BR102020025147A2 - Metodologia para determinação da curva real de tensão-deformação em ensaio de tração uniaxial usando queda de potencial em corrente alternada - Google Patents

Abstract

A presente invenção relaciona-se com uma metodologia para a obtenção da curva real de tensão-deformação em ensaio de tração uniaxial de materiais metálicos, a partir da avaliação eletrônica da variação da área da seção transversal estriccionada, seja tal seção circular ou retangular. Na presente invenção, o ensaio de tração ocorre concomitantemente à obtenção de dados referentes à queda de potencial em corrente alternada (A.C.P.D) na região estriccionada. As áreas instantâneas da menor seção transversal são conhecidas pela correlação com a variação do comprimento e da tensão elétrica e utilizadas para calcular as tensões verdadeiras. A invenção permite alcançar maior precisão dos valores das propriedades mecânicas obtidos em ensaios de tração do que aqueles conseguidos por curvas convencionais, além de sanar problemas operacionais existentes em técnicas disseminadas na literatura corrente, como, por exemplo, erros humanos. A metodologia proposta mostra-se uma importante ferramenta no estudo da caracterização dos mais diversos tipos de materiais, fornecendo bases para posteriores estudos mais precisos de avaliação de integridade de estruturas, em especial por técnicas de modelagem.

Description

METODOLOGIA PARA DETERMINAÇÃO DA CURVA REAL DE TENSÃO-DEFORMAÇÃO EM ENSAIO DE TRAÇÃO UNIAXIAL USANDO QUEDA DE POTENCIAL EM CORRENTE ALTERNADA CAMPO DA INVENÇÃO

[1] A presente invenção está relacionada com a obtenção de curvas tensão-deformação reais de materiais metálicos em ensaios de tração através do uso da técnica de queda de potencial em corrente alternada, ou, em inglês, alternating current potential drop method (A.C.P.D.). A utilização do procedimento abordado pela presente invenção permite avaliar a variação da área útil, de forma instantânea, de um corpo de prova submetido a ensaio de tração uniaxial. O método desenvolvido permite apresentar experimentalmente a curva de tensão-deformação real de metais e sanar problemas operacionais que possam ocorrer quando do uso das técnicas já existentes na literatura, mostrando-se uma importante ferramenta no estudo das propriedades mecânicas dos mais diversos materiais metálicos.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[2] O ensaio mecânico de tração é o mais utilizado no estudo das propriedades e comportamento de materiais, pois, além de ter realização simples e rápida, fornece importantes e abrangentes informações de interesse da Engenharia.

[3] Durante realização do ensaio, a tensão registrada é dada pela força aplicada sobre a área da seção transversal do corpo de prova, área esta que é considerada constante. No entanto, os corpos de prova apresentam crescente redução percentual da área da seção transversal após atingirem uma carga máxima no ensaio de tração convencional, ou seja, as dimensões da amostra ensaiada, principalmente na zona plástica, mudam a cada instante durante o ensaio.

[4] Devido à dificuldade de registrar de forma instantânea a área da seção transversal do corpo de prova, a literatura especializada amplamente aborda a denominada curva tensão-deformação convencional, ou de engenharia. Entretanto, reconhece-se que as informações extraídas de tais resultados não oferecem informações tão precisas quanto por vezes possa ser desejável sobre as propriedades mecânicas dos metais, podendo limitar, por exemplo, estudos mais precisos de avaliação de integridade de estruturas.

[5] Na literatura especializada, as metodologias mais utilizadas para determinação da curva de tensão-deformação real são baseadas na teoria clássica da plasticidade, em cálculos interativos de elementos finitos, ou ainda consistem na medição da área inicial e, de tempos em tempos, as áreas mínimas intermediárias, enquanto há o aumento lento e gradual da carga.

[6] Não foram encontrados relatos na literatura especializada, tampouco na literatura de patentes, de desenvolvimento de metodologia utilizando a queda de potencial em corrente alternada para a obtenção da curva de tensão-deformação real em ensaios de tração.

[7] Nenhum registro foi encontrado na literatura de patentes brasileiras que versem sobre métodos para a obtenção da curva tensão-deformação real.

[8] Alguns documentos que tratam da obtenção da curva real de tensão-deformação foram encontrados em bases internacionais, contudo, até o presente momento, não foram visualizadas criações de metodologias que utilizam a técnica da queda de potencial em corrente alternada para tal fim.

[9] O documento CN103792143A, depositado em 12/02/2014, sob título “QUICK ACQUISITION METHOD OF TRUE STRESS STRAIN CURVE IN WHOLE PROCESS OF UNIAXIAL DRAWING”, propõe um método baseado em modelo de simulação, com predição indireta da curva real de tensão-deformação em uma seção estriccionada.

[10] O documento KR101720845B1, depositado em 24/12/2014, sob o título “METHOD OF OBTAINING RELIABLE TRUE STRESS-STRAIN CUR-VES IN A LARGE RANGE OF STRAINS IN TENSILE TESTING USING DIGITAL IMAGE CORRELATION” apresentou um método para obtenção da curva real de tensão-deformação usando uma técnica de análise de imagem digital.

[11] O documento CN108007771A, depositado em 23/05/2017, sob o título “PLASTIC PART MATERIAL TEST ANALYSIS EQUIPMENT AND ME-THOD BASED ON INJECTION FORMING AND INTENSITY CHECK”, objetivou obter a curva tensão-deformação real de materiais plásticos, por meio de modelagem de elementos finitos e teste de tração virtual das tiras de amostra.

[12] O documento CN101975693A, depositado em 11/10/2010, sob o título “DATA MEASURING AND CALCULATING METHOD FOR UNIAXIAL TENSILE TEST” divulgou um método de obtenção das propriedades reais obtidas em ensaio de tração, por meio de etapas que envolviam a marcação de um ponto de medição, o cálculo da tensão de ruptura real e realização de desenhos das curvas tensão-deformação real e convencional, para posterior relação do efeito do comprimento de referência com o efeito do tamanho da malha em um método de elementos finitos.

[13] A partir dos registros apresentados, até o presente momento não foram visualizados documentos que apresentassem metodologia inovadora para a obtenção da curva real de tensão-deformação utilizando a técnica A.C.P.D.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[14] O principal objetivo desta invenção é propor uma metodologia para a obtenção da curva real de tensão-deformação em ensaio de tração uniaxial de materiais metálicos.

[15] As técnicas de queda de potencial são baseadas no princípio básico de que uma amostra condutora, quando carregada eletricamente, irá apresentar uma queda de voltagem em sua superfície; percebe-se, então, que se trata de uma técnica não-destrutiva.

[16] Estudos evidenciam que quando uma corrente alternada atravessa um condutor, ela é limitada a uma área bastante reduzida do material, a qual é constante. Como a resistência das amostras pode ser alterada pela presença de um defeito, como a estricção oriunda do ensaio de tração em materiais com ductilidade, o fluxo espacialmente limitado de correntes alternadas pode ser explorado não apenas para detectar, mas também para medir falhas.

[17] Ainda que seja um método mais complexo quando comparado com aquele realizado com corrente contínua, a técnica A.C.P.D. possui algumas vantagens, como, por exemplo, a não variação da temperatura da amostra e a não alteração eletroquímica do material ensaiado.

[18] A metodologia desenvolvida permite avaliar eletronicamente a variação da área da seção transversal estriccionada concomitantemente ao ensaio de tração, reduzindo erros aleatórios e permitindo a obtenção confiável de novos valores de propriedades mecânicas para os diferentes metais e ligas ensaiadas a partir da curva real de tensão-deformação, além de possibilitar que posteriores estudos mais detalhados sejam conduzidos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[19] A invenção proposta se refere à obtenção, com boa precisão, da curva real de tensão-deformação em ensaio de tração uniaxial de materiais metálicos que permita o cálculo das áreas instantâneas da seção transversal estriccionada a partir de dados obtidos de forma eletrônica durante o experimento, seja tal seção circular ou retangular.

[20] O ensaio de tração pode ser realizado em uma Máquina Universal de Ensaios típica, equipada com extensômetro, a uma velocidade de 1 mm/min ou inferior. O experimento deve ser parametrizado e monitorado por softwares que permitam a obtenção da curva convencional do ensaio de tração, além da exportação de dados para posterior tratamento.

[21] Para a medição da queda de potencial em corrente alternada na peça tracionada, é necessário que se tenha à disposição um instrumento baseado em microprocessador específico para tal fim, o qual deve ser conectado a um computador, para o monitoramento do ensaio.

[22] Antes do início do ensaio, um eletrodo deve ser posicionado em cada extremidade do corpo de prova, para a aplicação e saída de corrente; dois eletrodos são posicionados nas extremidades do local de estricção, com distanciamento máximo de 50 mm (cinquenta milímetros) entre si, objetivando medir a queda de potencial na região; outros dois eletrodos são conectados ao material, espaçados no mínimo 10 mm (dez milímetros) entre si, em região afastada daquela que irá estriccionar e são responsáveis por medir a voltagem de referência.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[23] FIG. 1 demonstra o posicionamento dos eletrodos para entrada e sa-ída de corrente, bem como para medição da voltagem de referência (V1) e aferição da queda de potencial na região estriccionada (V2).

[24] FIG. 2 apresenta a curva real de tensão-deformação obtida pelo método proposto e a curva tensão-deformação convencional do aço SAE 1020.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[25] Para mitigar erros, os eletrodos devem garantir um bom contato com a superfície da amostra ensaiada em todas as necessidades: entrada e saída de corrente; aferição da voltagem de referência; aferição da voltagem no local de estricção.

[26] Maiores comprimentos úteis dos corpos de prova permitem melhor precisão na aquisição de dados, devido à melhor distribuição dos eletrodos.

[27] Devido à anisotropia dos materiais e possível falta de simetria dos corpos de prova, pode haver variabilidade no local de surgimento da estricção. Para estes casos, maiores distâncias dos eletrodos de aferição da queda de potencial na região estriccionada são desejáveis.

[28] Após realização do ensaio e obtenção da curva tensão-deformação de engenharia, para correlacionar a queda de potencial no corpo de prova com a variação da área da seção transversal, deve-se compreender as etapas descritas a seguir.

[29] A partir da Lei de Ohm, compreende-se que a tensão elétrica é numericamente igual ao produto da resistência elétrica pela corrente. Uma vez que a resistência elétrica é dada pelo produto da resistividade do material pelo comprimento útil, dividido pela área útil, infere-se que a tensão elétrica pode ser determinada como sendo o produto da resistividade do material pelo comprimento útil, dividido pelo produto da área útil pela corrente elétrica.

[30] As áreas instantâneas podem ser calculadas mediante uso de aplicativos de criação de planilhas eletrônicas. Tal cálculo pode ser realizado considerando que a área estriccionada é dada pelo produto das variáveis resistividade do material, corrente elétrica e comprimento útil do corpo de prova, dividido pela tensão elétrica.

[31] Considera-se que a corrente e a resistividade do material são constantes, uma vez que não se varia a primeira ao longo do ensaio e, em relação à segunda, essa é uma propriedade característica do material que permanece inalterada devido ao fato que não há mudança de temperatura no corpo de prova submetido ao tração em conjunto ao uso da técnica A.C.P.D.

[32] A variação de área ao longo do ensaio é função das variações do comprimento útil e da tensão elétrica. Em virtude da ausência de escorregamento entre o corpo de prova e a garra de ensaio, atribui-se o ganho de comprimento ao deslocamento do atuador do ensaio. Aliado a isso, a utilização da variação de potencial fornecida pelo equipamento de monitoramento que utiliza o método A.C.P.D. em cada instante, permite obter a variação de área no tempo.

[33] A plotagem da curva real de tensão-deformação é possível dividindo-se, para a obtenção das tensões mecânicas reais, a Força indicada pelo software de monitoramento do ensaio de tração pela área estimada a partir da combinação dos dados de tração combinados com os fornecidos pela técnica A.C.P.D.

[34] Os perfis das curvas obtidas apresentaram semelhanças na região elástica, mas comportamentos diferentes na região plástica, tendo a curva real atingido valores superiores de tensão limite de escoamento, permitindo propor novos valores para as propriedades mecânicas do material estudado.

Claims (4)

1. “METODOLOGIA PARA DETERMINAÇÃO DE CURVA DE TENSÃO-DEFORMAÇÃO EM ENSAIO DE TRAÇÃO UNIAXIAL USANDO QUEDA DE POTENCIAL EM CORRENTE ALTERNADA”, caracterizado por utilizar a técnica A.C.P.D. para a obtenção da curva real tensão-deformação em ensaios de tração.
2. VARIÁVEIS DE ENSAIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por estabelecer uma distância máxima de 50 mm entre os dois eletrodos com o intuito de medir a queda de potencial na região estriccionada.
3. VARIÁVEIS DE ENSAIO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por estabelecer um espaçamento mínimo de 10 mm entre os dois eletrodos responsáveis por medir a voltagem de referência.
4. VARIÁVEIS OPERACIONAIS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por estabelecer a correlação da variação do comprimento útil e da tensão elétrica com a área instantânea estriccionada de um corpo de prova tracionado, mediante aplicação de corrente alternada.

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