Aula - Propriedades Mecânicas- 2017

Materiais e sua propriedades

Prof

_{. Dr}

_{. Vânia Trombini Hernandes}

Propriedades Mecânicas

Aspectos Gerais:

Propriedades Mecânicas

Geralmente o principal parâmetro de projeto (componentes

estruturais)

Descrevem o comportamento do material sob carregamento

mecânico (força, deformação, etc..)

Podem variar com a temperatura, tempo, nível de solicitação,

condições climáticas, etc.

Medidas através de testes padrões normatizados.

(a) Tração

(b)Compressão

(c) Cisalhamento

(d)Torção

Tensão x Deformação

Todo corpo material submetido a uma tensão irá sofrer

mudança de forma

Definições:

Tensão

Tensão

Resistência de um material

“O aço resiste a uma

força de 10.000 N”

Depende da espessura, por

exemplo, da barra de aço

Força

Área da secção

transversal

Deformação

Tensão

A

F

Deformação

Da mesma forma que a tensão, é necessário encontrar um termo

que torne a mudança de forma independente da geometria 0

l

l

l







l

l







Adimensional

Tração

Compressão

Deformação

Solicitação em

tração ou

compressão



Tensão é perpendicular

à superfície de

aplicação

Tensão e

deformação em

cisalhamento

Tensão é paralela à

superfície de

aplicação

Exemplo:

Tensão:

A

F





Deformação:







tan

Cisalhamento

Deformação

Testes de Tensão x Deformação

Máquina Universal de Ensaios Mecânicos

Testes normatizados:

ASTM, ISO, DIN, ABNT

Definem: formato do corpo de

prova, velocidade do ensaio,

Exemplo:

N

F



1

.

000

)

025

,

0

(

000

.

1

m

N

R

F

A

F













Pa

m

N

296

.

509

296

.

509







m

N

Pascal

Pa





Tração

Tensão = σ =

A

F

Ensaio de tração

Tensões desenvolvidas no corpo

Mesmo em um ensaio de tração,

ocorrem tensões de cisalhamento,

cuja intensidade dependerá do

ângulo







E

Comportamento tensão - deformação

Equações constitutivas

Lei de Hooke

Válido para materiais

perfeitamente elásticos

E

= módulo de elasticidade

ou módulo de Young

Lei de Hooke:



= E



A lei de Hooke só é válida até este ponto

Módulo Elástico

A magnitude de E representa uma

medida da resistência à separação

exibida por átomos/íons/moléculas

adjacentes, ou seja, as forças de

ligações interatômicas

Metais

Cerâmicas

Ligação Fraca

Módulo elástico é proporcional à tangente

da força de ligação em relação à distância na

separação interatômica de equilíbrio

0 r

dr

dF

E















Relação entre força de ligação e módulo elástico do material

Alguns materiais são elásticos mas não têm uma relação linear

entre tensão e deformação

Módulo elástico para alguns metais

Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou menor é

a sua deformação elástica quando aplicada uma dada tensão

MÓDULO DE ELASTICIDADE [E]

GPa 106 Psi Magnésio 45 6.5 Alumínio 69 10 Latão 97 14 Titânio 107 15.5 Cobre 110 16 Níquel 207 30 Aço 207 30 Tungstênio 407 59

“Encolhimento” lateral em ensaios de tração

Considerando-se que o

volume é aproximadamente

constante, havendo uma

variação de tamanho na

direção axial, esta deverá

ser compensada na direção

Razão de Poisson

Relação entre a diminuição da área da secção transversal e o

aumento no comprimento do material em um teste de tração

Δd = diferença entre diâmetro original e final da amostra

Para

Δd = 0 => ν = 0,5

Para

Δd > 0 => ν < 0,5

Exemplo

Uma tensão de tração deve ser aplicada ao longo do eixo do comprimento de uma barra cilíndrica de latão, que tem um diâmetro de 10mm. Determine a magnitude da carga necessária para produzir uma variação de 2,5x10-3

mm no diâmetro se a deformação é puramente elástica. Dados: E_latão = 97 GPa

34

,

0





Deformação Plástica

 Deformação irreversível, não recuperável.

 Destruição de ligações com átomos vizinhos e novas ligações com novos vizinhos (movimento de discordância).

 Ocorre após um certo nível de deformação elástica, recuperável.

 Na maioria dos projetos de engenharia é

importante trabalhar na região elástica, portanto é preciso definir um limite de tensão que o material irá resistir antes de se deformar plasticamente

 Para alguns metais, a transição entre regimes

elástico e plástico é suave, então é necessário definir um valor para a Tensão de Escoamento σ_y

Deformação Plástica

Quando o fenômeno de escoamento não é nítido, a tensão

de escoamento é aquela necessária para promover uma

deformação permanente de X%

Alguns materiais mostram ponto de

escoamento bastante nítido.

Ponto de escoamento superior Ponto de escoamento inferior Deformação T ensã o

Não é necessário utilizar método

descrito anteriormente; o ponto de

escoamento pode ser determinado

diretamente do gráfico

Ponto de escoamento

Resistência à Tração

Depois do ponto de escoamento a tensão passa por um máximo

e depois diminui. Fenômeno de empescoçamento (necking) Deformação T ensã o max





Maior tensão que uma estrutura pode suportar sem se romper; se a tensão for mantida a estrutura se rompe.

max

Deformação T ensão r





Ruptura

A partir do comportamento tensão deformação em tração para o corpo de prova de figura abaixo, determine:

(a) O módulo de elasticidade;

(b) O limite de escoamento para um nível de pré-deformação de 0,002;

Exercício

(c) A carga máxima que pode ser suportada por um corpo cilíndrico com diâmetro de 12,8 mm;

(d) a variação no comprimento de um corpo de prova com comprimento original de 250 mm sujeito a uma tensão de 345 MPa.

Ductilidade

Medida do grau de deformação plástica que um material

pode sofrer até o rompimento

Materiais que suportam

pouca deformação

plástica são chamados

frágeis

Porcentagem de elongação:

Porcentagem de redução em área:

Existem duas formas de se expressar a ductilidade:

l

= comprimento final (na ruptura)

l

= comprimento inicial

A

= área final (na ruptura)

A

= área inicial

Ductilidade

Variação do comportamento mecânico com a

temperatura

Resiliência





d

U







Capacidade do material absorver energia elástica, recuperável.

Módulo de Resiliência:

ou, assumindo a região como linear:

E

E

U

U

2

2

1

2

1





























Tenacidade

Área ~ energia

é a energia mecânica, ou seja, o impacto necessário para levar um material à ruptura. Tenacidade é uma medida de quantidade de energia que um material pode absorver antes de fraturar. Os materiais cerâmicos, por exemplo, têm uma baixa tenacidade.

Recuperação elástica durante a Deformação Plástica

Lembrar que se a carga for

retirada, mesmo durante a

região de deformação plástica,

haverá uma deformação

elástica a ser recuperada.

Propriedades Mecânicas em Cerâmicas

Característica típica de cerâmicas

Rompem com baixa

absorção de energia

Testes mecânicos

em tração

Pouco utilizados para cerâmicas

Por que?



Difícil de prender em garras para tração

sem fraturar o corpo de prova



Difícil de usinar no formato requerido

para o teste



Geralmente fratura a menos de 0,2 %;

difícil de alinhar o corpo de prova

Alternativas - Testes de flexão

M = momento máximo de flexão I = momento de inércia da secção transversal

c = distância do centro à Superfície F = força aplicada

tração

compressão

Secções transversais possíveis

Resistência à flexão

Amostras retangulares

Amostras circulares

2

2

3

bd

L

F

_f

rf





3

R

L

F

_f

rf







Onde:

F

= força na fratura

Propriedades Mecânicas em Polímeros

Propriedades mecânicas de polímeros são altamente dependentes de: Velocidade de ensaio

Temperatura de ensaio

Condições atmosféricas (ex.: umidade)

História térmica do material (processamento)

Geometria do corpo de prova:

Polímeros são difíceis de moldar com precisão no formado cilíndrico

Geralmente usam-se corpos do tipo “gravata”:

Comportamentos típicos encontrados em Materiais

Poliméricos

(A) Plástico frágil (B) Plástico dúctil (C) Elastômero (borracha)

Polímeros Dúcteis:

σ

= tensão de escoamento

σ

= tensão de ruptura





Influência da Temperatura nas Propriedades Mecânicas de

Polímeros

Um mesmo polímero pode ser frágil ou dúctil, dependendo da temperatura ou da velocidade do teste.

O Fenômeno de empescoçamento em polímeros dúcteis

Mudança na estrutura Alinhamento das cadeias

Tensão e Deformação Verdadeiras

X

Tensão e Deformação de Engenharia

Diminuição da tensão aparente; é devido ao empescoçamento

Exemplo

Um corpo de prova cilindrico feito em aço e com diâmetro original de 12,8 mm é testado sob tração até a sua fratura, tendo sido determinado que sua tensão de engenharia na fratura _f vale 460MPa. Se o diâmetro de sua seção transversal no momento da fratura é de 10,7mm, determine: (a) A ductilidade em termos da redução percentual na área . (b) A tensão verdadeira na fratura.

Dureza

Primeiras medidas:

escala

Mohs

Habilidade de um mineral natural

riscar a superfície do material

É uma medida da resistência do material a deformação

plástica localizada.

Apesar de prático e rápido, o

método e impreciso e subjetivo

Métodos de medida de dureza mais confiáveis

Utilização de um indentador, que é forçado sobre uma

superfície sob condições de carregamento controladas.

Ex.:

F



F



Material “duro”

_{Material “mole”}

Quanto mais duro o material menor a profundidade de

penetração e a área da marca deixada pelo indentador.

Dureza

Tipos de testes de Dureza baseados em indentação

Dureza Rockwell

Tipos de indentador Rockwell: Esfera de aço

Cone de diamante

Vista lateral _{Vista do topo}

Dureza = diferença de profundidade entre um carregamento

inicial e a carga especificada para cada escala

Rockwell: carga inicial de 10 kg

Rockwell superficial: carga inicial de 3 kg

Medidas entre 20 e 100

Dureza Rockwell

Dureza Brinell

Baseada na área da marca de indentação;

Dureza Vickers

Baseada na área da marca de indentação

Conversão entre

as medidas de

Dureza

Falhas

Mecânica da Fratura: análise geral de falha de materiais

estruturais com defeitos pré-existentes.

 A resistência à fratura de um material é função das forças coesivas entre os átomos.

 A resistência à fratura teórica de um material tem sido estimada em E/10.

 A resistência à fratura experimental da maioria dos materiais de engenharia é normalmente de 10 a 1000 vezes menor do que o valor teórico.

 Na década de 1920, Griffith propôs que esta discrepância estava relacionada à presença de pequenos defeitos (tipo trinca) que sempre estão presentes nos materiais em condições normais de fabricação.

 Estes defeitos causam uma amplificação ou concentração da tensão aplicada na ponta da trinca.

Mecânica da Fratura

Mecânica da Fratura

O valor crítico de K que conduz o material à fratura

(frágil) é chamado de tenacidade à fratura Kc.

Tenacidade à Fratura

Kc depende da espessura do corpo-de-prova para pequenas espessuras

Ensaio de Impacto

 É um ensaio dinâmico usado principalmente para materiais utilizados em baixa temperatura.

 A tendência de um material se comportar de uma maneira frágil é medida pelo ensaio de impacto.

 A medida da energia absorvida indica o comportamento (frágil ou dúctil) do material à solicitação dinâmica.

 Os corpos-de-prova entalhados para ensaio de impacto são de duas classes: Charpye ou Izod.

Ensaio de Impacto

 O martelo, montado na extremidade de um pêndulo é ajustado de forma que sua energia cinética no ponto de impacto tenha um valor fixo e especificado.

 O martelo é solto e depois de romper o corpo de prova, sobe até uma altura que é inversamente proporcional à energia absorvida para deformar e romper este corpo-de-prova.

 A ductilidade do metal pode ser avaliada, no ensaio de impacto, pela contração no entalhe e pela superfície de fratura: fratura fibrosa (dúctil); fratura cristalina (frágil).

Ensaio de Impacto

Temperatura de Transição Frágil-Dúctil

 A energia absorvida num ensaio de impacto varia sensivelmente com a temperatura.

 Define-se a temperatura de transição frágil-dúctil de um material como a temperatura onde há uma mudança no caráter de ruptura do material, passando de dúctil a frágil, ou vice-versa.

Temperatura de Transição Frágil-Dúctil

A: Energia Absorvida X Temperatura

variações da energia de impacto Charpy para aços-carbono de diferentes teores de C

Tenacidade

Segundo a tenacidade um mineral pode ser:













Tenacidade

Uma confusão comum ao termo é achar que um material duro é também tenaz, como exemplo temos o diamante, que só pode ser riscado por outro diamante (logo, extremamente rígido), mas pode ser quebrado se sofrer uma requisição muito alta como uma martelada.

 Peças sujeitas a tensões cíclicas sofrem fratura com tensões muito menores do que a requerida para causar fratura em aplicações de tensões simples.

 A fadiga é responsável por pelo menos 90% de todas as falhas em serviço devido a causas mecânicas.

Fadiga

Representação esquemática de Máquina de Ensaios de Fadiga Flexo-Rotativa



Limite de Fadiga: valor limite de tensão, abaixo do qual o material

pode suportar um número infinito de ciclos regulares sem romper.



Resistência à Fadiga: nível de tensão para o qual a falha ocorrerá

para um número de ciclos especificado (e. g. 10

_ciclos).



Vida em Fadiga: número de ciclos para causar falha para um nível

de tensão especificado.

Curvas Tensão X Número de Ciclos (S-N)

Curvas Tensão X Número de Ciclos (S-N)

 Ensaio de fluência: carga (tensão) e a temperatura constantes, medindo-se a deformação com o decorrer do tempo.

 Em temperaturas elevadas: a resistência se torna muito dependente do tempo, além da velocidade de deformação, quando o material é

submetido a um esforço mecânico.

Fluência

 O tempo de ensaio é muito variável, podendo durar dias ou até anos. Em alguns casos pode-se proceder a extrapolações.

 A curva de fluência de um material é determinada aplicando-se ao corpo de prova uma carga (tensão) inicial que é mantida constante durante todo o ensaio a uma determinada temperatura também constante.



Estágio I: fluência primária velocidade de fluência diminui com

o tempo.



Estágio II: fluência secundária velocidade de fluência é

praticamente constante com o tempo (estágio estacionário).



Estágio III: Fluência terciária velocidade de fluência aumenta

rapidamente com o tempo até que ocorra a fratura do material.

Estágios da Curva de Fluência

Efeito da Temperatura e da Tensão nas Curvas de Fluência

Em uma escala microscópica, a deformação plástica corresponde ao

movimento líquido de um grande número de átomos em resposta à

aplicação de uma tensão;

Materiais (dois tipos de deformação) : elástica e plástica

Durante esse processo, as ligações interatômicas devem ser rompida e então

novamente formadas

A deformação plástica, envolve,

na maioria das vezes, o

movimento de discordâncias, que

são defeitos cristalinos lineares.

É permanente e a resistência a dureza

são medidas da resistência de um

material

a essa deformação

Deslocamento de discordâncias

(resposta a aplicação de uma tensão de cisalhamento em uma direção

perpendicular a sua linha)

Principal Mecanismo de

deformação plástica nos

metais cristalinos

Processo no qual uma deformação plástica é produzida pelo movimento de uma discordância

Deformação Plástica

Analogia entre a movimentação de uma lagarta e de uma discordância

A corcova da largata e o seu movimento correspondem ao semiplano de átomos adicional no modelo da deformação plástica por discordâncias

Sistemas de escorregamento

Em uma estrutura cristalina existem direções preferenciais de

escorregamento – plano de escorregamento

Caminhos de menor energia

Plano preferencial

Direção preferencial

Plano com maior densidade planar

(compactação atômica mais densa)

Direção com maior densidade linear

(mais densamente compactada com átomos)

Deformação Plástica

Direções de escorregamento preferencial

para cada cristal

Materiais policristalinos são mais resistentes à

deformação plástica (são exigidas maiores

tensões) que os monocristais, devido às

restrições à deformação de cada cristal, gerada

pelos cristais adjacentes.

Mudança de forma dos grãos

Deformação

plástica

grãos equiaxiais grãos alongados

Mecanismos de aumento de resistência em metais

Habilidade de um metal se

deformar plasticamente

Facilidade de movimento

das discordâncias

Endurecimento ou aumento

da resistência

Restrição ao movimento das

discordâncias



Redução no tamanho de grão



Solução sólida



Trabalho a frio ou encruamento

Balanço entre: aumento de resistência, ductilidade e tenacidade

Resistência mecânica em metais

Aumento da resistência por redução do tamanho de grão

(maior área total de contornos de grãos para dificultar o movimento das discordâncias)

Contorno de grão

Barreira ao movimento de

discordância

Contorno de grão

plano de escorregamento

Grão A Grão B

Contorno de Grão

- Empacotamento atômico menos eficiente

- Energia maior que o interior

- O contorno de grão ancora o movimento das discordância.

O contorno de grão ancora o

movimento das discordância

pois constitui um obstáculo para

a passagem da mesma

A redução do tamanho do grão melhora a resistência e a

tenacidade de muitas ligas !!

Influência do tamanho de grão no ponto de escoamento do latão

(70%Cu – 30%Zn)

Resistência mecânica em metais

Aumento da resistência por solução sólida

Impurezas

Solução sólida substitucional

Solução sólida intersticial

Metais puros  mais moles e com resistência inferior que as ligas

Os átomos de impurezas impõem deformações na rede cristalina sobre os átomos hospedeiros vizinhos – o movimento das discordâncias é reduzido !!

Resistência mecânica em metais

- Átomos de soluto tendem a se segregar ao redor das discordâncias : aumentando a

resistência ao escorregamento, pois a deformação global da rede cristalina deve aumentar

se uma discordância for separada dos mesmos;

- Movimentação das discordâncias é restringido.

Os campos de tensão gerados por átomos de soluto interagem com os campos de tensão das discordâncias, dificultando a movimentação das discordâncias e, consequentemente, promovendo endurecimento e aumento de resistência.

Resistência mecânica em metais

Resistência mecânica em metais

Aumento de resistência por trabalho a frio

(encruamento)

Onde:

A

= área inicial da secção transversal

A

= área da secção transversal depois do trabalho a frio

Aumento da

resistência/dureza

Aumento da quantidade de discordância;

estas começam a interferir, normalmente

por repulsão

Fenômeno segundo o qual um metal dúctil se torna mais duro e mais resistente quando submetido a uma deformação plástica.

Resistência mecânica em metais

Resistência mecânica em metais

Mudança de forma dos grãos

Deformação

plástica

grãos equiaxiais

Resistência mecânica em metais

Variação de : (a) limite de escoamento e (b) resistência a tração em função do grau de deformação, em % de redução de área, %CW, para o aço AISI 1040, o latão e o Cu, trabalhados a frio.

Variabilidade nas propriedades

Fator de segurança

c

N







'

N

e







_c = tensão calculada (com base na carga máxima)

_ad = tensão admissível ou de trabalho N = fator de segurança

_e = tensão de escoamento do material

Exemplo -Fatores de projeto/ Segurança

Deve ser construído um dispositivo para ensaios de tração que suporte uma carga de 220.000N. O projeto exige duas colunas de sustentação cilíndricas, cada uma das quais devendo suportar metade da carga máxima. Além disso, devem ser usadas barras redondas feitas em aço-carbono (1045), lixadas e polidas; o limite de escoamento e o limite de resistência à tração mínimos para essa liga são de 310MPa e 565MPa, respectivamente . Especifique um diâmetro apropriado para essas colunas de sustentação.