A.S.D’Oliveira
TM229 - Introdução aos Materiais
Propriedades mecânicas
2009.1
Ana Sofia C. M. D’Oliveira
A.S.D’Oliveira
Propriedades mecânicas
Resistência
Conformabilidade
Resiliência
Tenacidade
Durabilidade
- Tração
- Escoamento
- Compressão
- Flexão
- Cisalhamento
- Fluência
- Tensão de
Ruptura
- % alongamento
- % de redução
de área
- Raio de flexão
- Modulo de
elasticidade
- Modulo de
flexão
- Modulo de
cisalhamento
- Resistência ao
impacto
- Sensibilidade ao
entalhe
- Intensidade da
tensão critica
- Dureza
- Resistência
ao desgaste
- Resistência a
fadiga
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Principal conceito em propriedades mecânicas: Tensão
Tensão= força/área
σ = F/A
Existem vários tipos de tensão
Quais são eles?
Tensão vs resistência
A resistência é a capacidade do material acomodar tensão
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Tração
Compressão
Flexão
Cisalhamento
Torção
Torção do componente
Cisalhamento do componente
Flexão do componente
Tendência para esmagar ou
colapsar o componente
Tendência para
separar/romper o
componente
Elástica
Estrutura retorna a sua
forma original quando
se remove a carga
Plástica
Carga aplicada provoca
uma deformação
permanente
T
e
n
s
ã
o
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Ensaios Mecânicos
Permitem quantificar as propriedades mecânicas
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O ensaio de tração uniaxial é um dos mais populares ensaios mecânicos.
Fornece informações referentes a resistência e ductilidade do material ensaiado.
Propriedades passiveis de serem utilizadas em projeto
Ensaio de Tração Uniaxial
Corpo de prova
Cp cilindrico cp retangular
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Geometria do corpo de prova (dimensões padronizadas)
Colocação de
extensômetro
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Curva tensão- deformação
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Curva Tensão Nominal x Deformação nominal( metal dúctil )
Modulo de elasticidade – medida da rigidezTensão de escoamentoTensão máxima ou limite de resistênciaDutilidade (redução de área; deformação)Coef de encruamentoEstricção – estado triaxial de tensões
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Critério de instabilidade plástica
d
d
Quando começa a estricção ?
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)1ln()1( NVNNV Equações de transformação (N, N) (v, v)
Curva engenharia vs curva verdadeira
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Encruamento
- Aumento da tensão necessário para fazer o material escoar devido à própriadeformação plástica que ele experimenta.
- taxa de encruamento como d/d.
- Durante a deformação plástica a frio a densidade de discordâncias aumenta,podendo passar de 106 cm/cm3 para 1012 cm/cm3.
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Limite de escoamento descontínuo
- Efeitos: patamar de escoamento descontínuo,bandas de Lüders- Causa: difusão de átomos intersticiais decarbono e nitrogênio para regiões “confortáveis”nas discordâncias em aresta, formandoatmosferas ou “clusters” que ancoram e dificultamo movimento das mesmas (atmosferas de Cottrel).- Os efeitos se acentuam com o aumento daquantidade de C e N em solução sólida.
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1- carregamento do aço doce recozido2 – ensaio é interrompido e a cargaaliviada; o ensaio recommeça logo emseguida;3 – ensaio é interrompido e a cargaaliviada; o ensaio é recomeçado algunsmeses após.
EXPERIÊNCIA
Fonte: [3]
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Material dutil com alto
coef de encruamentoMaterial dutil com bx coef de
encruamento
Aços inoxidáveis
e ao carbono
Ligas de
Aluminio
Material frágil
Vidros, cerâmicos, FF e
alguns metais
Material com escoamento
descontinuo
Aço de bx
carbono
Material compósito
Fibras de vidro ou de carbono
em matriz polimérica
Comportamento de diferentes materiais sob tração uniaxial
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O que representam as cotas:
14
16
17
18
25
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Efeito da temperatura nas propriedades
mecânicas
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Testes de dureza
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Ensaios de dureza
Propriedade que se relaciona diretamente com a resistência mecânica domaterial – mede a resistência do material a deformação plástica localizada.
Quanto maior o limite de resistência de um material metálico, maior asua dureza.
Frequentemente a dureza do material éproporcional a sua resistência aodesgaste e durabilidade
Nos aços a dureza é utilizada como umamedida da resistência a abrasão
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Os ensaios de dureza podem ser por penetração, risco ou choque.
No caso dos materiais metálicos, os métodos mais utilizados são os ensaios de
dureza por penetração
Brinell
Vickers
Knoop
Rockwell
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Dureza Brinell
Dureza Brinnel (HBN): obtém-se o valor da dureza dividindo-se a carga aplicada
pela área de penetração impressa no material.
O penetrador deixa uma calota esférica impressa na amostra. A máquina de ensaio possui um
microscópio ótico que se presta à medição do diâmetro d do círculo que corresponde à
projeção da calota. A dureza Brinnel será dada por:
)()/(
arg
22 dDDtD
P
Dt
P
impressãodaárea
acHBN
Sendo P a carga aplicada, D o diâmetro do penetrador e d o diâmetro da projeção
da área de impressão.
P
d
d
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-Superfície deve ter as duas faces paralelas e um bom acabamento superficial.
-O valor da carga P pode variar, desde que se mantenha constante a relação P/D2.
P/D2 = 30 para aços e ferros fundidos
P/D2 = 20 para ligas de alumínio.
Obedecendo-se essa regra, o resultado do ensaio será independente da carga (ou
diâmetro da esfera) adotada.
Penetrador é uma esfera de
aço temperado para materiais de dureza média
ou baixa, ou de
carboneto de tungstênio, para materiais de
elevada dureza.
Dureza Brinell
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Dureza Vickers
22
854,1
)2/136(sen2/
arg
d
P
d
P
impressãodaárea
acHV
o
Sendo d a média da medida das diagonais d1 e d2 da base
da impressão.
A dureza Vickers apresenta uma escala contínuaabrangendo desde materiais macios (~5HV) atemateriais bastante duros (>1000HV);
Penetrador de diamante em forma de pirâmide de base
quadrada e ângulo de 136o entre as faces
Exige maior acabamento da superfície
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Dureza Rockwell
O ensaio de dureza Rockwell é o simples e rápido.
O valor da dureza do material é lido diretamente no equipamento
A dureza é inversamente proporcional à profundidade de penetração obtida pelaaplicação da carga.
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Escala B:
Os metais menos duros devem ser ensaiados selecionando-se esta escala. O penetrador
utilizado é uma esfera de 1/16 pol. aço temperado e a carga é de 100 kgf. A escala B vai de 0
a 100.
Escala C:
Os metais mais duros devem ser ensaiados por esta escala. O penetrador utilizado possui
uma ponta cônica de diamante e a carga é de 150kgf. A escala C vai de 0 a 70, mas valores
de dureza Rockwell C inferiores a 20 não são considerados válidos, ou seja, neste caso deve-
se passar para a escala B.
Ao se ensaiar um material desconhecido, deve-se inicialmente utilizar a escala A,
O penetrador utilizado possui uma ponta cônica de diamante e a carga de penetração é de
60kgf.
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O ensaio de dureza Rockwell passo a passo:
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Tenacidade
Capacidade de absorver energia até a ruptura
ResiliênciaCapacidade de absorver energia elástica
Resistência a propagação de
trincas
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Ensaio de impacto
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Ensaios de impacto (Charpy e Izod)
- Alta taxa de carregamento
- CP entalhado (concentrador de
tensões)
O impacto é dado no sentido de
abrir e não fechar a trinca.
Pode-se variar a temperatura de
ensaio utilizando-se misturas de
nitrogênio e álcool para
refrigeração.
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Máquina de Ensaio (pêndulo) Corpos de Prova
- Izod
- Charpy
MATERIAIS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA
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Influência da Temperatura
FRATURA FRÁGIL
- Pouca deformação plástica macroscópica
FRATURA DÚCTIL
- Muita deformação plástica macroscópica
- Expansão lateral do corpo de prova
Metais ccc
Apresentam transição dúctil-
frágil
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Tamanho de grão
contornos de grão são obstáculos à propagação de trincas, obrigando queestas mudem de direção na passagem de um grão para outro
materiais de grãos finos exigem uma mais alta energia para fratura eapresentam temperatura de transição dúctil-frágil mais baixa do que materiais degrãos grosseiros.
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Composição química
-Elementos que notoriamente abaixam a tenacidade: Enxofre, fósforo e carbono.
-Elementos benéficos: Manganês e níquel
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Fadiga
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Fadiga
A fadiga é um tipo de falha mecânica que ocorre devido a esforços
(tensões e deformações) flutuantes.
Estes esforços geralmente são aleatórios. Nos ensaios de fadiga são
empregados ciclos de tensão ou deformação bem definidos.
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Para esses ciclos são definidos os seguintes parâmetros:
•a é a amplitude de tensões
•r = (máx. - mín.) = 2a
•máx. e mín., tensões mín e máx;
•R = mín/máx.
•médio é a tensão média
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Propagação da trinca de fadiga em função do ciclo de tensão
propagação
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Superfície exposta a fadiga,
formação de concentradores de
tensão
Mecanismo de fadiga
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Aspectos superfície de fadiga
Aspecto macroscópio: marcas de praia Aspecto microscópico:estrias de fadiga
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Curvas S-N
Efeito da tensão média
Tensão limite de fadiga abaixo dele o n. de ciclos é infinito
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Fluência
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Fluência
Falha que ocorre em altas temperaturas.
Deformação permanente e dependente do tempo, que pode gerardefeitos internos que levam à ruptura do material.
Antes da falha, o componente experimenta deformação plástica, o quecompromete a geometria e e a precisão dimensional dos componentes.
As temperaturas em que os mecanismos de fluência se tornam operantessão geralmente superiores a 0,4TH.
Temp. Homologa = T de teste
T fusão
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X
t
I II III
Estágios do comportamento em fluência:
Região de Taxa de
deformação contante
ss1
Região de
ruptura
Região de
encruamento
Parâmetros importantes retirados do ensaio de fluência:
- taxa de deformação no estágio II e
- vida em fluência (tempo total para ruptura)
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46
Em casos reais é possivel que não se identifiquem alguns dos estágios da fluência
t
Regiões II e III desaparecem pois
é nec um tempo muito longo
(tensões moderadas e baixa T)
t
Região III desaparece
pois ocorreu falha por
cavitação
x<10%
ou até
<1%
t
Região II não é identificada pois
a amostra sofre estricção e
quebra antes da região II
x
t
Região I invertida
(endurecimento por
solução sólida)
x
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Efeito da tensão e da temperatura na curva de fluência
Efeito da tensão
Efeito da temperatura
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Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos (Nabarro-Herring)
Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de grão (Coble);
Deslizamento de discordâncias;
Movimentação de discordâncias por escalagem;
Deslizamento de contornos de grão.
Mecanismos de fluência:
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Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos
(Nabarro-Herring)
Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de
grão (Coble);
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Rápido movimento das lacunas
-> metal flui rápidamente
Deslizamento de discordâncias;
Movimentação de discordâncias por escalagem
escalagem de discordâncias
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