Ensaios de materiais: um guia completo para si.

O que é o Teste de Materiais?

O ensaio de materiais é um processo que ocorre sistematicamente para testar as propriedades físicas e mecânicas de diferentes materiais. Estes materiais incluem metais, plásticos, cerâmicas e compósitos. É importante testar os materiais e saber como eles reagem em diferentes condições. Porquê? Para saber se os materiais são adequados para as suas aplicações específicas. Onde é que se realiza um teste de materiais? Numa vasta gama de ambientes e indústrias, como a construção, o fabrico ou mesmo a indústria aeroespacial.

Por que o objetivo do teste de material？

As razões pelas quais testamos os materiais prendem-se com a qualidade e o desempenho da segurança. Queremos ter a certeza de que os materiais funcionam como foram concebidos. Eis algumas das razões pelas quais testamos os materiais:

Garantia de segurança

Se pensarmos no material no sentido de uma ponte, precisamos de saber se o material falhará para garantir a segurança das pessoas e dos automóveis que utilizam a ponte.

Controlo de qualidade

Os ensaios de materiais garantem que os artigos satisfazem os critérios e requisitos necessários. Isto proporciona consistência no fabrico, reduzindo assim as falhas e garantindo que o produto acabado funciona como planeado.

Otimização da seleção de materiais

O ensaio de muitos materiais ajuda os engenheiros a escolher os melhores para uma determinada utilização. Em sectores como o fabrico ou a conceção, em que a escolha do material pode afetar significativamente o custo, a funcionalidade e o tempo de vida dos produtos, isto é muito importante.

Avaliação do desempenho

Sob várias condições – temperaturas extremas, humidade, pressão ou desgaste físico – os testes expõem a forma como os materiais reagem. Isto esclarece os fabricantes sobre a vida útil e a fiabilidade dos materiais em ambientes práticos.

Eficiência de custos

Os ensaios ajudam as empresas a evitar erros de fabrico dispendiosos. A identificação precoce da queda de desempenho de um material pode ajudar a evitar recolhas dispendiosas, novas concepções ou litígios.

Conformidade com os regulamentos

Os critérios regulamentares rigorosos sobre o desempenho dos materiais – por exemplo, as normas ISO e ASTM – regem muitos sectores. Os ensaios de materiais garantem que os componentes utilizados nos produtos cumprem estas regras, salvaguardando assim o fabricante e os clientes.

Inovação e Desenvolvimento

Através de ensaios exaustivos, novos materiais ou combinações de materiais podem ser avaliados quanto às suas possibilidades de utilização criativa, promovendo assim o crescimento tecnológico e a evolução dos produtos.

Tipos de ensaios de materiais

1. Ensaio mecânico

Avalia a resposta dos materiais às forças aplicadas.

• Teste de tração (teste de tração): O teste de tração, muitas vezes conhecido como teste de tração, mede a resistência de um material sob tensão – esticando ou puxando.
• Ensaio de Compressão: O Ensaio de Compressão** avalia o comportamento de esmagamento de um material durante a compressão.
• Teste de dureza: Muitas vezes através de indentação (por exemplo, Rockwell, Brinell, Vickers), o teste de dureza mede a resistência à deformação de um material.
• Testes de impacto: Avaliada através de testes de impacto (por exemplo, testes Charpy, Izod), a absorção de choques ou impactos abruptos por parte de um material.
• Ensaio de fadiga: Mede a resposta dos materiais a cargas e descargas repetidas ao longo do tempo no ensaio de fadiga.
• Ensaio de flexão/flexão: Determina a capacidade de um material de resistir à flexão sob tensão utilizando o ensaio de flexão/flexão

2. Ensaio térmico

Examina como os materiais reagem às mudanças de temperatura.

• Teste de Condutividade Térmica: O teste de condutividade térmica é a medição da condutibilidade térmica de um material.
• Teste de Expansão Térmica: O teste de expansão térmica avalia a contração ou expansão do material com variações de temperatura.
• Ensaio de resistência ao calor: A estabilidade do material a altas temperaturas é avaliada no Ensaio de resistência ao calor (por exemplo, ponto de fusão, deterioração).
• Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC): A Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) determina pontos de fusão, cristalização e transições térmicas

3. Ensaios químicos

Determina o comportamento de um material em diferentes ambientes químicos.

• Ensaio de corrosão: Mede a resistência de um material à deterioração provocada pela exposição a componentes como a humidade, o sal ou os ácidos no Ensaio de corrosão
• Análise da composição química: ** analisa a composição química do artigo, normalmente através de espetroscopia ou outro método.
• Teste de resistência ao pH:O teste de resistência ao pH examina as reacções do material a condições básicas ou ácidas.

4. Ensaio de propriedades físicas

Mede caraterísticas não mecânicas como a densidade ou a forma.

• Teste de densidade: O teste de densidade é a massa por unidade de volume de uma substância.
• Teste de porosidade: Importante para filtragem ou isolamento, o teste de porosidade determina o volume de áreas vazias numa substância.
• Teste de teor de humidade: Mede o teor de água ou de outros componentes voláteis num material no Teste de teor de humidade.
• Teste de Gravidade Específica: Compara a densidade de um material com a da água no Teste de Gravidade Específica.

5. Testes ambientais

Simula condições naturais ou extremas para avaliar o desempenho do material.

• Ensaio de intempéries:O ensaio de intempéries avalia a degradação do material sob condições variáveis de sol, chuva e outras variáveis meteorológicas.
• Teste de UV: determina a resistência de um material aos danos causados pela luz UV.
• Testes de envelhecimento: Simula a exposição prolongada a elementos ambientais, tais como calor, luz ou humidade, em testes de envelhecimento.

6. Ensaio de fadiga e de fluência

Avalia o desempenho dos materiais sob tensão ao longo do tempo.

• Ensaio de fluência: Normalmente a altas temperaturas, o ensaio de fluência mede a deformação gradual de um material sob tensão constante.
• Ensaio de fadiga:Avalia a forma como um material responde durante vários ciclos de carga, aproximando-se assim da utilização a longo prazo.

7. Ensaios microscópicos e estruturais

Observa a estrutura interna ou as caraterísticas microscópicas de um material.

• Ensaio metalográfico: Examina a microestrutura dos metais (tamanho do grão, estrutura das fases).
• Difração de raios X (XRD): Analisa estruturas cristalinas em materiais, normalmente metais ou cerâmicas.
• Microscopia Eletrónica de Varrimento (SEM): Fornece imagens de alta resolução de superfícies de materiais e caraterísticas internas.

8. Ensaios eléctricos e magnéticos

Avalia a forma como os materiais interagem com campos eléctricos e magnéticos.

• Teste de condutividade: Mede a capacidade de um material para conduzir eletricidade no teste de condutividade.
• Ensaio magnético: O ensaio magnético avalia as caraterísticas magnéticas como a permeabilidade ou a coercividade.
• Ensaio dielétrico:O ensaio dielétrico mede as qualidades de isolamento elétrico de uma substância.

9. Testes ópticos e visuais

Avalia a resposta de um material à luz ou a condições visuais.

• Teste de transparência: Determina a quantidade de luz que passa através de um material (importante para vidro ou plástico).
• Teste de cor: Mede a forma como a cor de um material se mantém sob diferentes condições.

Ensaio destrutivo vs. ensaio não destrutivo

Os ensaios destrutivos (DT) e os ensaios não destrutivos (NDT) são duas abordagens principais utilizadas para avaliar as propriedades e o desempenho dos materiais. A principal diferença reside no facto de o material que está a ser testado ser danificado ou alterado durante o processo de teste.

Ensaios destrutivos (DT)

**Os ensaios destrutivos** são ensaios que provocam a alteração ou destruição permanente da substância a ensaiar, como o termo indica. Normalmente, o objetivo destes ensaios é verificar as caraterísticas mecânicas do material em ambientes agressivos.

Caraterísticas:

• Danos materiais: Normalmente, o material é destruído ou drasticamente alterado enquanto está a ser testado.
• Caso de uso: Quando é importante conhecer as limitações finais de desempenho do material ou quando uma amostra não é necessária para uso futuro.
• Implicações em termos de custos: Normalmente mais dispendioso, uma vez que requer mais amostras, mas produz dados exactos e abrangentes.

Vantagens:

• Fornece informações exactas sobre os limites finais de uma substância.
• Permite avaliar os modos de falha (como a rutura e a fissuração) em ambientes agressivos.

Desvantagens:

• Se a amostra for destruída, não pode ser utilizada novamente.
• Necessita de muitas amostras para vários ensaios, o que pode ser dispendioso e demorado.

Ensaio não destrutivo (NDT)

Os ensaios não destrutivos referem-se a um grupo de técnicas utilizadas para avaliar as propriedades de um material, componente ou estrutura sem causar danos aos mesmos. Os NDT permitem o ensaio de materiais no seu estado de serviço e são utilizados para detetar defeitos ou avaliar o desempenho sem alterar ou destruir a amostra.

Caraterísticas:

• Sem danos materiais: A amostra permanece intacta e pode normalmente ser reutilizada após o teste.
• Caso de uso: Ideal para inspecionar grandes quantidades de materiais, produtos acabados ou componentes de serviço em andamento sem afetar a funcionalidade.
• Implicações de custo: Menos dispendioso ao longo do tempo, uma vez que não requer a destruição de amostras de material. Também é mais eficiente em termos de tempo para testar grandes lotes ou materiais em serviço.

Vantagens:

• O material pode ser utilizado novamente após o teste.
• Pode ser efectuado no local, especialmente para grandes estruturas (por exemplo, pontes, condutas, aviões).
• Permite resultados rápidos e uma interrupção mínima da produção ou das operações.

Desvantagens:

• Podem não fornecer informações tão pormenorizadas sobre as propriedades mecânicas de um material como os métodos destrutivos.
• A deteção de certos tipos de defeitos (por exemplo, fissuras profundas) pode ser difícil ou impossível com alguns métodos NDT.
• É necessária formação especializada e equipamento para obter resultados exactos.

Quadro de comparação:

Métodos normalizados para o ensaio de materiais

Várias organizações desenvolvem e publicam métodos de teste normalizados para garantir consistência e fiabilidade nas avaliações de materiais. Eis algumas das principais organizações e os seus contributos:

ASTM International
Anteriormente conhecida como American Society for Testing and Materials (ASTM), a ASTM International desenvolve e publica normas consensuais voluntárias para materiais, produtos, sistemas e serviços. As suas normas abrangem uma vasta gama de materiais, incluindo metais, polímeros e compósitos. astm.org

Organização Internacional de Normalização (ISO)
A ISO é uma organização internacional não governamental independente que desenvolve e publica normas internacionais. A ISO possui todos os tipos de normas relacionadas com ensaios, incluindo as propriedades mecânicas dos materiais, a composição química e o desempenho ambiental.

Projeto Versailles sobre Materiais Avançados e Normas (VAMAS)
O projeto VAMAS é uma organização internacional de colaboração centrada no desenvolvimento de normas para materiais avançados. Envolve institutos nacionais de metrologia, universidades, instituições de investigação e a indústria. Eles são especialistas de primeira classe no campo, pois lidam com tópicos científicos muito técnicos.Wikipedia

American National Standards Institute (ANSI)
O ANSI (American National Standards Institute) é a organização que revê todas estas normas nos Estados Unidos. É onde todos se referem a todos os padrões para todas essas diferentes peças de equipamentos de teste e como usar os métodos de teste. webstore.ansi.org

Desafios nos ensaios de materiais

1. Preparação inconsistente da amostra

As diferentes formas de preparar a amostra podem conduzir a resultados diferentes no ensaio. Aspectos como a forma de corte, as falhas ou defeitos induzidos pela maquinagem e a ondulação das fibras podem ter impacto no resultado dos ensaios físicos. Mais uma vez, é preciso ser específico quanto ao que as pessoas precisam de fazer.

2. factores ambientais

O critério de teste pode ser afetado por factores como a temperatura, a humidade ou a contaminação do material. Controle estas variáveis, porque todas elas podem afetar o resultado do seu teste.

3. limitações do equipamento

Todos os equipamentos de ensaio têm limites. Pode ter problemas de capacidade, precisão ou compatibilidade de materiais. Um resultado de teste pode ser afetado por uma falha mecânica, falhas de software ou problemas de calibração.

4. Variabilidade do material

Os vazios de desalinhamento das fibras e as áreas ricas e pobres em resina podem causar variabilidade em processo e final nos compósitos. A dispersão das propriedades mecânicas pode dificultar a definição das permissões de projeto devido a esta imprevisibilidade.

5. Preocupações com a segurança

Os ensaios podem implicar artigos perigosos ou um ambiente perigoso. Os trabalhadores que efectuam os testes correm perigo nestas circunstâncias. Naturalmente, a organização deve limitar o risco através da adoção de práticas adequadas e da formação dos trabalhadores que utilizam este tipo de testes para lidar com artigos ou circunstâncias perigosas.

6. Gestão de dados

Por último, os testes geram muitos dados. Recolher, analisar e interpretar todos esses dados pode ser difícil, pelo que necessita de soluções robustas de gestão de dados para tomar as melhores decisões com base em testes.

7 Restrições orçamentais e temporais

Os testes consomem muitos recursos, o que implica tempo e dinheiro. O objetivo é fazer o melhor teste possível, mas o tempo e o dinheiro são limitados. A combinação destes elementos torna os testes exactos quase paradoxais.

O que são aplicações de teste de materiais?

1. Indústria automóvel

Os ensaios de materiais são fundamentais na indústria automóvel para avaliar os componentes do motor, o chassis e os sistemas de segurança. Os ensaios asseguram que os materiais podem suportar as cargas, as temperaturas e as condições ambientais que se verificam durante o funcionamento de um veículo. Este procedimento é fundamental para a conceção de automóveis que sejam seguros e duradouros.

2. indústria aeroespacial

A indústria aeroespacial precisa de materiais que possam suportar as condições extremas do espaço exterior – altas velocidades e temperaturas e uma enorme pressão na aterragem e descolagem. Quando estes materiais não são testados em condições reais, falham. Por isso, a FAA e outros organismos reguladores têm diretrizes rigorosas sobre o que se espera quando se trata de testar este material.

3. indústria da construção

Na construção, o seu equipamento científico mede a resistência e a qualidade dos materiais. Nos estaleiros de construção, é frequente testar o betão para garantir a resistência necessária. Testam o aço para garantir a resistência e a qualidade necessárias para a utilização no edifício. Também testam defeitos em materiais compósitos e outros materiais.

4. sector da energia

No sector da energia, estão a testar materiais para coisas como plataformas petrolíferas e oleodutos. A turbina eólica que está no meio do oceano precisa de resistir ao sal. Há testes de resistência e flexibilidade (devido à expansão e contração) de um painel solar. Todas estas coisas são postas à prova para testar os materiais.

5. Indústria eletrónica

Na eletrónica, são testados especialmente os materiais semicondutores e o nióbio e o tântalo. Testam placas de circuitos integrados para se certificarem de que são construídas de acordo com as normas. Tudo o que passa por esta placa está a ser colocado no seu lugar corretamente. Testam os materiais dos ecrãs para se certificarem de que podem suportar a ação eléctrica.

6. indústria farmacêutica

Nos produtos farmacêuticos, são efectuados muitos testes aos materiais. Testam os materiais utilizados na embalagem para se certificarem de que não vão lixiviar chumbo para o material do produto. Enquanto estiver selado e armazenado, os componentes da embalagem não podem reagir negativamente com os compostos medicinais reais. Por isso, estão a testar os materiais para se certificarem disso.

7. Indústria alimentar e das bebidas

Na indústria alimentar e de bebidas, os materiais são testados para garantir que a embalagem não liberta quaisquer substâncias nocivas para os alimentos. Por exemplo, o plástico está a libertar gases? Está a lixiviar chumbo ou outros materiais nocivos para os alimentos? Tudo isto é testado.

Conclusão

O teste de materiais é fundamental em todos os sectores. Ninguém quer produzir alimentos tóxicos para envenenar as pessoas e ser processado. Ninguém quer produzir carros inseguros que causem acidentes e ser processado. Ninguém quer construir um edifício que se desmorone e ser processado. Ninguém quer vender um produto que tem materiais nocivos na embalagem que vão para a comida porque vai ser processado. Independentemente do que se faça, não se quer ser processado.