Correlação entre as curvas força - deslocamento do ensaio Small Punch Test (SPT) e propriedades mecânicas obtidas no ensaio de tração uniaxial

Abstract

Com o crescimento das demandas industriais, manter a disponibilidade de equipamentos com confiabilidade e segurança, a custos competitivos, tornou-se um desafio. O ensaio Small Punch Test (SPT) destaca-se como uma alternativa miniaturizada para a estimativa indireta das propriedades mecânicas e da vida útil de componentes, especialmente em situações nas quais a remoção de amostras em dimensões convencionais é inviável, sob o risco de comprometer a integridade física desses componentes. A literatura apresenta diversas metodologias para a estimativa de propriedades mecânicas a partir dos resultados do SPT, e os coeficientes propostos para as equações empíricas utilizadas variam significativamente em função do tipo de material analisado. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar essas metodologias de correlação entre as curvas força?deslocamento obtidas no ensaio SPT e as curvas tensão?deformação provenientes do ensaio de tração uniaxial, aplicadas aos aços-carbono SAE 1020, 1045 e 1060. Os ensaios SPT foram conduzidos conforme os requisitos da norma EN 10371:2021, com o emprego de corpos de prova miniaturizados em formato de disco (8 mm de diâmetro e espessura nominal de 0,50 mm) e a aplicação de uma taxa de deslocamento do punção de 0,2 mm/min. Para avaliar a influência da espessura real sobre a resposta mecânica, ensaiaram-se amostras com variações dimensionais de aproximadamente ± 3% em torno do valor nominal. Os resultados demonstraram boa correlação entre os parâmetros característicos do ensaio SPT e as propriedades mecânicas de tração uniaxial, com coeficientes de determinação (R2) superiores aos reportados na literatura para algumas metodologias analisadas. Verificou-se ainda que variação da espessura dentro da faixa de ±3% da espessura nominal não afetou significativamente os valores de resistência obtidos a partir dos resultados dos ensaios SPT. As análises microestruturais evidenciaram que diferenças na morfologia das fases e no comportamento plástico dos materiais influenciaram diretamente a resposta força?deslocamento do SPT. Em concordância com as diretrizes normativas, observou-se um aumento dos coeficientes R2 quando a reta de ajuste é forçada a passar pela origem; contudo, ressalta-se que essa imposição pode elevar artificialmente o valor de R2, exigindo cautela na sua interpretação física. Por outro lado, de modo semelhante ao relatado na literatura, a correlação para a estimativa do alongamento apresentou-se baixa. Conclui-se que as metodologias avaliadas apresentam potencial para a estimativa indireta de propriedades mecânicas por meio do ensaio SPT. Todavia, reitera-se a importância do rigor no controle experimental e da consideração dos efeitos das características da microestrutura para assegurar a confiabilidade e a precisão das correlações propostas.

Abstract: With the increasing industrial demands, maintaining equipment availability with reliability and safety, while ensuring competitive costs, has become a major challenge. The Small Punch Test (SPT) has emerged as a promising miniaturized technique for the indirect estimation of mechanical properties and component service life, especially in situations where the removal of conventionally sized specimens is impractical or may compromise the structural integrity of the components. The literature presents several methodologies for estimating mechanical properties based on SPT results, and the coefficients proposed for the empirical equations vary significantly depending on the type of material analyzed. In this context, the present study aimed to evaluate the correlation methodologies between the load-displacement curves obtained from the SPT and the stress-strain curves derived from uniaxial tensile tests, applied to SAE 1020, SAE 1045, and SAE 1060 carbon steels. The SPT tests were conducted in accordance with the requirements of EN 10371:2021, using miniaturized disc-shaped specimens with an 8 mm diameter and a nominal thickness of 0.50 mm, and employing a punch displacement rate of 0.2 mm/min. To evaluate the influence of the actual specimen thickness on the mechanical response, samples with dimensional variations of approximately ±3% relative to the nominal thickness were tested. The results demonstrated a good correlation between the characteristic SPT parameters, and the mechanical properties obtained from uniaxial tensile tests, with coefficients of determination (R²) higher than those reported in the literature for some of the methodologies evaluated. Furthermore, variations in specimen thickness within the range of ±3% of the nominal thickness did not significantly affect the strength values estimated from the SPT results. Microstructural analyses revealed that differences in phase morphology and in the plastic behavior of the materials directly influenced the load-displacement response obtained from the SPT. In agreement with the normative guidelines, an increase in the coefficients of determination was observed when the regression line was forced through the origin. However, it should be noted that this constraint may artificially increase the R² values, requiring caution in their physical interpretation. On the other hand, similarly to what has been reported in the literature, the correlations established for the estimation of elongation exhibited low coefficients of determination, indicating limitations in the use of the SPT for predicting this mechanical property. It can be concluded that the methodologies evaluated exhibit potential for the indirect estimation of mechanical properties by means of the Small Punch Test. Nevertheless, the importance of rigorous experimental control and the consideration of microstructural characteristics are emphasized in order to ensure the reliability and accuracy of the proposed correlations.