Teste de impacto Charpy de aços laminados a frio e laminados a quente sob diversas condições de temperatura

Fonte: Roberto Leon, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA

Um dos tipos mais insidiosos de falhas que podem ocorrer nas estruturas são as fraturas frágeis, que são principalmente devido a materiais de má qualidade ou má seleção de materiais. Fraturas frágeis tendem a ocorrer de repente e sem muita inelasticidade material; pensar em uma fratura óssea, por exemplo. Essas falhas ocorrem frequentemente em situações em que há pouca capacidade para o material desenvolver tensões de tesoura devido às condições de carregamento tridimensional, onde as concentrações de tensão locais são altas, e onde um caminho de força lógica e direta não foi fornecido pelo designer. Exemplos desse tipo de falha foram observados após o terremoto de Northridge em 1994 em estruturas de aço de vários andares. Nestes edifícios, várias das soldas de chave fraturadas sem apresentar qualquer comportamento dúctil. As fraturas tendem a ocorrer perto de conexões, ou em interfaces entre peças de materiais básicos, pois a soldagem tende a introduzir descontinuidades locais em ambos, materiais e geometria, bem como tensões tridimensionais devido ao resfriamento.

Ao especificar materiais para uma estrutura que verá temperaturas de operação muito baixas (ou seja, o gasoduto do Alasca) muitos ciclos de carregamento (uma ponte em uma rodovia interestadual), ou onde a soldagem é usada extensivamente, é necessário ter um teste simples que caracterize a robustez do material, ou resistência à fratura. No campo da engenharia civil esse teste é o teste de entalhe em V de Charpy, que é descrito neste laboratório. O teste de entalhe Em V charpy destina-se a fornecer uma medida muito simplista da capacidade do material de absorver energia quando submetido a uma carga de impacto.

Nas estruturas metálicas, interessa-se a obtenção de comportamento dúctil, de tal forma que haja um sinal ou aviso prévio de falha iminente. Por exemplo, em um feixe de aço, isso pode vir na forma de deformação excessiva. Esse desempenho é quantificado através da dureza do material, definida como a área sob a curva de tensão de estresse, que é a propriedade mecânica mais intimamente associada ao comportamento dúctil ou frágil. A dureza está relacionada tanto à força quanto à ductilidade. Embora a dureza seja a capacidade do material de se deformar plasticamente antes da falha, a ductilidade é a medida de quanto um material pode deformar plasticamente antes da falha. Um material que tem alta resistência, mas baixa ductilidade não é resistente, assim como um material com baixa resistência e alta ductilidade não é resistente. Para que um material seja resistente, ele deve ser capaz de absorver alto estresse e alta tensão (ductilidade e força).

O mesmo material, um aço leve, por exemplo, pode se comportar de forma dúctil ou frágil, dependendo das condições reais de química, processamento e carregamento. Há pelo menos cinco pilotos para esta possível mudança de desempenho:

1. A molecular e microestrutura do material, com tamanhos de grãos mais finos resultando em aumentos de força e diminuição da ductilidade, e a presença de grandes quantidades de ligas, como o carbono, muitas vezes resultando em uma diminuição da ductilidade da maioria dos aços.

2. O processamento que o material sofre pode resultar em diferentes dureza em placas de aço na direção de rolagem, perpendicular a ele, e na espessura da placa. Esta última direção é particularmente sensível, pois é difícil desenvolver uma microestrutura consistente através de uma placa grossa.

3. As condições de carregamento (carregamento em 3 dimensões), que muitas vezes inibe o desenvolvimento das tensões da tesoura. Em carga 1 e bidimensional, geralmente se deparará com situações de carregamento que dão origem a grandes tensões de tesoura, e, portanto, muito rendimento e comportamento dúctil. No limite, para um carregamento hidrostático 3D, não há raio para o círculo de Mohr, e, portanto, não há tesoura. Nesses casos, o material não cederá, mas falhará repentinamente.

4. O aumento da taxa de tensão, que leva a maiores forças, mas capacidade de deformação reduzida.

5. Uma diminuição da temperatura, que pode levar a uma queda significativa, diminui na dureza. Alguns materiais que podem ser muito dúcteis à temperatura ambiente podem ficar muito frágeis se a temperatura for significativamente reduzida.

Para determinar se um material se comportará de forma frágil ou dúctil, normalmente é executado um teste de impacto de entalhe Em V. Existem outros testes semelhantes, como o teste de impacto izod, que é o teste de dureza mais usado na Europa. Esses testes pretendem medir a energia que um pequeno volume de material pode absorver quando submetido a uma carga de impacto súbita. Como observado anteriormente, essa energia pode ser considerada diretamente relacionada à área sob a curva de tensão de estresse.

Cada amostra de entalhe Charpy V a ser testada para resistência ao impacto tem dimensões padronizadas e é projetada, suportada e carregada para que falhe quando submetida a um único golpe aplicado de forma padronizada. É importante lembrar que a medição de Charpy está relacionada ao volume e geometria da amostra, e assim os resultados são úteis para comparar o comportamento relativo dos materiais e não para seu valor absoluto.

Para realizar o teste, um pequeno espécime semelhante ao feixe com um entalhe de um lado (Fig. 1) é submetido a um impacto de um martelo de um peso fixo caído de uma altura fixa (Fig. 2). O peso geralmente é entre 150 lbs e 300 lbs, e pode ser descartado para diferentes alturas para produzir diferentes quantidades de energia. O v-notch foi projetado para induzir uma concentração de estresse, aumentando significativamente o estresse local. Quando o feixe é simplesmente apoiado nos dois lados e atingido pelo meio, o feixe será dobrado em tensão onde o entalhe está. Como resultado, isso criará uma propagação de crack através do espécime quando atingido.

Figura 1: Espécime charpy.

Figura 2: Máquina de testes Charpy.

Teoricamente, a energia potencial armazenada em uma determinada altura do martelo será completamente traduzida em energia cinética pouco antes do martelo atingir o espécime Charpy, assumindo que o pêndulo é sem atrito. À medida que o martelo atinge o espécime e ele se fratura, alguma quantidade dessa energia cinética é consumida. Em seguida, mede o quanto o pêndulo balança de volta na direção oposta. A partir da diferença entre a altura inicial e a altura alcançada após o ataque, pode-se calcular uma diferença na energia potencial. Toda a energia que foi perdida neste processo pode ser absorvida pela amostra de teste na fratura. Este valor é considerado igual à dureza do material, ou à área sob a curva de tensão de estresse.

Muitos metais, especialmente os aços cúbicos centrados na carroceria (BCC), apresentam uma queda muito acentuada na absorção de energia a temperaturas que começam em torno de 40 ou 50°F, e atingem um patamar mais baixo em torno de -100°F. Numerosas estruturas hoje expostas ao ambiente estão dentro dessa faixa de temperatura, por isso é importante entender a dependência da temperatura da falha metálica. Por exemplo, na construção de um gasoduto no norte do Alasca, onde as temperaturas podem atingir valores muito baixos, seria importante entender a falha dependente da temperatura do metal. No entanto, a maioria dos aços cúbicos (FCC) centrados no rosto, como aços inoxidáveis, são imunes a este efeito de temperatura.

A força teórica da fratura, também conhecida como força ideal da fratura, depende principalmente da energia da superfície livre e da distância interatômica. Um material ideal terá uma força de aproximadamente 1/8 a 1/10 de seu módulo de elasticidade. A força real da fratura experimental é muito menor devido a defeitos, vazios, inclusões metálicas e/ou impurezas. Por exemplo, em uma barra de aço simples carregada em tensão, o estresse é assumido como uniforme, exceto perto das extremidades onde a carga está sendo aplicada. No entanto, com a introdução de um simples buraco circular, as forças têm que fluir ao redor do buraco, criando assim uma concentração de estresse ao lado do buraco.

A magnitude da concentração de estresse é proporcional ao raio do orifício à largura da amostra (r/w). À medida que o raio diminui, o fator de concentração de estresse aumenta drasticamente. No entanto, não há buracos perfeitos na natureza ou produtos feitos pelo homem; em geral, haverá bordas irregulares no nível microscópico e, portanto, ocorrerão concentrações de estresse muito maiores. Há muitas imperfeições e defeitos em treliças de cristal metálico. É perto dessas pequenas concentrações de estresse que as rachaduras começam a se formar, e quando carregadas muito rapidamente, essas rachaduras se propagam, se fundem e, em última instância, farão com que o material falhe.

Este teste recai na área da mecânica da fratura, o que envolve caracterizar a capacidade de um material resistir à formação e propagação de rachaduras. A mecânica de fraturas elásticas lineares (LEFM) é uma abordagem energética, na qual a energia total do sistema é igual ao trabalho devido às cargas aplicadas mais a energia da tensão armazenada mais a energia necessária para criar uma nova superfície de fratura. Em sua forma linear, é muito útil para caracterizar materiais frágeis que exibem plasticidade limitada. Existem várias limitações ao LEFM aplicadas ao teste charpy, como uma falsa suposição de que nenhuma energia é perdida através da plasticidade, embora haja muita plasticidade na frente da propagação do crack.

Neste experimento vamos testar vários espécimes Charpy em diferentes temperaturas para ilustrar o efeito de temperatura sobre a resistência ao impacto do aço suave.

1. Para preparar a máquina de teste, primeiro certifique-se de que o caminho do martelo está livre de quaisquer obstruções. Uma vez que o caminho esteja livre, levante o martelo até que ele se tranque e fixe a trava para evitar a liberação acidental do martelo.
2. Para preparar os espécimes, use a caixa fria para resfriar um espécime de cada metal a uma temperatura bem abaixo de zero. Use uma placa quente para aquecer outro espécime de cada metal a uma temperatura acima de 200 ° F.
3. Uma vez levantada a haste do martelo, insira o espécime na máquina usando pinças certificando-se de que ele está centrado no aparelho com o entalhe voltado para longe do lado para ser impactado pelo martelo.
4. Uma vez que o espécime esteja pronto, coloque o mostrador na máquina para exatamente 300 pés-lbs. Importante: Gire o mostrador usando o botão. Não empurre o ponteiro!
5. Para iniciar o teste, remova a trava e solte o pêndulo pressionando a alavanca.
6. Depois que o espécime for quebrado, a mordaça de discagem lerá a energia absorvida pelo espécime. Registo esse valor.
7. Uma vez que a energia absorvida é registrada, você pode usar o freio da máquina para impedir que o pêndulo gire. Uma vez que o uso do freio muda a leitura de gárage, certifique-se de registrar os dados antes de usá-los.
8. Uma vez que o pêndulo tenha parado, recupere a amostra e determine a porcentagem da área da face fraturada que tem textura fibrosa.

Depois de repetir o experimento para espécimes de maio e valores de temperatura, você pode traçar a dependência de temperatura da energia absorvida e ver claramente a existência de uma prateleira superior e inferior (ou porções horizontais planas). Estas prateleiras indicam que existem minima e maxima claros que podem ser alcançados para um determinado material e processamento. O principal interesse é quantificar cuidadosamente as temperaturas de transição para minimizar o risco de que elas se enquadram nas temperaturas operacionais da estrutura que está sendo projetada. Materiais semelhantes submetidos a diferentes tratamentos térmicos e mecânicos mostrarão prateleiras superiores e inferiores um pouco semelhantes, mas também uma mudança distinta na temperatura de transição. Mover a zona de transição para a esquerda tenderá a diminuir o risco de fratura para uma estrutura; no entanto, isso implica custos adicionais significativos em termos de processamento.

Deve-se notar também que o teste charpy é útil para caracterizar materiais frágeis, que mostrarão muito pouca ductilidade. Na prática, os testes de Charpy são usados para todos os tipos de materiais, incluindo metais muito dúcteis. Este uso é fundamentalmente incorreto porque os processos de deformação que conduzem uma falha frágil são diferentes daqueles em uma falha dúctil. Não foi possível obter um teste simples que possa ser usado em um ambiente de produção, como o charpy, para materiais semi-dúdeis ou dúcteis. Assim, é provável que os testes charpy permanecerão populares em um futuro próximo.

Testes de impacto, na forma de testes de Charpy e Izod, são comumente usados para medir a resistência de materiais metálicos à fratura frágil. O teste charpy usa um pequeno espécime de feixe com um entalhe. O feixe é carregado por um grande martelo preso a um pêndulo sem fricção. A combinação da taxa de tensão desta sequência de carga e a presença do entalhe em V que cria uma grande concentração de estresse local resultam em rápida propagação de crack e divisão do espécime.

O teste determina a energia absorvida pelo material durante a fratura, comparando a energia potencial no início e no término do teste, medida a partir da posição do martelo de impacto. A magnitude da energia absorvida depende do volume do material na pequena amostra de feixe, de modo que os resultados são válidos apenas em um sentido comparativo.

A mecânica da fratura é um campo de estudos muito importante em todos os materiais, pois nos lembra que todos os materiais contêm falhas que a forma e o tamanho da falha são importantes, e que é preciso abordar no projeto a questão das concentrações de estresse.

Uma demonstração da importância da dependência da temperatura foi na Segunda Guerra Mundial, quando alguns navios liberty e petroleiros T-2 literalmente se dividiram ao meio enquanto ainda estavam no porto. Para os navios Liberty, essa falha teve a ver com concentrações de estresse que foram induzidas durante a soldagem, bem como a embrittlementamento do casco de aço devido às operações de soldagem e acompanhada por temperaturas frias do mar.

O teste charpy v-notch faz parte de muitos padrões ASTM, e como tal, está presente em muitos produtos que usamos todos os dias. Uma aplicação particularmente importante é no design da ponte onde a maioria dos aços são especificados para passar por uma baixa temperatura e um limite de Charpy de alta temperatura (ou seja,20 ft-lbs a -40°F e 40 ft-lbs a 80°F).

A energia da fratura é uma propriedade material muito importante. Se alguém testar uma placa de vidro impecável com energia superficial γ_s= 17x10^-5 in-lb/in²   e E=10x10⁶ psi, a força teórica da fratura seria de cerca de 465.000psi, dada a equação de Griffith (σ_f = (2Eγ_s/πa)^0,5). Se alguém introduz uma falha, mesmo com uma magnitude tão pequena quanto 0,01in, na placa de vidro, a força da fratura é reduzida em três ordens de magnitude para apenas 465psi, o que é muito mais parecido com o que vemos na vida real.

Outras aplicações dependentes da temperatura para as quais um teste de entalhe em V seria importante incluem equipamentos de teste para viagens espaciais, onde a temperatura varia muito bem, bem como para equipamentos de trenó na Antártida e outras regiões polares, onde as temperaturas caem bem abaixo de zero.