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TM703 Cincia dos Materiais
PIPE Ps - Graduao em Engenharia e
Cincias de Materiais
Carlos Mauricio LepienskiLaboratrio de Propriedades Nanomecnicas
Universidade Federal do Paran
Aula 5 1 sem. 2015
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Propriedades Mecnicas
Quais so as propriedades mecnicas?
Elasticidade x Plasticidade
Interaes entre tomos
Foras eltricas
Processamento de materiaishttp://core.materials.ac.uk/repository/alumatter/processing/forming/sheet-forceDeepDraw.swf
http://www.youtube.com/playlist?list=PLE2DDDF1C6ABD5955
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Tenso e deformao
F = k x Lei de Hooke
http://www.youtube.com/watch?v=5QaqwmZ7Sic&list=PLE2DDDF1C6ABD5955
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Termos importantes em propriedades mecnicas
Elasticidade
Viscoelasticidade
Aneslaticidade
Resilincia
Mdulo de elasticidade
Limite de escoamento
Tenso mxima suportada
Tenso de ruptura
Ductilidade
Tenacidade
Dureza
Indentao instrumentada
Tribologia
Rigidez
Fragilidade
Mdulo de Poisson
Fluncia
Fadiga
http://www.youtube.com/watch?v=0WMWUP5ZHSY
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Testes de tenso versus deformao
stress strain
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Lei de Hooke
ao
Attractive
repulsive
L L = cte L F / Ao
F / Ao = cte (L L)/L
= cte
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Relao entre tenso e deformao
Rigidez e submisso elstica Rigidez
Submisso elstica
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Aspecto Matricial Lei de Hooke Generalizada -
Isotrpico
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Teste de Trao
Curva tpica de tenso x deformao em um teste de trao para um material metlico
http://core.materials.ac.uk/repository/whystudymaterials/tensile-testing-simulation-ukcme.swfhttp://core.materials.ac.uk/repository/alumatter/metallurgy/mechanical_properties/tcp-interactiveTensileTest.swfhttp://core.materials.ac.uk/repository/alumatter/processing/forming/sheet-springbackBending.swf
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Mquina universal de testes mecnicos
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Testes de trao
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Curvas tpicas
tenso
deformao
ao alta resistncia
ao baixo teor de carbono
ferro fundido
cobre
0
0
0
deformao
tenso
l
ll
A
F
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Teste de Trao
Curva tpica de tenso x deformao em um teste de trao para um material metlico
http://core.materials.ac.uk/repository/whystudymaterials/tensile-testing-simulation-ukcme.swfhttp://core.materials.ac.uk/repository/alumatter/metallurgy/mechanical_properties/tcp-interactiveTensileTest.swfhttp://core.materials.ac.uk/repository/alumatter/processing/forming/sheet-springbackBending.swf
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Detalhes da parte inicial da curva tenso x deformao
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Outros aspectos da curva tenso deformao
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Tipos de ruptura
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Exemplos de ruptura em metais
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Planos de escorregamento
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Efeito da adio de carbono em Ferro
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Testes mecnicos
Teste de trao
Teste de compresso
Teste de flexo
Teste de toro
Teste de impacto
Teste de dureza
Teste de resistncia ao risco
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Tipos de carregamentos:
(a) Trao(b) Compresso (c) Cisalhante(d) Torsional
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Teste de Trao
Sensor de fora
Sensor de deformao
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Materiais Dcteis e Frgeis
Dcteis Grande deformao plstica antes da fratura
Frgeis - Pequena deformao plstica antes da fratura
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Dtil Frgil
Efeito da temperatura em ferro
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Deformao plstica por deslizamento
a estado no-deformadob deformao elsticac deformao elasto-plstica com tenso aplicadad deformao plstica (plano de deslizamento AB) aps a retirada da tenso aplicada
Necessita muita energia se no houver discordncia na rede
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Deformao plstica estpredominantemente relacionada ao movimento de discordncias
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Planos de deslizamento preferenciais em sistemas cbicos
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3 Direes de deslizamento (slip directions)
em -Fe (CCC)
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Estados de deformao e tensionamento
Ao
F
Ao /cos
F sen
F cos
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Testes de cisalhamento e torso
Tenso de cisalhamento
Deformao de cisalhamento
Torque T
ngulo de torso
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Deformao elstica
E, mdulo de elasticidade G, mdulo de cisalhamento
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Razo de Poisson
E ~ 2,7 G
metais
Material isotropico
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From Table 7.1
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Comportamento elstico no linear
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Escoamento (Yielding)
Limite de resistncia deformao plastica
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Comparao entre elongao relativa e verdadeira T .
ln lo)/lo = ln/lo) 1
T l1 lo)/lo + l2 l1)/l1 + + ln ln-1)/ln-1
T = dl/l = ln (ln/lo)
ln/lo = 1 +
T = ln (1 + )
l 2l
l 2l
= l l)/l = +1
T = ln (2l/l) = ln 2 = + 0,69
T = ln ( 1 + ) =
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Informaes obtidas da curva tenso deformao
Mdulo de elasticidade
Tenso de escoamento
Resilincia
Tenso mxima suportada
Tenso de ruptura
Ductilidade
Tenacidade
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Mdulo de Elasticidade
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Comportamento Elstico e Comportamento Plstico
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Resilincia
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Elasticidade e Anelasticidade
Metais e Cermicas
ElastmerosBorracha
Quando a deformao desaparece com a retirada da tenso masa relao entre a tensoe a deformao diferente noalvio das tenses do queo foi na aplicao tem-seo fenmeno daanelasticidade.
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Tenacidade
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Tenso de escoamento YieldStrength
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Sempre h alguma recuperao elstica
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http://www.youtube.com/watch?v=BBFBJ1zJlmA&list=PLE2DDDF1C6ABD5955
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Como determinar propriedades Como determinar propriedades mecnicas sem ter que fazer mecnicas sem ter que fazer uma amostra com formato uma amostra com formato
padro para ensaios de padro para ensaios de tratrao, compresso, o, compresso,
flexo ou torflexo ou toro? o?
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RespostaResposta
Determinando a dureza!Determinando a dureza! Ensaio mais rEnsaio mais rpidopido
Equipamento menos sofisticado Equipamento menos sofisticado
(em termos (em termos valia antigamente)valia antigamente)
Qualquer tipo de material sQualquer tipo de material slido.lido.
PePeas grandes ou pequenas.as grandes ou pequenas.
Teste no destrutivo. Teste no destrutivo.
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O que dureza?
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O que dureza?
Resistncia penetrao de um penetrador
Resistncia ao risco
Resistncia deformao plstica
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Callister, 1995
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Medidas de dureza
Caractersticas gerais dos testes de dureza
uso de ponta rgida
penetrao normal na amostra
deformao plstica da amostra sob teste
Medida da dureza
Avaliao da deformao plstica deixada na penetrao
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Livro de Referncia HistricaD. Tabor - Hardness of Metals 1951
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Medidas de dureza Medidas de dureza
so sempre relativas!so sempre relativas!
Dureza no Dureza no uma grandeza uma grandeza ffsica!sica!
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Vantagens dos testes de dureza
So simples e baratos
No necessita de preparao extensiva em formatos especficos
geralmente no destrutivo
Outras propriedades podem ser estimadas a partir da dureza tenso de escoamento
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Processos de penetrao quase-estticos
Brinell
Vickers
Rockwell
Knoop
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Processos dinmicos de penetrao
Shore
Esclermetros
Indentao Instrumentada
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Escala Mohs
Friedrich Mohs foi um cientista alemo que viveu de 1773 a 1839.
1Talc
2Gypsum
3Calcite
4Fluorite
5Apatite
6Orthoclase(Feldspar)
7Quartz
8Topaz
9Corundum
10
Diamond
http://www.minsocam.org/MSA/collectors_corner/arc/microhardness.htm
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10Diamon
5Apatite
9CorundumRuby or Sapphire
4Fluorite
8Topaz
3Calcite
7Quartz
2Gypsum
6Feldspar
1Talc
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A. Mikowski e P. C. Soares Jr.
http://www.gordonengland.co.uk/hardness/mohs.htm
http://geology.about.com/library/bl/blmohsscale.htm
Dureza Mohs
http://www.minsocam.org/MSA/collectors_corner/article/mohs.htm
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Tipos de medida de dureza quase estticos
Testes com medida de rea
Brinell
Vickers
Midrodureza Vickers
Knoop
Teste com escala de penetrao
Rockwell
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Tipos de Testes de Dureza
W. Callister Materials Science
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Indentao com ponta esfrica em um filme de Cromo
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Nanoindentao
O que ?
Indentao instrumentada em nanoescala
Aplicao de fora controlada com medida simultnea de fora, penetrao e tempo.
Sistemas com resoluo de micronewtons(N) e nanmetros (nm).
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Introduo
Nanoindentao O que ?
Aplicao de fora a uma ponta de forma que penetre num material sob teste.
A penetrao e a fora so medidas em funo do tempo.
A penetrao da ordem de nanmetros.
As propriedades mecnicas dos materiais so determinados a partir da curva fora vsdeformao.
Propriedades usualmente medidas: dureza e mdulo de elasticidade
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Testes mecnicosDeformao elstica e plstica
Teste de tenso/compresso uniaxial
Teste de dureza
Testes de impacto
Testes de toro e flexo
Outros testes
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tensotenso //compressocompresso
uniaxialuniaxial
P
LA
tenso = = P/Adefromao = = [Lf-Li]/Li
y
E = /
n
Teste de tenso uniaxial
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Testes de dureza
Caractersticas gerais dos testes de dureza
uso de ponta rgida
penetrao normal na amostra
deformao plstica da amostra sob teste
Medida da dureza
Avaliao da deformao plstica deixada na penetrao
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Resumindo:
Carga esttica aplicada via um penetrador de geometria conhecida
rea de contato residualdeterminada por medida da impresso residual com um microscpio ptico
Dureza Convencional
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Limitaes
ptica: para baixas cargas a impresso muito pequena para ser observada num microscpio ptico e difcil de encontrar em microscpios eletrnico e de fora atmica.
Medies:
No permite clculo do mdulo de elasticidade
No permite calcular as energias envolvidas nem a evoluo dinmica da penetrao.
Aplicaes:
Filmes finos apresentam influncia do substrato
Grandes volumes do material so avaliados
Dureza Convencional
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Indentao Instrumentada
O que Indentao Instrumentada?
Instrumento que proporciona a habilidade de medir a profundidade de penetrao de um penetrador, h, sob a ao de uma fora aplicada, F, por meio de um teste em forma de ciclo.
Possui a capacidade de medir tanto as deformaes plsticas como as deformaes elsticas do material que est sendo testado.
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Indentao Instrumentada
Podem ser usados penetradores esfricos ou piramidais
O principal objetivo determinar a dureza e o mdulo de elasticidade mas outras propriedades tambm podem ser medidas.
Trata-se de uma medida indireta onde deve-se determinar a fora aplicada e a rea de contato do penetrador com a amostra quando a fora mxima aplicada a partir da leitura contnua da fora e da profundidade de penetrao.
A presso mdia de contato e portanto a dureza podem ser estimadas.
A validade dessas medidas esto diretamente ligadas qualidade dos dados brutos e ao potencial do mtodo de determinao da rea de contato a partir dos dados brutos de fora e penetrao.
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Esquema de um sistema de indentao instrumentada
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Indentao Instrumentada
Fora aplicada e penetrao so medidos dinamicamente durante o ciclo de carga e descarga.
Dureza e Mdulo de elasticidade so calculados diretamente dos resultados da curva fora-penetrao.
Curva Carga - Penetrao
Carg
a A
pli
cad
aPenetrao h
Carg
a
Des
carg
a
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Deformao Elasto-Plstica
Comportamento dos Materiais
Curvas Tenso-deformao
Curvas de Indentao
Impresses das indentaes
Plstico Elasto -Plstico
Elstico
F
h
F
h
F
h
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Exemplos de aplicaes em materiais
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Penetradores
Berkovich (142.3) Canto de cubo (90)
Cnico (R < 3 m)Cnico com pontaEsfrica (R > 1 m)
Vickers (136)
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pm
A
FH
Dureza da Indentao Instrumentada
Dureza II
Fora Mxima aplicada, Fm, obtida da curva de carga x penetrao.
A rea de contato projetada, Ap, determinada a partir da determinao da profundidade de contato
Carg
a A
pli
cad
a
Profundidade
Fm
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Como determinar hc?
Medida de ht
S
Fhh mtc
Oliver & Pharr
hcht
Superfcie Inicial
Perfil da superfcie sob carregamento
Contato Real
rea de contato projetada
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Indentao Instrumentada
ht
Fm
Medida de Fm e ht
S
Clculo da Rigidezht
Fm
S
Fhh mtc
Clculo da profundidade
de contato
...41
32
1
21
2
0 ccccp hChChChCA
Clculo da rea de Contato Projetada
p
mIT
A
FH Clculo da
Dureza
pA
SE
2*
Clculo do mdulo de Elasticidade Reduzido
i
i
EEE
)1()1(1 22
*
Clculo do
Mdulo de Elasticidade
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Teste de pequenos volumes
Indentao Instrumentada permite testar pequenos volumes de materiais
4 um
0.7 um
-
102
103
104
0
50
100
150
2008 7-5 4 3 2 1
Lo
ad
on
sa
mp
le (
mN
)
Displacement into surface (nm)
1 - talc 2 - gypsum 3 - calcite 4 - fluorite 5 - apatite 6 - orthoclase 7 - quartz 8 - topaz
Minerais da escala Mohs medidos pela tcnica de nanoindentao
Minerais da escala Mohsembutidos em enxofre
Carga versus deslocamentoCarga aplicada de 20gf
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Vantagens da Indentao Instrumentada
Medidas em baixas cargas
Dureza
Mdulo de Elasticidade
Medidas da penetrao
Controle da penetrao com a espessura dos filmes
Alta resoluo no posicionamento
Teste de pequenos volumes
Testes de uma mesma regio em profundidades diferentes
Controle preciso do tempo de teste
Medida de propriedades dependentes do tempo
Medida de grandezas relacionadas a energia (F x h)
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Caractersticas dos Materiais
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Testes para avaliar a resistncia fratura
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Testes de Fadiga
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Testes de fluncia
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Teste de fluncia variao da deformao com o tempo em funo do
aumento da temperatura e da tenso aplicada
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Elasticidade e Anelasticidade
Metais e Cermicas
ElastmerosBorracha
Quando a deformao desaparece com a retirada da tenso masa relao entre a tensoe a deformao diferente noalvio das tenses do queo foi na aplicao tem-seo fenmeno daanelasticidade.