Seminário - Tec. de materiais I

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em que, é o ângulo de torção (radianos), L é o comprimento do corpo de prova (m) e D/2 representa o raio do corpo de prova (m).[pic 10]

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Figura 7 – Eixo cilíndrico exposto a torção, com destaque ao ângulo de giro ( em relação à superfície engastada.[pic 12]

6. Deformação de Cisalhamento na região plástica

7. Ensaio de Torção

A torção é diferente da compressão, da tração e do cisalhamento, porque nestes casos o esforço é aplicado no sentido longitudinal ou transversal, e na torção o esforço é aplicado no sentido de rotação.

O ensaio de torção consiste na aplicação de carga rotativa em um corpo de prova geralmente de geometria cilíndrica. Este ensaio e amplamente utilizado na fabricação de componentes mecânicos como motores de arranque, turbinas aeronáuticas, rotores de máquinas pesadas, entre outros.

O ensaio de torção é de execução relativamente simples, porém para obter as propriedades do material ensaiado são necessários cálculos matemáticos complexos. Como na torção uma parte do material está sendo tracionada e outra parte comprimida, em casos de rotina pode-se usar os dados do ensaio de tração para prever como o material ensaiado se comporta quando sujeito a torção.

Rotação e Torção

O corpo tenderá a girar no sentido da força e, como a outra extremidade está engastada, ela sofrerá uma torção sobre seu próprio eixo. Se o certo limite de torção for ultrapassado, o corpo se romperá. Um exemplo disso é o eixo de transmissão dos caminhões.

7.1 Propriedades

A barra cilíndrica possui comprimento L e diâmetro D, a qual, quando submetida a um momento de torção (Mt) em uma de suas extremidades, estando à outra engastada, resulta em tensões e deformações distribuídas ao longo de toda a barra.

O plano de referência OACO’, visto na figura 8, após a aplicação do momento de torção (Mt) deforma-se par ao plano OBCO’, onde se observa que é gerado um ângulo () na seção transversal de aplicação do momento. Ao longo do comprimento (L) ocorre a deformação angular de cisalhamento dado pelo ângulo ().[pic 13][pic 14]

Admite-se como hipótese que na condição elástica a tensão do cisalhamento na seção transversal da barra varia linearmente com o raio (r), em que o valor máximo dessa tensão se encontra na superfície da barra (D/2), sendo igual à zero no centro como mostrado na figura 8 (b).

As tensões de cisalhamento distribuídas na seção transversal são estaticamente equivalente a um conjugado de mesmo valor numérico e sentido contrário o momento de torção (Mt), onde, admitindo que a seção transversal seja composta por pequenos elementos de área (dS), conforme a figura 8 (c), o conjugado externo será igual ao somatório dos elementos de esforços resultante da tensão de cisalhamento () atuante nos elementos de área.[pic 15]

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Figura 8 –Torção em uma barra sólida: (a) deformação em torção, com destaque ao plano antes e depois do giro; (b) distribuição linear da tensão de cisalhamento ao longo da seção transversal, na condição elástica; (c) elemento da área (dS) e tensões de cisalhamento atuantes ().[pic 17]

7.2 Corpo de Prova

Esse ensaio é bastante utilizado para verificar o comportamento de eixos de transmissão, barras de torção, partes de motor e outros sistemas sujeitos a esforços de torção. Nesses casos, ensaiam-se os próprios produtos. Quando é necessário verificar o comportamento de materiais, utilizam-se corpos de prova e para uma melhor precisão do ensaio, empregam-se corpos de prova de seção circular cheia ou vazada, sendo que nesse caso, devem ter um mandril interno para impedir amassamentos pelas garras do aparelho de ensaio. Normalmente as dimensões não são padronizadas, pois raramente se escolher este ensaio como critério de qualidade de um material, a não ser em situações especiais, como para verificar os efeitos de vários tipos de tratamentos térmicos em aços, principalmente naqueles em que a superfície do corpo de prova ou da peça é a mais atingida.

7.3 Limite de Resistência do Cisalhamento

Ao atingir-se o regime plástico, a distribuição de tensões não é mais linear, e as equações apresentadas anteriormente neste trabalho para a determinação da máxima tensão de cisalhamento não são aplicáveis.

Entretanto, para efeitos práticos costuma-se aplicar essas equações na determinação do equivalente ao limite de resistência à tração, que é denominado limite de resistência ao cisalhamento (u). Esse limite é obtido pela substituição do momento de torção máximo aplicado no ensaio antes da ruptura, conforme dado nas equações (5.3.1) e (5.3.2), para o caso de eixos maciços e tubulares, respectivamente:[pic 18]

Para eixo maciço: u (7.3.1)[pic 19][pic 20]

Para tubos: u (7.3.2)[pic 21][pic 22]

7.4 Equipamentos

O ensaio de torção é realizado em equipamento específico: a máquina de torção. Esta máquina possui duas cabeças às quais o corpo de prova é fixado. Uma das cabeças é giratória e aplica ao corpo de prova o momento de tração. A outra está ligada a um pêndulo que indica, numa escala, o valor do momento aplicado ao corpo de prova.

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Figura 9 - Máquina de torção no início do processo de tração.

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Figura 10 - Máquina de torção após aplicado o momento de tração.

7.5 Informações Adicionais sobre o Ensaio e Torção

Como se trata de um ensaio amplamente empregado em produtos acabados ou semiacabados, como eixos, parafusos, brocas, arames, etc., a ASTM desenvolveu uma norma específica para a realização desse ensaio em arames metálicos, norma esta que pode em alguns casos ser estendida para outros componentes metálicos semelhantes, sendo designada ASTM E588:1983. Para outros detalhes do ensaio de torção, é interessante consultar as normas específicas e atualizadas