aula 06 propriedades mecanicas
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Propriedades MecânicasProfa.: Priscila Praxedes
1.Introdução
Para poder projetar um material ou um
equipamento é necessário conhecer as propriedades
mecânicas, como elas são medidas e como o material
irá responder a um determinado esforço durante seu
uso.
São empíricas e refletem o comportamento
mecânico do material em relação a sua resposta ou
deformação a uma carga ou força aplicada.
Os ensaios mecânicos laboratoriais são padronizados.
Existem órgãos que padronizam estes ensaios e os
materiais:
•ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas
•ASTM: American Society for Testing and Materials
•DIN: Deutsches Institut für Normung;
•ASME: American Society of Mechanical Engineers;
2. Propriedades Mecânicas – Ensaios
Existem diversos formas de esforços:
- TRAÇÃO: esforço que age tentando alongar a peça
3. Esforços Mecânicos
- COMPRESSÃO:
esforço que age
tentando
ENCURTAR A
PEÇA no sentido da
carga aplicada.
http://www.set.eesc.usp.br/labestr/infra_maq.htm
3. Esforços Mecânicos
- FLEXÃO: solicitação transversal que deforma o corpo
modificando seu eixo longitudinal
http://www.engenhariacivil.com/analise-experimental-estruturas-betao
3. Esforços Mecânicos
- CISALHAMENTO: ocorre quando um corpo tende a
resistir a ação de duas forças agindo paralelamente,
próximas mas em sentidos contrários.
http://grupomec.tripod.com/Material.htm
3. Esforços Mecânicos
- TORÇÃO: é um tipo de solicitação que tende a girar as
seções de um corpo, uma em relação à outra.
http://dicioilustradoestruturas.blogspot.com/
3. Esforços Mecânicos
4.Conceitos de Tensão e Deformação
Ensaio de tensão deformação traça o comportamento domaterial através da aplicação de uma carga estática ou quese altera lentamente ao longo do tempo em uma seçãoreta.
A seção pode ser circular ou retangular.
Intensidade da força aplicada pela área (kgf/mm²) ou MPa.
5. Ensaio de Tração
Usado para avaliar propriedades mecânicas importantes emprojetos.
• A amostra é deformada até sua ruptura , através de uma carga detração aplicada uniaxialmente ao longo do eixo maior de umcorpo de prova.
5. Ensaio de Tração - CP
Dimensões a acabamento superficialdevem estar de acordo com a normabrasileira
Parte útil: é a porção efetivamenteutilizada para medição do alongamento.
Cabeça: são as extremidades, cujafunção é permitir a fixação do corpo deprova na máquina de ensaio.
5. Ensaio de Tração - CP
Diâmetro Padrão=12,8mm (0,5pol.) Seção Reduzida = 60mm Comprimento útil = 50mm
5. Ensaio de Tração - CP
O corpo de prova é preso pela suaextremidade nas garras de fixação.
A máquina alonga o CP a uma taxaconstante, e mede a carga instantâneaque está sendo aplicada e osalongamentos resultantes.
É um ensaio destrutivo: amostra édeformada permanentemente efraturada.
O resultado é registrado no computadorna forma de carga ou força em função doelongamento.
5. Ensaio de Tração
TENSÃO DE ENGENHARIA e DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA
OA
F
Onde:F: é a carga instantânea aplicada perpendicular (N);Ao: é a área original da seção transversal antes daaplicação de qualquer carga (m² ou in²)SI: TENSÃO 1MPa=106N/m² ou psi=lbf/in²
EQ. 01
5. Ensaio de Tração
DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA e DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA
oo
oi
l
l
l
ll
Onde:lo: é o comprimento original antes de qualquer carga a ser aplicada;li: é o comprimento instantâneo;
:é adimensional, pode ser expressa em porcentagem ou expressaem m/m ou in/in
EQ. 02
A deformação de um material depende da magnitude datensão que é imposta.
Deformação Elástica: processo de deformação no qual atensão e a deformação são proporcionais entre si.
Para a maioria dos metais que sofrem trações baixas atensão e a deformação são proporcionais.
Essa relação é conhecida como LEI DE HOOKE, e a cte deproporcionalidade E é o módulo de elasticidade ou módulode Young
6. Deformação Elástica – Comportamento Tensão x Deformação.
6. Deformação Elástica – Comportamento Tensão x Deformação.
*E EQ. 03
LEI DE HOOKE
Onde:E: MÓDULO DE YOUNG (GPa ou psi)
Para a maioria dos metais típicos E varia entre 45GPa (6,5*106 psi) para o Mg e 407 (59*106 psi) para o W.Para materiais cerâmicos variam entre 70 e 500GPa e os polímeros valores menores entre 0,007 e 4GPa.
O processo de deformaçãoonde a tensão e a deformaçãosão proporcionais é chamandode DEFORMAÇÃO ELÁSTICA.
Na ordenada tensão, naabscissa deformação e nainclinação E.
6. Deformação Elástica – Comportamento Tensão x Deformação.
A deformação elástica nãoé permanente, ou sejaquando a carga aplicada éliberada a peça retorna à suaforma original.
A aplicação da cargacorresponde a ummovimento para cima apartir da origem, ao longo dalinha reta. Com a liberaçãoda carga a linha é percorridaem direção oposta ,retornando à origem.
6. Deformação Elástica – Comportamento Tensão x Deformação.
Polímeros, concretos, ferrofundido cinzento, etc., nãopossuem um comportamentolinear
Para estes materiais utilizamos oMÓDULO TANGENTE ou MÓDULOSECANTE.
TANGENTE: é a inclinação dacurva em um nível de tensãoespecificado.
SECANTE: é a inclinação de umasecante construída da origem até oum ponto específico.
6. Deformação Elástica – Comportamento Tensão x Deformação.
É uma resistênciaimposta pelas forças deligações interatômicas epor isso varia para cadamaterial.
Também sofreinfluencia pelatemperatura diminuindocom seu aumento.
6. Módulo de Elasticidade (E)
7. Ensaio de Compressão
É um ensaio semelhante ao de tração a diferença está nosentido da força que será compressiva e o CP se contrai aolongo da direção da tensão.
As equações são as mesmas do ensaio de tração adiferença está que a tensão e a deformação serão negativas.
Estes ensaios são utilizados quando se deseja conhecer ocomportamento dos materiais submetidos a deformaçõesgrandes e permanentes ou para materiais frágeis a tração.
8. Propriedades Elásticas dos Materiais
Quando uma tensão de tração é imposta um alongamentoelástico a sua deformação é tomada arbitrariamente comosendo mas também existem contrações e deformaçõesnas direções e
Se o material for isotrópico e a tensão aplicada for uniaxial(apenas em z) então = .
O coeficiente de Poisson é a razão entre as deformaçõeslateral e axial.
z
x y
y
x
8. Propriedades Elásticas dos Materiais
Exercício Uma tensão de tração deve ser aplicada ao longodo eixo do comprimento de um bastão cilíndrico de latão comdiâmetro de 10 mm. Determinar a magnitude da carganecessária para produzir uma alteração de 2,5x10-3 mm nodiâmetro do bastão se a deformação for puramente elástica.
Poisson latão= 0,34
E=97GPa
9. Comportamento Mecânico dos Metais
• Para a maioria dos metais, o regime dedeformação elástica persiste apenas atedeformações de 0,005.
• A partir deste ponto a deformação inicia-se a deformação plástica.
• Materiais são projetados para trabalharsomente na região elástica.
9. Comportamento Mecânico dos Metais
Escoamento é a região onde inicia-se adeformação plástica.
Ponto de escoamento é o ponto ondeocorre este afastamento da linearidade.Convencionou-se que para determinar-se o ponto constrói uma paralela em ϵ =0,002.Quando a reta cruza a curva chama-seTENSÃO LIMITE DE ESCOAMENTO (σl)
9. Comportamento Mecânico dos Metais
9. Comportamento Mecânico dos Metais
10. Ductibilidade
Representa uma medida dograu de deformação plásticaque foi suportado até omomento da fratura.É expressa comoalongamento percentual oucomo redução de áreapercentual.
100*%
o
of
l
llAL
Deformação
Tensão
DúctilFrágil
100*%
o
of
d
ddRA
11. Resiliência
Deformação
Tensão
Capacidade do material em absorverenergia quando deformadoelasticamente e depois com odescarregamento, esta energia érecuperada.São materiais que possuem limitesde escoamento elevados e módulos deelasticidade pequenos
EU e
r2
2 SI: J/m3
11. Resiliência
12. Tenacidade
Capacidade do material em absorver energia até a suaruptura. São materiais que possuem limites de escoamentoelevados e módulos de elasticidade pequenos
EU e
r2
2
Exercício Mecânicos
Uma haste de alumínio é feita para resistir a uma força
aplicada de 45.000 libras. A curva de tensão-deformação
para a liga de alumínio a ser utilizado é mostrado na Figura 1.
Para garantir segurança , a tensão máxima permitida na
haste está limitado a 25.000 psi , o que é inferior a resistência
ao escoamento do alumínio . A haste deve ter pelo menos
150 polegadas de comprimento mas não deve deformar-se
elasticamente mais do que 0,25 polegadas quando a força é
aplicada .
a) Calcule o diâmetro da barra (R=1,84in)
b) Calcular o módulo de elasticidade da liga de alumínio para
as quais a curva tensão-deformação é mostrado.
c) Calcular o comprimento de uma barra de inicial
comprimento 50 polegadas quando uma tensão de tração de
30.000 psi é aplicada.
The engineering stress–strain curve for an
aluminum alloy from Table 6-1.
13. Tensão Verdadeira E Deformação Verdadeira
Durante o ensaio de tração ocorreuma diminuição na área da região dopescoço.A tensão verdadeira leva emconsideração a área instantânea (Ai).
𝜎𝑉 =𝐹
𝐴𝑖(10.1)
∈= 𝑙𝑛𝑙𝑖
𝑙𝑜(10.2)
13. Tensão Verdadeira E Deformação Verdadeira
Se não ocorrer alteração novolume:
𝐴𝑜 ∗ 𝑙𝑜 = 𝐴𝑖 ∗ 𝑙𝑖 (10.3)
𝜎𝑉 = 𝜎(1 + 𝜖)
Até a região do empescoçamento a relação entre atensão verdadeira e a tensão de engenharia:
𝜖𝑉 = 𝑙𝑛(1 + 𝜖)
(10.4)
(10.5)
13. Tensão Verdadeira E Deformação Verdadeira
Quando inicia-se a formação do empescoçamento umaregião de complexas tensões são formadas TENSÃOCORRIGIDA.
TE
NS
ÃO
DEFORMAÇÃO
13. Tensão Verdadeira E Deformação Verdadeira
Quando inicia-se a formaçãodas deformações plásticas até oempescoçamento forma-se umaregião de complexas tensõeschamada de TENSÃOCORRIGIDA.n: expoente de encruamento.
TE
NS
ÃO
DEFORMAÇÃO
𝜎𝑉 = 𝐾 ∗ 𝜖𝑉𝑛 (10.6)
13. Tensão Verdadeira E Deformação Verdadeira
10. TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA
Num mesmo lote podemos haver heterogeneidade de
material ou dispersão dos dados de análises.
MÉDIA
𝑋 = 𝑖=1
𝑛 𝑋𝑖
𝑛
DESVIO PADRÃO
𝑠 = 𝑖=1
𝑛 𝑋𝑖− 𝑋 2
𝑛−1
1 2
14. Variabilidade Nas Propriedades De Projeto
A determinação das cargas aplicadas e de seus níveis
de tensão associados sempre geram incertezas
Assim devem ser introduzidos folgas de projeto para
proteção contra falhas não previstas.
TENSAO DE PROJETO usada PARA SITUAÇÕES
ESTÁTICAS e MATERIAIS DÚCTEISP
Cmáx :TENSÃO CALCULADA COM A CARGA MÁXIMA
ADMISSÍVEL
: FATOR DE PROJETO (1,2 a 4)
Sendo: MÁXcP N '.
N’
14. Fatores De Projeto E Segurança
A tensão de trabalho (admissível) é também usada para
projeto e pode substituir a tensão anterior.
Esta tensão é baseada no limite de escoamento do material e
é definida como sendo o limite de escoamento dividido por
um fator de segurança N.
TENSAO DE TRABALHO usada PARA SITUAÇÕES
ESTÁTICAS e MATERIAIS DÚCTEISt
e :tensão escoamento
: fator de projeto
Sendo:N
et
N
14. Fatores De Projeto E Segurança
Utiliza-se mais a TENSÃO DE PROJETO pois está
baseada na tensão máxima admitida pelo material.
A escolha do N também é importante pois se N for muito
grande haverá um superdimensionamento do material
Custos
14. Fatores De Projeto E Segurança
Ensaios de Dureza
Para a engenharia de materiais e a
metalurgia, dureza é a resistência do
material à deformação plástica;
15.Ensaios Dureza
O ensaio de dureza:
Aplica-se uma carga Q através de
um penetrador e mede-se o
tamanho da marca de deformação
deixada pelo mesmo (impressão de
dureza).
15. Ensaios Dureza
•A dureza do penetrador deve ser maior do que a da
amostra a ser ensaiada
•Materiais mais duros são mais resistentes a deformação
plástica e deixam uma impressão menor
15.1 Métodos de ensaios de dureza
a) Por risco – Escala de dureza Mohs
Escala de dureza Mohs é uma tabela de 10 minerais padrões
em que o anterior é riscado pelo posterior na seguinte ordem:
Por tanto, ela serve para classificação de minérios “in loco”, no
campo ou em laboratório.
Este tipo de medida de dureza é de grande utilidade na área de
mineralogia e geologia, mas apresenta pouco interesse na área
de materiais e metalurgia.
talco, gipsita, calcita, fluorita, apatita,
ortoclásio, quartzo, topázio, safira e diamante.
15.1 Métodos de ensaios de dureza
b) Dureza por penetração
No ensaio de dureza por
penetração, aplica-se uma carga Q
sobre a superfície polida do
material a ser ensaiado através de
um penetrador e mede-se a marca
deixada pelo penetrador após a
remoção da carga.
15.2 As principais escalas de dureza
(ensaio por penetração):
a) Dureza Vickers (HV):
•Penetrador: pirâmide de diamante com base quadrada, com
um ângulo de 136° entre as faces opostas.
•Através do penetrador (pirâmide de diamante) pode se aplicar
cargas desde muito pequenas (microdurômetro Vickers, Q <
1N) até da ordem de 1500N (durômetro Vickers).
•A impressão é observada e medida em um microscópio e
convertida num número de dureza (HV).
•Devido ao tamanho do penetrador o ensaio é conhecido como
de microdureza e pode ser aplicado em regiões específicas do
corpo de prova
a) Dureza Vickers
HV = 1,8544*Q/L² [N/mm²]
Onde:
Q = carga aplicada no ensaio, isto é,
ao penetrador de diamante
L = medida da diagonal da impressão de
dureza.
Lei de Meyer:
Para boa parte dos metais observa-se que HV~ 3 ,
(tensão de escoamento do material)
A escala Vickers é muito utilizada na pesquisa porque permite
comparação dos materiais entre si, desde os de dureza mais
baixa (metais) até os muito duros (cerâmica)
esc
a) Dureza Vickers
Tipos de impressão Vickers: (a) perfeita; (b) em metais recozidos; (c) em
metais encruados. (CHIAVERINI, 1986)
b) Dureza Brinell (HB):
Penetrador: esfera de aço temperado é forçado contra a
superfície do metal a ser testado.
O penetrador é de aço temperado (ou de carbeto de
tugstênio) com diâmetro de 10 mm ; aplica-se carga Q
através da esfera por 10 – 30 segundos; mede-se a calota
esférica e a magnitude da carga.
Mede-se através de um microscópio o diâmetro A
impressão é tanto maior quanto mais mole o material.
b) Dureza Brinell (HB):
Onde:
P: carga em kgf
D: diâmetro da esfera em mm
d: diâmetro da impressão em mm
)²((
2²)/(
2dDDD
PmmkgfHB
b) Dureza Brinell (HB):
Limitação do teste:
Não pode ser empregado em peças muito finas
Não utilizar em materiais muito duros, ou de
natureza idêntica ao penetrador.
Chiaverini recomenda que se mantenha uma relação
entre as cargas e os diâmetros das esferas:
15.3 Relação entre a Dureza e o Limite
de Resistência à Tração
Para materiais : Ferro fundido, o aço e o latão. Existe
uma relação entre o limite de resistência a tração e a
dureza Brinell do material:
HBpsi
HBMPa
t
t
500)(
45,3)(
b)Dureza Brinell (HB):
Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza
Brinell no qual se usou uma esfera de 2,5 mm de
diâmetro e aplicou-se uma carga de 187,5 kgf. As
medidas dos diâmetros de impressão foram de 1 mm.
Qual a dureza do material ensaiado?
c) Dureza Rockwell (HR):
Método mais utilizado pois atinge um range maior de
materiais.
O princípio do ensaio é o mesmo do Brinnel, onde
força-se uma carga a um penetrador de forma e
dimensões conhecidas sobre a superfície da peça.
O valor da dureza agora é proporcional A
PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO e não mais a
relação entre a carga e a área de impressão.
c) Dureza Rockwell (HR):
Método mais utilizado pois atinge um range maior de
materiais.
O princípio do ensaio é o mesmo do Brinnel, onde
força-se uma carga a um penetrador de forma e
dimensões conhecidas sobre a superfície da peça.
O valor da dureza agora é proporcional A
PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO e não mais a
relação entre a carga e a área de impressão.
c) Dureza Rockwell (HR):
O sistema é medido pela diferença na profundidade de
penetração de duas cargas.
Uma carga inicial menor de 10kg;
Uma carga maior que varia de 60, 100 e 150kg
(dependendo da escala adotada).
As três principais escalas são:
Escala Rockwell A: materiais muito duros,
penetrador de diamante cônico com carga de 60kg.
Escala Rockwell B: materiais de dureza média,
penetrador esférico de aço (do=1/16”) carga de 100kg.
Escala Rockwell C: materiais mais duros,
penetrador de diamante (escala A), carga de 150kg.
c) Dureza Rockwell (HR):
Ao se especificar a dureza deve-se utilizar a seguinte
notação:
CARGA +HR+ ESCALA
Ex.: 80 HRB representa uma dureza rockwell de 80 na
escala B.
c) Dureza Rockwell (HR):
Penetrador
Cônico de
Diamante
Escala de Dureza
Rockwell
Referências
CALLISTER, J.; Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma introdução. Editora LTC. 7ª Edição, 2008.
CHIAVERINI, V.; Tecnologia mecânica – Estrutura e Propriedade das ligas metálicas. Volume 1. Editora
McGrawHill, 1986.
COSTA, E. M.; Apostila Programa de Engenharia Mecânica PUC/RS.
DUTRA, K.; Apostila de Resistência dos Materiais, CEPEP.
KLEIN. Propriedades básica dos materiais. Departamento de Engenharia Mecânica. Universidade Federal
de Santa Catarina.
• Callister Jr., W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma
introdução. 5 ed. – Rio de Janeiro: LTC, 2002.
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REFERÊNCIAS
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