Aula 2 - Propriedades Mecânicas dos Materiais (1)
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
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PROPRIEDADES MECÂNICAS
POR QUÊ ESTUDAR?• A determinação e/ou conhecimento das propriedades
mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente.
• As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável.
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Principais propriedades mecânicas
• Resistência à tração• Elasticidade• Ductilidade• Dureza• Tenacidade
Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las.
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TIPOS DE TENSÕES QUE UMA ESTRUTURA ESTA SUJEITA
• Tração
• Compressão
• Cisalhamento
• Torção
• Flexão
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Como determinar as propriedades mecânicas?
• A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos.
• Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal.
• Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis.
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NORMAS TÉCNICAS
As normas técnicas mais comuns são elaboradas pelas:
• ASTM (American Society for Testing and Materials)
• ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
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TESTES MAIS COMUNS PARA SE DETERMINAR AS PROPRIEDADES
MECÂNICAS DOS METAIS
• Resistência à tração • Resistência à compressão• Resistência à torção• Resistência ao choque • Resistência ao desgaste• Dureza
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, gradativamente crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento.
NBR-6152 para metais.
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ESQUEMA DE MÁQUINA PARA ENSAIO DE TRAÇÃO
PARTES BÁSICAS
• Sistema de aplicação de carga• Dispositivo para prender o corpo de prova• Sensores que permitam medir a tensão aplicada
e a deformação promovida (extensômetro)
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EQUIPAMENTO PARA ENSAIO DE TRAÇÃO
Extensômetro eletrônico usado para determinação do limite de escoamento
Máquina de Tração
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RESITÊNCIA À TRAÇÃOTENSÃO () X Deformação ()
= F/AoKgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2
Como efeito da aplicação de uma tensão tem-se a deformação (variação dimensional).
A deformação pode ser expressa:•O número de milímetros de deformação por milímetros de comprimento
• O comprimento deformado como uma percentagem do comprimento original
Deformação())= lf-lo/lo= l/lo
lo= comprimento inicial
lf= comprimento final
Força ou cargaÁrea inicial da seção reta transversal
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Comportamento dos metais quando submetidos à tração
Resistência à tração
Dentro de certos limites,
a deformação é proporcional
à tensão (a lei de Hooke é
obedecida)
Lei de Hooke: = E
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Resistência à Tração
Resistência à Tração (Kgf/mmResistência à Tração (Kgf/mm22))• Corresponde à tensão máxima
aplicada ao material antes da ruptura
• É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial
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A deformação pode ser:
•Elástica
•Plástica
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Deformação Elástica e Plástica
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA• Prescede à deformação
plástica• É reversível• Desaparece quando a tensão é
removida• É praticamente proporcional à
tensão aplicada (obedece a lei de Hooke)
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade
• É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida
Elástica Plástica
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Módulo de elasticidade ou Módulo de elasticidade ou Módulo de YoungMódulo de Young
E= E= / / =Kgf/mm =Kgf/mm22
• É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante.
•Está relacionado com a rigidez do material ou à resistência à deformação elástica
•Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas
Lei de Hooke: = E
P A lei de Hooke só é válida até este ponto
Tg = Eα
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Módulo de Elasticidade para alguns metaisQuanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou menor é a sua deformação elástica quando material ou menor é a sua deformação elástica quando aplicada uma dada tensãoaplicada uma dada tensão
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 207 30
Aço 207 30
Tungstênio 407 59
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Considerações gerais sobre módulo de elasticidade
Como consequência do módulo de elasticidade estar diretamente relacionado com as forças interatômicas:
• Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos tem baixo.
• O módulo de elasticidade dos metais se encontra em um nível intermediário entre os módulos dos materiais cerámicos e dos poliméros.
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O COEFICIENTE DE POISSON PARA ELONGAÇÃO OU COMPRESSÃO
• Qualquer elongação ou compressão de uma estrutura cristalina em uma direção, causada por uma força uniaxial, produz um ajustamento nas dimensões perpendiculares à direção da força.
x
z
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Exercício resolvido 1
= E. = E.L/L0 => L = L0/E
E é obtido de uma tabela ECu = 110 x 103 MPa
Assim: L = 276 MPa x 305 mm/110 x 103 MPa = 0,77 mm
Uma peça de cobre de 305 mm é tracionada com uma tensão de 276 MPa. Se a deformação é totalmente elástica, qual será o alongamento ? Sendo o modulo de elasticidade do cobre igual a 110 GPa.
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Exercício resolvido 2
Um cilindro de latão com diâmetro de 10 mm é tracionado ao longo do seu eixo. Qual é a força necessária para causar uma mudança de 2,5 µm no diâmetro, no regime elástico ? E = 97 GPa ν = 0,34
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O FENÔMENO DE ESCOAMENTO
• Esse fenômeno é nitidamente observado em alguns metais de natureza dúctil, como aços baixo teor de carbono.
• Caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga.
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Limite de Escoamento
Quando não observa-se nitidamente o fenômeno de escoamento, a tensão de escoamento corresponde à tensão necessária para promover uma deformação permanente de 0,2% ou outro valor especificado (obtido pelo método gráfico indicado na figura ao lado)
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Ductilidade
A ductilidade é a propriedade física dos materiais de suportar a deformação plástica, sob a ação de cargas, sem se romper ou fraturar.
Ela é caracterizada pelo fluxo do material sob ação de uma tensão cisalhante.
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Ductilidade
A ductilidade é a propriedade que apresentam alguns metais e ligas metálicas quando estão sob a ação de uma força, podendo estirar-se sem romper-se, transformando-se num fio.
Os metais que apresentam esta propriedade são denominados dúcteis.
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Ductilidade expressa como estricção
Corresponde à redução na área da seção reta do corpo, imediatamente antes da ruptura
Os materiais dúcteis sofrem grande redução na área da seção reta antes da ruptura
Estricção= área inicial-área final área inicial
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Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação
Resiliência Resiliência • Corresponde à capacidade do material de
absorver energia quando este é deformado elasticamente.
• A propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (Ur)
Ur= (e2/2E
• Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas)
e
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Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação
TenacidadeTenacidade
Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura.
tenacidade
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Ensaio Charpy
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Dureza
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Microdureza Vickers
Microdureza Knoop
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Dureza
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Dureza
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Dureza
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FraturaO processo de fratura é normalmente súbito e catastrófico, podendo gerar grandes acidentes.
Envolve duas etapas: formação de trinca e propagação.
Pode assumir dois modos: dúctil e frágil.
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Fratura dúctil e frágil• Fratura dúctil
O material deforma-se lentamente antes de fraturar.
O processo desenvolve-se de forma relativamente lenta à medida que a trinca se propaga.
Este tipo de trinca é denominado estável porque ela para de se propagar a menos que haja uma aumento da tensão aplicada no material.
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Fratura frágil
O material deforma-se pouco, antes de fraturar.
O processo de propagação da trinca pode ser muito veloz, gerando situações
catastróficas.
A partir de um certo ponto, a trinca é dita instável porque se propagará
mesmo sem aumento da tensão aplicada sobre o material.
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Fratura
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Exercícios
1) Porque estudar as propriedades dos materiais?
2) Quais as principais propriedades mecânicas?
3) Como se determina as propriedades mecânicas?
4) Quais os tipos de tensões?
5) Qual o conceito de tensão e de deformação?
6) Quais os tipos de deformação? Quais são suas características?
7) O que é resistência a tração?
8) O que é ductilidade?
9) O que é resiliência?
10) O que é tenacidade?
11) Qual a relação do modulo de elasticidade com sua deformação elástica?
12) Quais são os dois tipos de fratura que existem? Explique cada tipo.
13) Em materiais onde a região de escoamento não está definida o que fazer para defini-la?
14) O que é dureza? Quais são os tipos de ensaios de dureza?