Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS
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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.
POR QUÊ ESTUDAR?
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PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS
• Resistência à tração• Elasticidade• Ductilidade• Fadiga• Dureza• Tenacidade
Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas
e/ou de transmiti-las
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COMO DETERMINAR AS PROPRIEDADES MECÂNICAS?
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.
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Normalização de métodos A Normalização dos ensaios tem por objetivo fixar os conceitos e procedimentos gerais que se aplicam aos diferentes métodos de ensaios.
Principais normas
ASTM (Ammerican Society for Testing and Materials);
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas);
ISO (International Standards Organization);
DIN (Deutsches Institut für Normung).
NORMAS TÉCNICAS
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CONCEITOS DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO
Para uma carga estática ou relativamente lenta ao longo do tempo aplicada
uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um membro, o
comportamento mecânico pode ser verificado através de um ensaio de tensão-
deformação.
Existem três maneiras as quais a carga pode ser aplicada:
Tração
Compressão
Cisalhamento
Na prática da engenharia, muitas cargas são de natureza torcional, e não de natureza puramente cisalhante.
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ENSAIO DE TRAÇÃO
Dentre os diversos tipos de ensaios disponíveis para a avaliação das propriedades mecânicas dos materiais, o mais amplamente utilizado é o ENSAIO DE TRAÇÃO.
Dentre os diversos tipos de ensaios disponíveis para a avaliação das propriedades mecânicas dos materiais, o mais amplamente utilizado é o ENSAIO DE TRAÇÃO.
Ensaio relativamente simples e rápido.
O ensaio de tração pode ser usado para avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais.
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ENSAIO DE TRAÇÃO
A amostra é deformada, geralmente até sua fratura, mediante uma carga de tração gradativamente crescente que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de um corpo de prova.
Corpo-de-prova antes e após ensaio de tração.
Seção transversal original
Durante os ensaios, a deformação fica confinada à região central, mais estreita, do corpo de prova, que possui uma seção reta uniforme ao longo do seu comprimento.
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F
F
Representação esquemática do ensaio de tração.
ENSAIO DE TRAÇÃO
A máquina de ensaios de tração é
projetada para alongar o corpo de
prova a uma taxa constante, além de
medir contínua e simultaneamente a
carga aplicada e os alongamentos
resultantes;
O ensaio é destrutivo;
O resultado é um gráfico na forma
de carga ou força em função do
alongamento;
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ENSAIO DE TRAÇÃOOs resultados obtidos com o ensaio de tração são dependentes de
fatores geométricos do corpo de prova.
Para minimizar esses fatores, a carga e o alongamento são
normalizados de acordo com os seus respectivos parâmetros de tensão
e deformação de engenharia.
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COMO SE DEFINEM TENSÃO E DEFORMAÇÃO?COMO SE DEFINEM TENSÃO E DEFORMAÇÃO?
• Tensão
• Deformação
oo
oi
l
l
l
ll
oA
F
Sendo:
= tensão (Pa);
F = carga instantânea aplicada (N) e
Ao = área da seção reta original antes da aplicação da carga (m2).
Sendo:
= deformação (adimensional);
li = comprimento instantâneo e
lo = comprimento original.
Como efeito da aplicação de uma tensão, tem-se a deformação
(variação dimensional).
Como efeito da aplicação de uma tensão, tem-se a deformação
(variação dimensional).
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Deformação ()
Tensã
o ()
COMPORTAMENTO DOS METAIS QUANDO SUBMETIDOS À UMA TENSÃO
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Então, desta curva, observamos que os metais podem apresentar dois tipos de deformação:Então, desta curva, observamos que os metais podem apresentar dois tipos de deformação:
ELÁSTICA ELÁSTICA PLÁSTICA PLÁSTICA
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DEFORMAÇÃO ELÁSTICA• Prescede à deformação plástica;
• É reversível;
• Desaparece quando a tensão é removida;
• É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke).
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA• É provocada por tensões que
ultrapassam o limite de elasticidade.
• É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida.
Elástica Plástica
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EM UMA ESCALA ATÔMICA...EM UMA ESCALA ATÔMICA...
Deformação elástica
• É manifestada por pequenas
alterações no espaçamento
interatômico e na extensão de
ligações interatômicas.
Deformação plástica
• Corresponde à quebra de
ligações com os átomos vizinhos
originais e em seguida formação
de novas ligações com novos
átomos vizinhos, uma vez que
um grande número de átomos ou
moléculas se move em relação
aos outros; com a remoção da
tensão, eles não retornam às
suas posições originais.
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DA CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO, PODEMOS OBTER:DA CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO, PODEMOS OBTER:
Módulo de elasticidade ou módulo de YoungMódulo de elasticidade ou módulo de Young
• É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante – Lei de Hooke.
• Está relacionado com a rigidez do material ou à resistência à deformação elástica.
• Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas.
E = /
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MÓDULO DE ELASTICIDADE
ESendo:
= tensão (Pa);
= deformação (adimensional);
E = módulo de elasticidade (Pa);
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MÓDULO DE ELASTICIDADE (E)MÓDULO DE ELASTICIDADE (E)
Deformação ()
Tensã
o ()
= E
A lei de Hooke é válida até este ponto.
Máxima tensão que o material suporta sem sofrer deformação permanente.
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Módulo de elasticidade para algumas ligas metálicas
Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou
menor é a sua deformação elástica
quando aplicada uma dada tensão.
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
Fonte: Callister, 2002.
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CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE MÓDULO DE ELASTICIDADE
Como conseqüência do módulo de elasticidade estar diretamente relacionado com as forças interatômicas:
Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixo.
Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade diminui.
* Considerando o mesmo material, o módulo de elasticidade depende apenas da orientação cristalina
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Relação entre temperatura de fusão e módulo de elasticidade
MetalTemperatura de
fusão (oC)Módulo de
elasticidade (MPa)
Alumínio 660 70.000
Cobre 1085 127.000
Ferro 1538 210.000
O módulo de elasticidade é
fortemente dependente das forças de ligação
entre os átomos.
O módulo de elasticidade é
fortemente dependente das forças de ligação
entre os átomos.
As forças de ligação entre os átomos, e consequentemente o módulo de
elasticidade, são maiores para metais com temperaturas de fusão mais
elevadas.
As forças de ligação entre os átomos, e consequentemente o módulo de
elasticidade, são maiores para metais com temperaturas de fusão mais
elevadas.Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
![Page 23: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/23.jpg)
ESBOÇO DA CURVA OBTIDA NO ENSAIO DE TRAÇÃOESBOÇO DA CURVA OBTIDA NO ENSAIO DE TRAÇÃO
Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
• AO – região de comportamento elástico.
• AB – região de escoamento – se caracteriza por um aumento relativamente grande na deformação, acompanhado por uma pequena variação da tensão.
• BF – região de comportamento plástico - a partir de B o material entra na região plástica, que é caracterizado pela presença de deformações permanentes.
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LIMITE DE ELASTICIDADE
• Corresponde à máxima tensão que o material suporta sem sofrer deformação permanente
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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Elástico
Plástico
Deformação ()
Ten
são ()
Deformação ()
Ten
são ()
Limite de escoamento
(a) (b)
(a) Curva tensão x deformação para um metal típico. A transição do comportamento elástico para o plástico é uma transição gradual para a maioria dos metais.
(b) Curva tensão x deformação típica para o aço. A transição elastoplástica é muito bem definida (ocorre de forma abrupta).
Fonte: Callister, 2002.
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LIMITE DE ESCOAMENTO
Onde não observa-se
nitidamente o fenômeno
de escoamento, a tensão de
escoamento corresponde
à tensão necessária para promover
uma deformação permanente de
0,2% ou outro valor especificado
(obtido pelo método gráfico
indicado na fig. ao lado)
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• Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura (muitas vezes é superior à tensão de ruptura)
• É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial
LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
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• Corresponde à tensão que prove a ruptura do material
• O limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura
TENSÃO DE RUPTURA
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Deformação ()
Tensã
o (
)
Limite de resistência à tração - LRT
Deformação ()
Tensã
o (
)
Limite de resistência à tração - LRT
Fratura do material
![Page 30: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/30.jpg)
DUCTILIDADEDUCTILIDADE
Representa uma medida do grau de deformação
plástica que foi suportado quando da fratura.
Representa uma medida do grau de deformação
plástica que foi suportado quando da fratura.
A ductilidade dá uma indicação para o projetista do grau segundo o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes de fraturar.
![Page 31: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/31.jpg)
A ductilidade pode ser expressa quantitativamente como:A ductilidade pode ser expressa quantitativamente como:
100% xl
llAL
o
of
Alongamento percentual (AL%)
Porcentagem da deformação plástica no momento da fratura
Estricção (RA%)Redução da área percentual
100% xA
AARA
o
fo
![Page 32: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/32.jpg)
RESILIÊNCIA RESILIÊNCIA
• Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa energia recuperada.
• Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas)
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TENACIDADETENACIDADE
Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura.
Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura.
Para que um material seja tenaz, este deve apresentar tanto resistência como ductilidade.
Para que um material seja tenaz, este deve apresentar tanto resistência como ductilidade.
É a área sob a curva tensão x deformação até o ponto
de fratura.
![Page 34: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/34.jpg)
Freqüentemente, materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais frágeis.
Freqüentemente, materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais frágeis.
Embora, o material frágil tenha maior limite de escoamento e maior limite de resistência à tração, possui menor tenacidade
do que o material dúctil, em virtude da sua falta de ductilidade (comparar as áreas ABC e AB’C’).
Embora, o material frágil tenha maior limite de escoamento e maior limite de resistência à tração, possui menor tenacidade
do que o material dúctil, em virtude da sua falta de ductilidade (comparar as áreas ABC e AB’C’).
![Page 35: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/35.jpg)
![Page 36: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/36.jpg)
Curvas de Tração de Materiais Frágeis (Materiais Cerâmicos)
Curva tensão x deformaçãopara a alumina e para o vidro.
![Page 37: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/37.jpg)
Curvas de Tração de Materiais Poliméricos
Relação entre a tensão e a deformação para:
A- polímero frágil;B- polímero plástico;C- elastômero
![Page 38: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/38.jpg)
Efeito da temperatura sobre as curvas tensão x deformação
Curvas tensão x deformaçãode engenharia para o ferro
em três temperaturasdiferentes
Efeito da temperatura sobre as curvas tensão x
deformação de um acrílico.
![Page 39: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/39.jpg)
![Page 40: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/40.jpg)
DUREZADUREZA
A dureza depende diretamente das forças de ligação entre os átomos, íons ou moléculas.
A dureza depende diretamente das forças de ligação entre os átomos, íons ou moléculas.
A dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada, como por exemplo, à penetração de um corpo (uma pequena impressão ou risco).
A dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada, como por exemplo, à penetração de um corpo (uma pequena impressão ou risco).
![Page 41: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/41.jpg)
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…)
DUREZADUREZA
![Page 42: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/42.jpg)
DUREZA
Os ensaios de dureza são realizados com mais frequência
do que outros ensaios mecânicos pois:
Eles são simples e baratos;
O ensaio é não-destrutivos;
Outras propriedades mecânicas podem, com frequência, ser
estimadas a partir de dados obtidos para ensaios de dureza, tais como o
limite de tração.
![Page 43: Aula 6 propriedades mecânicas , emgenharia](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022081420/5583482cd8b42a882e8b4e53/html5/thumbnails/43.jpg)
Se usa para determinar a dureza dos minerais. Se baseia em que um corpo é riscado por outro mais duro.
Escala de Mohs:
1 - Talco
2 - Gesso
3 - Calcita
4 - Fluorita
5 - Apatita
6 - Feldspato
7 - Quartzo
8 - Topázio
9 - Coríndon
10 - Diamante
Dureza MOHS
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1) Talco (Pedra Sabão)Arranhável com a unha
Estátuas Aleijadinho
2) Gipsita (Gesso)Arranhável dificilmente com a unha
Construção Civil
3) Calcita (Calcário)Arranhável com moeda de cobre
Construção civil
4) Fluorita Arranhável com facaSiderurgia (fundente)
DUREZA MOHS
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5) ApatitaDificilmente arranhável com faca
Osso humano (hidroxiapatita)
6) FedspatoArranhável com liga de açoVidros e cerâmicas brancas
7) Quartzo (ametista)Capaz de arranhar o fedspato
Vidros
DUREZA MOHS
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9) Coríndon (rubi e safira)Capaz de arranhar o topásio
Pedra preciosa, laser
10) DiamanteSubstância mais dura conhecida
Pedra preciosa, lentes
8) TopásioCapaz de arranhar o quartzo
Pedra semi preciosa
DUREZA MOHS
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Dureza Brinell Dureza Brinell
TIPOS DE ENSAIOS PARA MEDIÇÃO DA DUREZATIPOS DE ENSAIOS PARA MEDIÇÃO DA DUREZA
Dureza Rockwell Dureza Rockwell
Dureza Vickers Dureza Vickers
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