FUND.S MEC.S E METALÚGICOS A 20.3

FUNDAMENTOS MECÂNICOS

E METALÚRGICO DOS METAIS A/B

Prof. M.Sc. Antonio Fernando de Carvalho Mota

ENGENHARIA DE MATERIAIS

QUAL A DIFERÊNÇA ENTRE UM ENG. MECÂNICO E UM ENG. DE MATERIAIS?

Eng. Mecânico unid. de medida “mm” Eng. de Materiais

unid. de medida “A”º

Aº mm 1 Å = 10-10_m (angström) m m nm cm 10m Atomic

Bonding _{Crystal structure Microstructure Specimen Component}

ENSAIO DE TRAÇÃO

PROPRIEDADES

CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

PROCESSAMENTO

ESTRUTURA

PROPRIEDADES

Propriedade Mecânica é o comportamento do

metal quando submetido a esforços mecânicos.

Ex.s de Propriedades Mecânicas:

 Resistência mecânica;

 Elasticidade;

 Ductilidade;

 Tenacidade;

 Dureza;

 Fluência.

PROPRIEDADES MECÂNICAS

DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS

CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL – ENSAIO DE TRAÇÃO

ENSAIO DE TRAÇÃO – PROPRIEDADES MECÂNICAS

AÇO – 0,8%C

RESIST. E FRÁGIL

AÇO DOCE

COMO SÃO ENSAIADOS OS TUBOS?

AVALIAÇÃO: QUAIS AS VANTAGENS DOS EIXOS VAZADOS?

EIXO MAÇIÇO EIXOS VAZADOS

SOLICITAÇÃO: FLEXO-TORÇÃO

TELHAS AUTOPORTANTES

10

A TELAPORT leva a fábrica até a sua obra tecnologia 100%

brasileira, também utilizada na Europa, África e América do Sul,

chegando a cobrir mais de 7.000.000 m

Cobertura com Tecnologia de ponta a seu serviço

Suportando sobrecargas de até 140 kg/m

VINCOS AUMENTAM RESISTÊNCIA DA CHAPA

O Nissan March tem no teto uma solução interessante: dois vincos, em forma de “bumerangue”, que exercem função dupla. A principal é aumentar a rigidez da chapa de aço e a segunda, reduzir ruídos

REGIÃO PLÁSTICA: DEF. ELÁSTICA + DEF. PLÁSTICA

Comportamento

 x :

Avaliação: Para a tensão _F

Qual a deformação elástica e plástica?

HELMAN H. e CETLIN P. R., Fundamentos da Conformação Mecânica dos Metais, Ed. Guanabara Dois.

Tensões  Deformações

- Tensão de engenharia:

 = P/S

- Deformação de engenharia:

 = l – l

l

ENSAIO DE TRAÇÃO – CURVA DE ENGENHARIA

Cálculo da deformação elástica no LE

Aço ASTM A36: LE = 250MPa E = 210.000MPa  = E  = /E  = LE/E = 250MPa/210.000MPa  = 0,00119 mm/mm  = 0,119%  0,12%  1,2mm/m

Variação das Propriedades Mecânicas com o teor de carbono

15

ENSAIO DE TRAÇÃO - APLICAÇÃO

Variação das Propriedades Mecânicas com os tratamentos térmicos

PROPRIEDADES

MECÂNICAS DOS METAIS



Ex.s Ferrita Perlita Martensita

DETERMINAÇÃO DO LIMITE DE ESCOAMENTO

16

Aço de baixo carbono Laminado a quente

apresenta patamar de escoamento nítido

LE = Qesc.

So

LE = Qesc.

So

DETERMINAÇÃO DO LIMITE CONVENCIONAL DE ESCOAMENTO

n = 0,2% (deformação residual) para metais e ligas metálicas em geral n = 0,1% para aços ou ligas não ferrosas mais duras

T

en

s

ã

o

, 

(

M

P

a)

LE

Deformação,

 (%)

0,2%

LR

MATRIAIS DÚCTEIS E FRÁGEIS

Alumínio Cobre

Aços de baixo carbono Concreto

Ferros fundidos

Dúctil Frágil

CONCRETO (Frágil)

Dúctil – alta estricção)

Frágil – sem estricção)

ASTM = American Society for Testing and Materials

Fase

elástica Fase _plástica Fase de _ruptura Deformação,  (%)

T en sã o ,  ( M P a)

LE

LR

CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO

ENSAIO DE TRAÇÃO- AÇO ESTRUTURAL ASTM A 36

DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS À

TRAÇÃO DE MATERIAIS METALICOS NBR- 6152

20

NA PRÁTICA INGLÊS NBR- 6152

Deslocamento (l) - Alongamento

Deformação(l/l₀) Deformation Alongamento Percentual

Alongamento (A) Elongation Alongamento Percentual após a

ruptura

Limite de Escoamento (LE) ou _r Yield Strength Limite de Escoamento

DIMENSIONAMENTO



= Tensão admissível (que se admite possível)

PARA ESTRUTURAS METÁLICAS:

ABNT-NBR-8800 Cálculo e execução de estruturas de aço



= LE/CS, onde CS (coeficiente de segurança) vale 1,7



= LE/1,7





_



Para

Vasos de Pressão

, código ASME-American Society

of Mechenical Engineens, materiais dúcteis e

temperaturas dentro da faixa de fluência

Temp. de trabalho ≥ ½ Temp. de fusão do material, o

menor dos seguintes valores:

 LR/4

 LE/1,6

Tensão que causa uma deformação de 1% em 100.000 h

Turbina a vapor

Esfera

PROPRIEDADES MECÂNICAS X TEMPERATURA

High Temperature:

Elastic Modulus Decrease

Tensile Strength and Yield Strength Decreases Ductility Increase

E amb. = 210 Gpa E 427ºC = 158 Gpa E 649ºC = 127 GPa

High Temperature:

Elastic Modulus Decrease

Tensile Strength and Yield Strength Decreases Ductility Increase E amb. = 210 Gpa E 427ºC = 158 Gpa E 649ºC = 127 GPa

23

Strain

S

tr

e

ss

COLAPSO DAS TORRES DO WORLD TRADE CENTER

Temperatura crítica de colapso 550ºC. Boeing 757-200, com capacidade para 224 passageiros, tanque para 90770 litro de querosene e peso total de 1790 kN.

Ao se chocar com as torres, encontrava-se a uma velocidade entre 350 km/h e 650 km/h.

Alguns físicos americanos estimaram que foi liberada uma energia equivalente a 500 quilogramas de TNT ou a uma

potência entre 2% e 4% da bomba atômica lançada sobre Hiroxima. Torre com 110 pavimentos, 415 m de

altura e planta quadrada com 63,5 m de lado

24

a) b) c) d) e) a- Impacto, explosão e incêndio

b- Pilares destruidos

c- Flambagem de pilares (incluvive do núcleo)

d- Queda da parte superior e- Propagação do colapso

-

Aplicação de tensão acima do LE (deformação plástica)

Calandragem

Deformações finais de quadrados submetidos a mesmo carregamento inicial e final, mas sob diferentes “caminhos”.

Diagrama tensão versus deformação com carregamento e

descarregamento = ?

Efeito do encruamento no limite de escoamento de um material metálico

Tensão de Escoamento nos Processos de Conformação

Pag. 63

Formação da histerese mecânica

ENSAIO DE TRAÇÃO - AVALIAÇÃO

27

a- Como se determina a Resistência?

b- Como se determina a Rigidez?

c- Como se determina a Ductilidade?

Resp. a) LE = Q/So e LR = Qmáx./So.

b) E =

/

onde:





LR

Detalhe da curva tensão-deformação.

(a) evidenciando o campo elástico e (b) evidenciando o campo plástico

RESILIENCIA X TENACIDADE

(a) (b)

RESISTÊNCIA X TENACIDADE

Um material dúctil com a mesma resistência de um material

frágil irá requerer maior energia para ser rompido e portanto é

mais tenaz.

Resistência mecânica é a tensão necessária para romper o

material

Tenacidade é a energia necessária para romper o material

Material dúctil Material frágil



(M

p

a)

SIGNIFICADO DOS ENSAIOS MECÂNICOS



DESTRUTIVOS:

(Propriedades Mecânicas)

Resultados numéricos

Resultados qualitativos



NÃO-DESTRUTIVOS:

(Propriedades Físicas)

Detectar falhas internas

Certificação Internacional

O QUE OS OLHOS NÃO VEEM

A GENTE INVESTIGA

Acuidade visual é a aptidão do olho para distinguir os detalhes espaciais

A Importância da inspeção visual no controle dos

EXEMPLOS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS

32

Líquido Penetrante Partículas Magnéticas

Descontinuidade é qualquer falta de continuidade do material. Defeito quando a descontinuidade é proibida por norma.

O “caldo de átomos”

SOLIDIFICAÇÃO

SOLIDIFICAÇÃO

Pequenos cristais

começam a solidificar

Resfriamento mais lento = Cristais maiores

Grãos ou Cristais solidificados

R es fr ia m en to

SOLIDIFICAÇÃO - CRISTALIZAÇÃO

EMBRIÕES DA FASE SÓLIDA

LÍQUIDO

Nucleação e crescimento de grão

Contornos dos grãos cristalinos

Os grãos podem ser observados melhor com auxílio de um

microscópio metalográfico.

37

MONOCRISTAL E POLICRISTAL

Monocristal

:

Material com apenas uma

orientação cristalina, ou seja, que contém

apenas um grão

Policristal

:

Material com mais de uma

orientação cristalina, ou seja, que contém

vários grãos

PRINCIPAL VARIÁVEL METALÚRGICA

ENDURECIMENTO POR REFINO DE GRÃO (GRAIN REFINING)

Eq. Hall e Petch



_e

=



₀

+ k

_y

.d

-1/2

Onde, 

= Limite de Escoamento



e k

são constantes do material

d = Diâmetro médio dos grãos em mm.

Obs.: O Refino de Grão aumenta simultaneamente a

Resistência e a Ductilidade

MICROSCÓPIA ÓPTICA - MO

MEDIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO (T.G.):

N = 2

n-1

Onde: N = número de grãos/ pol

_{com aumento de 100 vezes}

n = número de Tamanho de Grão ASTM (1

 n  12)

N°1 N°2

CONTORNOS DE GRÃOS

Ângulo de desalinhamento Ângulo de desalinhamento Alto ângulo Baixo ângulo

CONTORNO DE GRÃO DE ALTO E BAIXO ÂNGULO ÂNGULO

Ângulos de

desalinhamento:

Em função do

desalinhamento dos planos atômicos entre os grãos

adjacentes, pode-se distinguir os contornos de grão de

http://www.slideshare.net/karinamello7509/17-cbecimat-3110062006villar? related=1

Austenita

Ferrita + austenita

Austenita + cementita

Ferrita + perlita Perlita Perlita + cementita A₁

A₃

A_cm

CONSTITUINTES ESTRUTURAIS DE EQUILÍBRIO DOS AÇOS

AVALIAÇÃO:

QUAIS AS MICROESTRUTURAS NÃO PREVISTAS NO

DIAGRAMA DE FASES Fe-Fe₃C?

RESP.:

TRATAMENTOS TÉRMICOS

AÇO EUTETÓIDE → %C = 0,76

FASES PROEUTETÓIDES: FERRITA E CEMENTITA

Resfriamento rápido

AUSTENITA

MARTENSITA

MARTENSITA

REVENITA

Aço Eutetóide: PERLITA

Aço Hipoeutóide: PERLITA + FERRITA

Aço Hipereutetóide: PERLITA + CEMENTITA

BAINITA

IMPORTÂNCIA DO REVENIMENTO APÓS A TÊMPERA

Operação de têmpera com posterior revenimento

Peças revenidas Cinzéis feitos com martensita.

TÊMPERA TOTAL E TÊMPERA SUPERFICIAL

Diagrama esquemático das curvas de resfriamento De têmpera em peças de pouca espessura

Diagrama esquemático das curvas de resfriamento De têmpera em peças de grande seção

VANTAGENS DA AUSTÊMPERA

Bainita formada diretamente da austenita a temperatura

mais alta que a martensita;

Tensões internas resultantes muito menores;

Não há praticamente torção ou empenamento;

O aparecimento de fissuras de têmpera é quase que

completamente eliminada.

Microscopia eletrônica (MET): mostrando a morfologia típica da fase bainítica produzida na temperatura isotérmica de 370ºC

CARBONO EQUIVALENTE

Carbono equivalente é um numero empírico que mede a

temperabilidade ou soldabilidade:

CE = C + (Mn)/6 + (Cr+Mo)/5 + (V+Ni+Cu)/15

Fórmula do Welding Institute, onde:

Análise dos resultados:

CE < 0,4 não é temperável e de fácil soldagem;

CE > 0,4 é temperável e exige cuidados especiais na

soldagem.

PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO PLÁSTICA

51

LAMINAÇÃO

TREFILAÇÃO

FORJAMENTO

EXTRUSÃO

QUAL O PROCESSO DA FORMA FINAL?

Rolos fixos Rolo móvel

APLICAÇÃO DO CÍRCULO DE MOHR

ESTADO TRIAXIAL: 











b

a

c

Eixos principais:

Representação:

Tensões principais:







_





a,b e c

Disciplina: Resistência dos Materiais II Professora Orientadora: Eliane Maria www.uff.br/resmatcivil/Downloads/ResMatII/esta

CÍRCULO DE MOHR





b



=



-



c





0

a



CÍRCULO DE MOHR PARA O ESTADO TRIPLO DE TENSÃO



. = -



=



-



= raio

2

Por definição:



 

 









(b)

A adição de ₂ não altera a  máx. (a resistência a deformação plástica fica inalterada)













_













Já a adição de uma tensão ₃ de compressão aumenta drasticamente

 máx.









Exemplos de círculo de Mohr para diferentes estados de tensão

















_

TREFILAÇÃO DE ARAMES















Qual a diferença?

Resposta:

REPRESENTE NO CÍRCULO DE MOHR

a) TRAÇÃO PURA b) COMPRESSÃO PURA c) CORTE PURO a) b) TRAÇÃO PURA COMPRESSÃO PURA CORTE PURO c)

58

AVALIAÇÃO:

a- Quais os processos de conformação direta?

b- Quais os processos de conformação indireta?

Laminação Trefilação Extrusão Forjamento Compressão direta Compressão direta Compressão indireta Compressão indireta

ENSAIO DE TRAÇÃO REAL

Fig. 4

Demonstrações em anexo



_Real

=

 ( + 1)



_Real

= ln (

 + 1)

ANEXOS: TENSÕES E DEFORMAÇÕES REAIS



= ln l/lo (eq. 4)

Correlação entre deformações reais e convencionais:

 = l/lo

 = l –lo/lo

 = l/lo - 1

Ou

l/lo = 1 +



Aplicando o ln :

ln l/lo = ln (1 +

)

Observando a (eq. 4), vem:



= ln (1+

) (eq. 5)

CORRELAÇÃO TENSÃO REAL E TENSÃO CONVENCIONAL

Considerando o volume constante durante a deformação plástica

So x lo = Si x l

Ou l/lo = So/Si



= ln l/lo (eq. 4)

Obs. A eq. 4





= ln (1 +

) (eq. 5)

Obs. A eq. 5:

ln So/Si = ln (1 +

)

Ou

Si = So/(1 +

)

Da eq. 2:



= Q/Si



= Q/So/(1+

)

Mas,

 = Q/So



=

 (1+) (eq. 6)



=

 (1+) (eq. 6)



= ln l/lo = ln So/Si

ln So/Si = ln (1 +

)

1º) Um arame de comprimento inicial 200,0mm

é estirado de 20mm; após esta operação, sofre

outro estiramento adicional de 50mm, obtendo-se

um valor total de 70mm.

Calcular  e 

para cada etapa de deformação,

sua soma, e comparar esta soma com valores

obtidos para a deformação total.

APLICAÇÃO

Nomenclatura:

 = Deformação convencional



conv.



Real

l

(lo = 200mm)

_















_

l













_

total = l total/lo

















+



0,35

 0,1 + 0,22

0,35

 0,32







0,300 = 0,0953 + 0,2047

0,300 = 0,300

Índice “k” Índice “n”

CALCULO DA TENSÃO VERDADEIRA NA REGIÃO PLÁSTICA

Equação de Ludwink

 = 

+ k.



k= coeficiente de resistência

n = coeficiente de encruamento

DESTACA A IMPORTÂNCIA DA TENSÃO E DEFORMAÇÃO REAL

Atualmente um dos maiores problemas da indústria

metalmecânica é o retorno elástico do material, uma espécie de

efeito mola que as chapas de metal apresentam quando são

dobradas sobre pressão

SEMINÁRIO 01 : AÇOS SEM RETORNO ELÁSTICO