11a aula -_propriedades_mecanicas

MATERIAIS I PROPRIEDADES MECÂNICAS

Bauru, setembro de 2012

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Tensão: carga mecânica que age na unidade de área sob a qual a carga foi aplicada

- Tração e compressão = 𝝈 =𝑭

𝑨𝟎

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tração compressão cisalhamento

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Tensão de cisalhamento: força necessária para produzir escorregamento

𝝉 =𝑭

𝑨𝒄𝒐𝒔𝝀𝒄𝒐𝒔𝝓

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Φ = ângulo entre a direção da força e a normal ao plano de escorregamento λ = ângulo entre a direção da força e a direção do escorregamento

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Tensão: exercício

-um barra de alumínio com 12,7 mm de diâmetro está submetida a uma força de 11.120 N. Calcule a tensão nominal na barra, em Pa.

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Tensão de cisalhamento: exercício

Um monocristal de zinco está sendo tracionado com a normal ao se plano formando 60° com o eixo da tração e com a direção de escorregamento formando 40° com o eixo da tração.

(a)Qual a tensão de cisalhamento atuando na direção de deslizamento quando uma tensão de tração de 0,690 MPa é aplicada?

(b)Que tensão de tração é necessária para alcançar a tensão de cisalhamento crítica de 0,94 MPa?

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Deformação: alteração de tamanho por unidade de comprimento

- Tração e compressão = 𝜺 =𝒍𝒇−𝒍𝒊

𝒍𝒊

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sem deformação tração compressão

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Deformação de cisalhamento: tangente do ângulo de cisalhamento

𝜸 = 𝒕𝒈𝜶

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Deformação: exercício

Uma amostra de alumínio comercialmente puro com 1,27 cm de largura, 0,10 cm de espessura e 20,3 cm de comprimento, com duas marcas na parte central à distância de 5,1 cm é deformada de modo que a distância entre as marcas passe a ser 6,7 cm. Calcule a deformação e a deformação percentual sofrido pela amostra.

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Deformação elástica: deformação reversível

• Deformação plástica: deformação permanente

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configuração inicial tração

configuração final

configuração inicial

tração configuração final

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Deformação plástica – distorção e reformulação das ligações atômicas

• devido ao cisalhamento plástico ou escorregamento

(a)3 planos (b)6 planos (c)4 planos

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Deformação elástica – exemplo

Na ausência de tensão, a distância de separação entre os centros de dois átomos de ferro é 0,2480 nm (ao longo de uma direção [111]. Sob uma tensão de tração ao longo dessa direção, a distância de separação atômica aumenta para 0,2489 nm. Calcule a deformação elástica ao longo da direção [111].

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Coeficiente de Poisson: relação entre deformação axial e longitudinal

𝝂 = 𝜺𝒙

𝜺𝒚

12 x

y

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Módulo de Elasticidade ou Módulo de Young (E): relação entre deformação axial e longitudinal

𝐄 = 𝝈

𝜺

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Módulo de Cisalhamento: inclinação da parte linear da curva tensão cisalhante-deformação cisalhante

𝐆 = 𝝉

𝜸

• Relação entre o Módulo de Elasticidade e o

Módulo de Cisalhamento

𝑬 = 𝟐𝑮(𝟏 + 𝝂)

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Comportamento dos materiais

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Comportamento tensão-deformação

• Taxa de deformação

- sob tração: 𝜺 (s-1) - sob cisalhamento: 𝜸 (s-1)

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Tensão e Deformação Verdadeiras

• Tensão verdadeira: 𝝈𝒕 =𝑭

𝑨

• Deformação verdadeira: 𝜺 = 𝒍𝒏 𝑨𝟎

𝑨

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Tensão e Deformação Verdadeiras – exercício

Compare as tensão e deformação convencionais com o tensão de deformação verdadeira de um aço carbono com as seguintes características: • Carga aplicada: 75.620 N • Diâmetro inicial: 12,7 mm • Diâmetro final: 12,0 mm

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Ensaio de Tração: Curva Tensão-deformação

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Ensaio de Tração: Curva Tensão-deformação

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Ensaio de Tração: Curva Tensão-deformação

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Ensaio de Tração: Curva Tensão-deformação

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deformação elástica

deformação plástica

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Ensaio de Tração: limite de escoamento

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Ensaio de Tração: Curva Tensão-deformação

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Ensaio de Tração – exercício

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Carga Δl

Calculadas

Tensão Deformação

0 0,000

4.448 0,0254

13.345 0,0762

22.241 0,1270

31.138 0,1778

33.362 0,762

35.141 2,032

35.586 3,048

35.363 4,064

33.806 5,207

ruptura

carga máxima

Utilizando os dados da Tabela, calcule a tensão e a deformação de engenharia e desenhe a curva tensão deformação. Dado: 12,827 mm de diâmetro e 50,8 mm de comprimento inicial

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Propriedades obtidas no Ensaio de Tração

• Resistência a tração – tensão correspondente à máxima força aplicada

• Propriedade elástica - Modulo de elasticidade – inclinação da curva

tensão-deformação na região elástica • Tensão de ruptura – tensão correspondente à

força de ruptura

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PROPRIEDADES MECÂNICAS Propriedades obtidas no Ensaio de Tração

• Tenacidade – energia absorvida por um material antes de fraturar

• Módulo de Resiliência - capacidade do material de

absorver energia quando este é deformado elasticamente

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𝐸𝑅 =1

2× 𝜎𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜× 𝜀𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Propriedades obtidas no Ensaio de Tração

• Ductilidade – deformação plástica de um material sem se romper

- alongamento percentual

% 𝒂𝒍𝒐𝒏𝒈𝒂𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 = 𝒍𝒇 − 𝒍𝟎

𝒍𝟎× 𝟏𝟎𝟎

- Estricção – redução percentual de área

𝒆𝒔𝒕𝒓𝒊𝒄çã𝒐 = 𝑨𝟎 − 𝑨𝒇

𝑨𝟎× 𝟏𝟎𝟎

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ductilidade

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Propriedades obtidas no Ensaio de Tração

• Ductilidade – exemplo

Uma amostra de liga de alumínio de comprimento inicial de 50,8 mm e diâmetro inicial de 12,827 mm, tem comprimento final de 55,753 mm e diâmetro final de 10,109 mm. Calcule a ductilidade do corpo de prova.

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Propriedades obtidas no Ensaio de Tração

• Efeito da temperatura

Curva tensão-deformação propriedades de tração

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Propriedades obtidas no Ensaio de Tração

• Módulo de elasticidade versus direção cristalina

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[111] [110]

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Dureza dos Materiais – resistência da superfície de um material à penetração por um objeto rígido

• Ensaios: Brinell

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mmD

d D D D

F 2 HB

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Dureza dos Materiais – Ensaio Rockwell

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Dureza dos Materiais • Ensaios: Brinell - exemplo Um ensaio de dureza Brinell é feito em um ferro dúctil usando uma esfera de 10 mm de diâmetro de carbeto de tungstênio. Uma carga de 3000 kg produz uma impressão com diâmetro de 3,91 mm na superfície do ferro. Calcule o HB dessa liga.

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mmD

d D D D

F 2 HB

22

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Fluência - fluência é definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da temperatura, quando o material é submetido à uma carga constante.

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Taxa de fluência

𝝐 =𝜟𝜺

𝜟𝒕

𝝐 = 𝑪𝒆𝒙𝒑 −𝑸𝒇

𝑹𝑻

R = cte dos gases T = temperatura em Kelvin C = constante Qf é a energia de ativação

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Fluência – efeito da temperatura

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Fluência – exemplo

Em uma experiência laboratorial de fluência a 1.000°C, uma taxa de fluência é de 5x10-1% por hora de uma liga metálica. A energia de ativação é de 200 kJ/mol. Prever a taxa de fluência a uma temperatura de 600°C.

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Fratura

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Fratura dúctil Fratura frágil

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Fratura

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Fratura dúctil Fratura frágil

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Fratura dúctil - mecanismo

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a- formação do pescoço

b- formação de cavidades

c- coalescimento das cavidades para promover uma trinca ou fissura

d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação à tensão aplicada

e- rompimento do material por propagação da trinca

PROPRIEDADES MECÂNICAS

• Fadiga • falha ou ruptura de estruturas sujeitas à forças

dinâmicas e cíclicas • o material rompe com tensões muito inferiores à

correspondente à resistência à tração • É comum ocorrer em estruturas como pontes,

aviões, componentes de máquinas, entre outras. • ocorre com a formação e propagação de uma

trinca. • A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição

estrutural ou de composição e/ou de alta concentração de tensões

• A superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da tensão à qual o material foi submetido.

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PROPRIEDADES MECÂNICAS

Fadiga • Vida de fadiga – tempo que um material resiste

sob uma tensão cíclica específica • Resistência a fadiga – tensão máxima na qual a

fratura por fadiga não ocorrerá por um dado número de ciclos

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MATERIAIS I PROPRIEDADES MECÂNICAS

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