A.S.D’Oliveira

TM229 - Introdução aos Materiais

Propriedades mecânicas

2009.1

Ana Sofia C. M. D’Oliveira

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Propriedades mecânicas

Resistência

Conformabilidade

Resiliência

Tenacidade

Durabilidade

- Tração

- Escoamento

- Compressão

- Flexão

- Cisalhamento

- Fluência

- Tensão de

Ruptura

- % alongamento

- % de redução

de área

- Raio de flexão

- Modulo de

elasticidade

- Modulo de

flexão

- Modulo de

cisalhamento

- Resistência ao

impacto

- Sensibilidade ao

entalhe

- Intensidade da

tensão critica

- Dureza

- Resistência

ao desgaste

- Resistência a

fadiga

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Principal conceito em propriedades mecânicas: Tensão

Tensão= força/área

σ = F/A

Existem vários tipos de tensão

Quais são eles?

Tensão vs resistência

A resistência é a capacidade do material acomodar tensão

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Tração

Compressão

Flexão

Cisalhamento

Torção

Torção do componente

Cisalhamento do componente

Flexão do componente

Tendência para esmagar ou

colapsar o componente

Tendência para

separar/romper o

componente

Elástica

Estrutura retorna a sua

forma original quando

se remove a carga

Plástica

Carga aplicada provoca

uma deformação

permanente

T

e

n

s

ã

o

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Ensaios Mecânicos

Permitem quantificar as propriedades mecânicas

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O ensaio de tração uniaxial é um dos mais populares ensaios mecânicos.

Fornece informações referentes a resistência e ductilidade do material ensaiado.

Propriedades passiveis de serem utilizadas em projeto

Ensaio de Tração Uniaxial

Corpo de prova

Cp cilindrico cp retangular

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Geometria do corpo de prova (dimensões padronizadas)

Colocação de

extensômetro

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Curva tensão- deformação

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Curva Tensão Nominal x Deformação nominal( metal dúctil )

Modulo de elasticidade – medida da rigidezTensão de escoamentoTensão máxima ou limite de resistênciaDutilidade (redução de área; deformação)Coef de encruamentoEstricção – estado triaxial de tensões

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Critério de instabilidade plástica

d

d

Quando começa a estricção ?

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)1ln()1( NVNNV Equações de transformação (N, N) (v, v)

Curva engenharia vs curva verdadeira

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Encruamento

- Aumento da tensão necessário para fazer o material escoar devido à própriadeformação plástica que ele experimenta.

- taxa de encruamento como d/d.

- Durante a deformação plástica a frio a densidade de discordâncias aumenta,podendo passar de 106 cm/cm3 para 1012 cm/cm3.

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Limite de escoamento descontínuo

- Efeitos: patamar de escoamento descontínuo,bandas de Lüders- Causa: difusão de átomos intersticiais decarbono e nitrogênio para regiões “confortáveis”nas discordâncias em aresta, formandoatmosferas ou “clusters” que ancoram e dificultamo movimento das mesmas (atmosferas de Cottrel).- Os efeitos se acentuam com o aumento daquantidade de C e N em solução sólida.

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1- carregamento do aço doce recozido2 – ensaio é interrompido e a cargaaliviada; o ensaio recommeça logo emseguida;3 – ensaio é interrompido e a cargaaliviada; o ensaio é recomeçado algunsmeses após.

EXPERIÊNCIA

Fonte: [3]

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Material dutil com alto

coef de encruamentoMaterial dutil com bx coef de

encruamento

Aços inoxidáveis

e ao carbono

Ligas de

Aluminio

Material frágil

Vidros, cerâmicos, FF e

alguns metais

Material com escoamento

descontinuo

Aço de bx

carbono

Material compósito

Fibras de vidro ou de carbono

em matriz polimérica

Comportamento de diferentes materiais sob tração uniaxial

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O que representam as cotas:

14

16

17

18

25

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Efeito da temperatura nas propriedades

mecânicas

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Testes de dureza

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Ensaios de dureza

Propriedade que se relaciona diretamente com a resistência mecânica domaterial – mede a resistência do material a deformação plástica localizada.

Quanto maior o limite de resistência de um material metálico, maior asua dureza.

Frequentemente a dureza do material éproporcional a sua resistência aodesgaste e durabilidade

Nos aços a dureza é utilizada como umamedida da resistência a abrasão

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Os ensaios de dureza podem ser por penetração, risco ou choque.

No caso dos materiais metálicos, os métodos mais utilizados são os ensaios de

dureza por penetração

Brinell

Vickers

Knoop

Rockwell

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Dureza Brinell

Dureza Brinnel (HBN): obtém-se o valor da dureza dividindo-se a carga aplicada

pela área de penetração impressa no material.

O penetrador deixa uma calota esférica impressa na amostra. A máquina de ensaio possui um

microscópio ótico que se presta à medição do diâmetro d do círculo que corresponde à

projeção da calota. A dureza Brinnel será dada por:

)()/(

arg

22 dDDtD

P

Dt

P

impressãodaárea

acHBN

Sendo P a carga aplicada, D o diâmetro do penetrador e d o diâmetro da projeção

da área de impressão.

P

d

d

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-Superfície deve ter as duas faces paralelas e um bom acabamento superficial.

-O valor da carga P pode variar, desde que se mantenha constante a relação P/D2.

P/D2 = 30 para aços e ferros fundidos

P/D2 = 20 para ligas de alumínio.

Obedecendo-se essa regra, o resultado do ensaio será independente da carga (ou

diâmetro da esfera) adotada.

Penetrador é uma esfera de

aço temperado para materiais de dureza média

ou baixa, ou de

carboneto de tungstênio, para materiais de

elevada dureza.

Dureza Brinell

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Dureza Vickers

22

854,1

)2/136(sen2/

arg

d

P

d

P

impressãodaárea

acHV

o

Sendo d a média da medida das diagonais d1 e d2 da base

da impressão.

A dureza Vickers apresenta uma escala contínuaabrangendo desde materiais macios (~5HV) atemateriais bastante duros (>1000HV);

Penetrador de diamante em forma de pirâmide de base

quadrada e ângulo de 136o entre as faces

Exige maior acabamento da superfície

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Dureza Rockwell

O ensaio de dureza Rockwell é o simples e rápido.

O valor da dureza do material é lido diretamente no equipamento

A dureza é inversamente proporcional à profundidade de penetração obtida pelaaplicação da carga.

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Escala B:

Os metais menos duros devem ser ensaiados selecionando-se esta escala. O penetrador

utilizado é uma esfera de 1/16 pol. aço temperado e a carga é de 100 kgf. A escala B vai de 0

a 100.

Escala C:

Os metais mais duros devem ser ensaiados por esta escala. O penetrador utilizado possui

uma ponta cônica de diamante e a carga é de 150kgf. A escala C vai de 0 a 70, mas valores

de dureza Rockwell C inferiores a 20 não são considerados válidos, ou seja, neste caso deve-

se passar para a escala B.

Ao se ensaiar um material desconhecido, deve-se inicialmente utilizar a escala A,

O penetrador utilizado possui uma ponta cônica de diamante e a carga de penetração é de

60kgf.

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O ensaio de dureza Rockwell passo a passo:

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Tenacidade

Capacidade de absorver energia até a ruptura

ResiliênciaCapacidade de absorver energia elástica

Resistência a propagação de

trincas

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Ensaio de impacto

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Ensaios de impacto (Charpy e Izod)

- Alta taxa de carregamento

- CP entalhado (concentrador de

tensões)

O impacto é dado no sentido de

abrir e não fechar a trinca.

Pode-se variar a temperatura de

ensaio utilizando-se misturas de

nitrogênio e álcool para

refrigeração.

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Máquina de Ensaio (pêndulo) Corpos de Prova

- Izod

- Charpy

MATERIAIS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA

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Influência da Temperatura

FRATURA FRÁGIL

- Pouca deformação plástica macroscópica

FRATURA DÚCTIL

- Muita deformação plástica macroscópica

- Expansão lateral do corpo de prova

Metais ccc

Apresentam transição dúctil-

frágil

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Tamanho de grão

contornos de grão são obstáculos à propagação de trincas, obrigando queestas mudem de direção na passagem de um grão para outro

materiais de grãos finos exigem uma mais alta energia para fratura eapresentam temperatura de transição dúctil-frágil mais baixa do que materiais degrãos grosseiros.

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Composição química

-Elementos que notoriamente abaixam a tenacidade: Enxofre, fósforo e carbono.

-Elementos benéficos: Manganês e níquel

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Fadiga

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Fadiga

A fadiga é um tipo de falha mecânica que ocorre devido a esforços

(tensões e deformações) flutuantes.

Estes esforços geralmente são aleatórios. Nos ensaios de fadiga são

empregados ciclos de tensão ou deformação bem definidos.

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Para esses ciclos são definidos os seguintes parâmetros:

•a é a amplitude de tensões

•r = (máx. - mín.) = 2a

•máx. e mín., tensões mín e máx;

•R = mín/máx.

•médio é a tensão média

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Propagação da trinca de fadiga em função do ciclo de tensão

propagação

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Superfície exposta a fadiga,

formação de concentradores de

tensão

Mecanismo de fadiga

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Aspectos superfície de fadiga

Aspecto macroscópio: marcas de praia Aspecto microscópico:estrias de fadiga

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Curvas S-N

Efeito da tensão média

Tensão limite de fadiga abaixo dele o n. de ciclos é infinito

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Fluência

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Fluência

Falha que ocorre em altas temperaturas.

Deformação permanente e dependente do tempo, que pode gerardefeitos internos que levam à ruptura do material.

Antes da falha, o componente experimenta deformação plástica, o quecompromete a geometria e e a precisão dimensional dos componentes.

As temperaturas em que os mecanismos de fluência se tornam operantessão geralmente superiores a 0,4TH.

Temp. Homologa = T de teste

T fusão

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X

t

I II III

Estágios do comportamento em fluência:

Região de Taxa de

deformação contante

ss1

Região de

ruptura

Região de

encruamento

Parâmetros importantes retirados do ensaio de fluência:

- taxa de deformação no estágio II e

- vida em fluência (tempo total para ruptura)

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46

Em casos reais é possivel que não se identifiquem alguns dos estágios da fluência

t

Regiões II e III desaparecem pois

é nec um tempo muito longo

(tensões moderadas e baixa T)

t

Região III desaparece

pois ocorreu falha por

cavitação

x<10%

ou até

<1%

t

Região II não é identificada pois

a amostra sofre estricção e

quebra antes da região II

x

t

Região I invertida

(endurecimento por

solução sólida)

x

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Efeito da tensão e da temperatura na curva de fluência

Efeito da tensão

Efeito da temperatura

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Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos (Nabarro-Herring)

Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de grão (Coble);

Deslizamento de discordâncias;

Movimentação de discordâncias por escalagem;

Deslizamento de contornos de grão.

Mecanismos de fluência:

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Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos

(Nabarro-Herring)

Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de

grão (Coble);

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Rápido movimento das lacunas

-> metal flui rápidamente

Deslizamento de discordâncias;

Movimentação de discordâncias por escalagem

escalagem de discordâncias