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CIÊNCIA E ENG MATERIAIS

PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS

Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças ou cargas.

O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua resposta ou deformação a uma carga ou força aplicada.

Algumas propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductilidade e a rigidez.

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As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela realização de experimentos de laboratório cuidadosamente projetados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições de serviço.

Fatores que devem ser considerados incluem a natureza da carga aplicada e a duração de sua aplicação, assim como as condições ambientais.

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A carga pode ser de tração, de compressão ou de cisalhamento, e a sua amplitude pode ser constante ao longo do tempo ou variar continuamente.

O tempo de aplicação pode ser de apenas uma fração de um segundo ou se estender por um período de muitos anos.

A temperatura de operação também pode ser um fator importante.

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As propriedades mecânicas são o alvo da atenção de diversos grupos, os quais possuem diferentes interesses.

É imperativo que exista alguma consistência na maneira segundo a qual são conduzidos os ensaios e na interpretação dos resultados.

Essa consistência é obtida com o emprego de técnicas de ensaio padronizadas.

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Para tal, torna-se importante o estabelecimento e a publicação de normas com frequência, coordenadas por sociedades profissionais.

Nos EUA, a organização mais ativa é a American Society for Testing and Materials, ASTM.

O seu Annual Book of ASTM Standards (http://www.astm.org) compreende diversos volumes, editados anualmente.

http://www.astm.org/

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Um dos papéis dos engenheiros é determinar as tensões e as distribuições de tensões em elementos que estejam submetidos a cargas bem definidas.

Isto pode ser feito através de técnicas experimentais de ensaio e/ou de análises teóricas e matemáticas das tensões.

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Os engenheiros de materiais estão preocupados com a produção e a fabricação de materiais para atender as exigências de serviço previstas por essas análises de tensão.

Isso envolve necessariamente uma compreensão das relações entre a microestrutura dos materiais e as suas propriedades mecânicas.

Com frequência, os materiais são selecionados para aplicações estruturais porque possuem combinações desejáveis de características mecânicas.

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Conceitos de tensão e deformação

Se uma carga é estática ou se vaia de uma maneira relativamente lenta ao longo do tempo e é aplicada uniformemente sobre uma seção transversal ou na superfície de um membro, o comportamento mecânico pode ser averiguado através de um simples ensaio tensão-deformação.

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Tais ensaios são mais comumente realizados para os metais à temperatura ambiente. Existem três maneiras principais pelas quais uma carga pode ser aplicada, a saber: tração, compressão e cisalhamento.

Na prática da engenharia, muitas cargas são de torção, em vez de serem de natureza puramente cisalhante.

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Callister, J. W. D., Ciência e engenharia de materiais: uma introdução, LTC, 7ª Ed, 2008

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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAISEnsaios de tração

Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais comum é conduzido sob tração.

O ensaio de tração pode ser usado para averiguar diversas propriedades mecânicas dos materiais que são importantes para projetos.

Uma amostra é deformada, geralmente até a fratura, por uma carga de tração que é aumentada gradativamente e que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo maior de um corpo de prova.

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Normalmente, a seção transversal é circular, mas também são utilizados corpos de prova com seção retangular.

A redução de seção é escolhido, porque durante o ensaio, a deformação fica confinada à região central mais estreita, e ainda, para reduzir a probabilidade de fratura nas extremidades do corpo de prova.

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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAISO corpo de prova é preso pelas suas extremidades nas

garras de fixação de um dispositivo de teste.


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A máquina de ensaios de tração é projetada para alongar o corpo de prova a uma taxa constante, ao mesmo tempo em que mede contínua e simultaneamente a carga instantânea que está sendo aplicada e os alongamentos resultantes (através de extensômetros).

O resultado é registrado na forma da carga ou força em função do alongamento.

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O cálculo da tensão é feito por:

A deformação pode ser determinada por:

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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAISEnsaios de compressão

Ensaios sob compressão podem ser realizados se as forças nas condições de serviço forem desse tipo.

É conduzido de uma maneira semelhante à de um ensaio de tração, exceto pelo fato de que a força é compressiva e o corpo de prova se contrai ao longo da direção da tensão.

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Os ensaios de tração são mais comuns, pois eles são mais fáceis de serem executados.

Os ensaios de compressão são usados quando se deseja conhecer o comportamento de um materiais submetido a deformações grandes e permanentes (deformações plásticas), como ocorre em operações de fabricação ou quando o material é frágil sob tração.

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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAISEnsaios de cisalhamento e de torção

Para esses ensaios a tensão cisalhante é determinada por:

A deformação cisalhante é definida como sendo a tangente do ângulo de deformação θ

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A torção é uma variação do cisalhamento puro, onde um elemento estrutural é torcido.

As forças de torção produzem um movimento de rotação em torno do eixo longitudinal de uma das extremidades do elemento em relação à outra extremidade.

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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAISComportamento Tensão-Deformação

A quantidade que uma estrutura se alonga ou se deforma depende da amplitude da tensão que lhe é imposta.

Para a maioria dos metais que são submetidos a uma tensão de tração em níveis relativamente baixos, a tensão e a deformação são proporcionais entre si, de acordo com a relação:

Essa relação é conhecida como lei de Hooke.

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A constante de proporcionalidade E (Gpa ou psi) é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young.

Para a maioria dos metais típicos, a amplitude desse módulo varia de 45 GPa (6,5 x 106 psi) para o magnésio até 407 GPa (59 x 106 psi) para o tungstênio.

O processo de deformação no qual a tensão e a deformação são proporcionais é chamado deformação elástica.

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A inclinação do gráfico tensão-deformação é o módulo de elasticidade E.

Esse módulo pode ser considerado como sendo a rigidez ou a resistência do material à deformação elástica.

Quanto maior for o módulo, mais rígido será o material, ou menor será a deformação elástica que irá resultar da aplicação de uma dada tensão.

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A deformação elástica não é permanente, o que significa que quando a carga aplicada é liberada, a peça retorna à sua forma original.

Os valores para os módulos de elasticidade dos materiais cerâmicos são aproximadamente os mesmos que para os metais; para os polímeros, eles são menores. Tais diferenças são uma consequência direta dos diferentes tipos de ligações atômicas nesses três tipos de materiais.

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A imposição de tensões de compressão, cisalhamento ou torção também induz um comportamento elástico.

A tensão e a deformação de cisalhamento são proporcionais entre si através da expressão:

Onde G é o módulo de cisalhamento, a inclinação da região elástica linear da curva tensão-deformação de cisalhamento.

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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAISExr.:1) Um pedaço de cobre originalmente com 305 mm de

comprimento é puxado em tração com uma tensão de 276 MPa. Se a sua deformação é inteiramente elástica, qual será o alongamento resultante?

2) Um corpo de prova de cobre com seção transversal retangular de 15,2 mm X 19,1 mm é tracionado com uma força de 44.500 N, produzindo apenas uma deformação elástica. Calcule a deformação resultante.

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3. Um corpo de prova cilíndrico feito em uma liga de níquel, que possui um módulo de elasticidade de 207 GPa e um diâmetro original de 10,2 mm, irá sofrer apenas deformação elástica quando uma carga de tração de 8.900 N for aplicada. Calcule o comprimento máximo do corpo de prova antes da deformação se o alongamento máximo admissível é de 0,25 mm.

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4. Uma barra de alumínio com 125 mm de comprimento e que possui uma seção transversal quadrada com 16,5 mm de aresta é tracionada com uma carga de 66.700 N e apresenta um alongamento de 0,43 mm. Assumindo que a deformação seja inteiramente elástica, calcule o módulo de elasticidade do alumínio.

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5. Considere um arame cilíndrico de níquel com 2,0 mm de diâmetro e 3 X 104 mm de comprimento. Calcule o seu alongamento quando uma carga de 300 N é aplicada. Assuma que a deformação seja totalmente elástica.

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6. Para uma liga de latão, a tensão na qual a deformação plástica tem seu início é de 345 MPa e o módulo de elasticidade é de 103 GPa.

a) Qual é a carga máxima que pode ser aplicada a um corpo de de prova com uma área transversal de 130

mm2 sem que ocorra deformação plástica?b) Se o comprimento original do corpo de prova é de 76 mm, qual é o comprimento máximo ao qual ele poderá ser esticado sem causar deformação plástica?

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7. Um bastão cilíndrico de aço (E = 207 GPa) que possui um limite de escoamento de 310 MPa deve ser submetido a uma carga de 11.100 N. Se o comprimento do bastão é de 500 mm, qual deve ser o seu diâmetro para permitir um alongamento de 0,38 mm?

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8. Considere um corpo de prova cilíndrico feito em uma liga de aço com 8,5 mm de diâmetro e 80 mm de comprimento que é tracionado. Determine o seu alongamento quando uma carga de 65.250 N for aplicada.

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