O desenvolvimento inicial de ensaio de impacto começou por volta de 1904, quando Considére descobriu e observou em um documento publicado que o aumento da taxa de deformação aumenta a temperatura à qual ocorre ruptura frágil. Em 1905, outro francês, George Charpy, desenvolveu uma máquina de teste de impacto de pêndulo com base em uma idéia de S. B. Russell. A máquina continua a ser a máquina mais amplamente usado para testes de impacto. Em 1908, um inglês com o nome de Izod desenvolveu uma máquina similar que ganhou popularidade considerável, por um período de tempo, mas, em seguida, diminuiu em popularidade por causa de dificuldades inerentes ao teste em outras temperaturas diferentes da ambiente.

Testes de impacto não foram amplamente utilizados, e seu significado não era totalmente compreendido, até a Segunda Guerra Mundial, quando muitos navios soldados foram construídos (aproximadamente 3000 deles). Destes 3.000 navios, cerca de 1200 sofreram rachaduras no casco.

O Laboratório de Pesquisa Naval, juntamente com os outros, inicaram um estudo sobre a causa destas fraturas. Notou-se que, muitas vezes, mas nem sempre, as falhas ocorreram a baixas temperaturas. Os resultados revelaram que os materiais sofrem uma transição na fratura de dúctil para frágil com a redução da temperatura. Estas transições não eram previsíveis por testes como o teste de dureza, o ensaio de tração, ou, para a maior parte, a análise química, os quais foram testes comuns dos tempos. Descobriu-se então que a temperatura de transição dúctil-frágil para poderia ser determinada por testes de impacto, utilizando amostras de teste de configuração uniforme e entalhes padronizados. Estas amostras foram testadas a uma série de temperaturas decrescentes, e a energia absorvida em produzir a fratura foi anotado. Utilizou-se o pêndulo da máquina de ensaio de impacto Charpy.

O ensaio de impacto é um dos mais empregados para o estudo de fratura frágil em metais, sendo um ensaio dinâmico usado na maioria das vezes em materiais a baixa temperatura, para analisar a tendência do material se comportar de uma maneira frágil. Metais normalmente dúcteis, podem fraturar abruptamente e com pouca deformação plástica causando acidentes. Para isso pode ser feito um gráfico para estudar a região de transição, Gráfico 1, a partir de ensaios em diferentes temperaturas. Nota-se que em temperaturas acima da região transição o material tem um comportamento dúctil, absorvendo mais energia, e abaixo dela ele tem um comportamento frágil, absorvendo menos energia.

Curva Transição Ensaio Impacto Charpy
Gráfico 1 – Representação do ensaio de impacto – Fonte: GARCIA, SPIM, SANTOS (2000, pág. 155).

A carga nesse ensaio é aplicada na forma de esforços por choque (carga dinâmica), sendo obtida através da queda de um martelo ou pêndulo, de uma altura determinada sobre o corpo de prova. Um exemplo de equipamento utilizado para o ensaio pode ser visto na Ilustração a seguir. Os ensaios mais utilizados são o Charpy e o Izod, que diferem na configuração geométrica do entalhe do corpo de prova, e do modo de fixação do mesmo na máquina de ensaios, ficando posicionados de acordo com o esquema na Ilustração a seguir.

O corpo de prova fica posicionado na base; então é liberado um martelo e uma aresta (cutelo) atinge o corpo de prova na região do entalhe, ocorrendo assim a fratura exatamente nesta região que é um ponto de concentração de tensões; o pêndulo continua o movimento até a altura máxima possível, como está representado abaixo. A energia absorvida é calculada através da diferença entre a altura inicial e a altura final multiplicada pelo peso do martelo.

As condições dos ensaios de impacto são aquelas que representam as mais severas em relação a potencial ocorrência de uma fratura no projeto, como por exemplo, baixa temperatura, elevada taxa de deformação e estado de tensão triaxial (entalhe), que na realidade não há necessidade de ocorrer os três fatores simultaneamente para produzir a fratura frágil.

Teste Impacto Charpy

Ilustração 5 – Corpos de prova padrão de Charpy e Izod, e seu posicionamento na máquina. Representação esquemática da máquina de ensaio de impacto – Fonte: CALLISTER (2002, pág. 144).

A diferença entre os dois ensaios de impacto está na fixação do corpo de prova, sendo que o ensaio tipo Charpy é apoiado em dois batentes, e Izod tem uma das extremidades engastada. O martelo é montado na extremidade de um pêndulo e ajustado num ponto, de tal maneira que sua energia cinética no ponto de impacto seja um valor conhecido. O martelo é solto e bate contra corpo de prova, nesse ponto o entalhe sofre uma tensão de flexão produzindo, no lado tracionado, um estado triaxial de tensões (tensão radial ao entalhe, londitudinal e transversal) que depende das dimensões do corpo de prova e do entalhe, sendo que esse estado triaxial de tensões não é distribuído uniformemente pelo entalhe. Depois de rompê-lo o martelo sobe até uma altura, que representa a energia inicial (no ponto de impacto) menos a energia absorvida pelo corpo de prova, ou seja, quanto mais subir o martelo menor a energia absorvida.

Ensaio de Impacto Charpy - Fratura Frágil - Fratura Cristalina Com Pouca Deformação

Ensaio de Impacto Charpy – Fratura Frágil – Fratura Cristalina Com Pouca Deformação


Ensaio de Impacto Charpy - Fratura Dúctil - Fratura Acinzentada com Deformação Lateral

Ensaio de Impacto Charpy – Fratura Dúctil – Fratura Acinzentada com Deformação Lateral

 

Os procedimentos para realização dos ensaios estão apresentados em diversas normas. Abaixo está a lista de normas que o Laboratório Tork está apto a executar para este tipo de ensaio.

  • ASTM E 23
  • ASTM A 370
  • ABNT NM 281-1
  • DIN 50115
  • ISO 898.1
  • ASME SECTION II PART-C
  • API 5 L
  • AWS B4-0
  • ASTM A 20/A 20M
  • API 1104
  • N-1678/F
  • N-1852/F
  • NORSOK M-601
  • ASME SECTION IX

 

Fonte:

  • Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos – Sérgio Augusto de Souza – 5ª Edição – 1982
  • Ciência e engenharia de materiais: uma introdução – CALLISTER JUNIOR; William D. –  LTC – Livros técnicos e científicos – 2002
  • Ensaios dos materiais – Amauri Garcia; Jaime A. Spin Jr.; Carlos Alexandre dos Santos – LTC – Livros técnicos e científicos – 2000
  • ASM Metals Handbook Vol. 8 – Mechanical testing and Evaluation – 2000.
  • Mechanical Metallurgy – George E. Dieter – Singapura: McGraw Hill Book Company,1988.