Comparativo: Energia absorvida (J) x Temperatura (ºC) para Fibra de coco 138 Figura 4.14 – Gráfico Comparativo: Energia absorvida (J) x Temperatura (ºC) para demais compósitos 138 Anexo A Figura A.1 – Vistas esquerda, frontal e direita respectivamente 155 Figura A.2 – Vista explodida e respectiva lista de descrição das peças da Máquina 156 Figura A.3 – Martelo 156 Figura A.4 – Alavanca de Acionamento 157 Figura A.5 – Mancal 157 Figura A.6 – Cutelo (Vista Lateral e Frontal) 157 Figura A.7 – Eixo de Giro 158 Figura A.8 – Bigorna 158 Figura A.9 – Suporte da Mola, Mola e Pino do Dispositivo de Trava 159 Figura A.10 – Chapa Lateral 159 Figura A.11 – Tubo da trava e Eixo do Martelo 160 Figura A.12 – Exemplo de corpo de prova de alumínio rompido pelo ensaio Charpy 161 Figura A.13 – Gráfico de Energia de absorção de impacto para instrumentação analógica e digital 162 Lista de Figuras Anexo B Figura B.1 – Exemplo de relatório de ensaio para 4 corpos de prova no ensaio de tração 163 Figura B.2 – Exemplo de método de obtenção de dados e propriedades após ensaio de tração 164 Figura B.3 – Relatório de ensaio de tração para Fibra1 de cavaco de nylon 165 Figura B.4 – Relatório de ensaio de tração para Fibra2 de cavaco de nylon 165 Figura B.5 – Relatório de ensaio de tração para Fibras juta (Corchorus capsularis) 166 Figura B.6 – Relatório de ensaio de tração para Resina + cola 3M 166 Figura B.7 – Relatório de ensaio de tração para Resina + cola 3M em excesso 167 Figura B.8 – Relatório de ensaio de tração para Fibra1 de cavaco de PVC 167 Figura B.9 – Relatório de ensaio de tração para Fibra2 de cavaco de PVC 168 Figura B.10 – Relatório de ensaio de tração para Resina + catalisador em excesso 168 Figura B.11 – Relatório de ensaio de tração para Fibra1 de borracha 169 Figura B.12 – Relatório de ensaio de tração para Fibra2 de borracha 169 Figura B.13 – Relatório de ensaio de tração para Fibra1 de cana 170 Figura B.14 – Relatório de ensaio de tração para Fibra2 de cana 170 Figura B.15 – Relatório de ensaio de tração para Fibra1 de coco 171 Figura B.16 – Relatório de ensaio de tração para Fibra2 de coco 171 Figura B.17 – Relatório de ensaio de tração para Fibra3 de coco 172 Figura B.18 – Relatório de ensaio de tração para Resina pura 172 Figura B.19 – Relatório de ensaio de tração para Fibra1 de fio de Nylon 173 Figura B.20 – Relatório de ensaio de tração para Fibra2 de fio de Nylon 173 Figura B.21 – Relatório de ensaio de tração para Fibra de technyl 174 Figura B.22 – Relatório de ensaio de tração para Fibra de bambu 174 Figura B.23 – Relatório de ensaio de tração para Fibra1 de vidro 175 Figura B.24 – Relatório de ensaio de tração para Fibra2 de vidro 175 Figura B.25 – Relatório de ensaio de tração para Fibra3 de vidro 176 Figura B.26 – Relatório de ensaio de tração para Fibra1 de kevlar 176 Figura B.27 – Relatório de ensaio de tração para Fibra2 de kevlar 177 Lista de Tabelas LISTA DE TABELAS Capítulo 1 Tabela 1.1 – Coeficiente de Poisson de alguns polímeros 56 Capítulo 2 Tabela 2.1 – Variáveis do projeto 78 Tabela 2.2 – Lista de materiais e custos 90 Capítulo 3 Tabela 3.1 – Características físicas e mecânicas das fibras de Bambu, Coco e Sisal 104 Tabela 3.2 – Proporção de materiais utilizados nos Corpos de Prova(CP) 111 Capítulo 4 Tabela 4.1 – Comparativo entre energia absorvida para o Aço, Alumínio e Cobre através de dados oriundos de literatura, análise Ansys e ensaio Charpy 121 Tabela 4.2 – Comparativo entre limites de escoamento para o Aço, Alumínio e Cobre através de dados oriundos de literatura, análise Ansys e ensaios M.U.E. 123 Tabela 4.3 – Comparativo entre limites de resistências a tração para o Aço, Alumínio e Cobre através de dados oriundos literatura, análise Ansys e ensaios M.U.E. 124 Tabela 4.4 - Valores obtidos com corpos de prova sem tratamento 125 Tabela 4.5 - Valores colhidos com corpos de prova com tratamento 126 Tabela 4.6 - Comparativo entre os corpos de prova CTSF e STSF, média e desvio padrão 126 Tabela 4.7 - Comparativo entre os corpos de prova STCF e CTCF, média e desvio padrão 127 Tabela 4.8 - Comparativo entre os corpos de prova STSF e STCF, média e desvio padrão 128 Lista de Tabelas Tabela 4.9 - Comparativo entre os corpos de prova CTCF e STSF, média e desvio padrão 128 Tabela 4.10 - Comparativo entre os corpos de prova STCF e CTSF, média e desvio padrão 129 Tabela 4.11 - Comparativo entre os corpos de prova CTSF e CTCF, média e desvio padrão 130 Tabela 4.12 – Valores da temperatura e da energia absorvida para o aço 1045, UNESP 131 Tabela 4.13 – Valores da temperatura e energia absorvida para o aço 1045, presente trabalho 132 Tabela 4.14 – Valores comparativos da temperatura e energia absorvida para o aço 1045 para mesmas temperaturas entre UNESP e Presente trabalho 132 Tabela 4.15 – Valores da temperatura e energia absorvida para o aço 1045, ANSYS 136 Tabela 4.16 – Energia absorvida (charpy) para materiais comp. pelos grupos de CP’s 137 Tabela 4.17 – Propriedades mecânicas: Tensão de Escoamento e Módulo de Elasticidade para CP’s 139 Anexo A Tabela A.1 – Comparativo entre dados captados, analógico e digital para o Charpy criado no presente trabalho 161 Anexo B Tabela B.1 – Propriedades mecânicas obtidas pelo CP 2 após resultados de ensaio de tração 164 Sumário SUMÁRIO CAPÍTULO 1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 19 1.1. PROPRIEDADES MECÂNICAS 19 1.1.1 Ensaio de Tração 21 1.1.2 Ensaio de Compressão 26 1.1.3 Ensaio de Dureza 27 1.1.3.1 DUREZA ROCKWELL 27 1.1.3.2 DUREZA BRINELL 28 1.1.3.3 DUREZA VICKERS 30 1.1.4 Ensaio de Fadiga 31 1.1.5 Ensaio de Impacto 33 1.2. POLÍMEROS 36 1.2.1. Estruturas Moleculares 37 1.2.1.1 POLÍMEROS LINEARES 37 1.2.1.2 POLÍMEROS RAMIFICADOS 38 1.2.1.3 POLÍMEROS COM LIGAÇÕES CRUZADAS 38 1.2.1.4 POLÍMEROS EM REDE 39 1.2.1.5 POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS 40 1.2.1.6 POLÍMEROS TERMORRÍGIDOS 40 1.2.1.7 ELASTÔMETOS 41 1.2.2. Características do polipropileno 41 1.3. MATERIAIS COMPÓSITOS 41 1.4. PROCESSOS MECÂNICOS DE FABRICAÇÃO 44 1.4.1. Usinagem 45 1.4.2. Operação de corte por serra fita 46 1.4.3. Soldagem 46 1.4.4. Torneamento 47 1.4.5. Roscamento 49 1.4.6. Fresamento 50 Sumário 1.5. ENSAIO DE TRAÇÃO 51 1.5.1. Máquina de Ensaio de Tração 51 1.5.2. Propriedades Obtidas no Ensaio de Tração 53 1.5.2.1 TENSÃO NORMAL 53 1.5.2.2 DEFORMAÇÃO ESPECÍFICA 53 1.5.2.3 ÁREA DE COMPORTAMENTO ELÁSTICO 54 1.5.2.4 REGIÃO DE COMPORTAMENTO PLÁSTICO 57 1.6. CORPOS DE PROVA 59 1.6.1. Tração 59 1.6.2. Charpy 62 1.7. ABORDAGEM NUMÉRICA 64 1.7.1 Elementos Finitos 64 1.7.2 Tipo de análise em Elementos Finitos 68 1.7.2.1 ANÁLISE DINÂMICA OU ESTÁTICA 69 1.7.2.2 ANÁLISE NÃO LINEAR OU LINEAR 69 1.7.2.3 TIPO DE ESTRUTURA 69 1.7.3 Fundamentos do MEF 70 1.7.4 Etapas na Utilização do MEF 71 1.7.5 Exemplo de aplicação do MEF 72 CAPÍTULO 2 CONSTRUÇÃO E INSTRUMENTAÇÃO CHARPY 75 2.1. ABSORÇÃO DE ENERGIA 76 2.1.1. Polímeros 76 2.1.2. Ensaio de Impacto para Polímeros 77 2.1.3. Variáveis do Projeto 78 2.2. DESCRIÇÃO DA FABRICAÇÃO 79 2.3. MONTAGEM 83 2.4. AJUSTE 86 2.5. BASE-SUPORTE CHARPY 87 2.6. LISTA DE MATERIAIS E CUSTOS 90 2.7. INSTRUMENTAÇÃO ANALÓGICA 91 2.8 INSTRUMENTAÇÃO DIGITAL 93 2.8.1. Encoders 93 2.8.1.1. ENCODER INCREMENTAL 94 2.8.1.2. ENCODER ABSOLUTO 96 2.8.2. Arduíno 97 2.8.3. Montagem 98 Sumário CAPÍTULO 3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 102 3.1. CONFECCIONAMENTO DOS CORPOS DE PROVAS 102 3.1.1. Ensaio de tração 102 3.1.1.1 CORPOS DE PROVA DE COMPÓSITOS 103 3.1.1.1.1 A resina (Matriz) 103 3.1.1.1.2 As fibras vegetais 103 3.1.1.1.3 A fibra de coco 104 3.1.1.1.4 A fibra da cana de açúcar 105 3.1.1.1.5 A fibra de Technyl e Nylon 106 3.1.1.1.6 A fibra de vidro 107 3.1.1.1.7 A fibra de Borracha 108 3.1.1.1.8 A fibra de PVC 108 3.1.1.1.9 A composição dos corpos de provas 109 3.1.2 Ensaio Charpy 111 3.1.2.1 CORPOS DE PROVA METÁLICO 113 3.1.2.1 CORPOS DE PROVA DE COMPÓSITOS 114 3.2. ENSAIOS PRÁTICOS REALIZADOS 115 3.2.1. Ensaio de tração 115 3.2.2. Ensaio charpy 118 CAPÍTULO 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 120 4.1 ENSAIOS DE VALIDAÇÃO NUMÉRICO-EXPERIMENTAIS 120 4.1.1 Resultados Charpy 121 4.1.2 Resultados Tração 122 4.2 RESULTADOS CHARPY SIMULAÇÃO-EXPERIMENTAL 125 4.2.1 Ensaio de Charpy na máquina universal 130 4.2.2 Ensaio Charpy através da análise de elementos finitos 133 4.2.3 Comparação Charpy dos ensaios experimental e computacional 135 4.2.4 Ensaio charpy nos compósitos 137 4.3 RESULTADOS TRAÇÃO SIMULAÇÃO-EXPERIMENTAL 139 4.3.1 Ensaio de tração nos compósitos 139 CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS 141 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 144 ANEXO A – Projeto e Sincronismo de dados Charpy 155 A.1 O PROJETO MÁQUINA CHARPY 155 A.2 O SINCRONISMO DE DADOS CHARPY 160 ANEXO B – Resultados Ensaio Tração de compósitos 163 Capítulo 1 19 CAPÍTULO 1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 1.1. PROPRIEDADES MECÂNICAS Na engenharia, seja para o projeto e manufatura de pequenos ou grandes componentes, é fundamental o conhecimento do comportamento do material com que se trabalha, isto é, suas propriedades mecânicas em várias condições de uso. As condições de uso envolvem: temperaturas, tipo de cargas, desgaste, deformabilidade, etc... A resistência de um material depende de sua capacidade de suportar a carga sem deformação excessiva ou ruptura. Essa propriedade é inerente ao próprio material que deve ser determinada por experimentos. Um dos testes mais importantes a realizar nesse sentido é o ensaio de tração. (HIBBELER, 2010). A aplicação de uma força num corpo sólido promove uma deformação do material na direção do esforço e o ensaio de tração consiste em submeter um material a um esforço que tende a esticá-lo ou alongá-lo. O ensaio é realizado num corpo de prova de formas e dimensões padronizadas, para que o resultado obtido possa ser comparado. Este corpo de prova é fixado numa máquina de ensaio que aplica esforços crescentes na sua direção axial, sendo medidas as deformações correspondentes através de um extensômetro acoplado a máquina. Os esforços e cargas são medidos na mesma e o corpo de prova é levado até sua ruptura. (SOUZA, 1982). Para que o projetista possa prever o comportamento do material em condições de trabalho é imprescindível que tenha em mãos os parâmetros de comportamento, determinados através de ensaios mecânicos. Capítulo 1 20 Embora os valores de propriedades de muitos materiais comumente usados na engenharia possam ser obtidos de tabelas, é importante se ter o conhecimento da metodologia da execução dos ensaios e do significado de cada parâmetro. Portanto é importante conhecer os fundamentos básicos relativos a cada ensaio. Basicamente existem dois tipos de ensaios que são comumente utilizados por especialistas, a saber: ENSAIO NÃO DESTRUTIVO Denomina-se ensaio não destrutivo (END ou NDT em inglês nondestructive testing) a qualquer tipo de ensaio praticado a um material que não altere de forma permanente suas propriedades físicas, químicas, mecânicas ou dimensionais. Os ensaios não destrutivos implicam um dano imperceptível ou nulo. Para Callister (2002), ensaios não destrutivos representam um conjunto amplo de técnicas de análise utilizadas na ciência e na indústria para avaliar as propriedades de um material, componente ou sistema, sem causar danos, baseando-se na aplicação de fenômenos físicos tais como ondas eletromagnéticas, acústicas, elasticidade, emissão de partículas subatômicas, capilaridade, absorção e qualquer tipo de teste que não implique um dano considerável à amostra examinada. Os ensaios não destrutivos são técnicas altamente valiosas, uma vez que permitem o controle das propriedades dos materiais, com economia de tempo e dinheiro, e permitem que o material testado volte intacto para o local de trabalho após a inspeção. Métodos comuns de END incluem ultra-som, partículas magnéticas, líquido penetrante. END são uma ferramenta comumente usada em engenharia forense, engenharia mecânica, engenharia elétrica, engenharia civil, sistemas de engenharia, engenharia aeronáutica, medicina e arte. ENSAIO DESTRUTIVO Denomina-se ensaio destrutivo qualquer tipo de ensaio no qual o corpo de prova fique inutilizado após a realização do mesmo, ou seja, ocorram alterações permanentes nas propriedades físicas, químicas, mecânicas ou dimensionais. Segundo Callister (2007), no ensaio de tração por exemplo, que é um dos métodos mais comuns de ensaios mecânicos destrutivos, utilizado para determinar o módulo de Young de um material, o corpo de prova sofre uma tensão que tende a alongá-lo ou esticá-lo até que ocorra a fratura. Neste ensaio pode-se utilizar o extensômetro na captura de dados. Capítulo 1 21 Muitos outros tipos de ensaios destrutivos ainda são comumente utilizados, porém a possibilidade de realização mediante um ensaio não destrutivo onde o material em questão não sofra nenhum tipo de dano e, portanto, possa ser reutilizado normalmente desperta grande interesse, levando-se em consideração vantagens como economia de tempo e dinheiro, facilidade de execução, precisão nas medidas, dentre outras. Com o objetivo de estruturar uma base de conhecimento no que diz respeito aos ensaios mecânicos mais importantes existentes, serão descritos a seguir alguns dos ensaios mecânicos relevantes para o assunto deste proponente, que são:  Tração;  Compressão;  Dureza; e  Impacto. 1.1.1 Ensaio de Tração Segundo Callister (2002), Um dos mais importantes ensaios existente. Em um ensaio de tração, um corpo de prova é submetido a um esforço que tende a alongá-lo ou esticá-lo até à ruptura. Geralmente, o ensaio é realizado num corpo de prova de formas e dimensões padronizadas, para que os resultados obtidos possam ser comparados ou, se necessário, reproduzidos. Este é fixado numa máquina de ensaios que aplica esforços crescentes na sua direção axial, sendo medidas as deformações correspondentes. Os esforços ou cargas são mensurados na própria máquina, e, normalmente, o ensaio ocorre até a ruptura do material (ensaio destrutivo). Na Figura 1.1 O corpo de prova é alongado pelo travessão móvel; uma célula de carga e um extensômetro medem, respectivamente, a magnitude da carga aplicada e o alongamento. Capítulo 1 22 Figura1.1 – Dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-deformação por tração Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o seu corpo, pelo menos até ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio e, como é possível fazer com que a carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio de tração permite medir satisfatoriamente a resistência do material. Segundo Callister (2002), a uniformidade da deformação permite ainda obter medições para a variação dessa deformação em função da tensão aplicada. Essa variação, extremamente útil para o engenheiro, é determinada pelo traçado da curva tensão-deformação a qual pode ser obtida diretamente pela máquina ou por pontos. A uniformidade termina no momento em que é atingida a carga máxima suportada pelo material, quando começa a aparecer o fenômeno da estricção ou da diminuição da seção do corpo de prova, no caso de materiais com certa ductilidade. A ruptura sempre se dá na região mais estreita do material, a menos que um defeito interno no material, fora dessa região, promova a ruptura do mesmo, o que raramente acontece. A precisão de um ensaio de tração depende, evidentemente, da precisão dos aparelhos de medida que se dispõe. Com pequenas deformações, pode-se conseguir uma precisão maior na avaliação da tensão ao invés de detectar grandes variações de deformação, causando maior imprecisão da avaliação da tensão. Mesmo no início do ensaio, se esse não for bem conduzido, grandes erros podem ser cometidos, como por exemplo, se o corpo de prova não estiver bem alinhado, os esforços assimétricos que aparecerão levarão a falsas leituras das deformações para uma mesma carga aplicada. Deve-se, portanto, centrar bem o corpo-de-prova na máquina para que a carga seja efetivamente aplicada na direção do seu eixo longitudinal. Capítulo 1 23 Em um ensaio de tração obtém-se o gráfico tensão-deformação, na qual é possível analisar o comportamento do material ao longo do ensaio. Do início do ensaio, até a ruptura, os materiais geralmente passam pelas etapas da Figura 1.2 Figura 1.2 – Diagrama tensão-deformação obtido por meio de um ensaio de tração Onde: 1. Tensão Máxima de Tração 2. Tensão de Escoamento 3. Tensão de Ruptura 4. Região de Encruamento 5. Região de "Estricção". DEFORMAÇÃO ELÁSTICA Segundo Callister (2007), para a maioria dos metais que são solicitados em tração e com níveis de tensão relativamente baixos, a tensão e a deformação são proporcionais. As deformações elásticas não são permanentes, ou seja, quando a carga é removida, o corpo retorna ao seu formato original. No entanto, a curva tensão-deformação não é sempre linear, como por exemplo, no ferro fundido cinzento, concreto e polímeros. Até este ponto, assume-se que a deformação elástica é independente do tempo, ou seja, quando uma carga é aplicada, a deformação elástica permanece constante durante o período em que a carga é mantida constante. Também é assumido que após a remoção da carga, a deformação é totalmente recuperada, ou seja, a deformação imediatamente retorna para o valor zero. DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Acima de certa tensão, os materiais começam a se deformar plasticamente, ou seja, ocorrem deformações permanentes. O ponto na qual estas deformações permanentes começam a se tornar significativas é chamado de limite de escoamento. Capítulo 1 24 Segundo Callister (2007), para metais que possuem transição gradual do regime elástico para o plástico, as deformações plásticas se iniciam no ponto na qual a curva tensão- deformação deixa de ser linear, sendo este ponto chamado de limite de proporcionalidade (ou tensão limite-elasticidade). No entanto, é difícil determinar este ponto precisamente. Como conseqüência, criou-se uma convenção na qual é construída uma linha reta paralela à porção elástica, passando pela deformação de 0,2% da deformação. A tensão correspondente à intersecção desta linha com a curva tensão-deformação é o limite de escoamento. A magnitude do limite de escoamento é a medida da resistência de um material à deformação plástica e pode variar muito, como por exemplo, entre 35 MPa para uma liga de alumínio de baixa resistência até 1400 MPa para um aço de alta resistência. Callister (2007) descreve que durante a deformação plástica, a tensão necessária para continuar a deformar um metal aumenta até um ponto máximo, chamado de limite de resistência à tração, na qual a tensão é a máxima na curva tensão-deformação de engenharia. Isto corresponde a maior tensão que o material pode resistir; se esta tensão for aplicada e mantida, o resultado será a fratura. Toda a deformação até este ponto é uniforme na seção. No entanto, após este ponto, começa a se formar uma estricção, na qual toda a deformação subseqüente está confinada e, é nesta região que ocorrerá ruptura. A tensão que corresponde a fratura é chamada de limite de ruptura. Assim, é possível obter o gráfico tensão-deformação, que varia conforme o material analisado. Por exemplo, os materiais frágeis (Figura 1.3), como cerâmicas e concreto, não apresentam um limite de escoamento. Já os materiais dúcteis (Figura 1.4), como o alumínio, apresentam o limite de escoamento bem definido. Figura 1.3 – Diagrama tensão-deformação para um material frágil Onde: 1. Tensão máxima de tração 2. Ruptura. Capítulo 1 25 Figura 1.4 – Diagrama tensão-deformação para uma liga típica de alumínio Onde: 1. Tensão máxima de tração 2. Limite de escoamento 3. Tensão limite de proporcionalidade 4. Ruptura 5. Deformação "offset" (tipicamente 0,002). MÓDULO DE YOUNG Segundo Paiva (2002), na região onde a Lei de Hooke é válida (regime elástico linear) o módulo de Young pode ser obtido pelo coeficiente angular do gráfico tensão- deformação. Para materiais cuja porção inicial elástica da curva tensão-deformação não é linear (por exemplo, ferro fundido cinzento e concreto), não é possível determinar o módulo de Young pelo coeficiente angular. Ainda Paiva (2002) diz que nestes casos, tanto o módulo tangente quanto o módulo secante são normalmente usados. Módulo tangente é tomado como sendo a inclinação da curva tensão-deformação em um nível de tensão específico, enquanto que o módulo secante representa a inclinação de uma secante traçada a partir da origem até um dado ponto da curva. Os gráficos das Figuras 1.5 e 1.6 representam respectivamente as curvas de tensão em regime linear e não-linear. Figura 1.5 – Curva tensão-deformação no regime elástico linear (PAIVA, 2002) Capítulo 1 26 Figura 1.6 – Curva tensão-deformação não-linear (PAIVA, 2002) 1.1.2 Ensaio de Compressão A compressão física é um resultado da aplicação de uma força de compressão a um material, resultando em uma redução em seu volume, ou, como tratado em resistência dos materiais e engenharia, uma redução de uma de suas dimensões, axial com a atuação da força, e um aumento da seção transversal a este mesmo eixo, quando a deformação da peça nesta direção é permitida, pois deve-se considerar que teoricamente, neste caso, seu volume mantenha-se constante. Um exemplo característico de objeto submetido a esforços de compressão são as colunas dos prédios, que recebem, com a mesma direção de seu eixo, as cargas acima delas. A compressão ocorre quando a força axial aplicada estiver atuando com o sentido dirigido para o interior da peça. Por exemplo, uma pequena chapa de aço engastada em uma morsa, sendo gradativamente comprimida pelos dois engastes, estará recebendo forças com direções opostas, porém, apontando para seu interior. Com isso, a peça sofre deformações. Em um primeiro momento, sofre uma deformação elástica, porém, quando atinge sua tensão de escoamento, a peça passará a entrar em sua deformação plástica, ou seja: o material estará sendo deformado permanentemente, ao contrário do regime elástico, onde a organização molecular volta ao estado onde se encontrava no início. A compressão pode ser denominada quando a peça estiver sendo "empurrada", ao contrário da tração, onde está sendo "puxada". A compressão tem muitas implicações na resistência dos materiais, na física e na engenharia estrutural, pelo fato da compressão produzir quantidades consideráveis de stress e tensão. Relacionado à compressão, propriedades mecânicas, tais como a força de compressão ou o módulo de elasticidade, podem ser medidos. Capítulo 1 27 Os cientistas podem utilizar máquinas para induzir a compressão. Este tipo de experimento é chamado de ensaio de compressão, que é utilizado para comprovar as características mecânicas de uma peça, descobrindo assim a que tensão ela sofrerá ruptura. Caracterizam-se como ensaios destrutivos, uma vez que a peça fica normalmente inutilizada após o ensaio. 1.1.3 Ensaio de Dureza Na ciência dos materiais, dureza é a propriedade característica de um material sólido, que expressa sua resistência a deformações permanentes e está diretamente relacionada com a força de ligação dos átomos. Basicamente, a dureza pode ser avaliada a partir da capacidade de um material "riscar" ou penetrar o outro. Na engenharia e na metalurgia, utiliza-se o chamado ensaio de penetração para a medição da dureza. A partir de um referencial intermediário, a dureza pode ser expressa em diversas unidades. Existem diferentes tipos de ensaios de dureza, a saber: Rockwell, Brinell, Vickers, Meyer, Knoop, Shore, Barcol e IRHD. Serão abordados apenas os mais importantes e difundidos, neste caso, os 3 primeiros: 1.1.3.1 DUREZA ROCKWELL O método Rockwell é um método de medição direta da dureza, sendo um dos mais utilizados em indústrias. Este é um dos métodos mais simples e que não requer habilidades especiais do operador. Além disso, várias escalas diferentes podem ser utilizadas através de possíveis combinações de diferentes penetradores e cargas, o que permite o uso deste ensaio em praticamente todas as ligas metálicas, assim como em muitos polímeros. Os penetradores incluem esferas fabricadas em aço de elevada dureza, com diâmetros de 1/16, 1/8, 1/4 e 1/2 polegada, assim como cones de diamante, utilizados nos materiais de elevada dureza. Capítulo 1 28 Neste sistema, a dureza é obtida através da diferença entre a profundidade de penetração resultante da aplicação de uma pequena carga, seguida por outra de maior intensidade. Imprecisões podem ocorrer caso a amostra possua pequena espessura, se a impressão ocorrer próxima de um canto da amostra ou próxima de outra impressão. Assim, a espessura do corpo ensaiado deve ser pelo menos dez vezes superior a profundidade da impressão. Além disso, a impressão deve ser feita a uma distância equivalente a três diâmetros do penetrador de outras impressões e cantos da amostra e, a superfície em questão deve possuir uma boa planicidade. Os equipamentos modernos para obtenção da dureza Rockwell são automatizados e muito simples de usar. A dureza é fornecida diretamente pelo equipamento e cada medição requer apenas alguns segundos. Procedimento do Ensaio:  Na superfície limpa, aplica-se uma pré-carga de 10 kgf,  Aplica-se uma carga nominal que pode variar entre 60, 100 ou 150 kgf,  Depois de aproximadamente 10 segundos é retirada a carga,  E é realizada a leitura da dureza do material diretamente na máquina, por isso, é um método direto de medição de dureza e um dos mais utilizados nas indústrias. 1.1.3.2 DUREZA BRINELL O método Brinell é um método de medição da dureza, utilizado principalmente nos materiais metálicos. Este método foi proposto em 1900, pelo engenheiro sueco Johan August Brinell. É o primeiro ensaio de dureza normatizado e amplamente utilizado na engenharia e metalurgia. O teste típico consiste em um penetrador de formato esférico com 10 mm de diâmetro, feito de aço de elevada dureza ou de carbeto de tungstênio (Figura 1.7). Capítulo 1 29 Figura 1.7 – Ensaio Brinell A carga aplicada varia entre 500 e 3000 kgf e, durante o teste, a carga é mantida constante por um período entre 10 e 30 segundos. O número Brinell de dureza (HB) é função da carga aplicada e do diâmetro da impressão resultante e pode ser obtido através da Equação 1.1: (1.1) Onde: “P” é o valor da carga aplicada (em kgf); “D” é o diâmetro do penetrador; e “d” é o diâmetro da impressão resultante, ambos em milímetros. Uma das grandes desvantagens do ensaio Brinell é o tamanho do penetrador, que muitas vezes causa danos consideráveis à peça analisada. Para garantir um bom resultado, a medição do diâmetro da impressão deve ser feita em pelo menos duas direções. A dimensão da dureza Brinell é MPa e uma das normas que a rege é a ASTM E10 (Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials). Capítulo 1 30 1.1.3.3 DUREZA VICKERS Dureza Vickers é um método de classificação da dureza dos materiais baseada num ensaio laboratorial. Neste método, é usada uma pirâmide de diamante com ângulo de diedro de 136º que é comprimida, com uma força arbitrária "F", contra a superfície do material. Calcula-se a área "A" da superfície impressa pela medição das suas diagonais. A dureza Vickers HV é dada ela Equação 1.2: (1.2) Onde: O método é baseado no princípio de que as impressões provocadas pelo penetrador possuem similaridade geométrica, independentemente da carga aplicada. Assim, cargas de diversas magnitudes são aplicadas na superfície plana da amostra, dependendo da dureza a ser medida. O Número Vickers (HV) é então determinado pela razão entre a carga (kgf) e a área superficial da impressão (mm2). Por ser dependente da área a escala Vickers varia rapidamente quando comparada a Rockwell. Este método foi desenvolvido no início da década de 1920 como uma alternativa ao Brinell. Uma das grandes vantagens é que os cálculos da dureza não dependem das dimensões do penetrador. O mesmo penetrador pode ser usado nos ensaios de diversos materiais, independentemente da dureza (Figura 1.8). Além disso, esta é uma das escalas mais amplas entre as usadas para medição de dureza e pode ser utilizada para todos os metais, com uma grande precisão de medida. Capítulo 1 31 Figura 1.8 – Penetrador Vickers A grande vantagem deste método é a pequena impressão deixada, sendo que este procedimento é utilizado em ensaios de micro e nano-dureza, na qual é possível analisar cerâmicas e finíssimas camadas de revestimento. As desvantagens são a necessidade de preparar a amostra previamente e o uso de um microscópio adequado. Este ensaio é normatizado pela ASTM E-92 (Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials). A conversão das escalas de dureza nem sempre é precisa e recomendada, tendo em vista a sua não linearidade: 1.1.4 Ensaio de Fadiga Segundo Colim (2006), fadiga é uma falha que pode ocorrer sob solicitações bastante inferiores ao limite de resistência do metal, isto é, na região elástica. É conseqüência de esforços alternados, que produzem trincas, em geral na superfície, devido à concentração de tensões. No exemplo da Figura 1.9, uma barra submetida a um esforço de flexão alternado pode apresentar pequenas trincas em lados opostos A e B. Com a continuidade do esforço alternado, as trincas aumentam, reduzindo a área resistente da seção. A ruptura de dá quando essa área se torna suficientemente pequena para não mais resistir à solicitação aplicada (C). Capítulo 1 32 Figura 1.9 – Pequenas trincas em barra submetida a esforço de flexão alternado (COLIM, 2006) A fratura por fadiga é facilmente identificável. A área de ruptura C tem um aspecto distinto da restante, que se forma gradualmente. A fadiga é um processo progressivo, mas a ruptura é brusca e, portanto, não é difícil imaginar o perigo que pode representar, uma vez que cargas variáveis ocorrem em inúmeros casos. Segundo MSPC – Inf. Tec., um ensaio de fadiga por flexão pode ser feito com um arranjo conforme Figura 1.10. Um motor gira um corpo de prova C. Os rolamentos externos são fixos em apoios e os internos recebem uma carga P, produzindo um esforço de flexão alternado devido à rotação do corpo de prova. Figura 1.10 – Arranjo para ensaio de fadiga por flexão rotativa (MSPC – Inf. Tec.) Assim, como mostrado por MSPC – Inf. Tec., um ciclo completo de flexão alternada é aplicado a cada volta do eixo e o número de voltas é registrado pelo contador A. Quando o corpo se parte por fadiga, o contador deixa de ser acionado e sua indicação é o número de ciclos que o corpo suportou com a carga P. Dadas as dimensões do corpo de prova, é possível calcular a tensão de flexão em função de P. Assim, repetindo o ensaio para diversos valores de P, é possível elaborar um gráfico relacionando o número de ciclos até a ruptura com a tensão de flexão mostrado na Figura 1.11 de MSPC – Inf. Tec. Capítulo 1 33 Figura 1.11 – Ruptura por número de ciclos e tensões (MSPC – Inf. Tec.) A curva superior é típica de um aço-carbono 0,5% C endurecido; a curva intermediária, de uma liga de alumínio e a inferior, de um ferro fundido. Pode-se notar que o aço tem um limite de resistência à fadiga, isto é, uma tensão abaixo da qual a vida da peça sob flexão alternada é teoricamente infinita. 1.1.5 Ensaio de Impacto As estruturas concebidas pelo homem são encontradas em toda parte, mas é importante prever o comportamento estrutural destas quando submetidas a diversos tipos de carregamento, e é por isto que engenheiros e especialistas, desenvolvem várias técnicas de análise elástica e plástica, incluindo o comportamento dinâmico das estruturas quando sujeitas a impacto visando projeto de equipamentos e componentes mais leves e seguros (ALVES, 2009). Os ensaios de tração e flexão não nos permite prever como um material se comporta quando é submetido a uma carga dinâmica, porque esses ensaios avaliam a resposta do material diante a um carregamento estático (MARTINS e LUCENA, 2007). Por outro lado, objetos do nosso cotidiano como automóveis, bicicleta, aviões, entre outros, utilizam materiais que são submetidos a esforços de características dinâmicas, como aqueles provocados por impactos e explosões, ou esforços repetitivos, ocasiões em que o material absorve grande quantidade de energia em um tempo muito curto (MARTINS e LUCENA, 2007). Capítulo 1 34 Segundo Shigley et.al. (2005), uma força externa aplicada a uma estrutura ou peça é denominada “carga de impacto”. O impacto representa um esforço de natureza dinâmica, a carga é aplicada repentina e bruscamente, neste caso não é só a força aplicada que conta, outro fator é a velocidade de aplicação da mesma, força associada com velocidade traduz-se em energia (MCMICHAEL e FISCHER, 1989). A tenacidade de um material, avaliada a partir do ensaio de tração, pode dar uma idéia da sua resistência ao impacto, mas a relação não é necessariamente conclusiva. Esse fato tornou-se relevante durante a segunda guerra mundial, quando navios passaram a usar chapas soldadas no lugar da tradicional construção rebitada. Sob impacto, trincas iniciadas em regiões de solda podiam propagar-se pelas chapas, que não apresentavam perda de tenacidade ou ductilidade em ensaios de tração. Foram desenvolvidos então ensaios específicos para impactos, considerando que a resistência a eles é grandemente afetada pela existência de trincas ou entalhes e pela velocidade de aplicação da carga, condições que não podem ser facilmente implementadas em um ensaio comum de tração. A temperatura também exerce significativa influência. O ensaio de impacto é simples (como diz MSPC – Inf. Tec.) conforme pode ser visto pelo esquema da Figura 1.12 (a): um corpo de prova padronizado com um entalhe é rompido pela ação de um martelo em forma de pêndulo. O princípio de operação pode ser analisado pela vista lateral (b) da mesma Figura. Figura 1.12 – Representação de um ensaio de impacto (MSPC – Inf. Tec.) Capítulo 1 35 Supõe-se que o pêndulo seja levado até uma posição tal que o seu centro de gravidade fique a uma altura h0 em relação a uma referência qualquer. Desprezando a resistência do ar e o atrito no pivô, uma vez liberado e na ausência do corpo de prova, o pêndulo deverá atingir mesma altura do outro lado, como dito por MSPC – Inf. Tec. Ainda MSPC – Inf. Tec. esclarece que: Se o corpo de prova é inserido e rompido pelo impacto do pêndulo, a energia absorvida nessa operação faz o pêndulo atingir, no outro lado, uma altura máxima h1 menor que h0. Ou seja, a resistência ao impacto do material é dada pela diferenças entre as energias potenciais em h0 e em h1. Na prática, o instrumento tem uma escala graduada, com indicador de valor máximo, para leitura direta da diferença de energias. Por ser energia, a resistência ao impacto deve ser dada em Joules (J), de acordo com o Sistema Internacional. Em equipamentos mais antigos, podem ser consideradas unidades como quilograma- força metro (kgf m) ou libra-força pé (lbf ft). Há dois padrões comuns para o ensaio: Charpy e Izod. O primeiro é usual nos Estados Unidos e o segundo, na Europa. Pelas descrições de MSPC – Inf. Tec., no ensaio Charpy, o corpo de prova tem um entalhe central e é apoiado em ambas as extremidades. O impacto se dá no centro conforme Figura 1.13 (a). O entalhe comum é tipo "V", mas há também padrão em forma de "U" ou fenda terminada em furo (dimensões para V: comprimento 55 mm, seção 10 x 10 mm, entalhe a 45º profundidade 2 mm). Há padrões especiais (sem entalhe) para materiais como ferro fundido. No padrão Izod, o corpo é engastado em um lado e recebe o impacto na outra extremidade conforme Figura 1.13 (b). Figura 1.13 – Apoios dos corpos de prova no ensaio Charpy (MSPC – Inf. Tec.) Conforme mencionado por MSPC – Inf. Tec., a resistência ao impacto dos materiais varia com a temperatura. As curvas do gráfico da Figura 1.14 indicam, de forma aproximada, variações da energia de impacto Charpy para aços-carbono de diferentes teores de C, todos eles aquecidos (para formação da austenita) a 870ºC por 4 horas e resfriados lentamente, de forma que a estrutura é basicamente ferrita e perlita. Capítulo 1 36 Figura 1.14 – Variações de energia de impacto com temperatura (MSPC – Inf. Tec.) Nota-se que há uma temperatura ou faixa de temperaturas para a qual a energia de impacto muda de patamar, ou seja, de um valor mais baixo ("impacto frágil") para outro mais alto ("impacto dúctil") como dito por MSPC – Inf. Tec. Mas isso, naturalmente, é válido apenas para o corpo de prova. Não significa que, por exemplo, uma peça prática de aço com 0,6% C sofrerá sempre fratura frágil em temperatura ambiente. 1.2. POLÍMEROS Segundo Canevarolo (2006), polímeros são macromoléculas que se caracterizam pelo tamanho, interações intra e intermolecular e estrutura química. São ligados quimicamente por ligações covalentes que se repetem ao longo da cadeia, denominadas meros. A quantidade de meros da cadeia polimérica é denominada grau de polimerização. Todos os polímeros são macromoléculas, mas nem todas as macromoléculas são polímeros. Monômeros são compostos químicos suscetíveis de reagir para formar polímeros (CANEVAROLO, 2006). Quando o polímero possui apenas um tipo de mero é classificado como homopolímero, quando possui mais que um tipo é denominado copolímero (CANEVAROLO, 2006). Na Figura 1.15 é possível observar um exemplo de homopolímero (cloreto de vinila) em que unidade se repete enquanto no copolímero (anidrido malóico) não se repete. Capítulo 1 37 Figura 1.15 – Exemplo de homopolímero e copolímero Fonte: (http://www.escolainterativa.com.br). 1.2.1. Estruturas Moleculares 1.2.1.1 POLÍMEROS LINEARES Segundo Callister (2002), os polímeros lineares são estruturas onde os meros estão unidos em cadeias únicas ponta a ponta. São longas cadeias flexíveis, como se fosse uma corda. Os polímeros que se formam com estruturas lineares são vários como; o polietileno, o poliestireno, o cloreto de polivinila e outros. A Figura 1.16 mostra a estrutura de um polímero linear. Figura 1.16 – Polímeros lineares Fonte: (CALLISTER, 2002, p) http://www.escolainterativa.com.br). Capítulo 1 38 1.2.1.2 POLÍMEROS RAMIFICADOS Para Callister (2002), os polímeros ramificados são cadeias principais que se cruzam com cadeias de ramificações laterais, isso pode ser visto na Figura 1.17. Essas ramificações são resultados das reações paralelas que ocorrem na síntese do polímero. Polímero com ramificações tem densidades menores, pois a sua eficiência na compactação reduz com as ramificações laterais. Figura 1.17 – Cadeia ramificada Fonte: (CALLISTER, 2002, p.) 1.2.1.3 POLÍMEROS COM LIGAÇÕES CRUZADAS Ainda para Callister (2002), polímeros com ligações cruzadas são cadeias lineares unidas umas as outras em diversas posições pelas ligações covalentes. São realizadas durante a síntese do polímero ou por reações químicas não reversíveis durante uma temperatura elevada. Materiais elásticos com característica de borracha apresentam essas ligações. A estrutura é mostrada na Figura 1.18. Capítulo 1 39 Figura 1.18 – Ligação cruzada Fonte: (CALLISTER, 2002, p.) 1.2.1.4 POLÍMEROS EM REDE Segundo Canevarolo (2006), polímeros em rede são meros com três ligações covalentes ativas, formando redes tridimensionais, como ilustrado na Figura 1.19. Polímeros que tenham muitas ligações cruzadas também podem ser classificados de polímeros em rede. Materiais com essa estrutura têm propriedades mecânicas e térmicas distintas. Figura 1.19 – Ligação em rede Fonte: (CALLISTER, 2002, p.) Capítulo 1 40 1.2.1.5 POLÍMEROS TERMOPLÁSTICOS Segundo Shackelford (2008), os polímeros termoplásticos quando aquecidos se tornam moles e deformáveis, são características das moléculas poliméricas lineares. Essa plasticidade em temperaturas elevadas se deve à capacidade das moléculas deslizarem umas sobre as outras. Materiais termoplásticos têm uma semelhança com metais, pois ganham ductilidade quando submetidos a altas temperaturas. Alguns exemplos de polímeros termoplásticos.  Polietileno (PE);  Poliestireno (PS);  Poliamida (Náilon);  Polipropileno (PP);  Policloreto de vinila (PVC);  Polietileno tereftalato (PET). A forma como os polímeros respondem às solicitações mostra suas propriedades mecânicas. Esta resposta depende de alguns fatores como estrutura química, temperatura, tempo e condições de processamento do polímero (CANEVAROLO, 2006). 1.2.1.6 POLÍMEROS TERMORRÍGIDOS Segundo Shackelford (2008), elastômeros são polímeros termorrígidos que são materiais duros e rígidos e também podem obter essas características sob o aquecimento. Diferentes dos termoplásticos, esse fenômeno não se perde com o resfriamento, que é característico das estruturas moleculares em rede formadas pelo mecanismo de crescimento em estágios. Esses estágios da reação química são acentuados pelas temperaturas altas e irreversíveis, ou seja, a polimerização permanece sob o resfriamento. Exemplos de polímeros termorrígidos:  Baquelite;  Resina epóxi;  Resinas fenólicas. Capítulo 1 41 1.2.1.7 ELASTÔMETOS Para Canevarolo (2006), polímeros que podem ser deformados a temperatura ambiente, ao menos duas vezes o seu comprimento original. Depois da retirada de carga ele volta a sua forma original. Os elastômeros são compostos por cadeias moleculares torcidas e dobradas, são materiais amorfos (sem estrutura atômica definida). Exemplo: Borracha. 1.2.2. Características do polipropileno Desde a sua introdução em 1954, o polipropileno se tornou uma das mais importantes resinas termoplásticas da atualidade, continuando ainda como a resina de maior crescimento (BNDES, 2006). O polipropileno é um termoplástico produzido através da formação de cadeias longas de monômero de propeno. O propeno na temperatura ambiente é um gás, mas depois de unido forma longas cadeias de moléculas denominadas polímeros, este é o polipropileno (PARMENTIER, 2007). Algumas características do polipropileno:  Sua densidade é uma das mais baixas entre todos os materiais poliméricos disponíveis, na faixa de 0,905 g/cm³. Permitindo obter peças com baixo peso;  Sua rigidez é elevada;  Apresenta boa resistência ao impacto à temperatura ambiente;  Dureza superficial alta;  Condutividade elétrica baixa;  Resistência química elevada, não sendo atacados pela maioria dos produtos químicos. 1.3. MATERIAIS COMPÓSITOS Materiais compósitos são dois ou mais materiais combinados fisicamente (sem que haja reação química) em escala macroscópica para formar um novo material. Os materiais Capítulo 1 42 compósitos se dividem em compósitos laminados, particulados e fibrosos. Os laminados constitui-se de camadas com pelo menos 2 materiais diferentes, ligadas por intermédio de uma matriz. Já os particulados compõem-se de partículas de um ou mais materiais suspensos na matriz de outro material e, por fim, os fibrosos, que são caracterizados por fibras em uma matriz. Os materiais compósitos fibrosos podem ser divididos em vários tipos conforme sua aplicação. Têm-se os compósitos de fibras contínuas, os de tecido, os de fibras cortadas e os híbridos. Esses diferentes tipos de compósitos fibrosos são ilustrados na Figura 1.20 Figura 1.20 – Diferentes tipos de compósitos O uso desses materiais não é recente, pois as primeiras aeronaves tinham em sua estrutura partes de madeira, que é um compósito natural. Porém a produção de materiais compósitos foi iniciada na segunda guerra mundial, com a fabricação de estruturas secundárias, tais como portas e carenagens em aviões de guerra. Tais compósitos eram feitos de resina poliéster e fibra de vidro. As fibras nos materiais compósitos são de pouca utilidade, a menos que unidas por um material ligante, denominado matriz, para formar um elemento estrutural. Esse material tem igual ou superior resistência mecânica a um similar, com a grande vantagem de ter uma baixa densidade, o que o torna de grande uso em estruturas que necessitam de baixa densidade, como é o caso de aviões, embarcações, veículos em geral. Ultimamente tem-se aumentado consideravelmente o uso desses materiais. A Figura 1.21 ilustra o avanço na aplicação de materiais compósitos nos Estados Unidos no período de 1990 a 2000. Capítulo 1 43 Figura 1.21 – O aumento do uso de compósitos no período de 1990 a 2000 O desenvolvimento de fibras de vidro pela Força Aérea Americana nos Estados Unidos, fez com que esse material se tornasse altamente competitivo com outros materiais metálicos usados na indústria aeroespacial. Dessa forma o alumínio, que era um dos principais materiais utilizados nessas estruturas foi gradualmente sendo substituído pelos compósitos feitos com fibras de vidro e Kevlar. Com o crescente avanço tecnológico, processos para a produção desses compósitos ficaram cada vez mais viáveis quando comparados com outros materiais. A partir da década de 60, os materiais compósitos de alto desempenho foram introduzidos de maneira definitiva na indústria aeroespacial. Os avanços nos compósitos criaram novas oportunidades para estruturas de alto desempenho e com baixo peso, favorecendo o desenvolvimento de sistemas estratégicos, como a área de mísseis, foguetes e aeronaves de geometrias complexas. O crescimento do uso desses compósitos é em torno de 5% ao ano. O seu uso está distribuído em 60% para o setor aeronáutico comercial, 20% para o de defesa e espaço, 10% para o recreativo, e 10% para a indústria em geral. Neste contexto, o Brasil tem ampliado a sua aplicação em compósitos estruturais, utilizando-os em componentes externos e internos de aviões, automóveis e helicópteros e, em menor escala, em foguetes. Para o setor de transportes, a tendência mundial mostra que a indústria automotiva será a maior usuária de compósitos poliméricos. Em construções civis, já estão sendo muito utilizados em edificações em áreas sujeitas a abalos sísmicos. E devido a sua excelente resistência à corrosão, tem também sido muito utilizado em eletrodos de células de combustíveis. Além dessas aplicações, os materiais Capítulo 1 44 compósitos também são utilizados na área médica, na confecção de próteses ortopédicas, na área esportiva, como por exemplo, em tacos de basebol, varas de pescar, estruturas de bicicletas. Uma outra área que está se beneficiando das propriedades de resistência mecânica e menor peso dos compósitos estruturais é a de construção de plataformas de petróleo e de equipamentos para extração de petróleo em alto mar. Os desenvolvimentos em pesquisa nesta área são cada vez mais importantes, pois necessita-se de alta tecnologia para a combinação de materiais com diferentes características físico-químicas e mecânicas e pela utilização de diferentes processos de manufatura, fazendo com que haja a formação de recursos humanos cada vez mais capacitados. 1.4. PROCESSOS MECÂNICOS DE FABRICAÇÃO Fabricar é transformar matérias-primas em produtos acabados, por uma variedade de processos (SOUZA, 2011). E também pode ser definida como a arte e a ciência de transformar os materiais em produtos finais utilizáveis (LOSEKANN, 2011). O homem pré-histórico teve a necessidade de desenvolver operações para fabricar ferramentas, pois perceberam que suas pernas e braços não eram suficientes para se desenvolver e caçar, com o passar dos tempos desenvolveram operações para facilitar o abate, o corte e a retirada das peles de suas caças, utilizando machados e lanças (PEREIRA e RODRIGUES, 2011 apud COSTA e SANTOS, 2006). Durante centenas de anos a pedra foi à matéria-prima, mas por volta de 4000 a.C. ele começou a trabalhar com metais, começando com o cobre, depois com o bronze e finalmente com o ferro para a fabricação de armas e ferramentas (SOUZA, 2011). Para a seleção dos materiais, tem – se em vista as características exigidas das peças e o seu comportamento nos sistemas que farão partes (LOSEKANN, 2011). Como por exemplo, quando se deseja um simples clipe de papel por mais simples que seja sua função, é necessário desenvolver um projeto, seleção de um material adequado e de um método de fabricação para atender os requisitos de serviço do produto (PEREIRA e RODRIGUES, 2011 apud COSTA e SANTOS, 2006). Dentre uma infinidade de processos de fabricação existente, o mais utilizado é o processo de usinagem. Capítulo 1 45 1.4.1. Usinagem Consiste na remoção de partículas de material de um bloco ou forma bruta, até atingir a forma desejada. É efetuada com o auxílio de ferramentas adequadas de material duro em máquinas especiais como: tornos, plainas, fresadoras, retificadoras, etc. (LOSEKANN, 2001). O termo usinagem também pode ser definido como sendo um processo de fabricação com remoção de cavaco. Como mostrado na Figura 1.22. Figura 1.22 – Processos de fabricação (COSTA e SANTOS, 2006) A usinagem é reconhecidamente o processo de fabricação mais popular do mundo, transformando em cavacos algo em torno de 10% de toda a produção de metais, e empregando dezenas de milhões de pessoas em todo o mundo (COSTA e SANTOS, 2006). Capítulo 1 46 1.4.2. Operação de corte por serra fita O corte de metais e outros materiais é uma das operações mais largamente aplicadas, sendo na maioria das vezes a primeira operação do processo de fabricação, responsável por dividir a matéria prima, que é adquirida em chapas, barras ou tarugos (JÚNIOR e SOUZA, 2013). A serra de fita, também chamada de fita dentada, normalmente é adquirida em rolos e cortada no tamanho desejado. São muito utilizadas, pois além de cortar em linha reta, como nos outros tipos de serra, podem serrar contornos. Possui dispositivo para cortar, soldar, revenir e retificar a fita que pode se romper com relativa facilidade (JÚNIOR e SOUZA, 2013). A Figura 1.23 exibe uma máquina vertical à esquerda e uma horizontal à direita. Figura 1.23 – Máquina de serra fita. Vertical à esquerda e horizontal à direita (JÚNIOR e SOUZA) 1.4.3. Soldagem É o processo pelo qual se faz a união localizada de metais ou não-metais, produzida pelo aquecimento dos materiais a temperatura adequada, com ou sem aplicação de pressão, e com ou sem a utilização de metal de adição (COPERTEC). Existem três tipos básicos de soldagem superficial como mostra a Figura 1.24: Capítulo 1 47 Figura 1.24 – Tipos de soldagem (COPERTEC) Em uma breve explicação sobre estes três tipos de soldagem pode se dizer que:  União entre componentes de ângulo (solda de ângulo) – Soldagem executada com duas ou mais chapas colocadas perpendicularmente entre si formando um ângulo.  Solda topo a topo – Soldagem executada com duas ou mais chapas colocadas sobre o mesmo plano.  Revestimento – Soldagem executada no metal de base com a finalidade de deixar o material resistente ao desgaste e a corrosão. 1.4.4. Torneamento O processo que se baseia no movimento da peça em torno de seu próprio eixo e a ferramenta de corte executa o movimento de avanço chama-se torneamento. O torneamento é uma operação de usinagem que permite trabalhar peças cilíndricas movidas por um movimento uniforme de rotação em torno de um eixo fixo. Quanto à forma da trajetória, o torneamento pode ser retilíneo ou curvilíneo (SOUZA, 2011):  Torneamento retilíneo – Processo de torneamento no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória retilínea. O torneamento retilíneo pode ser: cilíndrico, cônico, radial ou de perfil.  Torneamento curvilíneo – Processo de torneamento, no qual a ferramenta se desloca segundo uma trajetória curvilínea. E por ser uma operação muito utilizada pela indústria mecânica por efetuar várias formas geométricas, além de sua alta remoção de cavaco, o torneamento pode ser classificado Capítulo 1 48 em torneamento de desbaste e acabamento (PEREIRA e RODRIGUES, 2011 apud AGOSTINHO e BUTTON, 2004):  Desbaste – Retirar grandes quantidades de material da peça com valores altos de avanço e profundidade de corte.  Acabamento – Confeccionar peças com precisão mais elevada e melhor acabamento superficial, realizados com baixos valores de avanço e profundidade de corte. A sequencia de Figuras de 1.25 à 1.27 mostram um torno convencional, os vários tipos de torneamento e suas partes e as ferramentas aplicadas no torno respectivamente. Figura 1.25 – Torno convencional (PEREIRA e RODRIGUES, 2011) Figura 1.26 – Tipos de torneamento e suas partes (PEREIRA e RODRIGUES, 2011) Capítulo 1 49 Figura 1.27 – Ferramentas aplicadas no torno convencional (PEREIRA e RODRIGUES, 2011) 1.4.5. Roscamento O roscamento é um processo mecânico, de usinagem ou conformação, que se destina à obtenção de filetes com perfis roscados, por meio da abertura de um ou mais sulcos helicoidais de passo uniforme, em superfícies cilíndricas ou cônicas de revolução (CARVALHO, 2011). Sua usinagem pode ser interna ou externa (PEREIRA e RODRIGUES, 2011 apud LOSEKANN, 2001):  Roscamento interno utilizam-se machos – ferramentas de corte, com rosca similar a um parafuso com três ou quatro ranhuras longitudinais retas ou helicoidais.  Roscamento externos utilizam-se cossinetes – ferramentas de corte, com rosca similar a uma porca, com cortes paralelos dispostos em torno de um furo central. Essas ferramentas possuem padrões determinados por normas, para determinar diâmetros e passos-de-roscas a serem utilizadas nas usinagens e nos reparos. As comumente usadas são a DIN e a SI (PEREIRA e RODRIGUES, 2011). A Figura 1.28 mostra essas ferramentas e suas funções. Capítulo 1 50 Figura 1.28 – Ferramentas de roscar (PEREIRA e RODRIGUES, 2011) 1.4.6. Fresamento Fresadoras são máquinas de movimentos contínuos destinados à usinagem de materiais, onde se removem os cavacos por meio de uma ferramenta de corte chamada fresa, a operação de retirada de cavacos é chamada de fresamento, tanto a ferramenta quanto a peça se desloca em mais de uma direção, ao mesmo tempo. (CHIAVERINI, 1986). A Figura 1.29 mostra os tipos de fresamento que são classificados em vários formatos de geometrias e superfícies obtidas pelo processo e também há várias formas construtivas de fresadoras convencionais, sendo duas de uso comum (BORGES, 2009): a fresadora vertical (ferramenteira) e a fresadora horizontal (universal). Tais fresadoras estão ilustradas na Figura 1.30. Capítulo 1 51 Figura 1.29 – Tipos de fresamento Fonte: (MARIO E. S. M, 2001) Figura 1.30 – Tipos de fresadoras 1.5. ENSAIO DE TRAÇÃO 1.5.1. Máquina de Ensaio de Tração A função básica de uma máquina universal (realiza ensaio de tração, compressão, flexão) é criar um diagrama baseado em informações como tensão versus deformação. Uma Capítulo 1 52 vez absorvido estes dados pode-se calcular a tensão de escoamento via um algoritmo computacional acoplado. Neste caso, são também calculados o módulo de elasticidade, a tensão limite de ruptura e o alongamento total. Podem ser encontrados dois modelos desta máquina universal a de funcionamento eletromecânica ou de funcionamento hidráulico (SENGEMEC, 2012). Na Figura 1.31 é ilustrado um modelo eletromecânico da máquina de ensaios. Figura 1.31 – Máquina de ensaio de tração universal Fonte: Autoria própria No ensaio de tração aplica-se uma carga crescente em um corpo de prova devidamente até ocorrer à ruptura. A carga é aplicada uniaxialmente e é realizada a observação e o registro simultâneo do alongamento sofrido pelo corpo de prova. Esses corpos de prova são geralmente de seção retangular ou circular e seus ensaios são feitos em máquinas que dispõem de dispositivos de fixação apropriados que auxiliam na aplicação da carga, de forma a não permitir qualquer tipo de escorregamento durante o ensaio (PARMENTIER, 2007). Capítulo 1 53 Nas máquinas de ensaio de tração, a carga é aplicada mediante o deslocamento de uma das garras onde o corpo de prova se encontra fixado. Mede-se a carga durante o ensaio utilizando células de carga que podem conter extensômetros elétricos devidamente calibrados (PARMENTIER, 2007). A tensão aplicada versus o deslocamento sofrido pelo corpo de prova é registrada em um computador através de um programa, onde se obtêm a curva do ensaio (PARMENTIER, 2007). 1.5.2. Propriedades Obtidas no Ensaio de Tração 1.5.2.1 TENSÃO NORMAL A força pela unidade de área ou a intensidade das forças distribuídas numa certa seção transversal é chamada de tensão (BEER, 1995). A tensão é indicada pela letra grega σ (sigma), sua unidade no Sistema Internacional é expressa em Pascal (N/m²) (BEER, 1995). A Equação 1.3 é dada logo a seguir. (1.3) Onde: σ = Tensão Normal. F = Força Normal. A = área da seção transversal. 1.5.2.2 DEFORMAÇÃO ESPECÍFICA Ainda Segundo Beer e Russel (1995), depois que aplicada uma força ao material ele muda sua forma e seu tamanho, isso é chamado de deformação. Deformação específica é dada pela variação de comprimento da barra pelo comprimento inicial, como mostrado na Equação 1.4. Capítulo 1 54 (1.4) Onde: ε = deformação específica; ∆L = variação de comprimento; L0 = comprimento inicial. 1.5.2.3 ÁREA DE COMPORTAMENTO ELÁSTICO Segundo Hibbeler (2004), a região de comportamento elástico se refere a uma parte da curva tensão versus deformação, que se aplicado uma carga no material e depois retirá-la o mesmo voltará ao seu formato original, ou seja, sem mudar suas dimensões nem suas propriedades. Nessa região é valida a Lei de Hooke. Na Figura 1.32 é mostrada uma ilustração da região elástica do material. Figura 1.32 – Região de comportamento elástico Fonte: (CALLISTER, 2002) LEI DE HOOKE Para Beer e Russel (1995), a maioria dos materiais ensaiados em níveis de tensões relativamente baixas que não ultrapassem a região de comportamento elástico, a tensão e a deformação específica dos mesmos são diretamente proporcionais. Essa relação é conhecida como a Lei de Hooke, e deve-se ao matemático Robert Hooke. O coeficiente E é conhecido Capítulo 1 55 como módulo de elasticidade do material, ou modulo de Young. Já que a deformação específica ε é adimensional, o módulo de elasticidade tem a mesma unidade da tensão σ, dada por Pascal (N/m²) no Sistema Internacional. Segue a Equação 1.5 da Lei de Hooke. σ = E.ε (1.5) Onde: σ = Tensão; E = Modulo de elasticidade; ε = Deformação específica. LIMITE DE ELASTICIDADE Para Nash (1982), limite de elasticidade representa tensão máxima que pode se aplicar no material sem que apareçam deformações residuais, ou permanentes, depois que se retira a carga externa. Para muitos materiais com o inicio do escoamento bem definido no gráfico de tensão versus deformação específica, os limites de elasticidade e de proporcionalidade coincidem com a tensão de escoamento, conforme na Figura 1.33, em termos são empregados como sinônimos. Nesta fase os materiais obedecem a Lei de Hooke. No caso dos polímeros termoplásticos a tensão de escoamento é tomada como sendo um valor máximo na curva, o que ocorre imediatamente após o término da região elástica (CALLISTER, 2002). Figura 1.33 – Limite de elasticidade Fonte: (CALLISTER, 2002, p.) Capítulo 1 56 COEFICIENTE DE POISSON Segundo Hibbeler (2004), o cientista francês S. D. Poisson no século XIX notou que na região de elasticidade a divisão entre as deformações (lateral e longitudinal) é uma constante, onde as deformações no comprimento da barra e a deformação no raio são diretamente proporcionais. A constante em especifico é denominada de coeficiente de Poisson. Sua formula é expressa pela Equação 1.6: (1.6) Onde: ν = coeficiente de Poisson; εlat = deformação específica lateral; εlong = deformação específica longitudinal. Usa-se o sinal negativo, pois o alongamento longitudinal (deformação positiva) provoca contração lateral (deformação negativa) (HIBBELER, 2004). A deformação lateral é igual em todas as direções laterais, e também ela é provocada somente pela força longitudinal ou a força axial, ou seja, não tem forças atuando na direção lateral para deformar nessa direção o material (CALLISTER, 2002). Segue abaixo a Tabela 1.1, com o coeficiente de Poisson de alguns polímeros. Tabela 1.1 – Coeficiente de Poisson de alguns polímeros Fonte: (CALLISTER, 2002, p.) Material Coeficiente de Poisson Cloreto de polivinila (PVC) 0,38 Náilon 0,39 Polipropileno 0,41 Poliestireno 0,33 Capítulo 1 57 MÓDULO DE ELASTICIDADE Segundo Souza (1982), cada material tem um módulo de elasticidade constante. A medida da rigidez de um material é denominado módulo de elasticidade. Quanto maior seu módulo, menor será sua deformação elástica, e por sua vez mais rígido será o material. A medição do módulo de elasticidade E é realizada pela tangente da reta característica da região elástica, traçando-se a curva tensão por deformação específica na região elástica com a precisão maior possível em corpos de prova criados conforme normas. Caso essa reta seja muito pequena, ou mesmo inexistente na prática, pode-se medir o módulo de elasticidade pela tangente da reta que é tangente à curva no ponto O da origem ou num ponto B especificado da curva ou ainda pela tangente da reta que é secante à curva, que vai do ponto O ao ponto A especificado da curva, (SOUZA, 1982). A Figura 1.34 ilustra o conceito. Figura 1.34 – Determinação de E para materiais com zona elástica não linear Fonte: (SOUZA, 1982, p.) 1.5.2.4 REGIÃO DE COMPORTAMENTO PLÁSTICO Segundo Callister (2002), até uma determinada tensão o material tem um comportamento elástico, depois dessa região ele já começa a sofrer uma deformação plástica, ou seja, se for retirada a tensão no material, ele sofrerá uma deformação permanente não voltará à sua forma original. Analisando a microestrutura atômica, na deformação plástica acontece uma quebra de ligações com átomos vizinhos logo em seguida ocorre uma formação de novas ligações com novos átomos, certo que um grande número de átomos se move uns em relação aos outros, retirando a tensão, não conseguem retornar as suas posições (CALLISTER, 2002). Capítulo 1 58 ESCOAMENTO Segundo Hibbeler (2004), o escoamento é uma região onde uma pequena tensão causa um deslocamento elevado, e essa região tem uma deformação permanente. Essa região localiza-se logo no início da deformação plástica. O limite de escoamento nada mais é que a tensão que provoca o escoamento do material. Na Figura 1.35 estão incluídas as representações esquemáticas do perfil do corpo de prova durante vários estágios da deformação. Ficam evidentes a partir dessa curva os limites de escoamento superior e inferior, os quais são seguidos por uma região praticamente horizontal. No limite de escoamento superior, forma-se um pequeno pescoço na seção útil do corpo de prova. Dentro do pescoço, as cadeias vão se tornando orientadas (eixos da cadeia ficam alinhados paralelamente à direção do alongamento), levando ao aumento de resistência localizado. Conseqüentemente, neste ponto existe uma resistência à continuidade da deformação, e o alongamento do corpo de prova segue pela propagação desse pescoço ao longo da seção útil. Uma vez que um pescoço é formado, toda deformação subseqüente fica confinada no interior dessa região empescoçada (CALLISTER, 2002). Figura 1.35 – Limite de escoamento Fonte: (CALLISTER, 2002, p.) Capítulo 1 59 Segundo Souza (2004), quando se vai realizar algum tipo de ensaio em um material o importante é focar o teste nas especificações do material, e principalmente o método do ensaio que será proporcionado ao corpo de prova a ser analisado. Tendo em vista que o mesmo ensaio possa ser realizado em qualquer lugar e que seus resultados cheguem o mais perto possível do real. Segue agora algumas instituições que fornecem as normas utilizadas em vários laboratórios de análises:  ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas;  ASTM - American Society for Testing and Materials;  DIN - Deutsches Institut für Normung;  AFNOR - Association Française de Normalisation;  BSI - British Standards Institution;  ASME - American Society of Mechanical Engineer;  ISO - International Organization for Standardization;  JIS - Japanese Industrial Standards;  SAE - Society of Automotive Engineers;  COPANT - Comissão Panamericana de Normas Técnicas. 1.6. CORPOS DE PROVA A confecção dos corpos de prova para os ensaios, bem como uma correta e minuciosa atenção às dimensões e acabamento dado são fundamentais no processo de retirada de dados, principalmente em ensaios destrutivos. Para cada tipo de ensaio, os corpos de provas deverão ser preparados seguindo modelos rígidos de confecção. A seguir, uma análise nas dimensões de corpos de provas para o ensaio de tração e ensaio Charpy foram realizados. 1.6.1. Tração Segundo Souza (2004), no ensaio de tração o corpo de prova tem que estar em perfeito acabamento em todas as partes, pois qualquer alteração pode levar a resultados Capítulo 1 60 muitos diferentes como, por exemplo, se a cabeça do corpo de prova for mal fixada ou fixada de maneira errada, poderá mudar o ponto que o material irá distribuir a força. Na parte útil o mau acabamento pode deixar trincas facilitando a ruptura antecipada do material. Na Figura 1.36 são mostradas as partes do corpo de prova retangular, onde a parte útil é a porção efetivamente utilizada para medição do alongamento e a cabeça são as extremidades, cuja função é permitir a fixação do corpo de prova na máquina de ensaio (SOUZA, 2004). Figura 1.36 – Corpo de prova característico de um ensaio de tração Fonte: (SENGEMEC, 2012) Ainda segundo Souza (2004), utilizando as normas da ABNT, se possível o comprimento do corpo de prova deve medir cincos vezes o valor do seu diâmetro. Respeitando um acordo internacional sempre que possível, a parte útil de um corpo de prova deve medir dez milímetros de diâmetro e cinqüenta milímetros de comprimento. Caso não haja forma de extrair um corpo de prova nestas medidas, utilizar medidas mais próximas e proporcionais às citadas anteriormente. O ensaio de tração realizado segundo a norma internacional ASTM E399 (1990) é realizado em uma máquina de ensaio universal Emic DL 200 (Figura 1.37) com célula de carga de 50 Kgf com uma velocidade de 1 mm/min, utilizando corpo de prova como ilustrado na Figura 1.38. Capítulo 1 61 Figura 1.37 – Máquina utilizada para o ensaio de tração Figura 1.38 – Formato dos corpos de prova utilizados para o ensaio de tração Pode-se introduzir uma trinca no corpo de prova utilizando-se serras e lâminas para a determinação do K1C, utilizando-se a norma ASTM E399 (1990) por tração, como ilustrado na Figura 1.39. Figura 1.39 – Formato dos corpos de prova para o ensaio de tração com entalhe A confecção dos corpos é realizada através de moldes, como mostra a Figura 1.40, deve-se tomar cuidado com confeccionamento de corpos de provas, principalmente em amostras não metálicas pois podem ocorrer defeitos estruturais, como é o caso de micro bolhas ou aparecimento de trincas quando se lida com variação de temperatura. Um tipo de amostra de polímeros pode ser visto na Figura 1.41. Capítulo 1 62 Figura 1.40 – Molde para a preparação dos corpos de prova, ensaio de tração Figura 1.41 – Corpo de prova característico de um ensaio de tração 1.6.2. Charpy Nos ensaios de impacto, os corpos de prova são entalhados com amostras dos materiais a serem submetidos ao impacto, sobre temperaturas conhecidas em uma posição horizontal numa máquina pendular, os resultados apresentados são obtidos na forma de energia absorvida pelo corpo de prova durante o impacto (NOGUEIRA, 2006). A Figura 1.42 mostra que os corpos de prova para os ensaios de impacto Charpy possuem uma variedade na geometria, porém são normalizados pela ASTM E 23 (American Society for Testing and Materials). Capítulo 1 63 Figura 1.42 – Tipos de corpos de provas Charpy Na execução do ensaio Charpy, o corpo de prova é apoiado nas suas extremidades como uma viga simples bi-apoiada que é golpeada no lado oposto do entalhe, o efeito desse tipo de tensionamento é triaxial (Delforge, 1994). Segundo Nogueira (2006), estado de tensão triaxial de um entalhe resulta numa espécie de endurecimento por entalhe, por que introduz uma forte restrição ao escoamento plástico. Na figura 1.43, um corpo de prova com entalhe e o outro sem, para ilustrar o entendimento do assunto. Figura 1.43 – Estados das tensões nos corpos de provas com e sem entalhe Capítulo 1 64 1.7. ABORDAGEM NUMÉRICA Os métodos computacionais foram inicialmente desenvolvidos na década de 1960 para resolver equações lineares e com interface bidimensional. No decorrer dos anos, os computadores possibilitaram o desenvolvimento de métodos tridimensionais e posteriormente, na década de 1970, resolução de equações de comportamento não-linear. Simulações eram restritas. Apenas supercomputadores tinham capacidade de resolver métodos e equações. Graças à evolução da informática e desenvolvimento de software com interfaces mais amigáveis, hoje, a simulação computacional é difundida em diversas áreas. Dentre as vantagens da utilização de ferramentas computacionais de simulação numérica, estão:  Baixo custo de aquisição e operação, já que as tecnologias computacionais vêm se tornando cada vez mais acessíveis ao longo dos anos.  Oferecem informações detalhadas sobre o estudo, com relativa facilidade de acesso aos dados de saída;  Permitem a rápida mudança de parâmetros, otimizando a análise e interpretação;  Podem simular detalhamento realístico da geometria em estudo; e  Permitem o estudo de fenômenos de risco, sem oferecer risco ao usuário. A abordagem numérica que será utilizada na Tese será através do software comercial ANSYS, que é um software que tem liderado a evolução das ferramentas de simulação virtual baseadas na tecnologia de Elementos Finitos. Dentre os cuidados que devem ser adotados na simulação numérica pelo método dos elementos finitos, corresponde quanto à escolha da densidade da malha utilizada no modelo em estudo (BILESKY, 2010). Assim, discorre-se a seguir o que é e como funciona a ferramenta matemática chamada Elementos Finitos. 1.7.1 Elementos Finitos O método dos elementos finitos é uma importante ferramenta computacional para executar cálculos que na prática seriam muitos difíceis ou mesmo impossíveis. As suas primeiras aplicações tiveram início na década de 1950. Capítulo 1 65 O método dos elementos finitos (MEF ou FEM em inglês(Finite Element Methode)) é uma forma de resolução numérica de um sistema de equações diferenciais parciais. O método encontra aplicações em diversos campos: Mecânica estrutural, Mecânica dos fluidos, Eletromagnetismo, Etc. Até certa época, o processamento só podia ser feito nos caros mainframes e, por isso, o uso era restrito a grandes empresas, centros de pesquisa, instalações militares. Com a evolução da capacidade e a redução de custos dos computadores, as aplicações do método se expandiram e se tornaram cada vez mais precisas e sofisticadas. De início era usado quase sempre no cálculo de estruturas de engenharia e atualmente é aplicado em áreas diversas como transferência de calor, escoamento de fluidos, eletromagnetismo e muitas outras. Uma breve analogia para o método pode ser vista na Figura 1.44: supõe-se que se deseja determinar a relação entre o perímetro e o diâmetro de uma circunferência, isto é, o número π. No desenvolvimento matemático tradicional, chega-se a uma série de infinitos termos e o número π pode ser calculado com a quantidade de casas decimais que for necessária. Um meio mais compatível com processos computacionais pode ser visto em (b) da Figura 1.44: a circunferência é considerada uma sucessão de elementos, isto é, de segmentos de reta de mesmo comprimento formando um polígono regular. O comprimento total desses elementos é uma aproximação para o perímetro, aproximação esta tanto melhor quanto maior o número de elementos. Figura 1.44 – Analogia MEF Há de se notar que esse método pode ser aplicado ao cálculo do comprimento de uma curva genérica dada por uma sucessão de pontos, ao passo que o processo contínuo tradicional exige o conhecimento da sua função matemática, o que nem sempre é possível ou fácil em muitos casos práticos. Capítulo 1 66 Geralmente no início do projeto, são definidos pela Engenharia Automotiva alguns valores que servirão como base para o desenvolvimento do mesmo como: Torção e Flexão de Carroceria, Freqüência Natural, Níveis de ruídos (Acústica) bem como níveis de segurança á serem atingidos. A Figura 1.45 mostra o modo de utilização do MEF em simulações. Figura 1.45 – Modo de utilização do MEF em carrocerias O método de elementos finitos (FEM) é uma das ferramentas mais usadas na análise de estruturas complexas na engenharia mecânica, na engenharia veicular, aeroespacial e na engenharia civil. É usado tanto para tarefas rotineiras como cálculos de análise de forças, de estabilidade e de vibração estrutural, como também para a analise de problemas mais complexos como, por exemplo, problemas de deformação que incluem o comportamento do material plástico, como é necessário na simulação de uma colisão de veículos (Crashtest Figura 1.46). Figura 1.46 – Ilustração da utilização da ferramenta MEF em Crashtest Capítulo 1 67 O método de elemento finito (muitas vezes referido como a análise de elemento finito) é uma técnica numérica para encontrar soluções aproximadas das equações diferenciais parciais assim como de equações integrais. A aproximação da solução é baseada em eliminar a equação diferencial completamente, ou em aproximar as equações diferenciais parciais em um sistema de aproximação de equações diferenciais ordinárias, que são resolvidas então usando técnicas padrão tais como o método de Euler, o Runge-Kutta, etc. Antes mesmo do Advento do CAD (Computer-Aided Design) a Mercedes-Benz utilizou um programa próprio chamado ESEM. Hoje no mercado há inúmeros sistemas disponíveis que executam o calculo do FEM, os mais conhecidos são: PERMAS, NASTRAN, ABAQUS, DYNA3D e é claro, o maior e mais famoso deles, o ANSYS. A vantagem de se utilizar o FEM está no fato de se permitir o calculo de estruturas de qualquer nível de complexidade; na facilidade de analisar várias variantes, no fato de que são consideradas as propriedades anisotrópicas e não lineares dos materiais e na facilidade que os programas tem de conversarem com outros programas CAD/CAM. Hoje por exemplo, o CATIA V5 já dispõem de um módulo que executa o FEM para pequenas peças. O FEM também tem algumas limitações; a precisão dos resultados depende do tipo de elemento e do nível de decomposição da estrutura, juntas soldadas não são reproduzidas com exatidão e alterações de espessura de chapa e as características de materiais para peças com repuxo profundo não são consideradas. Na construção de carrocerias automotivas, o FEM é utilizado na análise de resistência de peças individuais e de secções de carroceria sujeitas á sobrecargas especiais, como por exemplo, o sistema de fixação do eixo traseiro nas longarinas. Estes ensaios têm como objetivo verificar se a secção analisada dispõe de resistência suficiente para atender as exigências de campo ou se há necessidade de se alterar o projeto para a redução de tensões. Pode ainda ser utilizado na análise do comportamento dinâmico da carroceria ou ainda no caso de uma colisão. Normalmente todos os fabricantes de veículos realizam ensaios de acidentes (impacto frontal, lateral, traseiro e capotagem) para verificar se os veículos atendem as normas para os quais estes se destinam. Primeiro executa-se a análise em computador e depois verifica-se in loco se o comportamento é condizente com os ensaios realizados virtualmente. Capítulo 1 68 O FEM também é utilizado na análise dos sistemas de proteção dos ocupantes (Figura 1.47), neste caso em conjunto com outro Software ele pode ser utilizado tanto no projeto como na otimização dos sistemas de retenção e acolchoamento. Figura 1.47 – Ilustração da utilização da ferramenta MEF em sistemas de proteção Diferente do que se pode pensar o Método de Elementos Finitos é utilizado em vários níveis no projeto. Pode-se fazer uma pré-avaliação da estampagem de uma peça, verificando-se quantos estágios seriam necessários para obtê-la sem comprometer a sua estrutura individual. Pode-se ainda simular a injeção de peças plásticas. E antes mesmo do primeiro protótipo ser construído pode-se realizar a simulação Acústica, simular oscilações de Temperatura no veículo bem como testes de durabilidade, túnel de vento e etc. 1.7.2 Tipo de análise em Elementos Finitos Quando surge a necessidade de resolver um problema de análise de uma estrutura, a primeira questão que se coloca é a sua classificação quanto à geometria, modelo do material constituinte e ações aplicadas. O modo como o MEF é