Prop Mecanicas Dos Metais Aulas 2 e 3 (1)

PROPRIEDADES

MECNICAS DOS METAISAulas 10 e 12/06/2014

UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHO UFMA

CURSO DE BACHARELADO INTERDISCIPLINAR EM CINCIA E

TECNOLOGIA

MATRIA: CINCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS

PROFESSOR: LUIS VENANCIO

Material produzido pela Profa. Maria Eliziane Pires de Souza com modificaes

PROGRAMA DA DISCIPLINA

1. Introduo a Cincia e Tecnologia dos Materiais.

2. Estrutura dos materiais: arranjos atmicos e inicos.

3. Fundamentos de cristalografia.

4. Imperfeies em slidos cristalinos.

5. Diagrama de fases

6. Polmeros, materiais compsitos e nano estruturados.

7. Propriedades dos materiais.

8. Seleo de materiais.

DATA DESCRIO

05/jun AULA 01

10/jun AULA 02

12/junAULA 03

BRASIL X CROCIA

17/junAULA 04

BRASIL X MXICO

19/jun CORPUS CHRISTI

24/jun AULA 05

26/jun AULA 06

01/jul AULA 07

03/jul AULA 08

08/jul AULA 09 - SEMIFINAL

10/jul AULA 10

15/jul AULA 11

17/jul AULA 12

Aula 1 02/08/11

Propriedades mecnicas - metais

METAIS Forte ligao com a engenharia

?Vivemos na era do METAL??????

EVOLUO

Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Tcnico da Universidade de Portugal

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Por que estudar propriedades mecnicas dos

METAIS ?

Seleo de um material durvel para aplicaes estruturais

sob diversas condies de servio

Projeto de estruturas/componentes que utilizem materiais

predeterminados, evitando o aparecimento de falhas

Fadiga em Fuselagem: aps 89.000

ciclos de decolagem/pouso:

pressurizao/despressurizao

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Propriedades mecnicas

Definem o comportamento do material quando

sujeito esforos mecnicos (carga ou fora

aplicada) relacionam com a capacidade do

material de resistir ou transmitir estes esforos

aplicados sem romper e sem se deformar de

forma incontrolvel.

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Solicitaes mecnicas

(photo courtesy P.M. Anderson)Canyon Bridge, Los Alamos, NM

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Principais propriedades mecnicas

Resistncia trao

Elasticidade

Ductilidade

Fadiga

Dureza

Tenacidade,....

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Como determinar as propriedades mecnicas?

Feita atravs de ensaios mecnicos.

Utiliza-se normalmente corpos de prova para o ensaio

mecnico, no praticvel realizar o ensaio na prpria pea,

que seria o ideal.

Geralmente, usa-se normas tcnicas para o procedimento

das medidas e confeco do corpo de prova para garantir

que os resultados sejam comparveis.

ASTM (American Society for Testing and Materials)

ABNT (Associao Brasileira de Normas Tcnicas)

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Tenso x Deformao

Quanta deformao devo esperar dada uma certa carga?

Ensaio tenso-deformao: - carga esttica/alterao lenta

Temperatura ambiente.

Tenso Carga mecnica agindo na rea sobre a qual a carga foi aplicada.Kgf/mm2 ou Pa [N/m2]

Deformao alterao de tamanho por unidade de comprimento.

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Tenso x DeformaoEnsaio de Trao Norma ASTM E8 e E8M

Typical tensile specimen

Adaptado da fig. 6.2,

Callister 7e.

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Tenso x DeformaoEnsaio de Trao

=

0=

2

Tenso de Engenharia

Deformao de Engenharia

= 00

=

0

rea inicial da seo reta

transversal antes da trao

Mpa (SI) 1MPa = 106 N/m2

l0 comprimento originalli comprimento instantneo

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Tenso x Deformao

Ensaio de Compresso(ASTM E9)

Fora atuante de natureza compressiva-

(negativa).

Corpo-de-prova se contrai ao longo

da direo da tenso

Menos comum usado quando o material frgil sob trao.

http://www.revistatechne.com.br/edicoes/113/imprime31818.asp

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Tenso x Deformao

Ensaio de Cisalhamento e toro(ASTM E143)

Ensaio de cisalhamento

Deformao

Ensaio de Toro

Tenso de cisalhamento TDeformao ngulo de toro ()

= tan

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Comportamento dos metais quando submetidos trao

= Mdulo de elasticidade/Young [Gpa]

DEFORMAO ELSTICA - proporcional tenso aplicada (obedece a lei de

Hooke).

Precede deformao plstica

reversvel

Desaparece quando a tenso removida

Mdulo de Young relacionado com a

rigidez/resistncia deformao elstica.

Tenso

Deformao

Inclinao = E

Lei de HooKe

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O mdulo um importante parmetro de projeto usado para calcular

deflexes elsticas.


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Deformao Elstica (no-linear)

Materiais que apresentam

poro elstica no linear

Mdulo tangencial

Mdulo secante


Exemplos: ferro fundido cinzento

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Deformao Elstica

Mdulo de elasticidade em funo da Temperatura


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Deformao Elstica

Exerccios

1- Uma barra de alumnio com 125 mm de comprimento e que possui

uma seo transversal quadrada com 16,5 mm de aresta tracionada

com uma carga de 66.700 N e apresenta um alongamento 0,43 mm.

Assumindo que a deformao seja inteiramente elstica, calcule o

mdulo de elasticidade do alumnio.

2- Um pedao de cobre com um comprimento original de 205 mm

tracionado com uma tenso de 379 MPa. Considerando que a

deformao do cobre foi inteiramente elstica, qual ser o

alongamento resultante? Dados: Mdulo de elasticidade do cobre 110 GPa.


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Deformao Plstica Propriedades de Trao

Metais deformao elstica at deformaes () de 0,005.

Alm desse ponto tenso no mais proporcional deformao.(lei de Hooke no mais vlida).

Deformao plstica permanente no recuperada com a retirada da carga.

provocada por tenses que ultrapassam o limite de

elasticidade.


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Tenso limite de escoamento (l)

Ponto de escoamento afastamento inicial da linearidade na curva tenso-

deformao. (limite de proporcionalidade)


(pr-deformao)


Elstico plstico

Te

ns

o

Deformao

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Limite de

escoamento superior

Limite de

escoamento inferior

Fenmeno do pico de escoamento descontnuo

Tenso limite de escoamento

Tenso mdia associada ao limite de

escoamento inferior.

Transio elastoplstica bem definida


Te

ns

o

Deformao

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Propriedades de Trao

Limite de Resistncia traoTenso

Deformao

LRT

empescoamento

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Fratura

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Exemplo ensaio de trao

Os dados apresentados na tabela abaixo foram coletados em um corpo-de-

prova padronizado, com 12,827 mm de dimetro, referente a uma liga de

alumnio (comprimento inicial (l0) = 50,8 mm). Construa o grfico tenso

deformao e calcule:

a) O mdulo de elasticidade.

b) A tenso limite de escoamento a um nvel de pr-deformao de 0,002.

c) A carga mxima suportada por esse corpo-de-prova.

d) A tenso de engenharia na fratura.

Carga (N) l(mm)

0 0

4448 0,0254

13345 0,0762

22241 0,127

31138 0,1778

33362 0,762

35141 2,032

35586 3,048

35363 4,064

33806 5,207

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0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12

0

50

100

150

200

250

300

ten

so

(M

Pa

)

deformaao (mm/mm)

tenso

A=1,29 x10-4 m2 Seo transversal inicial do corpo de prova

0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

0

50

100

150

200

250

300

ten

so

(M

Pa

)

deformaao (mm/mm)

Modulo de elasticidade

Limite convencional

de escoamento

Carga maxima

Tenso de

fratura

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DuctilidadeRepresenta uma medida do grau de deformao plstica

suportado at a fratura.

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Ductilidade

Ductilidade em termos de alongamento percentual

Corresponde ao alongamento total do material, nafratura, devido deformao plstica.

lf - comprimento no momento da fratura

lo - comprimento til original (deve ser especificado)

x 100

L

LLAL%

o

of-

=

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Ductilidade

Expressa como estrico (reduo percentual da rea)

Corresponde reduo na rea da seo reta do corpo,

imediatamente antes da ruptura

Os materiais dcteis sofrem grande reduo na rea da

seo reta antes da ruptura.

Geralmente %AL %RA

100xA

AfARA%o

o-

=

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Ductilidade - Importncia

Indica o grau ao qual uma estrutura ir se deformar

plasticamente antes de fraturar.

Especifica o grau de deformao permitido durante

operaes de conformao.

Comportamento

tenso-deformao do

ferro em diferentes

temperaturas

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EXERCICIO

Uma barra de liga de alumnio com 12,827 mm de dimetro e

um comprimento inicial de 50,8 mm foi submetida a um

ensaio de trao. Aps a fratura o comprimento final foi de

55,753 mm e o dimetro final de 10,109 mm na superfcie

fraturada. Calcule a ductilidade do corpo-de-prova em termos

da reduo percentual na rea.

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Resilincia

Corresponde capacidade do material de absorverenergia quando este deformado elasticamente, e com aremoo da carga, permitir a recuperao dessa energia.

A propriedade associada dada pelo mdulo deresilincia (Ur) energia de deformao por unidade devolume necessria para submeter um material tenso,desde um estado de ausncia de carga at o ponto deescoamento.

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Resilincia

Materiais resilientes so aqueles que tm alto limite deescoamento e baixo mdulo de elasticidade (como osmateriais utilizados para molas).

Limite de escoamento

Ur = d com limites de 0 a y

Na regio linear:

Ur =yy /2 =y(y /E)/2 = y2/2E

Unidade [J/m3]

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Tenacidade

Corresponde capacidade do material de absorver energia

at sua ruptura.

Em situao esttica ensaio de tenso-deformao

Tenacidade

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Principais propriedades mecnicas de um

ensaio de Trao

Tenso

Deformao

1- mdulo de elasticidade (E).

2- Tenso limite de escoamento

3- Limite de resistncia trao

4- Ductlidade

5- Tenacidade

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Material

Limite de escoamento

(MPa)

Limite de Resistncia

trao (MPa)

Deformao na fratura

Resistncia fratura (MPa)

Mdulo de elasticidade

(GPa)

A 310 340 0,23 265 210

B 100 120 0,40 105 150

C 415 550 0,15 500 310

D 700 850 0,14 720 210

E Fratura antes do escoamento 650 350

Dados tenso-deformao em trao para vrios metais hipotticos.

a) Qual ir apresentar a maior reduo percentual em rea? Por qu?

b) Qual o mais resistente? Por qu?

c) Qual o mais rgido? Por qu?

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Propriedades Elsticas

Quando uma tenso de trao imposta, causa um alongamento elstico

e uma deformao correspondente resultado: contrao perpendicular extenso. COEFICIENTE DE POISSON ().

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Propriedades Elsticas

Tenso de cisalhamento

AS rea da amostra paralela carga

Tenso de cisalhamentoDeformao de

cisalhamento Mdulo de cisalhamento

ou rigidez

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Tabela coeficiente de Poisson e mdulo de cisalhamento

Relao entre os parmetros

elsticos mdulo de elasticidade, cisalhamento e coeficiente de

Poisson.

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Exemplo:

Uma barra de 10 mm de dimetro de liga de alumnio 3003-H14 (E=70

GPa e LE=145 MPa) sujeita a uma carga de trao de 6 kN. Calcule o

dimetro resultante na barra.

Obs: O valor de foi dado na tabela anterior.

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Tenso e Deformao verdadeiras

Aps o LRT, curva tenso x deformao de

engenharia, ocorre diminuio na tenso para

continuar deformao.

-Est o metal se tornando mais fraco?????

Reduo na capacidade da amostra

em suportar uma carga

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Vlidas at o surgimento

da estrico

Aps este ponto, clculo deve

considerar carga medida, rea da

seo reta e comprimento til

reais.

Tenso verdadeira para manter uma

deformao crescente continua

aumentando aps o LRT (M).

Relao tenso verdadeira-

deformao verdadeira na

regio plstica da

deformao.

K e n so constantes que

dependem do material e do

processamento.

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Valores de n e K para algumas ligas (dependem da condio do material)

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X

Tenso e Deformao de engenharia

Aplicaes estruturais Interesse a carga mxima

Tenso deformao de engenharia

Processa mento do materialAplicao de esforos superiores ao

LE

Tenso deformao verdadeiras

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Tenso e Deformao - encruamento

Endurecimento por encruamento:

fenmeno de aumento da resistncia com o

aumento da deformao.

Importante na modelagem de metais por

trabalho a frio.

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Recuperao Elstica aps Deformao

Plstica

Remoo da carga

Parcela da deformao total

recuperada

Ponto de descarregamento

LE inicial

LE aps

liberao

da carga

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DUREZA

O teste de dureza mede a resistncia da superfcie de um

material penetrao por um objeto rgido.

Pode representar:

-A resistncia a riscos ou impresses

- ser uma medida qualitativa da resistncia do material a

uma deformao plstica localizada.

Resistncia abraso: usada na mineralogia. Escala construda em

funo de um material riscar outro material mais mole.

Escala Mohs: Talco = 1 e diamante= 10

qualitativo

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DUREZA

Tcnicas quantitativas: pequeno penetrador forado contra a superfcie

do material a ser testado, sobre condies de carga e de taxa de

aplicao controladas.

- Profundidade ou tamanho so medidos.

-Quanto mais macio o material, maior e

mais profunda ser a impresso e menor

ser o valor da dureza.

- Dureza medida relativa.

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DUREZA

Tipos de ensaios:

- Dureza Rockwell (ASTM E 18)

- Dureza Brinell (ASTM E 10)

- Dureza Knoop (ASTM E 384)

- Dureza Vickers (ASTM E 92)

Vantagens dos ensaios de dureza:

- Simples e baratos

- Ensaio no-destrutivo: apenas uma pequena impresso

- Outras propriedades podem ser estimadas a partir dos

dados de dureza (como LRT).

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DUREZADureza Rockwell

Ensaio mais comumente usado: execuo simples.

Tipos de penetradores: esferas de ao (1,588 3,175 - 6,350 e 12,70 mm) e penetrador cnico de diamante (para materiais mais duros).

A dureza determinada pela diferena na profundidade de penetrao

resultante da aplicao de uma carga inicial menor seguida por uma

carga principal maior.

Com base na magnitude das cargas inferior e principal dois ensaios so

possveis:

Rockwell e Rockwell superficial.

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DUREZADureza Rockell

Dureza Rockwell

(menor carga 10 kg)Dureza Rockwell superficial

(menor carga 3 kg)

Exemplo: 80HRB dureza Rockwell de 80 na escala B.60 HR30W dureza superficial de 60 na escala 30W.

Tanto o nmero de dureza, quanto o

smbolo da escala devem ser indicados.

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DUREZA

Dureza Rockell

Equipamento automatizado: leitura de

dureza direta.

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DUREZA

Dureza Brinell

Penetrador esfrico e duro (ao endurecido

ou carbeto de tugstnio) forado contra a

superfcie do metal a ser testado.

O dimetro do penetrador D= 10 mm.

Cargas entre 500 e 3000 kg, tempo entre 10 e

30s

F- Carga aplicada em kg

D dimetro do penetrador [mm]Di dimetro da impresso [mm]

Exemplo de impresso (esfrica)

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DUREZA

Microdureza Knoop e Vickers

Ambos ensaios usam um penetrador de diamante (pequeno), com

geometria piramidal. As cargas aplicadas so menores que as dos ensaios

de Rockwell e Brinell. [1 e 100 g].

A designao do nmero de dureza : HV dureza Vickers e HK durezaKnoop..

So conhecidos como ensaios de microdureza, devido ao tamanho do

penetrador.

Microdureza muito usado para materiais frgeis, materiais com endurecimento superficial, materiais com microestrutura com durezas diferentes e amostras que

no so macroscopicamente uniformes.

Vickers

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Correlao entre a Dureza e o LRT

Dureza e LRT

Indicadores da resistncia de um metal

deformao plstica.

Aproximadamente proporcionais

Dureza Brinell (HB) e LRT. Para alguns

metais!!!

LRT (Mpa) = 3,45 x HB

LRT (psi) = 500 x HB

Para ligas de ao

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Comparao entre vrias

escalas de dureza

ASTM E 140

Tabelas Padro para Converso

da Dureza de Metais

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Nanoindentao

Liga TiAlV Interface filme de titnio (1 mm) evaporado sobre ao.

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Propriedades Mecnicas estudadas

-ELASTICIDADE: capacidade em se deformar elasticamente, sem

atingir o campo elstico relao entre tenso e deformaodada pelo mdulo de elasticidade.

-DUCTILIDADE: capacidade em se deformar plasticamente, sem

atingir a ruptura.

-FRAGILIDADE: oposto ductilidade

-TENACIDADE: capacidade de armazenar energia sem se romper

-RESISLINCIA: capacidade em armazenar energia no campo

elstico.

-RESISTNCIA TRAO: mxima carga suportada.

-DUREZA: capacidade em resistir penetrao em sua superfcie.

Prop Mecanicas Dos Metais Aulas 2 e 3 (1)

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