capítulo 3 - propriedades mecânicas.pdf

7/26/2019 Captulo 3 - Propriedades Mecnicas.pdf

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10/05/2016 1 / 20http://chapeco.ifsc.edu.br

Universidade Tecnolgica Federal do Paran

Campus: Francisco Beltro

Ministrante: Msc. Eng Mec. Fbio J. Corra

Mecnica dos slidos


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Objetivos

Saber diferenciar tenso/deformao verdadeira e nominal;

Observar grficos de tenso x deformao e encontrar aspropriedades mecnicas dos materiais;

Entender e compreender os conceitos de dureza, ductilidadee a importncia das propriedades mecnicas em projetos deengenharia.


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Os engenheiros precisam entender e compreender como aspropriedades mecnicas so medidas e o que essas propriedadesrepresentam em componentes, mecanismos, estruturas e tubulaes;

Em certas situaes preciso conhecer as caractersticas do materialpara poder projetar o componente estrutural de forma que asdeformaes que o componente est submetido no seja excessiva eno ocorra fratura e falhas. Entretanto, em componentes mecnicos,em estruturas metlicas e em sistemas de tubulaes, o nvel desolicitao mecnica tem que estar dentro dos padres aceitveis.

Por que estudar as propriedades

mecnicas dos materiais?


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As propriedades mecnicas dos materiais so examinadasatravs da realizao de experimentos em laboratriocuidadosamente programados (aplicao de uma carga durante umtempo), que reproduzem o mais fielmente possvel as condiesde servio (ambientais).

A carga pode ser de trao, de compresso, ou decisalhamento, e a sua magnitude pode ser constante ao longodo tempo ou ento flutuar continuamente.

Propriedades mecnicas dos materiais


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O papel dos engenheiros o de determinar as tenses dosmembros que esto sujeitos a solicitaes.

O comportamento mecnico de um determinado material pode serverificado mediante a um ensaio de tenso-deformao.

Os engenheiros precisam se preocupar com a produo efabricao de materiais para atender as exigncias de serviosconforme previsto por essas anlises de tenso.

Propriedades mecnicas dos materiais


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Propriedades mecnicas dos materiaisResistncia trao;Resistncia compresso;

Elasticidade;Plasticidade;Ductilidade;Fragilidade;Dureza;Fluncia;Fratura;Fadiga;Resilincia;Tenacidade.


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Compresso


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Trao


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Flambagem


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Flexo


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Cisalhamento


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Toro


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Deformao Elstica

O grau ao qual uma estrutura se deforma depende da

magnitude da tenso imposta. Para a maioria dos metais que sosubmetidos a uma tenso de compresso ou de trao em nveisbaixos, so proporcionais entre si:

= E.

Esta relao conhecida por lei de Hooke, e a constante deproporcionalidade E (GPa ou psi) o mdulo de elasticidade, oumdulo de Young.


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Deformao Elstica

O processo de deformao no qual a tenso e a deformaoso proporcionais entre si chamada de deformao-elstica,

com o grfico de = E.resultando em uma reta:


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Deformao Elstica

Porm a lei de Hooke no vlida para todos os valores de

deformao, ela uma aproximao quando a tenso relativamente baixa. Tambm, a deformao elstica no permanente o que significa que quando a carga aplicada liberada, a pea retorna a sua forma original.


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Deformao Elstica


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Deformao Elstica

Os valores dos mdulos de elasticidade para materiais

cermicos so caractersticas maiores do que para os metais, epara os polmeros so menores. Essas diferenas soconsequncias diretas dos diferentes tipos de ligaes qumicasnesses trs tipos de materiais.

O aumento da temperatura, o mdulo de elasticidade tende adiminuir.


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Deformao Elstica

A imposio de tenses de cisalhamento ou torcionais tambminduzem um comportamento elstico. As caractersticas tenso-

deformao a baixos nveis de tenso so as mesmas tantopara uma situao de trao quando de compresso,proporcionais ao mdulo de elasticidade. A tenso e adeformao de cisalhamento so proporcionais uma a outra atravsda seguinte expresso:

= G.

onde G representa o mdulo de cisalhamento.


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Exemplo

Uma barra de ao 1040 (mdulo de elasticidade = 200 GPa) com

dimetro de 10 mm submetida a uma carga de 50.000 N,levando um pouco mais do seu limite de proporcionalidade. Calcule arecuperao elstica que ocorre quando eliminada a tenso.


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Deformao Plstica

Para a maioria dos materiais metlicos, o regime elstico

persiste at deformaes de aproximadamente 0,005. A medidaque o material deformado alm desse ponto, a tenso no mais proporcional deformao, ocorrendo ento uma deformaopermanente no recupervel, ou, deformao plstica.


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Deformao PlsticaConforme os grficos de tenso-deformao tpicos para algunsaos, percebe-se que a baixas tenses existe uma regio linear,que aos poucos entra em uma regio no-linear, a chamada regio dedeformao plstica;


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Tenso nominal e deformao nominal

So denominados tenso de engenharia e deformao deengenharia.

Quando feito um ensaio de trao, as grandezas que somedidas so a fora aplicada (carga) e o alongamento da pea.

Para encontrar a tenso precisa levar em conta a rea da seo

do corpo de prova.

O problema que durante o ensaio, a seo do corpo de provadiminui, devido ao alongamento dificultando a medio da tenso.


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Tenso nominal

Para isso usado a tenso nominal e deformao nominal.

So calculados a partir da rea inicial, considerando que ela semantenha constante durante todo o ensaio.

A tenso de engenharia ou tenso nominal definida pela relao:

= F/A0

Sendo: a tenso (MPa), F a fora aplicada (N) e A0a rea daseo inicial (m) do corpo onde diretamente aplicado a carga.


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Deformao nominal

A deformao nominal ou deformao de engenharia definida pela

relao:

= (lil0)/l0=l/l0

Sendo: l0 o comprimento original antes de ser aplicada carga e li

o comprimento instantneo depois de ser aplicada carga. Agrandeza li l0 pode ser substituda por l, e representa oalongamento da deformao ou a variao no comprimento a umdado instante, referente ao comprimento original.


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Ensaios de compresso e trao

Determinao do diagrama tenso x deformao para um material

especfico a partir de ensaios mecnicos obtidos de formaexperimental.

As propriedades mecnicas de um material devem ser conhecidaspara que os engenheiros possam relacionar a deformao medida

no material com a tenso associada a ela.


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Ensaio de Compresso

No teste de compresso o corpo de prova testadopela aplicao de uma carga axial compressiva.


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Ensaio de Trao

Consiste na aplicao de carga de trao uniaxial crescente emum corpo de prova especifico at a ruptura.

Trata-se de um ensaio amplamente utilizado na indstria decomponentes mecnicos, devido s vantagens de fornecer dadosquantitativos das caractersticas mecnicas dos materiais.


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Ensaio de TraoCom esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente asdeformaes promovidas no material so uniformemente

distribudas em todo o seu corpo, pelo menos at ser atingida umacarga mxima prxima do final do ensaio e, como possvel fazercom que a carga cresa numa velocidade razoavelmente lentadurante todo o teste, o ensaio de trao permite medirsatisfatoriamente a resistncia do material.


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Ensaio de Trao

Corpo de prova tpico com extensmetro instalado


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Ensaio de Trao

Mquina de ensaio


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Diagrama tenso x deformao


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Pontos Importantes

Comportamento elstico; Escoamento; Endurecimento pordeformao; Estrico; Diagrama tenso x deformao real.

Os pontos importantes do diagrama tenso-deformao so:Limite de proporcionalidade, limite de elasticidade, limite deescoamento, limite de resistncia e tenso de ruptura.

Estrico Falha de um material dctil


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Comportamento da Tenso x Deformao de

Materiais Dcteis e Frgeis

Materiais Dcteis Qualquer Material que possa ser submetido agrandes deformaes antes da ruptura chamado de material dctil. Oao doce e meio doce so exemplos. Os engenheiros escolhemmateriais dcteis para o projeto por que so capazes de absorverchoque ou energia e, quando sobrecarregados, exibem, em geral,

grande deformao antes de falhar.

Materiais Frgeis So materiais que possuem pouco, ou nenhumescoamento. Exemplo: Ferro fundido cinzento, concreto, cermica.


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Resistncia dos aosMaterial Limite de Resistncia (Mpa) Tenso de Escoamento (Mpa)

ABNT 1010 (laminado) 330 180














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Ensaio de flexoO ensaio de flexo foi adotado com o objetivo de ser utilizado emmateriais frgeis para determinar a tenso admissvel e flecha de ruptura, etambm permitir avaliar outras propriedades mecnicas, como o mdulo deelasticidade flexo.

A tcnica de ensaio consiste em apoiar o corpo de prova em doispontos distanciados de um comprimento (L) e aplicar lentamente uma fora deflexo (F) no centro deste.


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Ensaio de flexo

Deste ensaio pode ainda retirar-se o mdulo de ruptura (Mr),que significa o valor mximo da tenso de trao ou de

compresso nas fibras externas do corpo de prova e que podeser obtido pela a seguinte expresso:

onde, M o momento mximo de flexo igual a (Fmax.L/2)expresso em [N.mm], Y a distncia do eixo fibra externa emmm e I o momento de inrcia inicial da seco transversal do corpode prova em relao ao seu eixo, em mm4.


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Ensaio de flexo

Outra propriedade possvel de obter no ensaio de flexo omdulo de elasticidade flexo (E) atravs da seguinte expresso:

em que, y a flecha medida para a fora (F) aplicada a meiovo, L o tamanho do corpo de prova e I o momento de inrcia.


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Ensaio de flexo

para seo circular

para seo retangular

Os momentos de inrcia do corpo de provapodem ser calculados a partir de sua geometria:


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Ensaio de flexo

A grande vantagem do ensaio de flexo a de permitir

utilizar corpos de prova mais fceis de preparar do que oscorpos de prova para o ensaio de trao, tem mais aplicaoquanto mais duro for o material.

No entanto, para materiais muito frgeis, os resultados obtidosapresentam grande disperso, de modo que nestes casos

devem realizar-se sempre vrios ensaios para estabelecer umvalor mdio.


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Resistncia ao cisalhamento e toro

Obviamente, os metais podem experimentar deformao plstica sob a

influncia da aplicao de cargas cisalhantes e torcionais;

O comportamento tenso-deformao resultante semelhante acomponente de trao.

Com um grfico linear quando sob a influncia de cargas relativamente

baixas, e tambm apresentar deformao plstica (variando de acordocom o material), e ter um ponto de ruptura respectivo a tenso de ruptura.


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Fluncia

A fluncia a deformao plstica que ocorre num material, sobtenso constante ou quase constante, em funo do tempo (tempo em

geral muito grande). A temperatura tem um papel importantssimo nessefenmeno.A fluncia ocorre devido movimentao de falhas, que sempreexistem na estrutura cristalina dos metais. No haveria fluncia seestas falhas no existissem. Existem metais que exibem o fenmeno defluncia mesmo temperatura ambiente, enquanto outros resistem a

essa deformao mesmo a temperatura elevadas. As exigncias deuso tm levado ao desenvolvimento de novas ligas que resistammelhor a esse tipo de deformao. A necessidade de testar essesnovos materiais, expostos a altas temperaturas ao longo do tempo, define aimportncia deste ensaio.


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Fluncia

Os ensaios que analisamos anteriormente so feitos num curtoespao de tempo, isto , os corpos de prova ou peas so

submetidos a um determinado esforo por alguns segundos ou, nomximo, minutos. Porm, nas condies reais de uso, os produtossofrem solicitaes diversas por longos perodos de tempo. O usomostra que, em algumas situaes, os produtos apresentamdeformao permanente mesmo sofrendo solicitaes abaixo do seu limiteelstico.

Essas deformaes ocorrem mais freqentemente em situaes deuso do produto que envolvam altas temperaturas. E quanto maior atemperatura, maior a velocidade da deformao.


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Fluncia

Nos ensaios de fluncia, o controle da temperatura muitoimportante. Verificou-se que pequenas variaes de temperatura podem

causar significativas alteraes na velocidade de fluncia. Exemplodisso o ao carbono submetido ao ensaio de fluncia, a umatenso de 3,5 kgf/mm, durante 1.000 horas: temperatura de 500 C,apresenta uma deformao de 0,04% e temperatura de 540 Capresenta uma deformao de 4%.


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Resistncia ao Choque e ao Impacto

Choque ou impacto um esforo de natureza dinmica. Ocomportamento dos materiais sob ao de cargas dinmicas diferente de

quando est sujeito cargas estticas.A capacidade de um determinado material de absorver energia doimpacto est ligada sua tenacidade, que por sua vez estrelacionada com a sua resistncia e ductilidade.O ensaio de resistncia ao choque d informaes da capacidade domaterial absorver e dissipar essa energia. Como resultado do ensaiode choque obtm-se a energia absorvida pelo material at sua fratura,caracterizando assim o comportamento dctil ou frgil.


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Em relao resistncia ao impacto:

Materiais Polmeros: So frgeis baixas temperaturas porque arotao dos tomos na molcula requer energia trmica. A maioria dospolmeros apresentam transio dctil-frgil que geralmente abaixo daambiente.Materiais CFC: Permanecem dcteis (no-apresenta transio dctil-frgil) porque nesta estrutura h muitos planos de escorregamentodisponveis. Exemplo: alumnio e suas ligas e cobre e suas ligas.Materiais HC: So frgeis porque nesta estrutura h poucos planosde escorregamento disponveis. Alguns materiais HC apresentamtransio dctil-frgil. Exemplo: zinco.

Resistncia ao Choque e ao Impacto


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Resistncia Fratura

A resistncia fratura de um material determinada pela tenacidade.A tenacidade um termo mecnico que usado em vrios contextos:livremente falando, ela representa uma medida da habilidade de ummaterial em absorver energia at sua fratura.Para uma situao esttica (pequena taxa de deformao), atenacidade pode ser determinada a partir dos resultados de um ensaiotenso-deformao. Ela a rea sob a curva x at o ponto defratura. As unidades de tenacidade so: energia por unidade de volumedo material. Para que um material seja tenaz, ele deve apresentartanto resistncia como ductibilidade. E freqentemente materiais dcteisso mais tenazes que materiais frgeis.


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Resistncia Fadiga o efeito observado em estruturas com estado de tenses bemabaixo da tenso de ruptura quando se pode desenvolver um acmulodo dano com cargas cclicas continuadas conduzindo a uma falha do

componente ou estrutura.Todos dos materiais so anisotrpicos e no homogneos. Metais deengenharia so compostos por agregados de pequenos gros decristal. Dentro de cada gro a estrutura tambm anisotrpica devidoaos planos do cristal e se a fronteira do gro fechada, a orientaodestes planos muda. Estas no homogeneidades existem no somente

pela estrutura de gros, mas tambm por causa de incluses deoutros materiais. Como resultado da no homogeneidade tem-se umadistribuio de tenses no uniforme. Regies da microestrutura ondeos nveis de tenso so altos normalmente so os pontos onde odano de fatiga se inicia.


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Resistncia FadigaPara metais dcteis de engenharia, gros de cristal que possuemuma orientao desfavorvel relativa ao carregamento aplicadodesenvolvem primeiro 'slip bands' (so regies onde h intensa

deformao devido ao movimento entre os planos do cristal.Materiais com alguma limitao de ductibilidade como so os metaisde alta resistncia, o dano microestrutural menos espalhadotendendo a ser concentrado nos defeitos no material. Uma pequenatrinca desenvolve-se a partir de uma lacuna, incluso, 'slip band',contorno do gro. Esta trinca cresce ento num plano geralmente

normal tenso de trao at causar uma falha, algumas vezesjuntando-se com outras trincas durante o processo. Assim, o processoem materiais com ductibilidade limitada caracterizada pelapropagao de poucos efeitos, em contraste com danos intensificadosmais espalhados que ocorrem em materiais altamente dcteis.


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Resistncia Fadiga

Em materiais de fibra composta, a fadiga geralmente caracterizadapelo crescimento de trincas e de laminaes espalhadas

desenvolvendo acima de uma relativa rea.Quando a falha dominada pelo crescimento da trinca, a fraturaresultante, quando vista macroscopicamente, geralmente exibe umasuperfcie polida prximo rea em que se originou. Superfciesrugosas normalmente indicam um crescimento mais rpido da trinca.Linhas curvas concntricas origem da trinca so freqentemente

vistas e marcam o progresso da trinca em vrios estgios.Aps a trinca ter caminhado um determinado comprimento a falhapoder ser dctil (envolvendo grandes deslocamentos) ou frgil (pequenosdeslocamentos).


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