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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS Professor: Anael Krelling 1 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

Professor: Anael Krelling

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ENSAIO DE TRAÇÃO

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σesc

σrup

σ

ε

σmax

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Força

Área inicial da seção transversal

Variação de comprimento

Comprimento inicial

Kgf/mm2

N/mm2

MPa

% ?

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COMPORTAMENTO DOS METAIS QUANDO SUBMETIDOS A TRAÇÃO

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EXEMPLO

Um corpo de prova de cobre (E=110 GPa) com comprimento

inicial de 305mm é submetido a um ensaio de tração com uma tensão de

276 MPa. Considerando que a deformação é completamente elástica, qual

será o alongamento (Δl) do corpo de prova?

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MÓDULO DE ELASTICIDADE LONGITUDINAL

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• É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante.

•Está relacionado com a rigidez do material ou à resist. à deformação

elástica

•A lei de Hooke só é válida para o regime elástico!

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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 204 30

Aço 207 30

Tungstênio 407 59

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COEFICIENTE DE POISSON

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EXEMPLO

Uma tensão de tração é aplicada no sentido longitudinal de um

corpo de prova cilíndrico de latão (ν=0,34 e E=97GPa) que possui

diâmetro inicial de 10mm. Determine a magnitude da força requerida para

produzir uma variação no diâmetro (Δd) de 2,5.10-3 mm sabendo que a

deformação é completamente elástica.

Solução no quadro!

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DUCTILIDADE

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DUCTILIDADE X TEMPERATURA

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RESILIÊNCIA

É a capacidade de um material absorver energia quando

deformado elasticamente e libera-la quando descarregada.

É a área sob a curva de tensão - deformação calculada da origem

até o limite de proporcionalidade, na pratica substitui o σprop para σesc

Ur= esc2/2E

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TENACIDADE

É a energia total necessária para ocorrer a fratura do corpo de

prova, ou seja é a capacidade do material absorver energia devido à

deformação até a ruptura

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ESTUDO DA DEFORMAÇÃO

DEFORMAÇÃO ELÁSTICA

•Ocorre antes da deformação plástica;

•É reversível;

•O material volta ao seu estado inicial quando há remoção da tensão;

•Obedece à Lei de Hooke.

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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

•É provocada por tensões maiores que a tensão de escoamento;

•É irreversível porque é resultado do deslocamento dos átomos e,

portanto, não desaparece quando a tensão é retirada.

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MICROESTRUTURALMENTE

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DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

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Densidades de Discordâncias Típicas

Materiais solidificados lentamente = discord./mm2 Materiais deformados= discord./mm2 Materiais deformados e tratados termicamente= discord./mm2

310

109 1010

65 1010 32

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• Discordâncias existem em materiais cristalinos.

• Materiais cerâmicos apresentam estruturas cristalinas mais complexas e ligações

mais direcionais (discordâncias imóveis)

• 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…) (manipulação das propriedades mecânicas do material)

•Nos materiais cristalinos o principal mecanismo de deformação plástica geralmente

consiste no escorregamento de planos atômicos através da movimentação de

discordâncias.

• Já nos materiais amorfos consiste no escoamento viscoso.

•A movimentação das discordâncias se dá preferencialmente através de planos

específicos e, dentro desses planos, em direções específicas, ambos com a maior

densidade atômica de um dado reticulado cristalino.

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ENSAIOS DE DUREZA

•Ensaio mais rápido – não há necessidade de preparação de amostras com

formato padrão;

•Equipamento menos sofisticado (em termos, valia antigamente);

•Qualquer tipo de material sólido;

•Peças grandes ou pequenas;

•Teste não destrutivo – as amostras não são fraturadas nem deformadas

extensivamente, deformação é localizada.

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CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS TESTES DE DUREZA

•Uso de ponta rígida;

•Penetração normal na amostra;

•Deformação plástica da amostra sob teste.

MEDIDA DA DUREZA

•Avaliação da deformação plástica deixada na penetração.

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DUREZA SEGUNDO CALLISTER, 1995

•Dureza é uma medida da resistência do material à deformação plástica

localizada;

•Medidas de dureza são somente relativas e muito cuidado deve ser tomado para

comparar medidas realizadas por diferentes técnicas.

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TIPOS DE TESTES DE DUREZA

•Mohs

•Brinell

•Rockwell

•Vickers

•Shore

•Knoop

•Nanoindentação

•Indentação instrumentada

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DUREZA MOHS

•1822;

•O que risca o que!

•Minerais – do talco ao diamante.

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DUREZA BRINELL

O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera

de aço temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um

metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota

esférica de diâmetro d.

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•John August Brinell (1849 – 1925) – Sueco

•Penetradores esféricos;

•Cargas elevadas;

•Medida óptica da deformação deixada pelo penetrador;

•Uso generalizado em instalações metalúrgicas como controle

de qualidade.

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EXEMPLO

Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza Brinell no qual se usou

uma esfera de 2,5mm de diâmetro e aplicou-se uma carga de 187,5 kgf. As medidas

dos diâmetros de impressão foram de 1mm. Qual a dureza do material ensaiado?

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Tensão Máxima X HB

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DUREZA ROCKWELL

É hoje o processo de dureza mais utilizado no mundo inteiro devido à

rapidez e facilidade de execução.

Neste método, a carga do ensaio é aplicada em etapas, ou seja, primeiro

se aplica uma pré-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o

material ensaiado, e depois aplica-se a carga do ensaio propriamente dita.

A leitura do grau de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado

à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à

faixa de dureza do material.

Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell

são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com

120º de conicidade).

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DESCRIÇÃO DO PROCESSO

•Aproximar a superfície do corpo de prova do penetrador;

•Submeter o corpo de prova a uma pré-carga;

•Aplicar a carga maior até o ponteiro parar;

•Retirar a carga maior e fazer a leitura do valor indicado no mostrador, na escala

apropriada.

Nos ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma pré-carga de 10

kgf e a carga maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf.

Nos ensaios de dureza Rockwell superficial a pré-carga é de 3 kgf e a

carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf.

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DUREZA VICKERS

Este método leva em conta a relação ideal entre o diâmetro da esfera do

penetrador Brinell e o diâmetro da calota esférica obtida, e vai além porque utiliza

outro tipo de penetrador, que possibilita medir qualquer valor de dureza, incluindo

desde os materiais mais duros até os mais moles.

A dureza Vickers se baseia na resistência que o material oferece à

penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces

de 136º, sob uma determinada carga.

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Força [Kgf]

Área de impressão

Diagonal média de impressão [mm]

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EXEMPLO

Encontrar o valor de dureza Vickers de um material que apresentou

0,24mm e 0,26mm de medida de diagonal da impressão, após aplicação de uma

força de 10 kgf.

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Neste método, ao contrário do que ocorre no Brinell, as cargas podem ser de

qualquer valor, pois as impressões são sempre proporcionais à carga, para um

mesmo material. Deste modo, o valor de dureza será o mesmo, independentemente

da carga utilizada.

Por uma questão de padronização, as cargas recomendadas são: 1, 2, 3, 4,

5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf.

Para aplicações específicas, voltadas principalmente para superfícies

tratadas (carbonetação, têmpera) ou para a determinação de dureza de

microconstituintes individuais de uma microestrutura, utiliza-se o ensaio de

microdureza Vickers.

A microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento prático que o ensaio

Vickers, só que utiliza cargas menores que 1 kgf. A carga pode ter valores tão

pequenos como 10 gf.

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QUALIDADE DO PENETRADOR

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DUREZA KNOOP

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•Penetração menor;

•Materiais frágeis;

•Medidas de anisotropia.

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REBOTE - ESCLEROSCÓPIO

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•O peso do martelo é de aproximadamente 2,5 gf e cai de uma altura aproximada

de 25cm (10”) sobre a superfície do material a testar.

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DUREZA SHORE

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•O durômetro é uma evolução do antigo escleroscópio, no qual o princípio de

medição de queda de peso foi substituído por um sistema de medição por mola.

•O durômetro é um instrumento popular para medir a dureza de indentação de

borrachas, plásticos e materiais com comportamento similar. Os tipos mais comuns

de instrumentos são o Modelo A para materiais mais moles e o modelo D para

materiais mais duros.

•A operação do instrumento é bastante simples. O material é submetido a uma

pressão definida aplicada através de uma mola calibrada que atua sobre o

indentador, que pode ser esférico ou cônico. Um dispositivo de indicação fornece a

profundidade de indentação. O valor da dureza é dado pela profundidade da

penetração no material sob teste. Por causa da resiliência de algumas borrachas e

plásticos, a leitura da dureza pode mudar ao longo do tempo, por isso o tempo de

indentação às vezes acompanha o valor medido da dureza.

•As escalas Shore A e Shore D são indicadas para a medição de dureza de

borrachas/elastômeros e usadas também para plásticos “moles” como poliolefinas,

fluoropolímeros e vinis. A escala A é usada para borrachas “moles” enquanto que a

escala D é usada para borrachas mais “duras”.

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•O Durômetro Shore A é específico para medição da dureza relativa em borrachas e

plásticos moles. Se o indentador penetra completamente no material, a leitura obtida

é zero. Se não ocorrer penetração, a leitura é 100. As leituras são adimensionais.

•As diferentes escalas Shore A,B,C,D,DO,M,O,OO,OOO,OOO-S e R foram criadas

utilizando 7 formas diferentes de indentadores, 5 diferentes molas, 2 diferentes

extensões do indentador e duas diferentes especificações dos suportes. As escalas A

e D são as mais utilizadas. A escala M usa uma mola de pouca força e foi

desenvolvida para permitir o teste de pequenas peças como anéis O que não podem

ser testados na escala A normal. Como os materiais respondem de forma diferente

às diferentes escalas, não há correlação entre escalas.

•Os resultados obtidos deste teste são medidas úteis da resistência relativa à

indentação para várias gamas de polímeros. Entretanto, o teste de dureza Shore não

serve para prever outras propriedades como resistência, abrasão ou desgaste, e não

deve ser usado sozinho para especificação de projeto de produto.

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