PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

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?

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

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.

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

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.

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.

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.

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;

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.

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).

Deformação ()

Tensã

o ()

COMPORTAMENTO DOS METAIS QUANDO SUBMETIDOS À UMA TENSÃO

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

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

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.

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 = /

MÓDULO DE ELASTICIDADE

ESendo:

= tensão (Pa);

= deformação (adimensional);

E = módulo de elasticidade (Pa);

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.

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.

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

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.

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.

LIMITE DE ELASTICIDADE

• Corresponde à máxima tensão que o material suporta sem sofrer deformação permanente

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.

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)

• 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

• 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

Deformação ()

Tensã

o (

)

Limite de resistência à tração - LRT

Deformação ()

Tensã

o (

)

Limite de resistência à tração - LRT

Fratura do material

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.

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

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)

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.

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’).

Curvas de Tração de Materiais Frágeis (Materiais Cerâmicos)

Curva tensão x deformaçãopara a alumina e para o vidro.

Curvas de Tração de Materiais Poliméricos

Relação entre a tensão e a deformação para:

A- polímero frágil;B- polímero plástico;C- elastômero

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.

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).

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

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.

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

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

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

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

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