A calibração de máquinas de ensaio de tração/compressão

tracao

O projeto de um componente mecânico ou equipamento industrial requer conhecimento das propriedades dos materiais disponíveis. Durante a seleção de um tipo de material para o projeto são avaliadas as suas propriedades mecânicas e seu comportamento mecânico. A determinação das propriedades mecânicas é realizada através de ensaios normalizados. A maioria destes ensaios é destrutiva isto é, promovem a ruptura (ou grandes deformações) no corpo de prova (ensaio de tração, impacto, fadiga, fluências, dobramentos, etc.). Existem ainda os ensaios não destrutivos (ultrassom, magna flux e outros), que visam não inutilizar a peça ensaiada.

Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais usados é executado sobre carga de tração. O ensaio de tração consiste na aplicação gradativa de carga de tração uniaxial nas extremidades de um corpo de prova especificado.

No ensaio de tração submete-se um corpo de prova a um esforço, que tende a alongá-lo ou até mesmo esticá-lo até a sua ruptura. Os esforços ou cargas aplicadas ao mesmo são medidas na própria máquina de ensaio. Geralmente, este ensaio é realizado utilizando-se um corpo de prova de formas e dimensões padronizadas, para que os resultados obtidos possam ser comparados, ou, dependendo da finalidade do ensaio, suas informações possam ser usadas tecnicamente.

Tensão é definida genericamente como a resistência interna de uma força externa aplicada sobre um corpo, por unidade de área. Deformação é definida como a variação de uma dimensão qualquer desse corpo, por unidade da mesma dimensão, quando submetido a um esforço qualquer. Se uma carga é estática ou se ela se altera de maneira relativamente lenta com o tempo, e é aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um componente, o comportamento mecânico pode ser verificado mediante ensaios de tensão–deformação, os quais são normalmente realizados para metais à temperatura ambiente.

O resultado de um ensaio de tração é registrado na forma de um gráfico ou diagrama relacionando a carga em função do alongamento. Como as características carga de formação são dependentes do tamanho da amostra (quanto maior a área da seção reta do corpo de prova, maior a carga para produzir o mesmo alongamento), utiliza-se a normalização da carga e do alongamento de acordo com os seus parâmetros de tensão de engenharia e deformação de engenharia, para minimizar os fatores geométricos. O ensaio de tração pode ser utilizado para avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais de grande importância em projetos de máquinas e equipamentos mecânicos; é também bastante utilizado como teste para o controle das especificações da matéria prima fornecida.

O ensaio de tração pode ser realizado por uma máquina universal de ensaios, que também executa ensaios de compressão e flexão. A função básica destas máquinas é plotar um diagrama de carga versus deslocamento. Uma vez gerado o diagrama, pode-se manualmente calcular a tensão de escoamento com os simples recursos geométricos de lápis e régua, ou via um algoritmo computacional acoplado. Neste caso, é também calculado o módulo de Elasticidade E, a tensão limite de ruptura e o alongamento total. Quanto ao tipo de operação, as máquinas de ensaio podem ser eletromecânicas ou hidráulicas. A diferença entre elas é a forma como a carga é aplicada. Em qualquer caso a referência é para diferenciar máquinas de carregamento estático, quase estático e dinâmico.

A NBR ISO 7500-1 de 12/2016 – Materiais metálicos – Calibração e verificação de máquinas de ensaio estático uniaxial – Parte 1: Máquinas de ensaio de tração/compressão – Calibração e verificação do sistema de medição da força especifica a calibração e a verificação das máquinas de ensaio à tração/compressão. A verificação consiste em: uma inspeção geral da máquina de ensaio, incluindo seus acessórios para a aplicação de força; uma calibração do sistema de medição de força da máquina de ensaio; uma confirmação de que as características de desempenho da máquina de ensaio alcançam os limites dados para uma classe especificada.

Esta parte da NBR ISO 7500 trata da calibração e da verificação estática de sistemas de medição de força. Os valores de calibração obtidos não são necessariamente válidos para ensaios em alta velocidade ou para aplicação em ensaios dinâmicos. Informações adicionais relativas aos efeitos dinâmicos são dadas na Bibliografia.

A calibração da máquina de ensaio somente deve ser realizada se a máquina estiver em boas condições de funcionamento. Portanto, uma inspeção geral da máquina deve ser realizada antes da calibração do sistema de medição de força da máquina (ver Anexo A). Boas práticas metrológicas requerem uma calibração anterior a qualquer manutenção ou ajuste da máquina de ensaio para determinar as condições de uso da máquina, tal como encontrada.

Informação sobre a inspeção das bases de apoio é fornecida no Anexo B. A incerteza dos resultados de calibração é discutida no Anexo C. Essa calibração deve ser realizada em cada faixa nominal usada e com todos os indicadores de força empregados. Quaisquer dispositivos e acessórios (por exemplo, ponteiro, registrador) que possam afetar o sistema de medição de força devem, quando empregados, ser verificados de acordo com 6.4.6.

Se a máquina de ensaio possuir vários sistemas de medição de força, cada sistema deverá ser tratado como uma máquina de ensaio em separado. O mesmo procedimento deve ser seguido para as máquinas hidráulicas de duplo pistão.

A calibração deve ser realizada com a utilização de instrumentos de medição de força, com a seguinte exceção: se a força a ser calibrada estiver abaixo do limite inferior do instrumento de medição de força de menor capacidade utilizado no procedimento de calibração, devem ser empregados pesos calibrados. Quando for necessário mais do que um instrumento de medição de força para calibrar uma faixa nominal, a força máxima aplicada ao instrumento de menor capacidade deve ser a mesma que a força mínima aplicada ao instrumento de medição de força de maior capacidade a ser utilizado em sequência.

Quando um conjunto de pesos calibrados for utilizado para calibração de forças, o conjunto deve ser considerado um único instrumento de medição de força. A calibração pode ser realizada com forças de indicação constantes, Fi, ou a calibração pode ser realizada com forças de referência constantes, F. A calibração pode ser realizada com o emprego de forças lentamente crescentes para níveis de força crescentes ou forças lentamente decrescentes para níveis de força decrescentes.

A palavra “constante” significa que o mesmo valor nominal de Fi (ou F) é empregado nas três séries de medições (ver 6.4.5). Os instrumentos utilizados para a calibração devem ter rastreabilidade certificada ao Sistema Internacional de Unidades.

O instrumento de medição de força deve cumprir os requisitos especificados na norma NBR ISO 376. A classe do instrumento deve ser igual ou melhor do que a classe na qual a máquina de ensaio deve ser calibrada. No caso de pesos mortos, o erro relativo da força gerada por estes pesos deve estar no intervalo de ± 0,1 %.

A espessura das marcas de graduação da escala deve ser uniforme e a largura do ponteiro deve ser aproximadamente igual à largura de uma marca de referência. A resolução, r, do indicador deve ser obtida a partir da razão entre a largura do ponteiro e a distância entre os centros de duas marcas de graduação de escala adjacentes (intervalo da escala), multiplicada pelo valor da força que uma divisão de escala representa.

As razões recomendadas são 1:2, 1:5 ou 1:10; é requerido um espaçamento de 2,5 mm ou maior para a estimativa de um décimo de uma divisão da escala. Se as leituras variarem mais que o valor previamente calculado para a resolução (com o instrumento de medição de força descarregado e com o motor e/ou mecanismo de acionamento e controle ligado para se determinar a soma de todos os ruídos elétricos), a resolução, r, deve ser considerada igual à metade da variação da oscilação, mais um incremento.

Isto apenas determina a resolução devido ao ruído do sistema e não leva em conta os erros de controle, por exemplo, em máquinas hidráulicas. Para máquinas com variação automática de faixa nominal, a resolução do indicador muda em função da variação da resolução ou do ganho do sistema.

Para o procedimento de calibração, para o alinhamento do instrumento de medição de força, montar os instrumentos de medição de força à tração na máquina, de modo a minimizar quaisquer efeitos de flexão (ver NBR ISO 376). Para o alinhamento de um instrumento de medição de força à compressão, montar os apoios com calota esférica no instrumento, se a máquina não tiver uma cavidade esférica incorporada.

Para calibração à tração e compressão em sistemas de ensaio que não usam apoios de compressão para o ensaio, o instrumento de medição de força deve ser conectado à máquina de ensaios com pinos roscados. Neste caso, o instrumento de medição de força deve ser calibrado de forma similar (isto é, com pinos roscados) e é necessária a rotação do instrumento de medição de força em um ângulo de 120° entre cada série de medições durante a calibração da máquina de ensaios.

Se a máquina tiver duas áreas de trabalho com um mesmo dispositivo de aplicação e indicação de força, uma calibração pode ser realizada, por exemplo, em compressão na área de trabalho superior igual em tração na área de trabalho de baixo e vice-versa. Recomenda-se que o certificado contenha um comentário adequado.

A calibração deve ser realizada a uma temperatura ambiente compreendida entre 10 °C e 35 °C. A temperatura na qual a calibração é realizada deve ser anotada no certificado de calibração. Um período de tempo suficiente deve ser fornecido para permitir que o instrumento de medição de força atinja uma temperatura estável.

A temperatura do instrumento de medição de força não pode variar em mais do que 2 °C do início ao fim de cada série de calibração. Se necessário, as correções de temperatura devem ser aplicadas às leituras (ver NBR ISO 376). Imediatamente antes do procedimento de calibração, o instrumento de medição de força, posicionado na máquina, deve ser pré-carregado pelo menos três vezes entre zero e a força máxima a ser medida.

Emprega-se um ou uma combinação dos seguintes métodos: aplica-se uma força nominal, Fi, indicada pelo indicador de força da máquina; registra-se a força de referência, F, indicada pelo instrumento de medição de força; aplica-se uma força nominal de referência, F, indicada pelo instrumento de medição de força; registra-se a força, Fi, indicada pelo indicador de força da máquina. O termo “nominal” significa que não é necessário repetir exatamente os valores de força em cada série de medições, no entanto, recomenda-se que esses valores sejam aproximados.

Para a aplicação de forças discretas, devem ser realizadas três séries de medições com forças crescentes. Para máquinas que utilizem não mais que cinco níveis discretos de força, cada valor do erro relativo não pode exceder os valores indicados na Tabela 2 para a classe especificada. Para máquinas que utilizam mais do que cinco níveis discretos de força, cada série de medições deve incluir pelo menos cinco níveis de força em intervalos aproximadamente iguais entre 20 % e 100 % do valor máximo da faixa calibrada.

Se uma calibração for conduzida em forças inferiores a 20 % do limite superior da faixa, devem ser realizadas medições suplementares de força. Cinco ou mais forças de calibração diferentes devem ser selecionadas para cada série de forças abaixo de 20 % do limite superior da faixa, de modo que a relação entre duas forças de calibração adjacentes seja nominalmente menor ou igual a 2.

Por exemplo: aproximadamente 10 %, 7 %, 4 %, 2 %, 1 %, 0,7 %, 0,4 %, 0,2 %, 0,1 % etc., abaixo do limite superior da faixa, incluindo o limite inferior de calibração. A série de forças mais baixas pode não ser uma série completa e, por isso, não necessita de cinco pontos de calibração.

O limite inferior do intervalo não pode ser inferior a r multiplicado por: 400 para a classe 0,5; 200 para a classe 1; 100 para a classe 2; 67 para a classe 3. Para máquinas de ensaio com indicador de variação automática da faixa nominal, pelo menos duas forças devem ser aplicadas em cada trecho da faixa em que a resolução não muda. O instrumento de medição de força pode ser girado em um ângulo de 120° antes de cada série de medições, e uma pré-carga deve ser realizada.

Para cada força discreta, deve ser calculado o erro de indicação relativo e o erro de repetibilidade relativo do sistema de medição de força da máquina de ensaio (ver 6.5). O indicador deve ser ajustado para zero antes de cada série de medições. A leitura do zero deve ser realizada cerca de 30 s após a força ser completamente removida. No caso de um indicador analógico, deve também ser checado se o ponteiro oscila livremente em torno de zero, e, se um indicador digital for utilizado, se qualquer valor abaixo de zero é claramente mostrado, por exemplo, por um indicador com sinal negativo.

Quando solicitado, o erro de reversibilidade relativo, v, deve ser determinado por meio da realização de uma calibração nos mesmos níveis discretos de força, primeiro com forças crescentes e depois com forças decrescentes. Neste caso, a calibração deve ser realizada utilizando um instrumento de medição de força calibrado para forças decrescentes, de acordo com a NBR ISO 376. Apenas uma série de medições com níveis de forças decrescentes é necessária para determinar o erro de reversibilidade.

A Tabela abaixo fornece os valores máximos permitidos para os diferentes erros relativos do sistema de medição de força e para a resolução relativa do indicador de força, os quais caracterizam a faixa nominal da máquina de ensaio de acordo com a classe apropriada. Quando aplicável, a classificação de uma máquina para todas as faixas, deve ser limitada pela classificação obtida na “verificação dos acessórios”, na “verificação dos efeitos das diferentes posições do pistão” ou no “erro relativo de reversibilidade”. Uma faixa nominal do indicador de força somente deve ser considerada conforme com os requisitos de uma classe se a verificação for satisfatória, no mínimo, entre 20 % e 100 % do valor máximo da faixa calibrada.

Valores característicos do sistema de medição de força (clique na figura para uma melhor visualização)

tabela2

Os requisitos desta norma abrangem a maior parte dos componentes de incerteza na calibração de máquinas de ensaio. Ao cumprir com esta norma, a incerteza é explicitamente obtida conforme requerido por algumas normas de acreditação.

Subtrair a incerteza da exatidão permitida pode resultar em dupla contagem da incerteza. A classificação de uma máquina de ensaios calibrada e certificada para atender a uma classe específica não garante que a exatidão, incluindo a incerteza, será menor do que um valor específico. Por exemplo, uma máquina de ensaio que atinja Classe 0,5 não tem, necessariamente, uma exatidão, incluindo a incerteza, menor do que 0,5 %.

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