Aula_8_Propriedades mecanicas

BC-1105: MATERIAIS E SUAS PROPRIEDADES

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas (CECS)

Prof. Dr. Sydney Santos

IMPORTÂNCIA

• Aplicações onde uma peça ou componente sofre solicitações mecânicas.

• Atender as exigências de serviço previstas.

POR QUÊ ESTUDAR?

• A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente.

• As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável.

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Fatores: natureza da carga aplicada, duração da aplicação, condições ambientais.

Descrevem o comportamento do material sob carregamento mecânico (tração, compressão, flexão e cisalhamento).

Podem variar com a temperatura, tempo, nível de solicitação, condições climáticas, etc.

Medidas através de testes padrões normatizados.

PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS • Resistência à Tração • Elasticidade • Ductilidade • Resistência ao impacto • Fluência • Fadiga • Dureza • Tenacidade

Cada uma dessas propriedades está associada à

habilidade do material de resistir aos esforços mecânicos e/ou de transmiti-los.

Como Determinar as Propriedades Mecânicas

dos Materiais?

• A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos.

• Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal.

• Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.

• Algumas propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductilidade e a rigidez.

• O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua resposta (ou DEFORMAÇÃO) a uma carga (ou TENSÃO) que esteja sendo aplicada sobre um corpo fabricado deste material.

• As deformações podem ser ELÁSTICAS ou PLÁSTICAS.

Conceitos de Tensão e Deformação

• As DEFORMAÇÕES ELÁSTICAS não são permanentes, isto é, são deformações que desaparecem quando a tensão aplicada é retirada. Dito de outra forma, as deformações elásticas são reversíveis, sendo resultado da ação de forças conservativas.

• As DEFORMAÇÕES PLÁSTICAS são permanentes, isto é, permanecem após a tensão aplicada ser retirada. Deformações plásticas são irreversíveis, sendo acompanhadas por deslocamentos atômicos permanentes.

TRAÇÃO COMPRESSÃO CISALHAMENTO TORÇÃO

Conceitos de Tensão e Deformação

• As TENSÕES podem ser de TRAÇÃO, COMPRESSÃO, CISALHAMENTO ou

TORÇÃO.

• Note que a tensão e a pressão são grandezas fisicamente análogas, ambas tendo unidades de força dividida por área (no Sistema Internacional: Newton/metro2).

do d x y z Ao l0 l

Tensão - Deformação:

TRAÇÃO SIMPLES

• TRAÇÃO SIMPLES (TENSÃO UNIAXIAL): força aplicada sobre o

corpo é perpendicular as suas superfícies.

• Assumiremos que a reação à força de tração se distribui homogeneamente no sólido.

• TENSÃO DE ENGENHARIA σ

σ = F / Ao

• DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA

ε

• Na deformação por tração, normalmente ocorre:

9alongamento ao longo do eixo de aplicação da força; 9contração ao longo dos dois outros eixos.

Para Deformações Elásticas:

• COEFICIENTE DE POISSON ν:

ν = - (εx / ε) = - (εy / ε) onde εx = εy = (do - d) / do = ∆d / do .

• MÓDULO DE ELASTICIDADE (MÓDULO DE YOUNG ou MÓDULO DE RIGIDEZ)

σ = E .ε

E_polímeros ~ 1 GPa e E_{metais e cerâmicas} ~ 50 - 600 GPa

• CISALHAMENTO SIMPLES: força aplicada sobre o corpo é paralela a suas superfícies. • TENSÃO DE ENGENHARIA τ τ = F / Ao • DEFORMAÇÃO γ γ = tg θ • MÓDULO DE CISALHAMENTO G τ = G . γ

• Para materiais isotrópicos, no regime elástico, vale a relação:

E = 2G (1 + ν)

Para muitos metais: G ~ 0,4 E

Ensaio de Tração

• Os CORPOS DE PROVA utilizados nos ensaios de tração podem ter diferentes formas e dimensões.

• As medidas de TENSÃO são feitas com uma CÉLULA DE CARGA.

• As medidas de DEFORMAÇÃO são feitas com um EXTENSÔMETRO ou diretamente sobre o corpo de prova.

CORPO DE PROVA

MÁQUINA DE ENSAIO Corpo

.

P LRT LP

.

E_ε LE TE N S ÃO ( σ ) εu 0,2% εT DEFORMAÇÃO (ε)

• O ponto E_ε corresponde ao LIMITE DE ESCOAMENTO (LE), que será discutido mais adiante.

• O ponto M corresponde ao LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO (LRT), que é a

tensão máxima atingida durante o ensaio.

• A deformação (εu) no ponto M corresponde ao máximo valor de ε com alongamento

uniforme. Deformações maiores que εu ocorrem com estricção (empescoçamento). • A fratura ocorre no ponto F. A deformação (εT) na fratura corresponde ao

alongamento total.

Comportamento representativo da curva

TENSÃO DE ENGENHARIA em função da DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA

obtida num ENSAIO DE TRAÇÃO de um corpo metálico.

σ = F / Ao

ε

_{= (l - l}o) / lo = ∆l / lo

Curva Tensão - Deformação

• O ponto P corresponde ao LIMITE DE PROPORCIONALIDADE (LP); a

deformação a partir do ponto P é

LE

σ

ε

.

_Eε

• Em uma escala atômica, a DEFORMAÇÃO ELÁSTICA macroscópica é manifestada como pequenas alterações no espaçamento interatômico e na extensão de ligações interatômicas.

• Para a maioria dos materiais metálicos, as deformações elásticas ocorrem até deformações de ~ 0,5%.

• Quando as deformações ultrapassam o limite de proporcionalidade, a relação entre a tensão e a deformação deixa de ser linear (lei de Hooke), produzindo-se deformação permanente, a chamada

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA.

Curva Tensão - Deformação

• Na prática, muitas vezes, é difícil definir a posição do ponto P com precisão. Como conseqüência, geralmente se define uma TENSÃO LIMITE DE

ESCOAMENTO (LE) como sendo a

tensão necessária para se produzir uma pequena quantidade de deformação plástica. Por exemplo, o ponto E_ε corresponde a uma deformação plástica de ε = 0,002 = 0,2%.

Quando o fenômeno de escoamento não é nítido, a tensão de escoamento é aquela necessária para promover uma deformação permanente de X%.

Deformação Elástica

Curva Tensão vs. Deformação

ε σ

coeficiente angular = módulo de elasticidade

• Define-se o MÓDULO DE ELASTICIDADE

como sendo o coeficiente angular da curva σvs. ε, na região linear da curva. Como a curva tem origem no ponto (0,0), σ = E.

ε

(Lei de Hooke) Átomos fortemente ligados Átomos fracamente ligados F r Força de Ligação vs. Distância Interatômica • O módulo de elasticidade é

proporcional ao valor da derivada dF/dr no ponto r = r0.

• O módulo de elasticidade representa uma medida da intensidade das forças de ligação interatômicas.

Alguns materiais são elásticos mas não têm uma relação linear entre tensão e deformação.

Curva Tensão - Deformação

Porcentagem de alongamento %

ε

_T %ε T = l f − l0 l0 ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ x100 Porcentagem de redução de área %RA

100 % x A A A RA O f O ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = εT εP εE σ ε (deformação plástica total) (deformação elástica total) LE LRT εLE εLR

• LE, LRT e E representam habilidades do material de suportar cargas em diferentes condições.

•

ε

_LE,

ε

E,

ε

LR,

ε

P, a resiliência e a tenacidade quantificam a habilidade do material

F Ao AN F l0 lN

Deformação de Engenharia e Deformação Real

• Suponha agora, que a variação do comprimento da amostra é feita em N passos de tal forma que:

ε = lN − l0 l0 . ε_R = l1− l0 l0 + l2 − l1 l1 +…+ lN − lN−1 lN−1 = li − li−1 li−1 i=1 N

∑

.

Para N grande, podemos substituir a somatória por uma integral ε_R = dl l l0 lN

∫

= ln lN l0 = ln(ε + 1).

• A DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA

ε

vale

• Consideremos uma amostra cilíndrica homogênea sujeita a uma tensão uniaxial ao longo do eixo do cilindro. A área inicial da seção transversal da amostra é A₀ e seu comprimento é . Devido à aplicação da tensão, o comprimento da amostra

varia de l₀ a e a área de A₀ a A_N.

lN

l0

e

ε

_R é a denominada DEFORMAÇÃO REAL e a sua correlação com

ε

é apresentada na equação acima.

F A_o A_N F l0 lN

• Para cada instante de tempo t, a TENSÃO REAL σ_R é definida como a força

aplicada (F) dividida pela área da seção transversal [A=A(t)] sobre a qual atua.

Tensão de Engenharia e Tensão Real

σ_R = F A

• A TENSÃO DE ENGENHARIA σ é dada por

σ = F A₀ ∴ σ_R = F A₀ A₀ A = σ A₀ A . A₀l₀ = A l ⇒ A0 A = ll₀ = ε +1 ⇒ σR = σ(ε +1)

• Materiais sólidos são basicamente incompressíveis, portanto, seu volume é praticamente constante durante um ensaio de tração. Assim, se é o comprimento da amostra no instante de tempo t: l

Real

Engenharia

Tensão

Deformação

Curva Tensão Real - Deformação Real

σR = FA = σ(ε +1)

ε_{R = ln l}N l0

Recuperação Elástica e Encruamento

• O material com limite de escoamento σ_yoé

tracionado até D.

• Após descarregamento sofre RECUPERAÇÃO ELÁSTICA.

• Quando recarregado, por ter sofrido ENCRUAMENTO

apresenta limite de escoamento maior σ_yi

Materiais Dúcteis e Frágeis

Curva Tensão - Deformação

Curva Tensão - Deformação para o latão material frágil material dúctil σ ε TENACIDADE =

ÁREA SOB A CURVA =

Capacidade de absorver Energia sem fraturar

Propriedades de Tração de Alguns Metais

Yield strength : limite (ou tensão) de escoamento Tensile strength : limite de resistência a tração

Curvas de Tração de Materiais Frágeis

(Materiais Cerâmicos)

Alumina

Vidro

Curvas de Tração de Materiais Poliméricos

Polímero frágil

Polímero Plástico (ductil)

Elastômero

Curvas de Tração de Materiais Poliméricos

Parcialmente Cristalinos

O limite de escoamento superior corresponde ao início da formação de pescoço (estricção). A tensão cai até o limite inferior de escoamento devido à diminuição da seção resistente.

Na região do pescoço, as cadeias moleculares se orientam, o que leva a um aumento localizado de resistência. Em conseqüência, a deformação plástica prossegue em uma região vizinha à do pescoço (de menor resistência), resultando em um aumento do comprimento do pescoço. A tensão de escoamento aumenta devido ao aumento da resistência do polímero (alinhamento de cadeias).

Nos metais, a deformação plástica se concentra no pescoço logo após a sua formação, levando rapidamente à

Ferro

Acrílico

Efeito da Temperatura sobre as

Curvas Tensão - Deformação

Curvas Tensão - Deformação obtidas com o corpo de prova

mantido a diferentes temperaturas.

• O ensaio consiste na aplicação de uma carga conhecida através de um

penetrador de geometria conhecida e na medição da área da impressão produzida na superfície do corpo de prova.

• Ensaio de grande importância tecnológica (controle de qualidade)

• Dureza, ao contrário do limite de escoamento e da tenacidade à fratura, não é um parâmetro característico do material (depende da máquina, da carga, do tipo de penetrador

, etc…)

Dureza: resistência de um material à deformação (plástica e elástica) localizada.

Ensaios de Dureza

As primeiras medidas de dureza foram feitas comparando a capacidade dos diversos materiais de riscarem uns aos outros (Dureza Mohs).

Para a maioria dos aços:

Relação entre Dureza e Limite de Resistência a

Tração