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Conceitos Aprendidos
DIFUSÃO
Aplicações da Difusão;
Mecanismos da Difusão:
Difusão Substitucional
Difusão Intersticial
Difusão em Estado Estacionário;
Difusão em Estado Não Estacionário;
Fatores que Influenciam a Difusão.
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UFTM
Propriedades Mecânicas dos Materiais
Capítulo 6
Referências Bibliográficas:
CALLISTER JR., W.D. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma
Introdução. 8ª ed. LTC, 2012.
INTRODUÇÃO
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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 sujeito a 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 dos Materiais
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• Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a
forças ou cargas.
• É necessário conhecer as características do material e
projetá-lo a partir do qual ele é feito, de tal maneira que qualquer
deformação resultante não seja excessiva e não cause fratura.
• O comportamento mecânico de um material reflete a
relação entre sua resposta ou deformação a uma carga ou força
que esteja sendo aplicada.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
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• As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas
em laboratório através de experimentos que reproduzem o mais
fielmente possível as condições de serviço. Dentre os fatores a
serem considerados incluem-se a natureza da carga aplicada e a
duração da sua aplicação, bem como as condições ambientais.
• A carga (as mais comuns), pode ser de tração,
compressão, ou de cisalhamento e a sua magnitude pode ser
constante ao longo do tempo ou então flutuar continuamente.
• As propriedades são muito importantes nas estruturas dos
materiais, e elas são alvo da atenção e estudo de vários
pesquisadores.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
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• Principais Propriedades Mecânicas
• RIGIDEZ;
• RESISTÊNCIA;
• DUREZA;
• DUCTLIDADE;
• TENACIDADE.
Estudaremos primeiramente as propriedades
mecânicas nos METAIS;
Propriedades Mecânicas dos Materiais
Conceitos de Tensão e Deformação
A seguir é mostrado uma representação esquemática de alguns
tipos de esforços aos quais os materiais podem ser submetidos.
Tipos de esforços
Propriedades Mecânicas dos Materiais
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Propriedades Mecânicas dos Materiais
Ensaios Mecânicos
Torna-se necessário conhecer as características do
material e projetar o artefato para que não ocorram
falhas/fraturas.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
Classificação dos ensaios mecânicos :
Ensaios destrutivos
Ensaios não destrutivos
Ensaios destrutivos são aqueles que deixam algum sinal na
peça ou corpo de prova submetido ao ensaio, mesmo que estes
não fiquem inutilizados.
Ensaios não destrutivos são aqueles que após sua realização
não deixam nenhuma marca ou sinal e, por consequência, nunca
inutilizam a peça ou corpo de prova. Por essa razão, podem ser
usados para detectar falhas em produtos acabados e semi-
acabados.
Tipos de Ensaios Mecânicos
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Destrutivos:
1. Tração
2. Compressão
3. Cisalhamento
4. Dobramento
5. Flexão
6. Torção
7. Dureza
8. Fluência
9. Fadiga
10.Impacto
Tipos de Ensaios Mecânicos
Propriedades Mecânicas dos Materiais
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Não-Destrutivos:
1. Visual (avaliação individual de alterações superficiais)
2. Líquido penetrante (descontinuidades superficiais de
materiais isentos de porosidade)
3. Partículas magnéticas (descontinuidades superficiais e sub
superficiais em ferromagnéticos)
1. Ultrassom (mudança de intensidade da radiação
eletromagnética)
2. Radiografia industrial (defeitos internos)
Tipos de Ensaios Mecânicos
Os ensaios podem ser realizados na própria oficina ou em
ambientes especialmente equipados para essa finalidade: os
laboratórios de ensaios;
Onde são feitos os ensaios?
Os ensaios podem ser
realizados em protótipos,
no próprio produto final
ou em corpos de prova e,
para serem confiáveis,
devem seguir as normas
técnicas estabelecidas.
Ensaios de Tração
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Ensaio de Tração
• O ensaio de tração pode ser usado para avaliar diversas
propriedades mecânicas dos materiais que são importantes em
projetos.
• Uma amostra é deformada, geralmente até sua fratura,
mediante uma carga de tração gradativamente crescente, que
é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo maior de um corpo
de prova. Durante os ensaios, a deformação fica confinada a
região central, mais estreita do corpo de prova, que possui uma
seção reta uniforme ao longo do seu comprimento.
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Ensaio de Tração
Dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-deformação
por tração.
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Ensaio de Tração
• O corpo de prova é preso pelas suas extremidades nas garras
de fixação do dispositivo de testes.
• A máquina de ensaios de tração alonga o corpo de prova a
uma taxa constante, e também mede contínua e
simultaneamente a carga e o alongamento resultante.
• Tipicamente, um ensaio de tensão-deformação leva vários
minutos para ser executado e é destrutivo, isto é, até a
ruptura do corpo de prova.
Força
aplicada
Alongamento
ocorrido
Ensaio de Tração
Extensômero
Célula de carga
sensores
alongamento
Força aplicada
Ensaio de Tração
A força de tração atua sobre a área da seção transversal do
material. Tem-se assim uma relação entre a força (carga)
aplicada e a área do material que está sendo exigida,
denominada tensão.
Tensão (σ) [N/m²] é a relação entre uma força (F) [N] e uma
unidade de área (A0) [m²]:
[N/m2 = Pa (pascal)]
Tensão de tração ou Tensão de Engenharia
Ensaio de Tração
0A
F
Deformação (ε)
É a alteração do comprimento do material resultante da deformação
provocada pela força axial de tração.
li: comprimento instantâneo anterior a fratura (m)
lo: comprimento inicial (m) o
oi
l
ll
Ensaio de Tração
Deformação (ε)
oo
oi
l
l
l
ll
li: comprimento instantâneo anterior a fratura (m)
lo: comprimento inicial (m)
Ensaio de Tração
Ensaios de Compressão
2
8
Ensaio de Compressão
• O ensaio de compressão é conduzido da mesma forma que o
ensaio de tração, levando em conta as forças envolvidas
• Mais comuns e fáceis de serem realizados. Utilizados quando
se quer conhecer o comportamento de um material submetido
a deformações grandes e permanentes.
2
9
Ensaio de Compressão
• Utiliza as mesmas equação anteriores, com algumas
diferenças:
• Forças envolvidas são consideradas negativas;
• Tensão é negativa;
• Deformação é negativa;
o
oi
l
ll
0A
F
Ensaios de Cisalhamento e de Torção
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1
Ensaio de Cisalhamento
• No ensaio de cisalhamento a tensão é calculada pela
seguinte equação:
0A
F
• E a deformação γ é a
tangente do ângulo ϴ
3
2
Ensaio de Torção
• No ensaio de torção temos uma força de rotação aplicada ao
corpo de prova;
• Ocorre em eixos de máquinas , engrenagens e brocas
• A tensão é função do torque aplicado T ;
• E a deformação está ligada
ao ângulo de torção Ф
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
Curva típica tensão/deformação convencionais
Deformação ()
Ten
são
(σ
)
Ruptura
Tensão
de
ruptura
Propriedades dos Materiais
0A
F
Curva típica tensão/deformação convencionais
Deformação ()
Ten
são
(σ
)
ε proporcional à σ
ε não proporcional à σ
Propriedades dos Materiais
Deformação elástica
Deformação ()
Ten
são
(σ
)
ε proporcional à σ
1. É reversível
2. Desaparece quando a carga é
removida
3. É praticamente proporcional à tensão
aplicada
4. Está relacionada a um simples
arranjo atômico
Propriedades dos Materiais
Lei de Hooke
Deformação ()
Ten
são
(σ
)
ε proporcional à σ
Lei de Hooke
Na zona elástica o
coeficiente angular da reta é
igual ao Módulo de
elasticidade ou módulo de
Young (E)
Propriedades dos Materiais
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O grau ao qual uma estrutura se deforma ou se esforça
depende da magnitude da tensão imposta. Para a maioria dos
metais que são submetidos a uma tensão em níveis baixos, tem-
se a relação:
Deformação elástica
Esta relação é conhecida por lei de Hooke. A constante de
proporcionalidade E (Pa ou psi) é conhecida como módulo de
elasticidade ou módulo de Young.
ɛ deformação (adimensional m/m).
Tensão em Pa ou psi
E.
• A lei de Hooke não é válida para todos os valores de
deformação, ela é uma aproximação quando a tensão é
relativamente baixa. A deformação elástica não é permanente o
que significa que quando a carga aplicada é liberada, a peça
retorna a sua forma original.
• Em uma escala atômica, a deformação elástica é
manifestada como pequenas alterações no espaçamento
interatômico e na extensão das ligações interatômicas. A
magnitude do módulo de elasticidade representa uma medida da
resistência à separação de átomos adjacentes, isto é, as forças
de ligação interatômicas.
Deformação elástica
Módulo de Young ou Módulo de Elasticidade
Deformação ()
Ten
são
(σ
)
a
b
x
y
b
a
Determinação do módulo de Young
Deformação elástica
Quanto maior “E” mais
rígido é o material.
O aço é mais rígido do
que o alumínio.
b
a
a
b
Quanto maior o módulo de
elasticidade mais rígido é o
material ou menor é a sua
deformação elástica quando
aplicada uma dada tensão
Deformação elástica
Tabela - Módulos de elasticidade para algumas ligas metálicas.
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Deformação elástica
• Os valores dos módulos de elasticidade para materiais
cerâmicos são maiores, e para os polímeros são menores quando
comparados ao dos metais.
• Essas diferenças são consequências diretas dos diferentes
tipos de ligação atômica nesses três tipos de materiais.
• Ainda com o aumento da temperatura, o módulo de
elasticidade tende a diminuir.
43
Deformação elástica
44
Deformação elástica
45
• A imposição de tensões compressivas, de cisalhamento ou
torcionais também induzem um comportamento elástico. As
características tensão-deformação a baixos níveis de tensão são
as mesmas, tanto para uma situação de tração quanto de
compressão, sendo proporcionais ao módulo de elasticidade.
• A tensão e a deformação de cisalhamento são proporcionais
através da seguinte expressão:
G representa o módulo de cisalhamento.
G. tg
Deformação elástica
Propriedades Elásticas dos Materiais
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Coeficiente de Poisson
• Quando ocorre alongamento ao longo de uma
direção, ocorre contração no plano
perpendicular.
• A relação entre as deformações é dada pelo
coeficiente de Poisson .
O sinal negativo indica que uma extensão gera
uma contração e vice-versa.
z
y
z
x
Válido para materiais
isotrópicos
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Propriedades Mecânicas dos Materiais
Coeficiente de Poisson
Liga
metálica
Coeficiente de
Poisson
Alumínio 0,33
Latão 0,34
Cobre 0,34
Magnésio 0,29
Níquel 0,31
Aço 0,30
Titânio 0,34
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0l
l
l
ll
o
oi
A
F
0l
lE
z
y
z
x
Propriedades Mecânicas dos Materiais
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
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• Deformação elástica nos metais
ocorre somente até ℰ = 0,005
• Após esse ponto a tensão não é
mais proporcional a deformação que
se torna permanente – Deformação
Plástica
• Atomicamente, ocorrem quebras
de ligações e rearranjos, que não
retornam mais a condição inicial
Propriedades Mecânicas dos Materiais
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Discordâncias e sistemas de escorregamento
• Discordâncias existem em materiais cristalinos devido às
imperfeições no cristal. Essas imperfeições possibilitam o
escorregamento de planos no interior do cristal.
• A movimentação de discordâncias é o principal fator envolvido
na deformação plástica de metais e ligas. A mobilidade de
discordâncias pode ser alterada por diversos fatores
(composição, processamento…) e manipulação das propriedades
mecânicas do material.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
Limite elástico
Deformação ()
Ten
são
(σ
)
ε proporcional à σ
Tensão limite de Proporcionalidade
O limite elástico é a máxima tensão a que
uma peça pode ser submetida sem que
ocorra deformação permanente. Por isso, o
conhecimento de seu valor é fundamental.
Início da deformação plástica.
( Escoamento)
Zona plástica
Zona elástica
Deformação ()
Ten
são (σ
)
Limite elástico
Limite elástico
Por quê é importante conhecer o limite de
elasticidade ???
Limite elástico
Determinação do Limite elástico e limite de escoamento
Para metais que apresentam a transição gradual de
deformação elástica para deformação plástica, o ponto de
escoamento pode ser determinado como aquele onde ocorre o
afastamento inicial da linearidade na curva tensão-deformação.
Este ponto é muitas vezes chamado de limite de
proporcionalidade, em que representa o início da deformação
plástica a nível macroscópico.
A definição deste ponto no gráfico tensão-deformação é
dificilmente medida com precisão, assim foi estabelecida uma
convenção na qual uma linha reta foi construída paralelamente à
porção elástica da curva em uma pré-deformação especificada
igual a 0,002.
Deformação ()
Ten
são (σ
) Determinação do Limite elástico e limite de escoamento
0,002 ou 0,2%
A tensão (limite) de escoamento
corresponde à tensão necessária para
promover uma deformação permanente
de 0,2% ou outro valor especificado
(obtido pelo método gráfico).
A tensão correspondente à intersecção dessa
linha com a curva tensão-deformação é definida
como limite de escoamento.
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Conclusão : Deformação Plástica
A baixas tensões
existe uma região
linear, que aos
poucos entra em
uma região não-
linear, a chamada
região de
deformação
plástica.
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Deformação Plástica
Alguns tipos de aços
apresentam a seguinte
curva, onde temos o
fenômeno do limite de
escoamento
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Deformação Plástica
nk
K e n são constantes que dependem do material e do tratamento dado
ao mesmo.
n é denominado expoente de encruamento
K é o coeficiente de resistência (quantifica o nível de resistência que o
material pode suportar).
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Deformação Plástica
nk
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Propriedades Mecânicas dos Materiais
Propriedades mecânicas obtidas a partir do ensaio de tração
e diagrama tensão nominal-deformação nominal
• A partir de um gráfico de tensão x deformação é possível obter
propriedades de um material.
• Materiais dúcteis submetidos a uma força, podem estirar-se
sem romper-se, transformando-se em um fio. Exemplos: o
ouro, o cobre e o alumínio.
• Por outro lado, um material frágil é um material que não pode
se deformar muito. Com deformações relativamente baixas o
material já se rompe. Um exemplo de material frágil é o vidro.
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Propriedades Mecânicas dos Materiais
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Fases de evolução do diagrama :
1. Aumento lento do comprimento (pequena deformação),
diretamente proporcional a uma grande carga aplicada (trecho reto:
origem até a tensão de escoamento - σe), com grande coeficiente
angular (reta "quase" vertical).
2. Longa deformação com pouco aumento da carga aplicada, ou
seja, pequena variação da tensão (após escoamento).
3. Aumento da deformação proporcional ao aumento da tensão. Este
aumento ocorre até que a carga aplicada atinja um valor máximo, ou,
uma tensão última - σu.
4. Diminuição do diâmetro do corpo (estricção). Uma diminuição da
carga aplicada é suficiente para manter a deformação até a ruptura.
(σR : tensão de ruptura; εR: deformação de ruptura).
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Fases de evolução do diagrama :
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Propriedades Mecânicas dos Materiais
Materiais frágeis (concreto, vidro):
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Propriedades Mecânicas dos Materiais
Evolução do diagrama: aumento da deformação
proporcional ao aumento da carga aplicada até que se atinja a
deformação de ruptura (εR) que corresponde à tensão de ruptura
(σR) que é igual à tensão última (σu).
Limite de
reisistência
Deformação ()
Ten
são (σ
)
Limite de resistência
Formação da estricção
(“empescoçamento”)
Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura
Tensão limite
Estricção
Corresponde à redução na área da seção reta do corpo,
imediatamente antes da ruptura.
Propriedades Mecânicas dos Materiais
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Propriedades Mecânicas dos Materiais
Tensão de ruptura: σR, como o próprio nome já diz, é a
tensão com a qual o material se rompe. É importante observar
que nem sempre a tensão de ruptura é a tensão máxima que
pode ser aplicada.
Percebe-se que o material pode chegar ao mesmo nível da
tensão de ruptura e mesmo assim não se romper. Ele somente se
rompe se a tensão máxima já tiver sido ultrapassada, e então
o material se alongaria novamente até romper, com um
decréscimo na tensão, chegando em σR.
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Propriedades Mecânicas dos Materiais
Esse alongamento é muito mais evidente em materiais
dúcteis, e ele serve para determinar a ductilidade em termos do
alongamento.
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Propriedades Mecânicas dos Materiais
Materiais dúcteis e frágeis
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