Introdução ao ensaio de impacto

Em 1896, o norte americano SB Russell introduziu a ideia de energia de fratura residual e produziu um teste de fratura através de um pêndulo em amostras entalhadas. Mas em 1901, Georges Charpy propôs um método padronizado melhorado de Russell através de um pêndulo redesenhado, dando especificações precisas do ensaio.

O interesse pela questão da fratura frágil foi intensificado durante a época da segunda guerra mundial quando alguns navios apresentaram fraturas catastróficas, tanto em alto mar quanto no cais, principalmente nos meses de inverno. O problema gerou várias pesquisas que resultaram no desenvolvimento de métodos de manufatura mais adequados para as condições de serviço e no desenvolvido do teste de impacto, um dos mais antigos entre os ensaios mecânicos.

Princípio de funcionamento

O equipamento que realiza o ensaio de impacto é composto por um martelo fixo ao um eixo de rotação, funcionando com um pêndulo. A figura ao lado ilustra a estrutura do ensaio.

O ensaio consiste em obter as diferenças de energia antes e depois da colisão do martelo na amostra, medindo ângulo de partida do martelo e do ângulo máximo do martelo após a colisão do martelo na amostra.

A energia potencial é dada pela seguinte equação:

E =m∙g∙h

Onde:

E – Energia Potencial

m – Massa

h – Altura

g – gravidade

No caso do pendulo de impacto, essa equação pode ser expressa na seguinte formula:

E=m∙g∙L∙(1-cosθ)

Onde:

E – Energia Potencial do martelo

m – Massa do martelo

L – Comprimento do braço do martelo

θ – Ângulo de elevação do martelo

g – gravidade

Para que essa equação seja verdadeira, é necessário que o centro de massa do martelo esteja exatamente na região do ponto de impacto. O comprimento do braço do martelo é a distância entre o eixo de rotação do martelo e o ponto de impacto. A energia absorvida pode ser expressa através da seguinte formula.

Eabsorvida= m∙g∙L∙(cosθo – cos θf)

Onde:

Eabsorvida – Energia absorvida pela amostra g – gravidade
Einicial – Energia do martelo antes do impacto L – Comprimento do braço do martelo
Efinal – Energia do martelo após o impacto θo – Ângulo de partida do martelo
m – Massa do martelo θf – Ângulo máximo do martelo após a colisão com a amostra

A temperatura da amostra

A intensificação do uso do ensaio de impacto se deve aos problemas da fratura frágil, que ocorria principalmente em temperaturas baixas. Além das baixas temperaturas, a alta taxa de deformação, a alta triaxilidade de tensões e o meio ambiente agressivo contribuem para o surgimento de fratura frágil.

Nos ensaios de impactos, a principal análise da fratura frágil é o levantamento da curva da energia absorvida pela amostra em função da temperatura da amostra. As amostras que apresentam um comportamento frágil apresentam baixos valores de energia absorvida.

Essa curva é obtida realizando ensaios de impacto em amostras com as mesmas características, porém com diferentes valores de temperatura. Após levantar a curva, é possível analisar se o material apresenta uma temperatura de transição de dúctil para frágil.

Um exemplo dessa análise é ilustrado no gráfico a seguir, na qual ilustra as condições que os materiais metálicos podem apresentar. Os materiais metálicos de alta resistência mecânica não apresentam uma temperatura de transição de dúctil para frágil, mas absorvem pouca energia. Já os materiais metálicos de baixa resistência podem apresentar uma temperatura de transição dependendo do tipo de estrutura cristalina.

Normalização dos ensaios

Apesar de ter uma relação da energia absorvida durante o ensaio de impacto e a fragilidade do material, os resultados obtidos de um ensaio de impacto sofrem variações significativas, inclusive da temperatura de transição dúctil para frágil, quando se altera as condições do ensaio, as dimensões da amostra e formato do entalhe.

Portanto os resultados obtidos de um ensaio de impacto são apenas qualificativos, e para que se tenha uma comparação confiável entre diferentes tipos de materiais é necessário que o ensaio seja realizado nas mesmas condições. A elaboração e adoção de normas de ensaio de impacto se torna fundamental na análise e comparação de materiais. Dentre as características mais básicas dessa norma de ensaios estão:

Posicionamento da amostra: O posicionamento da amostra inclui o tipo de impacto, sendo os mais comuns o Charpy e o Izod, e o posicionamento da amostra na região de impacto. No ensaio de impacto Charpy, a amostra é apoiada em dois pontos de apoio e o impacto acontece no meio desse dois pontos de apoio, com o entalhe da amostra na face oposta do impacto. No ensaio Izod, a amostra é engastada, com o entalhe na face aonde realizará o impacto e rente à superfície de engaste.

Tipo de Material: As normas de ensaio de impacto normalmente são voltadas para um tipo de material: polímeros, metais, cerâmicos, compósitos. Um exemplo de norma de ensaio de impacto é a ASTM E23, voltada para materiais metálicos.

Formato da Amostra: As normas de impacto especificam um conjunto de formatos que as amostras podem possuir para realizar o ensaio. Esses formatos inclui as suas dimensões e a existência, o tipo e as dimensões do entalhe na amostra. A figura ao lado ilustra alguns dos formatos possíveis que as normas de ensaio de impacto permitem utilizar. Consulte as normas de impacto para obter os detalhes das dimensões do corpo de prova.

Velocidade de Impacto: A velocidade de impacto também é definida pela norma. A velocidade de impacto pode ser definida através da seguinte equação.

Onde:

v – Velocidade do martelo no momento do impacto

g – gravidade

L – Comprimento do braço do martelo

θo – Ângulo de partida do martelo.

O ângulo de partida do martelo, as dimensões e o peso do martelo são essenciais para determinar a velocidade de impacto conforme exige a norma de ensaio utilizada.

O ensaio de impacto instrumentado

Um complemento que pode ser realizado no ensaio de impacto é a medição da força aplicada na amostra durante a colisão. Os equipamentos que realizam este tipo de ensaio são chamados de pêndulo de impacto instrumentado.

Os pêndulos de impacto instrumentados têm o mesmo princípio de funcionamento de um pendulo comum, mas utiliza de um encoder de alta precisão para medir o ângulo do martelo, de um sensor de força normalmente instalado no cutelo do martelo.

Como o impacto ocorre em um intervalo de tempo muito reduzido, é necessário um sistema de aquisição de dados com uma alta taxa de amostragem para coletar uma quantidade suficiente de dados para realizar a análise do ensaio.

Uma vantagem de um ensaio de impacto instrumentado em relação ao ensaio comum é a análise do material durante o impacto. A figura ao lado ilustra uma curva de um ensaio instrumentado para um corpo de prova com comportamento dúctil-frágil.

Antes de analisar a curva do ensaio, é necessário realizar um tratamento da curva obtida pois existem oscilações na curva que não pertence ao comportamento esperado do material. Bibliografias especializada em ensaio instrumentado comentam sobre a composição da energia absorvida pela amostra.

Da curva tratada, é possível observar algumas características que podem sofrer alterações de acordo com as características dúctil-frágil do material. A figura a seguir ilustra algumas dessas características que podem existir na curva tratada do ensaio realizado.

Os materiais podem apresentar um comportamento intermediário entre o dúctil e o frágil, sendo que existem variáveis estipuladas que quantificam esse índice de fragilidade e ductilidade. Bibliografias especializada em ensaio de impacto declaram variáveis que quantificam o índice de fragilidade e ductilidade dos materiais.

As características mais comuns de um ensaio de impacto instrumentado são:

Força Máxima: O ponto Fm corresponde a força necessária aplicar ao corpo de prova para que inicie o processo de fratura.

Limite de Proporcionalidade: O ponto Fgy corresponde a transição do comportamento puramente elástico do material para o comportamento não-linear, apresentando deformações permanentes, mesmo se ocorrer uma interrupção do impacto na amostra. A medida que o índice de fragilidade aumenta, os pontos Fgy e Fm se tornam mais próximo, até o limite deles serem iguais.

Trinca instável: Materiais que apresentam comportamento frágil apresentam uma propagação rápida de uma trinca instável, caracterizado na curva tratada por uma queda abrupta da força, sendo os pontos Fp e Fa correspondem respectivamente ao início e o termino da propagação da trinca. A medida que o índice de fragilidade aumenta, os pontos Fp e Fm se tornam mais próximo, até o limite deles ser iguais. A medida que o índice de ductilidade aumenta, os pontos Fp e Fa se tornam mais próximo até o limite deles não existirem e o material não apresentar uma trinca instável.

Energia: A área formada pela curva do ensaio corresponde a energia absorvida pela amostra. Um teste de validade do ensaio é comparar se a energia calculada através da curva obtida corresponde ao valor da energia obtida pelo método comum. Uma componente importante da energia absorvida pela amostra é indicada pela área Wm, sendo definida pela energia necessária fornecer ao corpo de prova para iniciar o seu processo de fratura.

Existem normas especificas de ensaio de impacto instrumentado, na qual especifica as condições do ensaio e os resultados obtidos, sendo as normas ASTM 2298 e ISO14556 exemplos mais comuns.

Referências

  • Cedric W. Richards (1968). Engineering materials science Wadsworth Publishing Company, Inc. [S.l.]
  • Callister Jr, W. D. Material Science and engineering: An introduction. 4th Edition, John Wiley & Song, 1997.
  • ASTM E23-16b, Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016
  • ASTM E2298-15, Standard Test Method for Instrumented Impact Testing of Metallic Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015
  • ISO 148-1:2009 – Metallic materials – Charpy pendulum impact test – Part 1: Test method
  • ISO 148-2:2008 – Metallic materials – Charpy pendulum impact test – Part 2: Verification of testing machines
  • ISO 148-3:2008 – Metallic materials – Charpy pendulum impact test – Part 3: Preparation and characterization of Charpy V-notch test pieces
  • ISO 14556:2015 – Metallic materials – Charpy V-notch pendulum impact test – Instrumented test method