aula 6 - 18 setembro

UFTM

INTRODUÇÃO A

CIÊNCIA DOS MATERIAIS

Professor:

Neiton Carlos da Silva

neiton@icte.uftm.edu.br

Revisão da Última Aula...

3

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.

3

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

6

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

7

• 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

8

• 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

9

• 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

12

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

15

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

16

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

19

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.

20

Ensaio de Tração

Dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-deformação

por tração.

21

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

3

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

38

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.

42

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

47

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

48

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

49

0l

l

l

ll

o

oi

A

F

0l

lE

z

y

z

x

Propriedades Mecânicas dos Materiais

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

51

• 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

52

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.

58

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.

59

Deformação Plástica

Alguns tipos de aços

apresentam a seguinte

curva, onde temos o

fenômeno do limite de

escoamento

60

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).

61

Deformação Plástica

nk

62

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.

63

Propriedades Mecânicas dos Materiais

64

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).

65

Fases de evolução do diagrama :

66

Propriedades Mecânicas dos Materiais

Materiais frágeis (concreto, vidro):

67

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

70

71

72

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.

73

Propriedades Mecânicas dos Materiais

Esse alongamento é muito mais evidente em materiais

dúcteis, e ele serve para determinar a ductilidade em termos do

alongamento.

74

Propriedades Mecânicas dos Materiais

Materiais dúcteis e frágeis

Estudar Capítulo 6 até página 142