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Características da tensão de estresse do alumínio
 
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Características da tensão de estresse do alumínio

Overview

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

O alumínio é um dos materiais mais abundantes em nossas vidas, pois é onipresente em tudo, desde latas de refrigerante até componentes de aviões. Seu uso generalizado é relativamente recente (1900AD), principalmente porque o alumínio não ocorre em seu estado livre, mas sim em combinação com oxigênio e outros elementos, muitas vezes na forma de Al2O3. O alumínio foi originalmente obtido a partir de depósitos minerais de bauxita em países tropicais, e seu refinamento requer um consumo muito alto de energia. O alto custo de produção de alumínio de qualidade é outra razão pela qual é um material muito amplamente reciclado.

O alumínio, especialmente quando ligado a um ou mais de vários elementos comuns, tem sido cada vez mais utilizado em aplicações arquitetônicas, de transporte, químicas e elétricas. Hoje, o alumínio é superado apenas pelo aço em seu uso como material estrutural. O alumínio está disponível, como a maioria dos outros metais, como produtos laminados planos, extrusões, forjamentos e fundições. O alumínio oferece uma relação força-peso superior, resistência à corrosão, facilidade de fabricação, propriedades não magnéticas, alta condutividade térmica e elétrica, bem como facilidade de liga.

Principles

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Tanto a partir de sua posição na tabela periódica, com um número atômico de 13 no limite entre elementos metálicos e não metálicos, quanto de sua estrutura cúbica centrada no rosto (FCC), é claro que o alumínio é um dos elementos mais quimicamente ativos. Na verdade, ele tem uma afinidade muito forte com o oxigênio, o que parece tornar o alumínio facilmente propenso à corrosão. Curiosamente, a superfície de um alumínio recém-produzido reagirá instantaneamente com oxigênio, produzindo uma camada de óxido fino, relativamente estável e inerte que protege o metal base tanto da oxidação quanto de outros tipos de ataques químicos. Esta propriedade superficial, além de sua relativa natureza leve e dureza, é o que faz do alumínio um material de construção muito desejável.

O revestimento de óxido em superfícies de alumínio é geralmente muito fino (cerca de 50 a 100 Å) e adere firmemente ao material base, ao contrário dos óxidos de ferro típicos que são comuns em aços. A camada de óxido é tão fina que não afeta as propriedades mecânicas do alumínio, e é quase transparente aos olhos, não diminuindo assim as qualidades estéticas do material. Há uma série de técnicas de anodização que podem ser usadas para aumentar a espessura desta camada de óxido para melhorar sua resistência à corrosão e abrasão. Uma desvantagem potencial do alumínio a considerar antes de usá-lo é que ele derrete a uma temperatura relativamente baixa, e, portanto, não é adequado para aplicações de alta temperatura.

O alumínio é leve, tendo uma densidade de aproximadamente 1/3 do aço; esta relação 1/3 também vale para o módulo da elasticidade, que muitas vezes é tomado como cerca de 70GPa (10.000 ksi) para alumínio. Sua resistência e outras propriedades mecânicas, que são muito baixas em seu estado puro, podem ser substancialmente melhoradas por liga e tratamento térmico, assim como é o caso do aço. O fortalecimento também pode ser alcançado através do trabalho frio ou do endurecimento da tensão, onde o material é enrolado ou desenhado através de mortes resultando em uma redução na área da folha ou barras.

As principais adições de liga ao alumínio são cobre, manganês, silício, magnésio e zinco. Outros elementos também são adicionados em quantidades menores para refinamento de grãos e para desenvolver propriedades especiais:

  • O cobre tem solubilidade apreciável no alumínio e dá um efeito de fortalecimento substancial através das características de endurecimento da idade da liga. Muitas ligas de alumínio contêm cobre tanto como a maior adição ou entre os principais elementos de liga, em concentrações de 1 a 10%.
  • O manganês tem solubilidade sólida limitada em alumínio, mas em concentrações de cerca de 1% formam uma série importante de ligas de alumínio forjadas não tratáveis pelo calor.
  • O silício reduz o ponto de fusão e aumenta a fluidez do alumínio. Um aumento moderado da força também é proporcionado por adições de silício.
  • O magnésio proporciona um reforço substancial e melhoria das características de endurecimento do trabalho do alumínio. Tem uma solubilidade relativamente alta em alumínio sólido, mas as ligas Al-Mg contendo menos de 7% mg não apresentam características apreciáveis de tratamento térmico. O magnésio também é adicionado em combinação com outros elementos, notadamente cobre e zinco, para melhorias ainda maiores na força.
  • O zinco é empregado em ligas de fundição e em conjunto com magnésio em ligas forjadas para produzir ligas tratáveis por calor com a maior resistência entre as ligas de alumínio.
  • A lata melhora o antifricção característico do alumínio, e as ligas al-Sn fundidos são frequentemente usadas para rolamentos.
  • Cobre e silício são ligados juntos nas ligas de fundição 3xx.x comumente usadas. Faixas desejáveis de características e propriedades são obtidas tanto em alusões tratáveis pelo calor quanto não térmicas.
  • Magnésio e silício são adicionados em proporções aproximadas para formar Mg2Si, que é uma base para o endurecimento da idade em ligas forjadas e fundadas.

Dois tipos gerais de produtos de alumínio são comumente reconhecidos: forjados e fundidos. Qualquer alumínio formado por material fluindo em uma areia ou molde permanente, para ser lançado, ou para ser lançado por qualquer outro processo onde a fundição é a forma final, é chamado de alumínio fundido; qualquer outro produto é tomado como um produto forjado. Nos EUA, as ligas forjadas de alumínio (folha, placa, extrusões e forjamentos) têm um número de identificação de quatro dígitos, enquanto as ligas fundidas têm um número de três dígitos à esquerda do ponto decimal e um dígito à direita do ponto decimal (ver Tabela 1). O primeiro dígito define o ingrediente de liga principal para ligas forjadas e fundidos. O ingrediente de liga principal é geralmente 5% ou menos (em peso) em ligas forjadas e o mesmo ou superior em ligas fundidas. A maioria das ligas contém de dois a quatro outros elementos, mas em uma quantidade muito menor do que o ingrediente de liga principal. Na designação de liga forjada, os dois últimos dígitos da série 1XXX dão a porcentagem mínima de alumínio acima de 99,00%. Na série 2XXX até 9XXX, os dois últimos dígitos especificam as todas as todas as alusões individuais registradas para a série. O segundo dígito designa uma modificação da ante original. O sistema de designação de alusão é semelhante para fundições. Neste caso, o segundo e o terceiro dígitos dão o percentual mínimo de alumínio acima de 99,00% para as ligas lXX.X. No 2XX. X até 9XX. Série X, os dois segundos números são as todas as atrações individuais registradas na série. Para as alusões ao fundição, o número à direita do ponto decimal dá forma de produto: 0 para fundições, e 1 e 2 (limites de composição mais estreitos que 1) para lingote. As alusões nos grupos 2, 6 e 7 são tratáveis pelo calor.

Tabela 1: Sistema de Designação de Liga de Alumínio Forjado e Fundido.

Alloys Forjados Todas as emoys
Liga Principal ingrediente de liga Liga Principal ingrediente de liga
1XXX Alumínio mínimo de 99% lXXX.X Alumínio mínimo de 99%
2XXX Cobre 3XX. X Silício, com cobre e/ou magnésio
3XXX Manganésio 4XX. X Silício
4XXX Silício 5XX. X Magnésio
5XXX Magnésio 7XX. X Zinco
6XXX Magnésio e silício 8XX. X Estanho
7XXX Zinco
8XXX Outros elementos

Além disso, um número de temperamento é usado para indicar como o produto foi fabricado, e se aplica tanto a produtos forjados quanto ao fundido. Os temperamentos F e O aplicam-se a todas as todas as linhas de fio e formas de produtos. Os temperos designados TXXXX aplicam-se a todas as atrações e formas de produtos que recebem e respondem a um tratamento térmico após a fabricação. Dizem que essas alusões são tratáveis pelo calor. Ligas forjadas nas séries 2XXX, 6XXX e 7XXX e as ligas de elenco estão geralmente neste grupo. As alusões não térmicas ganham sua força e outras características por endurecimento da tensão, e um temperamento de H é especificado. Estão incluídos neste grupo as séries 1 XXX, 3XXX e 5XXX. Mais detalhes sobre os temperamentos estão contidos em vários documentos de referência da Associação de Alumínio.

Os temperamentos básicos são:

  • "F" ou fabricado: Aplica-se a produtos de processos de formação nos quais não é empregado nenhum controle especial sobre condições térmicas ou de endurecimento do trabalho.
  • "0" ou ressarcido: Aplica-se aos produtos forjados, que foram aquecidos para efetivar a recristalização e produzir a condição de menor resistência, e para os produtos de gesso, que são ressarcidos para melhorar a ductilidade e a estabilidade dimensional.
  • "H" ou endurecido por cepas : Aplica-sea produtos forjados que são reforçados pelo endurecimento da tensão através do trabalho a frio; o endurecimento da tensão pode ser seguido por tratamento térmico suplementar que produz alguma redução na força. O H é sempre seguido por dois ou mais dígitos. Existem três categorias básicas de endurecimento da tensão: HI, H2 e H3, onde o primeiro dígito indica as operações básicas (1= cepa endurecida apenas; 2 = endurecido por tensão e parcialmente enraizado; 3 = endurecido e estabilizado por tensão). O segundo dígito indica o grau de endurecimento da tensão (1= trimestre; 2 = metade; 3 = completo; e 4 = extra duro).
  • "W" ou solução tratada pelo calor: Um temperamento instável aplicável apenas às intolerâncias que envelhecem espontaneamente à temperatura ambiente após o tratamento térmico da solução.
  • "T" ou tratados termicamente: Aplica-se a produtos que são tratados a calor, às vezes com endurecimento suplementar da tensão, para produzir um temperamento estável diferente de F ou 0. O T é sempre seguido por um ou mais dígitos. Basicamente, as ligas de alumínio tratáveis pelo calor envelhecerão naturalmente à temperatura ambiente após a extinção e serão reforçadas pelo endurecimento da precipitação.

Fig. 1 mostra uma curva típica de tensão de estresse para o alumínio 6061 T6. Este é um material com boa força e rigidez, fácil de finalizar e anodizar. O alumínio 6061 T6 é comumente usado em invólucros para muitos produtos eletrônicos, como laptops e televisores.

A curva de tensão em Fig. 1 não apresenta um ponto de rendimento acentuado, mas sim uma diminuição gradual do módulo de elasticidade. Para determinar um ponto de rendimento para fins de engenharia, a ASTM e outras organizações adotaram a abordagem de compensação de 0,2%. Como mostrado na Fig. 2, isso requer determinar uma linha mais adequada para a porção linear do comportamento, e desenhar uma linha com inclinação semelhante começando em 0,2% de tensão. A força na qual esta segunda linha cruza a curva de tensão de estresse é arbitrariamente definida como a força de rendimento.

Figure 1
Figura 1: Curva típica de tensão de estresse para um alumínio tratado com calor.

Figure 2
Figura 2: Definição de força de rendimento para materiais sem um ponto de rendimento óbvio.

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Procedure

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Teste de tensão de alumínio

O objetivo deste experimento é:

  1. Para familiarizar os alunos com o teste laboratorial padrão para determinar as propriedades de tração de materiais metálicos de qualquer forma (ASTM E8),
  2. Para comparar as propriedades de materiais metálicos de engenharia comumente utilizados (aço estrutural e alumínio), e
  3. Comparar as propriedades testadas dos metais com os valores publicados.

Presume-se que uma máquina de teste universal (UTM) com controle de deformação e recursos associados de teste e aquisição de dados esteja disponível. Siga passo a passo os procedimentos para a realização de testes de tração fornecidos pelo fabricante da UTM, prestando especial atenção às diretrizes de segurança. Não prossiga se você estiver incerto sobre qualquer passo; Esclareça quaisquer dúvidas com seu instrutor de laboratório, pois você pode ferir seriamente a si mesmo ou aqueles ao seu redor se você não seguir as devidas precauções. Certifique-se também de conhecer todos os procedimentos de parada de emergência e que você está familiarizado com o software que executa a máquina.

O procedimento abaixo é genérico e destina-se a cobrir etapas mais importantes; pode haver desvios significativos dele dependendo do equipamento disponível.

1. Prepare o espécime:

  1. Obtenha uma amostra de teste cilíndrico para um alumínio comum como 6061T6.
  2. Meça o diâmetro da amostra de teste até o mais próximo de 0,002 em. em vários locais próximos ao meio usando uma pinça.
  3. Segure o espécime firmemente e marque, usando um arquivo, um comprimento aproximado de 2 em. gage. Nota: Marque o comprimento da gálagem cuidadosamente para que ele seja claramente gravado, mas não tão profundo a ponto de se tornar uma concentração de estresse que pode levar à fratura.
  4. Meça o comprimento real da gálagem marcada para o 0,002 in mais próximo.
  5. Se possível, instale uma gagem de tensão longitudinal como descrito no vídeo do JoVE em "Constants materiais".
  6. Colete todas as informações disponíveis sobre os dados de calibração e resolução de todos os instrumentos que estão sendo usados para ajudar a avaliar possíveis erros experimentais e limites de confiança. Essas duas questões são fundamentais para obter resultados significativos, mas estão além do escopo do que é discutido aqui.

2. Teste o espécime:

Ligue a máquina de teste e inicialize o software. Certifique-se de ter configurado todos os recursos apropriados de grafagem e aquisição de dados dentro do software. No mínimo, você deve exibir a curva de tensão e ter displays para a carga e a tensão.

  1. Selecione um procedimento de teste apropriado dentro do software compatível com o protocolo de teste ASTM E8. Observe a taxa de tensão que está sendo usada e se duas taxas, uma para o elástico e outra para a faixa inelástica, estão sendo utilizadas. Defina todas as ações apropriadas no software (por exemplo, para que a máquina pare a 5% de tensão para que você possa remover com segurança o extensômetro e manter o valor máximo da carga que é alcançado).
  2. Levante manualmente a cabeça cruzada de modo que o comprimento total do espécime se encaixe facilmente entre as garras. Insira cuidadosamente a amostra nas garras superiores a cerca de 80 % da profundidade de aderência; alinhar o espécime dentro das garras e apertar ligeiramente para evitar que a amostra caia. Nota: NÃO aperte a aderência à sua pressão total nesta fase.
  3. Abaixe lentamente a cabeça de cima. Uma vez que a amostra esteja dentro de cerca de 80% da profundidade de aderência inferior, certifique-se de que a amostra esteja adequadamente alinhada dentro das garras inferiores (ou seja, com as aderências inferiores em sua posição totalmente aberta, o espécime deve "flutuar" no meio da abertura da aderência inferior). O desalinhamento da amostra, que resultará em estresse flexural e torcional adicional durante os testes, é um dos erros mais comuns encontrados na realização de testes de tensão. Se o alinhamento do instrumento em si for ruim, trabalhe com um técnico para alinhar adequadamente as aderências.
  4. Aplique pressão lateral adequada na amostra através das garras para garantir que não ocorra nenhum deslizamento durante o teste. Nota: Haverá uma pequena carga axial neste momento, pois o processo de aperto introduz uma pré-carga no espécime; suas máquinas de teste podem ter ajustes de software para minimizar essa pré-carga. Registo o valor da pré-carga.
  5. Conecte o extensometro eletrônico com segurança à amostra conforme especificação do fabricante. Nota: As lâminas extensômetros não precisam ser posicionadas exatamente sobre as marcas de gálagem no espécime, mas devem ser aproximadamente centradas no espécime.
  6. Verifique cuidadosamente se você executou corretamente todos os procedimentos até agora; se possível, verifique se a amostra está pronta para testes.
  7. Inicie o carregamento para começar a aplicar a carga de tração na amostra e observe a leitura ao vivo da carga aplicada no visor do computador. Nota: Se a carga medida não aumentar, a amostra está escorregando através das garras e precisa ser recolocado. Se isso ocorrer, pare o teste e reinicie o experimento a partir da etapa 2.3.
  8. Às vezes, antes da falha da amostra, o teste será automaticamente pausado sem descarregar a amostra (Etapa 2.7). Neste ponto, remova o extensor. Se os espécimes romperem com o extensometro no lugar, você destruirá o extensor, um equipamento muito caro.
  9. Retome a aplicação da carga de tração até o fracasso. Ao atingir a carga máxima, as cargas medidas começarão a diminuir. Neste ponto, a amostra começará a pescoço e a fratura final deve ocorrer dentro desta região pescoçoada através de rasgos dúcteis ou semi-dúcteis.
  10. Depois que o teste é concluído, levante a cabeça cruzada, solte as garras superiores e retire o pedaço quebrado da pegada superior. Uma vez que a metade superior da amostra seja removida, solte a aderência inferior e remova a outra metade do espécime.
  11. Registo o valor na carga máxima de tração e imprima uma cópia da curva de tensão. Salve os dados gravados digitalmente no disco rígido e em pelo menos um dispositivo de mídia removível.
  12. Encaixe cuidadosamente as extremidades da amostra fraturada e meça a distância entre as marcas de gálagem até os 0,002 mais próximos. Registo o comprimento final da gálagem.
  13. Meça o diâmetro da amostra na menor seção transversal até o 0,002 mais próximo.
  14. Documente a amostra fraturada com imagens e diagramas.

3. Análise de dados

  1. Utilizando os dados da Tabela 1, calcule o % de alongamento e redução de área para cada tipo de material metálico.
    alongamento = Equation 1 = 8,6%
    redução da área = Equation 2 = 36,5%
  2. Descreva, categorize e regise o modo de fratura predominante para cada amostra.
  3. Determine propriedades materiais conforme descrito no vídeo do JoVE sobre "Características da Tensão de Estresse dos Aços". Organize os dados em uma planilha de tal forma que a cepa até 0,004 seja dada pela gagem de tensão e entre 0,004 e 0,05 pelo extensômetro (o limite superior para o extensômetro é o valor da tensão em que foi removido do teste; este valor muda dependendo da capacidade de deformação da amostra). Use o deslocamento de cabeça cruzada e %alongamento para estimar a tensão final. Se uma gagem de tensão não for usada, certifique-se de corrigir qualquer deslize inicial do extensor. Pode-se contar quadrados no gráfico para obter a dureza (área sob curva de tensão de estresse).
  4. Usando um livro didático ou outra referência adequada, determine o módulo elástico, a força de rendimento e a força final dos materiais utilizados. Compare os valores publicados com os resultados dos testes.

Comparado com a maioria dos metais, o alumínio tem maior relação resistência à resistência ao peso, resistência à corrosão e facilidade de fabricação. Como resultado, o alumínio é um dos metais mais utilizados e é empregado em produtos que vão desde latas de refrigerante até componentes aeroespaciais.

A resistência do alumínio puro é muito baixa, mas suas propriedades mecânicas podem melhorar substancialmente com liga e tratamento térmico. Esses processos permitem sua aplicação generalizada em materiais mecânicos e elétricos. Por ser a segunda a ser um material estrutural, a obtenção de uma curva de tensão para o alumínio é crucial para determinar os limites previsíveis e seguros de seu uso.

Neste vídeo, vamos olhar para o comportamento de tensão de um tipo comum de alumínio usando o teste de tração uniaxial padrão.

O alumínio é leve e tem aproximadamente 1/3 da densidade de aço. Seu módulo de elasticidade, muitas vezes citado como cerca de 70 gigapascal, ou 10.000 kilopounds por polegada quadrada, também é cerca de 1/3 do aço.

Assim como o aço, as propriedades mecânicas do alumínio podem melhorar substancialmente ligando, principicamente com zinco, cobre, manganês, silício e magnésio. O trabalho resfriado ou o endurecimento da tensão, onde o material é enrolado ou desenhado através de corantes, também pode aumentar a força.

O teste de tração uniaxial é tipicamente usado para estudar o comportamento elástico de metais como o alumínio. Este teste gera uma curva de tensão que mostra como o material se alonga e, em seguida, falha à medida que a força aplicada aumenta.

A falha do alumínio, ou qualquer material, progride através de várias etapas. Pescoço, nucleação nula, crescimento vazio e coalescência, propagação de crack e, finalmente, fratura. Alumínio 6061-T6 tem boa resistência e rigidez e é fácil de finalizar e anodize. É comumente usado em invólucros para muitos produtos eletrônicos, como laptops e televisores.

Esta é a curva de tensão para alumínio 6061-T6. Observe como sua curva de tensão não apresenta um ponto de rendimento acentuado, mas sim uma diminuição gradual do módulo de elasticidade. Embora este alumínio de fato falhe, o processo é gradual e é difícil definir um ponto de falha claro ao olhar para a curva de tensão.

Para determinar um ponto de rendimento para fins de engenharia, a ASTM e outras organizações adotaram a abordagem de compensação de 0,2%. Este método requer determinar uma linha mais adequada para a porção linear do comportamento e traçar uma linha com o mesmo início lento em 0,2% de tensão. A segunda linha cruza a curva de tensão em um ponto que é arbitrariamente definido como a força de rendimento.

Agora que entendemos as propriedades do alumínio e como elas podem ser projetadas, vamos ver como medir a curva de tensão para determinar suas características dúcteis e mecânicas.

Obtenha uma amostra de teste cilíndrico para alumínio comum, como 6061-T6. Use um calibre para medir o diâmetro em vários locais próximos ao meio da amostra. Faça essas medições até os 2000 mais próximos de uma polegada.

Em seguida, segure o espécime firmemente e marque um comprimento de medida de aproximadamente duas polegadas. Certifique-se de que o comprimento do medidor está claramente gravado, mas com um arranhão raso para que não se torne uma concentração de estresse que pode levar a uma fratura. Meça o comprimento real do medidor marcado até o 2000º mais próximo de uma polegada.

Por fim, instale um medidor de tensão. O espécime está pronto para testes.

Para este experimento, usaremos uma máquina de teste universal, ou UTM, para medir as propriedades de tração da amostra. Primeiro, ligue a máquina de testes e inicialize o software. Configure os parâmetros de grafação e aquisição de dados. Em seguida, selecione um teste compatível com o protocolo ASTM E8. Observe as taxas de tensão para a faixa elástica e inelástica. Em seguida, defina quaisquer ações adicionais no software, como parar a máquina com 5% de resistência à tração.

Levante manualmente a cabeça cruzada para que o comprimento total do espécime se encaixe facilmente entre as garras superior e inferior. Insira cuidadosamente a amostra na aderência superior a cerca de 80% da profundidade de aderência. Alinhe a amostra dentro da aderência superior e aperte ligeiramente para evitar que a amostra caia.

Abaixe lentamente a cabeça de cima. Uma vez que o espécime esteja dentro de cerca de 80% da profundidade de aderência inferior iniciar o alinhamento da amostra dentro das garras inferiores. O espécime deve flutuar no centro da aderência inferior. Aplique pressão lateral na amostra através das garras para garantir que não ocorra nenhum deslizamento durante o teste.

O processo de aperto introduz uma pequena carga axial no espécime. Use o software para ajustar e minimizar essa pré-carga e registrar seu valor. Conecte o extensor eletrônico com segurança à amostra de acordo com as instruções do fabricante. As lâminas do extensor devem ser aproximadamente centradas no espécime.

Inicie o teste aplicando a carga de tração na amostra e observe a leitura ao vivo da carga aplicada no visor do computador. Confirme se a amostra não está escorregando através das garras, certificando-se de que a carga medida está aumentando. Algum tempo antes da falha da amostra, o software pausa automaticamente o teste. Deixe a amostra na máquina de teste e remova o extensômetro. Retome a aplicação da carga de tração até o falha. Ao atingir a carga máxima, as cargas medidas começarão a diminuir. Neste ponto, o espécime começa a pescoço. A fratura final deve ocorrer nesta região pescoçoada através da ruptura dútil.

Após o fim do teste, levante a cabeça cruzada, solte a aderência superior e remova o pedaço quebrado da amostra dele. Em seguida, solte a aderência inferior e remova a outra metade do espécime. Regisso valor na carga máxima de tração. Salve os dados registrados e a curva de tensão. Encaixe cuidadosamente as extremidades da amostra fraturada e meça a distância entre as marcas de bitola até o 2000º mais próximo de uma polegada. Registo o comprimento final do medidor.

Finalmente, meça o diâmetro da amostra na seção transversal mais próxima do 2000 mais próximo de uma polegada.

Vamos agora ver como analisar os dados que acabamos de coletar. Primeiro, calcule a extensão percentual da amostra sabendo o comprimento final do medidor e o comprimento inicial do medidor. Calcule a redução da área para cada amostra utilizando o diâmetro final e o diâmetro inicial da amostra. Em seguida, calcule outros parâmetros materiais usando as curvas experimentais de tensão.

Este é um gráfico dos dados do medidor de tensão até o ponto de rendimento de cerca de 0,3%. A inclinação da curva de tensão nesta região é o módulo de Young e é de cerca de 9.998 quilopélas por polegada quadrada, que é próximo ao valor nominal de 10.000 quilopounds por polegada quadrada. O valor r quadrado de 0,999 indica excelente linearidade para esses dados.

Estes são os dados de um extensor até uma cepa de 5%. A curva mostra um caráter bilinear, com uma longa porção elástica seguida por um planalto de rendimento com uma inclinação baixa. Para encontrar o ponto de rendimento de um material que não apresenta um ponto de rendimento claro, como este espécime, usamos o método de deslocamento de 0,2%.

Primeiro, desenhamos uma linha ao longo da parte linear inicial da curva. Em seguida, a duplicação começa em uma cepa de 0,2%. A segunda linha cruza a curva que é arbitrariamente definida como o ponto de rendimento. Neste caso, são cerca de 44,2 quilopélas por polegada quadrada. Isso está acima da força de rendimento nominal deste alumínio que é de 40 quilopélas por polegada quadrada.

Se traçarmos os dados muito próximos ao ponto de rendimento, o limite proporcional é o estresse onde a curva começa a se desviar da linearidade, cerca de 39,1 quilopélas por polegada quadrada para este espécime.

Esta é a curva completa de tensão de estresse com os dados abaixo de uma cepa de cerca de 5% do extensor e acima de uma cepa de 5% do deslocamento de cabeça cruzada. O estresse máximo é de cerca de 46,1 quilopélas por polegada quadrada a uma cepa de cerca de 6,5%. Esta força final está um pouco acima da força final nominal de 45 kilopounds por polegada quadrada. O estresse na falha é de cerca de 33,5 quilopélas por polegada quadrada. Dureza é a área sob a curva de tensão e pode ser calculada com a regra trapezoidal a ser de 2,2 quilopélides por polegada quadrada.

As medidas para a amostra tratada pelo calor indicam que esse tipo de alumínio pode ter alongamentos na faixa de 8 a 13%. É importante notar que o alongamento percentual é um valor médio para o comprimento do material entre as marcas de bitola. Quase toda a deformação, no entanto, ocorre em um pequeno volume ao redor da região do pescoço, de modo que a cepa local pode ser muito maior do que a cepa média.

Em geral, a falha progride do pescoço, para anular a nucleação e o crescimento, para a propagação do crack e, finalmente, fratura. A superfície de falha é consistente com este processo. Para o alumínio, um alongamento inferior a 5% pode ser considerado frágil, enquanto um alongamento superior a 15% pode ser considerado dúctil. O alongamento percentual neste espécime é relativamente grande. Como devemos descrever esse material?

Podemos comparar sua superfície de falha com a de dois tipos diferentes de aço. O tamanho do ??? para a amostra de alumínio é maior do que para um aço laminado frio frágil, mas menos do que para um aço laminado a quente dúctil, de modo que este tipo de alumínio pode ser caracterizado como semi-dúctil.

Além disso, podemos olhar para as curvas de tensão para estes três metais. O aço C1018 laminado a frio tem alta resistência, indicado pela baixa tensão em alto estresse, mas falha em cerca de 10% de alongamento, mostrando sua baixa ductilidade. Em contraste, o aço A36 laminado a quente tem um alongamento muito maior para um máximo de quase 25% em menor estresse do que o aço laminado a frio. O alumínio 6061-T6 que acabamos de testar tem menor resistência, bem como falha em um alongamento menor do que qualquer aço.

Vamos agora olhar para algumas das aplicações comuns do teste de tração de alumínio. O uso mais importante das curvas de tensão é no controle de qualidade durante a fabricação de alumínio. As normas ASTM exigem testes em amostras representativas de cada calor de alumínio e os resultados devem ser rastreáveis a benchmarks estabelecidos. Os fabricantes utilizam padrões como iso TS 16949 para controle de qualidade e garantia de qualidade de materiais para indústrias automotivas e outras.

A folha de alumínio para a indústria de cozimento tem uma pliabilidade desejada para que possa ser facilmente manuseada e dobrada. Da mesma forma, o alumínio usado em latas para refrigerantes deve ser forte o suficiente para manter sua forma quando mantido, mas facilmente esmagável quando necessário. O teste de tração garante que essas finas folhas de alumínio tenham as qualidades mecânicas especificadas.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE às características da tensão do alumínio. Agora você deve saber sobre o teste laboratorial de normas ASTM E8 para determinar as propriedades de tração de materiais metálicos. Você também deve entender como preparar uma amostra para o teste ASTM e obter a curva de tensão de estresse para alumínio típico.

Obrigado por assistir!

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Results

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A partir das medições e Fig. 3, o alumínio tratado a calor, como o 6061T6 utilizado neste teste, normalmente exibirá % alongamentos na faixa de 8%-13%. É importante notar que quase toda a deformação é localizada em um volume pequeno e, portanto, o %alongamento é apenas uma média; localmente a tensão poderia ser muito maior. Note-se também que a %redução da área também é uma medida muito difícil de fazer, pois as superfícies são irregulares; portanto, esse valor vai variar consideravelmente.

Diâmetro nominal da amostra 0.335 em.
Diâmetro do Centro 0.340 em.
Comprimento do espécime 10.0 em.
Comprimento da Seção Tapered 4.0 em.
Comprimento original do gage 1.987 em.
Distância para Apertos 5.471 em.
Velocidade de cabeça cruzada para rendimento 0.05 in./min
Velocidade de cabeça cruzada após rendimento 0.5 in./min
Pré-carga 200 Lbs.
Carga de rendimento de tração 3800 Lbs.
Carga de tração máxima 4100 Lbs.
Carga na Fratura 3000 Lbs.
Comprimento final do gage 2.157 em.
Diâmetro Final 0.271 em.

Mesa 1. Resultados de testes de tensão em amostras circulares de alumínio 6061 T6.

Figure 3
Figura 3 - Pescoço em amostra de alumínio. 

Figure 4
Figura 4 - Superfície típica de falha semi-dúctil. 

Em geral, estes variam de uma fratura de tesoura dútil (copo-cone) a uma fratura de decote frágil. A falha mostrada em Fig. 3 e Fig. 4 é consistente com este processo, mas menos ductilidade pode ser vista neste alumínio em comparação com o aço laminado a quente no vídeo JoVE sobre "Características de Tensão de Aços". Assim, essa falha pode ser caracterizada como semi-dúctil mesmo que o %alongamento seja relativamente grande. Resultados típicos são mostrados em Fig. 1.

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Este experimento descreveu como obter uma curva de tensão para um alumínio típico. As diferenças nas curvas de tensão podem ser traçadas para qualquer diferença no processamento (por exemplo, fundição, extrudamento, tratamento térmico ou trabalho a frio) e composição química (por exemplo, tipo e por cento das ligações). Esses processos e ligas aumentam a força do alumínio em um fator de 20 a 60 vezes o do material puro. Os testes mostraram que o alumínio é um material dúctil quando carregado em tensão uniaxial.

O alumínio é um material muito versátil e resistente. A Associação de Alumínio afirma que "... suas aplicações abrangem desde itens cotidianos como veículos eficientes em combustível, telefones inteligentes, zíperes e papel alumínio até a fiação da rede elétrica do país, o ápice do Monumento a Washington e a carcaça da Estação Espacial Internacional. ... Um incrível 75% de todo o alumínio já produzido ainda está em uso. A produção de alumínio reciclado requer apenas 8% da energia e cria 8% das emissões em comparação com a produção primária."

A aplicação mais importante do teste de tensão descrito aqui está no processo de controle de qualidade durante a fabricação de alumínio. As normas ASTM exigem que esse teste seja executado em amostras representativas de cada calor de alumínio, e tais resultados devem ser rastreáveis a benchmarks estabelecidos. Os fabricantes de alumínio utilizam padrões como ISO/TS 16949 e similares para QC/QA de materiais para indústrias automotivas e relacionadas.

A folha de alumínio na indústria de cozimento depende de testes de tração para garantir que a folha seja flexível o suficiente para ser facilmente manobrada à mão. O mesmo vale para latas de refrigerante, fortes o suficiente para permanecer no lugar quando realizadas, mas facilmente esmagáveis quando desejarem.

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