Ensaio de Tração: Como Funciona, o que Mede e Como Começar
O ensaio de tração é um teste mecânico fundamental realizado por engenheiros e cientistas de materiais em instalações de manufatura e pesquisa em todo o mundo. Um ensaio de tração aplica uma força uniaxial a um corpo de prova para medir suas principais propriedades mecânicas: resistência à tração, limite de escoamento, módulo de elasticidade e alongamento. Essas medições informam aos projetistas de produtos e engenheiros de qualidade como um material se comportará sob carga, onde começará a se deformar permanentemente e o ponto em que se romperá — fornecendo os dados necessários para selecionar o material correto para uma aplicação e verificar se ele atende às especificações exigidas.
Por que Realizar um Ensaio de Tração?
O ensaio de tração e a caracterização de materiais são cruciais para fabricantes e pesquisadores em todos os setores. Para que um material seja selecionado para um novo produto ou uso, os pesquisadores devem garantir que ele possa suportar as forças mecânicas que encontrará em sua aplicação de uso final. Por exemplo, a borracha de um pneu deve ser elástica o suficiente para absorver irregularidades nas superfícies das estradas, enquanto as suturas cirúrgicas devem ser fortes o suficiente para manter o tecido vivo unido. Além disso, materiais e produtos podem ser expostos a forças mecânicas por curtos ou longos períodos de tempo, através de uso cíclico ou repetido, e em uma ampla variedade de diferentes condições de temperatura e ambientais. Espera-se que os pneus automotivos durem um certo número de quilômetros sob diversas condições climáticas, enquanto as suturas cirúrgicas, embora usadas apenas uma vez, devem manter uma resistência à tração consistente por tempo suficiente para que o corpo cicatrize.
Além de sua importância para o processo de P&D, o ensaio de tração também é utilizado pelos departamentos de garantia de qualidade para garantir que os lotes de produtos acabados atendam às especificações exigidas para as propriedades de tração. Isso é importante tanto do ponto de vista da segurança quanto do comercial, pois produtos defeituosos podem ser perigosos para o usuário final e também podem causar danos significativos aos fabricantes na forma de atrasos em produtos, perda de receita e danos à reputação.
Como Realizar um Ensaio de Tração
Os ensaios de tração são realizados em máquinas de ensaios universais, também conhecidas como máquinas de tração ou máquinas de ensaio de tração. Essas máquinas consistem em uma estrutura de coluna única ou dupla equipada com uma célula de carga, software de ensaio e garras e acessórios específicos para a aplicação, como extensômetros. As máquinas de ensaios universais vêm em uma ampla variedade de capacidades de força e podem ser configuradas com diferentes dispositivos para testar qualquer produto, componente ou material.
Máquina de Ensaio de Tração: Principais Componentes e Suas Funções
- Estrutura de Carga - As máquinas de ensaio de tração podem vir em configurações de coluna única ou dupla, dependendo de sua capacidade de força.
- Software - O software de ensaio é onde os operadores configuram os métodos de ensaio e geram os resultados.
- Célula de Carga - A célula de carga é um transdutor que mede a força aplicada ao corpo de prova. As células de carga da Instron são precisas até 1/1000 da capacidade da célula de carga.
- Garras e Dispositivos - Uma ampla gama de garras e dispositivos para corpos de prova está disponível para acomodar corpos de prova de diferentes materiais, formas e tamanhos.
- Medição de Deformação - Alguns métodos de ensaio exigem a medição do alongamento de um corpo de prova sob carga. O AVE2 da Instron pode medir alterações no comprimento do corpo de prova com precisão de até ±1 µm ou 0,5 % da leitura.
Configurando um Ensaio de Tração
Para realizar um ensaio de tração, um operador deve executar uma variedade de tarefas para garantir que o ensaio seja conduzido de acordo com as normas de ensaio internas e/ou externas. Dependendo do laboratório, essas tarefas podem ser parcial ou totalmente automatizadas, embora a responsabilidade pela correção da configuração sempre resida com o operador.
Seleção do Método de Ensaio
Assim que o corpo de prova estiver carregado nas garras e o extensômetro estiver acoplado, você estará pronto para começar. No Bluehill Universal, selecione seu método de ensaio e configure os parâmetros principais, incluindo velocidade de ensaio, dimensões do corpo de prova e critérios de fim de ensaio, como detecção de ruptura ou um limite de carga máxima.
Quando você inicia o ensaio, a máquina aplica força de tração na taxa prescrita, registrando continuamente os dados de carga, extensão e deformação à medida que o corpo de prova se deforma. O ensaio prossegue até que os critérios finais definidos sejam atendidos, normalmente a ruptura do corpo de prova ou uma queda percentual na carga.
Uma vez concluído, o Bluehill Universal calcula automaticamente as propriedades mecânicas definidas em seu método: resistência à tração, limite de escoamento, alongamento e módulo, prontos para revisão, exportação ou relatório.
Preparação de Corpos de Prova
As geometrias dos corpos de prova variam amplamente dependendo do material que está sendo testado e do método ou norma de ensaio utilizado. Órgãos reguladores como ASTM e ISO padronizaram os requisitos de corpos de prova para diferentes materiais, o que permite que suas propriedades sejam comparadas de forma confiável entre diferentes lotes e fabricantes.
Os corpos de prova de tração são comumente usinados ou fundidos sob pressão no formato de halteres (dogbones), que fornecem “ombros” projetados para serem presos pelas garras da máquina de ensaio e um “comprimento de calibração” onde as propriedades de tração serão medidas. As dimensões desses ombros, o comprimento de calibração entre eles e o comprimento e a largura de todo o corpo de prova são todos prescritos pela norma de ensaio.
Inserção do Corpo de Prova nas Garras
Selecionar a garra certa para o seu corpo de prova é fundamental para obter resultados precisos e repetíveis. Dependendo das dimensões, textura e tipo de material do seu corpo de prova, diferentes designs de garras e superfícies de faces de mordentes podem ser necessários. As garras estão disponíveis em uma ampla variedade de capacidades de força e com superfícies revestidas de borracha, lisas, serrilhadas e outros tipos para acomodar desde elastômeros macios e filmes finos até metais e compostos de alta resistência.
O alinhamento adequado é igualmente importante. O desalinhamento durante a inserção do corpo de prova introduz forças fora do eixo que podem distorcer os resultados ou causar falha prematura nas garras, em vez de no comprimento de calibração. Para ajudar os operadores a inserir corpos de prova de forma consistente e correta, a Instron oferece uma gama de dispositivos e acessórios de alinhamento projetados para garantir que a força seja aplicada ao longo do eixo correto todas as vezes.
Para ambientes de ensaio de alto volume, garras pneumáticas e hidráulicas podem reduzir significativamente o tempo de configuração e a variabilidade do operador, abrindo e fechando com o pressionar de um botão, em vez de exigir ajuste manual entre os corpos de prova.
Dispositivos de Medição de Deformação
A deformação é uma medida da alteração de forma de um corpo de prova sob tensão e é uma parte fundamental da caracterização de materiais exigida pela maioria das normas de ensaio de tração. Medir a deformação com precisão requer um dispositivo de medição dedicado, em vez de confiar no deslocamento da travessa, o que pode introduzir erros devido à complacência da máquina e ao assentamento da garra.
Os extensômetros são a solução mais comum. Dispositivos de contato, como extensômetros de encaixe (clip-on), fixam-se diretamente ao corpo de prova em um comprimento de calibração fixo, medindo a mudança na distância entre dois pontos de contato à medida que o corpo de prova se deforma. Eles são fixados após o corpo de prova ter sido colocado nas garras, antes de iniciar o ensaio. Para aplicações onde a fixação de um dispositivo ao corpo de prova não é prática — como filmes muito finos, elastômeros de alto alongamento ou materiais frágeis — os extensômetros de vídeo sem contato oferecem uma alternativa, rastreando a deformação opticamente usando marcadores ou características de superfície no corpo de prova.
Iniciando o Ensaio e Registrando Dados
Assim que o corpo de prova estiver carregado nas garras e o extensômetro estiver acoplado, você estará pronto para começar. No Bluehill Universal, selecione seu método de ensaio e configure os parâmetros principais, incluindo velocidade de ensaio, dimensões do corpo de prova e critérios de fim de ensaio, como detecção de ruptura ou um limite de carga máxima.
Uma vez concluído, o Bluehill Universal calcula automaticamente as propriedades mecânicas definidas em seu método: resistência à tração, limite de escoamento, alongamento e módulo, prontos para revisão, exportação ou relatório.
Análise de Dados do Ensaio de Tração: Entendendo a Curva Tensão-Deformação e as Principais Propriedades do Material
Medir um material em tração produz um perfil completo de suas propriedades mecânicas. Quando plotados em um gráfico, os dados registrados de carga e extensão geram uma curva tensão-deformação que mostra como o material respondeu à força aplicada em cada estágio do ensaio. Embora as propriedades específicas exigidas variem de acordo com a norma e a aplicação, as principais medições que os engenheiros procuram são a resistência à tração final, o módulo de elasticidade, o limite de escoamento e a deformação — cada uma das quais revela algo diferente sobre como o material se comportará em uso.
Resistência à Tração Final
Uma das propriedades mais importantes que podemos determinar sobre um material é sua resistência à tração final (UTS). Esta é a tensão máxima que um corpo de prova suporta durante o ensaio. A UTS pode ou não equivaler à resistência do corpo de prova na ruptura, dependendo se o material é frágil, dúctil ou exibe propriedades de ambos. Às vezes, um material pode ser dúctil quando testado em laboratório, mas, quando colocado em serviço e exposto a temperaturas de frio extremo, pode transitar para um comportamento frágil.
Lei de Hooke
Para a maioria dos materiais, a parte inicial do ensaio exibirá uma relação linear entre a força ou carga aplicada e o alongamento exibido pelo corpo de prova. Nesta região linear, a linha obedece à relação definida como Lei de Hooke, onde a razão entre tensão e deformação é uma constante. E é a inclinação da linha nesta região onde a tensão (σ) é proporcional à deformação (ε) e é chamada de módulo de elasticidade ou módulo de Young:
Módulo de Elasticidade
O módulo de elasticidade é uma medida da rigidez do material que se aplica apenas na região linear inicial da curva. Dentro desta região linear, a carga de tração pode ser removida do corpo de prova e o material retornará exatamente à mesma condição em que estava antes da aplicação da carga. No ponto em que a curva não é mais linear e se desvia da relação de linha reta, a Lei de Hooke não se aplica mais e ocorre alguma deformação permanente no corpo de prova. Este ponto é chamado de limite elástico ou proporcional. A partir deste ponto no ensaio de tração, o material reage plasticamente a qualquer aumento adicional de carga ou tensão. Ele não retornará à sua condição original, sem tensão, se a carga for removida.
Resistência ao escoamento
O limite de escoamento de um material é definido como a tensão aplicada ao material na qual a deformação plástica começa a ocorrer.
Método de Offset
Para alguns materiais (por exemplo, metais e plásticos), o desvio da região elástica linear não pode ser facilmente identificado. Portanto, é permitido um método de offset para determinar o limite de escoamento do material. Esta metodologia é comumente aplicada ao medir o limite de escoamento de metais. Ao testar metais de acordo com a ASTM E8/E8M, um offset é especificado como uma porcentagem de deformação (geralmente 0,2 %). A tensão (R) que é determinada a partir do ponto de intersecção “r” quando a linha da região elástica linear (com inclinação igual ao módulo de elasticidade) é desenhada a partir do offset “m” torna-se o limite de escoamento por offset.
Módulos Alternativos
As curvas de tração de alguns materiais não possuem uma região linear muito bem definida. Nesses casos, a Norma ASTM E111 prevê métodos alternativos para determinar o módulo de um material, bem como o módulo de Young. Esses módulos alternativos são o módulo secante e o módulo tangente.
Deformação
Também somos capazes de encontrar a quantidade de estiramento ou alongamento que o corpo de prova sofre durante o ensaio de tração. Isso pode ser expresso como uma medição absoluta na mudança de comprimento ou como uma medição relativa chamada “deformação”. A deformação em si pode ser expressa de duas maneiras diferentes, como “deformação de engenharia” e “deformação real”.
A deformação de engenharia é provavelmente a expressão de deformação mais fácil e comum utilizada. É a razão entre a mudança no comprimento e o comprimento original:
A deformação real é semelhante, mas baseada no comprimento instantâneo do corpo de prova à medida que o ensaio progride, onde Li é o comprimento instantâneo e L0 o comprimento inicial:
Veja nosso FAQ sobre Ensaios de Tração e Máquinas de Ensaio de Tração para informações adicionais
Equipamento de Ensaio de Tração Instron: Escolhendo o Sistema, as Garras e a Medição de Deformação Corretos para Sua Aplicação
As máquinas de ensaio de tração estão disponíveis em uma variedade de tamanhos e capacidades de força diferentes, variando de 0,02 N a 2.000 kN. A maioria dos ensaios de baixa força é realizada em uma máquina de bancada eletromecânica de coluna única ou coluna dupla, enquanto aplicações de força mais alta exigem estruturas de modelos de piso. Os sistemas da Série 6800 da Instron estão disponíveis em faixas de capacidade de até 300 kN e podem realizar uma ampla gama de diferentes tipos de ensaios, incluindo tração, compressão, flexão, descascamento, rasgamento, cisalhamento, fricção, torção, perfuração e muito mais. Os sistemas servo-hidráulicos da Série Industrial da Instron são projetados para ensaios de capacidade ainda maior de metais de alta resistência, ligas e compostos avançados.
Sistemas de Ensaio Universais de até 300 kN
Sistemas de ensaio de modelo de bancada e modelo de piso de coluna única e dupla com uma faixa de capacidade de força de 0,02 N (2 gf) a 300 kN.
Sistemas de Ensaio Universais Industriais de até 2000 kN
A Série Industrial da Instron inclui estruturas com espaços de ensaio simples ou duplos e variam em capacidade de força de 300 kN a 2000 kN.
Garras de Tração para Ensaios de Plásticos, Metais, Compostos, Elastômeros, Têxteis e Componentes
Garras de tração de ação lateral pneumática
Catálogo nº 2712-XXX
Nossa garra de tração mais popular e instalada em mais da metade de todas as máquinas de ensaio universais da Instron. Essas garras são fáceis de usar, extremamente versáteis e eficientes para ensaios de alto volume. Capacidade de força de até 10 kN.
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Garra Mecânica de Ação por Cunha
Catálogo nº 2716-XXX
Um design de garra de tração clássico, simples e robusto; as garras manuais de ação por cunha são perfeitas para metais, compostos e plásticos. Projetadas para facilitar o carregamento, alinhamento e posicionamento do corpo de prova. Capacidade de força de até 250 kN.
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Garras de ação lateral por parafuso avançadas
Catálogo nº 2710-XXX
As garras de ação por parafuso fornecem um método muito simples e eficiente para segurar corpos de prova e são mais comumente usadas para aplicações biomédicas, de filmes plásticos, eletrônicas e adesivas. Capacidade de força de até 10 kN.
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Garras de Ação de Cunha Hidráulicas Avançadas
Catálogo nº 2742-XXX, 2743-XXX
As melhores garras disponíveis para a maioria das aplicações de ensaio de tração de metais e compostos. Uma bomba de garra hidráulica é necessária se instalá-las em um sistema eletromecânico. Capacidade de força de até 500 kN.
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Garras com Rolete Excêntrico Autoapertante
Catálogo nº 2713-XXX
Garras de tração auto-apertáveis simples e eficientes que são perfeitas para elastômeros e filmes finos. Capacidade de força de até 5 kN.
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Garras Pneumáticas para Cordas e Fios
Catálogo nº 2810-410, 2714-XXX
Garras projetadas especificamente para ensaios de tração de fios, linhas, cordas, cabos, tubos, suturas e arames.
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Garras Hidráulicas de Ação por Cunha
Catálogo nº W-52XX, 53XX
Garras hidráulicas de ação por cunha para os sistemas de ensaio universais hidráulicos estáticos de alta capacidade da Instron. Capacidade de força de até 2.000 kN.
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Garras Hidráulicas de Ação Lateral
Catálogo nº W-54XX
As garras hidráulicas de ação lateral DuraSync™ de alta capacidade oferecem desempenho de fixação aprimorado, usabilidade e segurança do operador em relação aos designs de garras tradicionais. Capacidade de força de até 2.000 kN.
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Extensômetros: Soluções de Contato e Sem Contato para Medição de Deformação
Extensômetro de Vídeo Automático Sem Contato
Um extensômetro de vídeo é um extensômetro sem contato que pode medir a deformação rastreando o movimento de dois marcadores fixados no corpo de prova, usando tecnologia de câmera digital de alta resolução.
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Extensômetro de Contato Automático
Catálogo nº 2665-750
O AutoX750 maximiza a eficiência e a receita, mantendo altos padrões de qualidade e condições de operação seguras.
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Extensômetro de Encaixe Axial Estático
Catálogo nº 2630-XXX
Os extensômetros de encaixe axial estáticos da Instron são uma solução rápida e fácil para medir a deformação e são adequados para uso em uma ampla gama de materiais, como plásticos, metais e compostos.
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Normas de Ensaio de Tração para Metais, Plásticos, Elastômeros e Mais
A maioria dos ensaios de tração é realizada de acordo com normas estabelecidas publicadas por organizações de normalização como ASTM e ISO. As normas de ensaio prescrevem parâmetros de ensaio e resultados aceitáveis para diferentes tipos de matérias-primas, como metais, plásticos, elastômeros, têxteis e compostos, bem como para produtos acabados, como dispositivos médicos, peças automotivas e eletrônicos de consumo. Essas normas garantem que os materiais e produtos que entram na cadeia de suprimentos apresentem propriedades mecânicas previsíveis e não tenham probabilidade de falhar em seu uso final esperado. Como as implicações de custo e segurança da falha do produto não podem ser subestimadas, as empresas são incentivadas a investir em equipamentos de ensaio precisos e de alta qualidade, projetados para ajudá-las a determinar facilmente se seus produtos atendem ou não às normas aplicáveis.
ASTM D638 / ISO 527-2
ASTM D638 e ISO 527-2 são duas das normas mais comuns usadas para avaliar as propriedades de tração de plásticos reforçados e não reforçados. Embora essas normas meçam muitas propriedades de tração diferentes, as mais comuns são resistência à tração, módulo de tração, alongamento e coeficiente de Poisson.
ASTM D412 / ISO 37
ASTM D412 e ISO 37 são as normas mais comuns para determinar as propriedades de tração de borracha vulcanizada (termofixa) e elastômeros termoplásticos. Compostos desta família são usados para criar uma vasta gama de produtos, desde pneus a luvas médicas e anéis de vedação (O-rings). As principais medições para ensaios de elastômeros incluem alongamento final e deformação permanente à tração.
ASTM E8 / ASTM A370 / ISO 6892
ASTM E8, ASTM A370 e ISO 6892 são as principais normas para o ensaio de tração de metais e materiais metálicos. Os métodos de controle de ensaio são uma consideração importante nos ensaios de metais, e uma compreensão completa da complacência da travessa e do controle de deformação é necessária para produzir resultados de ensaio precisos.
A seguir, apresentamos uma lista de algumas das normas internacionais de ensaio mais comuns. Garantir a conformidade com essas normas pode ser complexo, mas o software Bluehill Universal® simplifica o processo com métodos de ensaio pré-configurados, projetados para reduzir o tempo de configuração e minimizar o risco de erro de procedimento.
- ASTM A370 | Métodos de Ensaio Padrão e Definições para Ensaios Mecânicos de Produtos de Aço
- ASTM A416 | Especificação Padrão para Cordoalha de Aço de Sete Fios, de Baixa Relaxação, para Concreto Protendido
- ASTM A48 | Especificação Padrão para Fundições de Ferro Cinzento
- ASTM A746 | Especificação Padrão para Tubos de Esgoto por Gravidade em Ferro Dúctil
- ASTM A996 | Especificação Padrão para Barras Deformadas de Aço-Trilho e Aço-Eixo para Reforço de Concreto
- ASTM C297 | Método de Ensaio Padrão para Resistência à Tração Plana de Construções Sanduíche
- ASTM D1037 | Métodos de Ensaio Padrão para Avaliação de Propriedades de Materiais de Painéis de Fibra e Partículas à Base de Madeira
- ASTM D1414 | Métodos de Ensaio Padrão para Anéis de Vedação de Borracha
- ASTM D1708 | Método de Ensaio Padrão para Propriedades de Tração de Plásticos através do Uso de Corpos de Prova de Microtração
- ASTM D2256 | Método de Ensaio Padrão para Propriedades de Tração de Fios pelo Método de Fio Único
- ASTM D3039 | Método de Ensaio Padrão para Propriedades de Tração de Materiais Compostos de Matriz Polimérica
- ASTM D4018 | Métodos de Ensaio Padrão para Propriedades de Mechas de Fibra de Carbono e Grafite de Filamento Contínuo
- ASTM D412 | Métodos de Ensaio Padrão para Borracha Vulcanizada e Elastômeros Termoplásticos — Tração
- ASTM D4632 | Método de Ensaio Padrão para Carga de Ruptura Grab e Alongamento de Geotêxteis
- ASTM D5034 | Método de Ensaio Padrão para Resistência à Ruptura e Alongamento de Tecidos Têxteis (Ensaio Grab)
- ASTM D5035 | Método de Ensaio Padrão para Força de Ruptura e Alongamento de Tecidos Têxteis (Método de Tira)
- ASTM D5766 | Método de Ensaio Padrão para Resistência à Tração de Furo Aberto de Laminados Compostos de Matriz Polimérica
- ASTM D5961 | Método de Ensaio Padrão para Resposta de Suporte de Laminados Compostos de Matriz Polimérica
- ASTM D638 | Método de Ensaio Padrão para Propriedades de Tração de Plásticos
- ASTM D7269 | Métodos de Ensaio Padrão para Ensaio de Tração de Fios de Aramida
- ASTM D882 | Método de Ensaio Padrão para Propriedades de Tração de Folhas Plásticas Finas
- ASTM A416 | Especificação Padrão para Cordoalha de Aço de Sete Fios, de Baixa Relaxação, para Concreto Protendido
- ASTM D885 | Métodos de Ensaio Padrão para Cordas de Pneus, Tecidos de Cordas de Pneus e Fios de Filamentos Industriais
- ASTM F2150 | Ensaio de Tração de Hidrogéis Poliméricos
- ASTM F606 | Ensaio de Tração de Fixadores, Arruelas, Indicadores de Tração Direta e Rebites
- ASTM F2516 | Método de Ensaio Padrão para Ensaio de Tração de Materiais Superelásticos de Níquel-Titânio
- ASTM E8 | Métodos de Ensaio Padrão para Ensaio de Tração de Materiais Metálicos