Principais propriedades mecânicas

• Resistência à tração• Elasticidade• Ductilidade• Fluência• Fadiga• Dureza

• Tenacidade,....

Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las.

Está intimamente ligado com às forças internas de atração existentes entre os átomos e sua estrutura cristalina.

Para entender como um material se deforma em função da carga, tempo, temperatura ou outra condição, é necessário discutir o teste padrão de propriedade mecânica

MTS – Máquina Universal de Ensaios

Tipos de carga

Tração

Cisalhamento

Compressão

Torção

Para comparar materiais de diferentes tamanhos, a carga é calculada por unidade de área

Tensão de engenharia:F= carga aplicada perpendicularmente na seção da amostraA0 = área antes da aplicação da força

Deformação ou alongamento de engenharia:Δl = variação do comprimentoL0 = comprimento inicial

Tensão-deformação:• Positivas para cargas trativas• Negativas para cargas compressivas

Tensão cisalhante:F= carga aplicada paralelamente a seção da amostra

Deformação cisalhante:θ= ângulo da deformação

A torção é a variação do cisalhamento. A tensão é em função do torque T, e o ângulo de torção é φ.

Deformação elásticaÉ reversível. A elasticidade é a capacidade que o material tem de se deformar, quando submetido a um esforço. Contudo quando este esforço é retirado volta as suas dimensões iniciais.Geralmente a deformação é pequena, exceto para plásticos.Exemplo: mola

Deformação plásticaÉ irreversível. Quando a tensão é removida o material não retorna a dimensão original.

Comportamento da deformação elástica:Num teste de tração, se a deformação é elástica, a relação tensão-deformação é dada pela lei de Hooke:

E= módulo de Young ou módulo de elasticidade, e tem a mesma unidade de tensão (N/m2 ou Pa)

Maior módulo de Young maior a dureza do material

Limite de escoamento (σy )É a tensão necessária para produzir uma pequena quantidade de deformação plástica. Na maioria dos países o deslocamento é 0,2 ou 0,1% (e=0,002 ou 0,001)

Limite proporcional (P)É a tensão mais alta na qual a tensão é diretamente proporcional a deformação.

σy é a medida da resistência para a deformação plástica

Deformação elástica não linearEm alguns materiais (muitos polímeros, ferro fundido cinzento, concreto...) a deformação elástica não é linear, mas ainda é reversível.

Força de separação da

interação atômica

Anelasticidade

Deformação elástica dependente do tempo, e não só a carga aplicada. É muito comum em polímeros.

Uma taxa finita de deformação atômico/molecular ocorre depois da carga inicial, e depois do relaxamento, mas retorna as dimensões iniciais depois de algum tempo.

Comportamento visco-elástico

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

•Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade diminui

•Em material monocristalino o módulo de elasticidade depende da direção de aplicação da tensão nos eixos cristalográficos, pois a interação atômica varia com a direção. Neste caso especifica-se as constantes elásticas

Coeficiente de Poisson

A taxa de deformação lateral e axial é chamado de coeficiente de Poisson (ν).

ν

é adimensional e mostra que a deformação lateral é oposta a longitudinal.

Um valor teórico para materiais isotrópicos : 0,25

Valor máximo: 0,50

Valor típico: 0,24 – 0,30

Modulo de cisalhamento

Relação de tensão e deformação cisalhante:

Onde e G é o módulo cisalhante (N/m2)

Para materiais isotrópicos:

Geralmente, cristais simples são elasticamente anisotrópicos, ou seja, o comportamento elástico varia com a direção cristalográfica.

Deformação plástica• Tensão e deformação não são proporcionais• Deformação não reversível• Deformação ocorre pela quebra e rearranjo das ligações atômicas. Em materiais cristalinos (metais) ocorre inicialmente a movimentação das discordâncias.• Para aplicações estruturais, o limite de escoamento é a propriedade mais importante que a tensão máxima, desde que a estrutura do material tenha deformado dentro dos limites aceitos.

Estricção

Tensão de ruptura

Limite de resistênciaMáx. tensão: ∼100 – 1000 MPa

Para aços de baixo carbono, a curva tensão- deformação possui um limite de escoamento superior e inferior. A tensão de escoamento, neste caso, é dado pela média dos pontos de menor tensão.

DuctilidadeÉ a medida da deformação até a fratura. É definida por:

Elongação na fratura

Redução de área na fratura

Indica a extensão na qual um metal pode ser deformado sem fraturar em conformação mecânica como laminação e a extrusão.

• O limite de escoamento e a tensão máxima varia com tratamento térmico e mecânico, nível de impurezas, etc. Esta variação ocorre devido o comportamento das discordâncias do material. Geralmente o módulo elástico são insensíveis a estes efeitos.

• O aumento da temperatura diminui o limite de escoamento, tensão máxima e módulo de elasticidade, mas aumenta a ductilidade do material.

TenacidadeÉ a capacidade de um material em absorver

energia na região plástica, até a fratura. É a área total sob a curva tensão-deformação, que indica a quantidade de trabalho por unidade de volume que pode ser realizado no material sem causar a sua fratura.

Unidade: J/m3

A tenacidade pode ser medida pelo teste de impacto.

É um parâmetro que compreende tanto a resistência quanto a ductilidade.

Aço estrutural

Aço-mola de alto carbono

Curva tensão-deformação verdadeiraTensão verdadeira é a carga dividida pela área

instantânea da região do pescoço, o qual continua a crescer até a fratura. É também conhecida como curva de escoamento.

σt = σ

(1+ε) ε

t = ln(1+ ε)

TENSÃO CORRETA PARA A REGIÃO ONDE INICIA-SE A FORMAÇÃO DO PESCOÇO

•σr = kεrn

Log σr =log k+ n log εr

Para εr = 1 σr =k• K e n são constantes que dependem do material e dependem do tratamento dado ao mesmo, ou seja, se foram tratados termicamente ou encruados•K= coeficiente de resistência (quantifica o nível de resistência que o material pode suportar)•n= coeficiente de encruamento (representa a capacidade com que o material distribui a deformação)

A tensão correta de ruptura é devido a outros componentes de tensões presentes, além da tensão axial

correta

Recuperação elástica durante a deformação plástica

Se um material está sendo deformado plasticamente e é descarregado, ocorre uma deformação permanente.

Se a tensão é reaplicada, o material responde elasticamente e começa um novo escoamento de um ponto mais alto que o original.

A essa nova quantidade de deformação elástica é chamada de recuperação elástica.

DurezaÉ a medida da resistência do material a

deformação plástica localizada (habilidade do material em “arranhar, indentar” outro material)

Tipos de testes de dureza:Rockwell, Brinell, Vickers, etc.Tipos de indentador:Esfera, cone, piramidalParâmetros:Condições controladas de carga e taxa de carregamento, profundidade e tamanho da indentação.

Teste fácil e não destrutivo

Ambos, tensão máxima e dureza pode estimar o grau de resistência a deformação plástica.

A dureza é proporcional a tensão máxima – mas note que a constante de proporcionalidade é deferente para materiais diferentes.

Qual é o limite de deformação “seguro”?

Tensão de trabalho:N= fator de segurança > 1Tensão de trabalho < limite de escoamento

Na engenharia, o limite de escoamento é usualmente um parâmetro interessante

Mecanismos de aumento da resistência em metais (mec. de endurecimento):

•Endurecimento por deformação – encruamento – Teoria de Taylor, Mott, Seeger, etc)•Endurecimento por contorno de grão•Endurecimento por solução sólida•Endurecimento por dispersão de partículas incoerentes (mec. de Orowan)•Endurecimento por precipitação coerente

Um material cristalino metálico pode deformar- se plasticamente por:

•Movimento das discordâncias•Maclação mecânica•Difusão•Transformação de fase

Propriedades mecânicas em materiais cerâmicos:

•Alto módulo de elasticidade•São frágeis e duros•Resistência a tração menor que a compressão•Alongamento plástico desprezível•Deformam por fluência•Fase vítrea e porosidade reduz consideravelmente a resistência mecânica

Propriedades mecânicas em materiais poliméricos:•A - Material termorígido ou termoplástico vítreo (poliestireno) – frágil como a cerâmica•B - Material termoplástico parcialmente cristalino – dúcteis como os metais•C - Elastômeros – atípicos, muito elástico

Importante: Temperatura de transição vítrea