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

A tenacidade de um material pode ser medida usando o teste Charpy V-notch, um teste simples que caracteriza a robustez ou resistência à fratura do material.

Falhas frágeis são uma das falhas estruturais mais insidiosas, sem aviso prévio. Para evitar isso, aplicações que envolvem temperaturas operacionais muito baixas, ciclos repetidos de carregamento ou soldagem extensiva devem nos tornar materiais resistentes. Materiais resistentes são muito menos propensos a falhar de maneira quebradiça.

A tenacidade pode ser medida usando o teste Charpy V-notch. O teste envolve bater em uma amostra entalhada com um martelo oscilante de peso conhecido, calcular a energia absorvida pela amostra durante o impacto e observar a superfície da fratura.

Este vídeo ilustrará como realizar o teste Charpy V-notch e analisar os resultados.

Um material resistente é aquele que é forte e dúctil. Ele pode absorver mais energia do que materiais que são menos resistentes antes de falhar. Juntamente com a composição química de um material, mudanças no processamento do material e na situação de carregamento podem causar mudanças na tenacidade de um material.

O teste Charpy V-notch é usado para prever se um material se comportará de maneira frágil ou dúctil em serviço. Cada corpo de prova tem dimensões padronizadas com um entalhe em V projetado para aumentar significativamente a tensão localizada. Durante o teste, a amostra é suportada na máquina de teste com o entalhe voltado para longe da direção de carregamento. Um martelo de peso e altura conhecidos é balançado, atingindo o espécime. O lado entalhado do espécime experimenta tensão. Isso resulta em uma trinca que se propaga através da espessura da amostra até a falha.

A energia potencial do martelo torna-se energia cinética à medida que ele balança em direção à amostra. À medida que o martelo atinge a amostra, uma pequena quantidade de energia é absorvida. A mudança na energia potencial pode ser calculada conhecendo a altura do martelo antes e depois de atingir a amostra. A energia perdida pelo martelo é igual à energia absorvida pela amostra. A energia absorvida durante a falha indica a tenacidade do material. Isso está relacionado à área sob a curva tensão-deformação, com os materiais mais resistentes capazes de absorver tanto alta tensão quanto alta tensão.

Os valores de teste de impacto Charpy V-notch são precisos para condições de teste específicas, mas também podem ser usados para prever o comportamento relativo dos materiais.

Na próxima seção, mediremos a tenacidade de dois tipos diferentes de aço em altas e baixas temperaturas usando o teste de impacto Charpy V-notch.

Cuidado: este experimento envolve peças móveis pesadas e temperaturas extremas. Siga todas as diretrizes e procedimentos de segurança durante o teste. Antes do dia do teste, tenha amostras dos materiais desejados usinadas nas dimensões padrão para o teste Charpy.

Para esta demonstração, testaremos dois tipos diferentes de aço, ASTM A36 e C1018. Para preparar as amostras, use a caixa fria para resfriar uma amostra de cada metal a 40 graus Celsius negativos. Use uma placa quente para aquecer outra amostra de cada metal a 200 graus Celsius. Mantenha um terceiro conjunto de amostras em temperatura ambiente.

Agora, prepare a máquina de teste. Primeiro, verifique se o caminho do martelo está livre de obstruções e, em seguida, levante o martelo até travar. Prenda a trava para evitar a liberação acidental do martelo. Confirme se a área está livre, remova a trava e pressione a alavanca para liberar o pêndulo. O martelo deve balançar livremente com muito pouco atrito, de modo que uma energia insignificante seja perdida conforme indicado no mostrador. Use o freio para parar o pêndulo para que você possa prender novamente o martelo e, em seguida, use pinças para centralizar uma amostra na bigorna com o entalhe voltado para longe do lado do impacto.

Quando a amostra estiver pronta, ajuste o botão da máquina para 300 libras-pé. Confirme novamente se a área está livre e, em seguida, solte o pêndulo. O martelo impactará a amostra e, à medida que balança para cima no lado oposto, mova o mostrador para indicar a quantidade de energia que a amostra absorveu. Registre o valor do medidor e, em seguida, use o freio da máquina para impedir que o martelo balance. Ativar o intervalo invalidará a leitura do medidor, portanto, não faça a leitura após a aplicação do intervalo.

Uma vez que o pêndulo tenha parado, recupere a amostra e determine a porcentagem da área da face fraturada que tem textura fibrosa. Repetir o procedimento de ensaio para as restantes amostras. Quando terminar o teste final, deixe o martelo na posição para baixo.

Agora, dê uma olhada nos resultados.

Compare amostras representativas de um material cúbico centrado na face de cada um dos grupos de temperatura. Essas amostras mostram pouca variação na faixa de temperaturas testadas.

Agora, compare amostras de um material cúbico centrado no corpo de cada um dos grupos de temperatura. As amostras que foram testadas em temperatura elevada mostram mais ductilidade e deformação plástica, enquanto as amostras do grupo de baixa temperatura apresentam sinais de fratura frágil.

A transição para a falha frágil pode ser vista plotando a energia absorvida em função da temperatura da amostra para muitos testes. Para materiais cúbicos centrados no corpo, há um platô superior claro na energia absorvida em temperaturas elevadas, um platô baixo em temperaturas reduzidas e uma região de transição entre eles. Os materiais cúbicos centrados na face não exibem a mesma transição em temperaturas reduzidas.

Agora que você aprecia o teste de impacto Charpy V-notch por seu uso na previsão da tenacidade dos materiais em serviço, vamos dar uma olhada em como ele é aplicado para garantir estruturas sólidas todos os dias.

Ambientes de temperatura extrema, como a exploração espacial, onde a temperatura varia em uma grande faixa, bem como trenós puxados por cães, onde as temperaturas caem bem abaixo de zero, exigem materiais resistentes.

Uma aplicação particularmente importante é no projeto de pontes, onde os aços são obrigados a atender aos padrões ASTM, que incluem limites Charpy de baixa e alta temperatura.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE ao teste de impacto Charpy. Agora você deve entender como realizar o teste de impacto Charpy em materiais em uma variedade de temperaturas e como esses resultados se relacionam com a tenacidade do material.

Obrigado por assistir!