Upload
kathiasc
View
14
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Estudo sobre o comportamento de Materiais Ceramicos
Citation preview
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
RELATÓRIODE ENSAIO E CARACTERIZAÇÃO DE
MATERIAIS
ENSAIOS DE COMPRESSÃO E FLEXÃO PARA MATERIAIS CERÂMICOS
Prof. Celso Aparecido Martins
Alunos:
Fábio Fanti 352748Kathia Saavedra Cronenbold 366293
Marcelo Mitre Filho 387959Pedro Cesar Lopes Gerum 322750
Tatiana Callado 352608
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 1
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
Sumário
1. Objetivo..........................................................................................................................3
2. Ensaio de Flexão.............................................................................................................3
2.1. Definição.....................................................................................................................3
2.2. Equipamentos..............................................................................................................4
2.3. Procedimento...............................................................................................................5
2.4. Análise qualitativa dos dados......................................................................................5
2.5. Análise quantitativa dos dados....................................................................................6
3. Ensaio de Compressão....................................................................................................8
3.1. Definição.....................................................................................................................8
3.2. Equipamentos..............................................................................................................8
3.3. Procedimento...............................................................................................................8
3.4. Cuidados Especiais......................................................................................................9
3.5. Análise qualitativa dos dados......................................................................................9
3.6. Análise quantitativa dos dados..................................................................................10
4. Conclusão......................................................................................................................13
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 2
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
1. Objetivo
Este documento visa analisar estatisticamente os resultados obtidos nos ensaios de
compressão e flexão em materiais cerâmicos. Em ambos ensaios foram utilizados materiais
refratários e isolantes, a modo de poder visualizar a diferença nas propriedades mecânicas
das amostras.
Para isto, serão utilizados os documentos gerados pelas técnicas DTA (Análise
Térmica Diferencial) e DSC (Calorimetria Diferencial Exploratória). Optou-se a utilização
de gráficos de controle para verificar o valor da média estatística com um intervalo de
confiança de 95%.
2. Ensaio de Flexão
2.1. Definição
O ensaio de flexão é realizado em materiais frágeis e em materiais resistentes, como
o ferro fundido, alguns aços, estruturas de concreto e outros materiais que em seu uso são
submetidos a situações onde o principal esforço é o de flexão. A montagem do corpo de
prova para o ensaio de flexão é semelhante à do ensaio de dobramento. O ensaio de flexão
fornece dados que permitem avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais, uma
dessas propriedades é a tensão máxima de ruptura, dada pela fórmula a seguir:
θmr=3 F f L2bd 2
onde ,
Ff = Carga de fratura
L= distância entres os pontos de apoio
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 3
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
Figura 1 - Representação do ensaio de flexão
2.2. Equipamentos
Para o desenvolvimento do ensaio foi utilizada uma máquina INSTRON 500CR. O
equipamento consta com dois pontos de apoio separados por 55mm e um cutelo que desce,
pressionando a amostra com uma carga máxima de 200kg. Também foi utilizado o
software Blue Hill para a coleta dos dados. A seguir apresentamos uma imagem do
equipamento utilizado:
Figura 2 - Equipamento INSTRON 500CR
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 4
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
2.3. Procedimento
Foram realizados em laboratório ensaios de flexão 3 pontos com dois tipos de
materiais diferentes e em diferentes temperaturas. Os materiais foram designados Material
1 e Material 2, os quais foram ensaiados a 900ºC e 1100ºC.
O corpo de prova a ser ensaiado é colocado entre no aparelho na posição adequada e o
cutelo rá aplicar a força na posição central do corpo de prova. Com a utilização do
software poderemos computar todos os dados de tensão de ruptura. O ensaio finaliza ao
atingir a tensão de ruptura das amostras.
2.4. Análise qualitativa dos dados
Espera-se que no final do ensaio todas as amostras apresentem uma fratura no
centro da mesma, que tenha começado na parte superior e propagando-se até a inferior e de
forma retilínea. Na prática, aconteceram algumas variações, que podem ter sido
ocasionadas pelo tipo de tratamento da amostra, o processo de fabricação desta e a
homogeneidade dos materiais utilizados.
Figura 3 - Amostras utilizadas para o ensaio de flexão
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 5
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
2.5. Análise quantitativa dos dados
Após a análise quantitativa, foi feita uma análise estatística com os dados
numéricos obtidos. A análise está representada a seguir.
Figura 4 - Resultado do teste de flexão
02.5
57.510
Ensaio de Tração para Material 1
900°CMédiaLSCLIC
Amostras
Tens
ão (M
pa)
Figura 5 - Gráfico do controle estatístico para Material 1 no teste de Flexão
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 6
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1810111213141516171819202122
Ensaio de Tração para Material 2
1100°CMédiaLSCLIC
Amostras
Tens
ão (M
pa)
Figura 6 - Gráfico de controle estatístico para Material 2 no teste de flexão
Média Desvio Padão Mínimo Máximo LSC LIC
Material 117.15111111 2.000890651 14.45 21.13 19.15200176 15.15022046
Material 24.479444444 2.136909457 2.01 7.96 6.616353901 2.342534988
Dos gráficos anteriores, concluímos que a amostra que foi sinterizada à uma
temperatura maior, de 1100°C possui uma resistência à tração maior que a amostra
sinterizada à uma temperatura menor, de 900°C. Isso se deve a amostra sinterizada a uma
temperatura maior possui menos poros, que são concentradores de tensão,
consequentemente aumentando a resistência do material.
Pode-se concluir, com a realização dos testes, que as amostras que foram
sinterizadas em uma temperatura mais elevada possuem maior resistência a flexão. Logo, a
temperatura de cozimento da amostra influencia diretamente na quantidade de poros
(concentradores de tensão), impactando na resistência mecânica do material sinterizado.
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 7
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
3. Ensaio de Compressão
3.1. Definição
O ensaio de compressão é mais utilizado para materiais frágeis, uma vez que nesses
materiais a fase elástica é muito pequena e não é possível determinar com precisão as
propriedades relativas a esta fase. A única propriedade mecânica que é avaliada nos
ensaios de compressão de materiais frágeis é o seu limite de resistência à compressão.
3.2. Equipamentos
O equipamento utilizado para o ensaio foi a máquina universal de ensaios
INSTRON 8802. Trata-se de um equipamento hidráulico utilizado tanto para ensaios
estáticos quanto para ensaios dinâmicos. Sua célula de carga tem capacidade de 25.000 kg
e chega às frequências próximas de 100Hz, mas com amplitudes muito baixas.
3.3. Procedimento
O ensaio de compressão consistiu em blocos cerâmicos, sendo oito de um material
isolante e oito de um material refratário, em formato de cubo submetido a uma força de
compressão de 25 toneladas que vai aumentando ao longo do tempo pela máquina
INSTRON 5500R. O material é então comprimido a uma velocidade de 1,3 mm/minuto até
que este apresente fraturas e redução na tensão de compressão. Os dados de força a cada
segundo são registrados pelo software Blue Hill.
Figura 7 - Esquema representativo do ensaio de compressão
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 8
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
3.4. Cuidados Especiais
Para evitar danos na superfície das placas da máquina e para o melhor
desenvolvimento do ensaio, é indicada a colocação de algum material que permita a
distribuição uniforme da carga sobre as faces material de prova. Neste caso, foram
utilizadas duas interfaces celulósicas. Na figura a seguir pode-se observar o material
utilizado para a melhor distribuição da carga.
Figura 8 - interfaces celulósicas utilizadas no ensaio
3.5. Análise qualitativa dos dados
A primeira conclusão é de que as fraturas ocorrem a aproximadamente a 45°.
Notamos também uma grande diferença entre os tipos de materiais: o material refratário
possuiu um plano de fratura mais bem definido e tensões mais altas de ruptura. Isto ocorre
devido ao fato deste material ser muito mais pesado e denso que o isolante, fazendo com
que sua resistência mecânica seja maior. De fato isto é percebido com a realização do teste.
Podemos ressaltar que quando uma trinca não sai da maneira esperada (trinca a 45
graus) , as causas podem ser corpo de prova mal feito, superfícies da amostra que não são
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 9
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
paralelas e/ou a muitos defeitos que representam porosidade alta. A seguir apresentamos
alguma imagens das amostras depois do ensaio.
Figura 9 - Amostras de material refratário
Figura 10 - Amostras de material isolante
3.6. Análise quantitativa dos dados
Para análise quantitativa realizamos o tratamento dos dados que descrevem o
comportamento das amostras durante os testes realizados em laboratório.
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 10
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
Figura 11 - Resultado do teste de compressão
A partir do anterior, pode –se concluir que as amostras de material refratário
obtiveram maiores valores de resistência mecânicas que as amostras com composição de
isolante.
Este fato está relacionado com a quantidade de poros que estes materiais
apresentam. Observando o gráfico, pode-se inferir que o material refratário possui menor
quantidade de poros que o isolante, ou seja, o isolante possui maior quantidade de
concentradores de tensão reduzindo sua resistência a compressão. O resultado obtido foi o
esperado, pois no início do teste observamos que a alumina possuía maior densidade que o
isolante, o que sugeriu que a alumina possuía menor quantidade de poros que o isolante.
A partir dados obtidos com o teste, realizamos uma análise estatística. Os gráficos a
seguir indicam os valores de, tensão máxima , a média, o desvio padrão e os limites
superiores e inferiores de controle para amostras que foram testadas.
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 11
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
1 2 3 7 8 9 13 14 1515
19
23
27
31
35
39
43
Ensaio de Compressão - Refratário
RefratárioMédiaLSCLIC
Amostras
Tens
ão (M
pa)
Figura 12 - Gráfico de controle estatístico para material refratário no teste de compressão
4 5 6 10 11 12 16 17 181
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
Ensaio de Compressão - Isolante
IsolanteMédiaLSCLIC
Amostras
Tens
ão (M
pa)
Figura 13 - Gráfico de controle estatístico para material isolante no teste de compressão
MédiaDesvio Padão Mínimo Máximo LSC LIC
Refratário 32.67 5.698355026 19.52 40.24 38.36835503 26.97164497Isolante 1.575555556 0.161486154 1.23 1.82 1.737041709 1.414069402
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 12
Universidade Federal de São CarlosDepartamento de Engenharia de Produção
Através dos resultados, pode-se observar que a dispersão dos valores obtidos para
amostras sugere que pode haver amostras provenientes de diferentes fornecedores, pois os
valores obtidos para carga máxima e tensão máxima possuem certa variabilidade em
relação à média.
Outra razão que justifica a variabilidade dos valores obtidos é a obtenção de
amostras de fornecedores com processos de produção com variabilidade elevada, ou seja,
baixo controle no processamento das amostras. Logo, a previsibilidade do comportamento
dos materiais é prejudicada quando se obtém valores muito dispersos da média.
4. Conclusão
xxx
São Carlos, 17 de Setembro de 2013 Página 13