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INTRODUÇÃO E PROPRIEDADES

MECÂNICAS DOS METAIS

TIPOS DE MATERIAIS

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Metais Ligas ferrosas e não ferrosas

Cerâmicas Al2O3 e SiO2-NaO2-CaO

Polímeros Polietileno, fenólicos e PET

Semicondutores Silício e GaAs

Compósitos Fibra de carbono, duplex titânio-aço

PROPRIEDADES DOS

MATERIAIS

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Correlação Estrutura-Propriedade-

Aplicação-Processamento

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MICROESTRUTURA

PROPRIEDADE APLICAÇÃO

DEFORMAÇÃO

• Mecânicas

• Magnéticas

• Térmicas

• Corrosão

• Fadiga

• Desgaste

• Outros

• Processamentos

termo-mecânicos

• Tratamentos

térmicos

• Processamentos

mecânicos

ESTRUTURA

O conceito de estrutura é fundamental

na Engenharia de Materiais e na

Metalurgia!

A estrutura atômica é importante para a

definição de alguns aspectos do

comportamento dos materiais.

No entanto, a análise clássica começa na

estrutura cristalina. 5

ESTRUTURA

A maior parte dos metais e ligas

industriais e praticamente todos os aços

são empregados em condições em que os

átomos se organizam regularmente em

cristais.

O modo como os átomos de um metal ou

de uma liga se organizam em um cristal

define uma série de propriedades deste

metal. 6

ESTRUTURA

Ligas ferrosas tem estrutura cúbica de

face centrada (CFC), por exemplo, não

são magnéticas.

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ESTRUTURA

Já as ligas de estrutura cúbica de corpo

centrado (CCC) são ferromagnéticas a

temperatura ambiente.

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ESTRUTURA

Os metais em geral não cristalizam no sistema

hexagonal simples porque o fator de empacotamento

é muito baixo, exceto cristais com mais de um tipo de

átomo.

O sistema Hexagonal Compacta é mais comum nos

metais (ex: Mg, Zn)

9

ESTRUTURA

10

ESTRUTURA

A quantidade de cada uma das fases

eventualmente presentes são características

que ocorrem em uma escala de dimensões que

se convenciona chamar de “microestrutural”

(micron).

O controle da estrutura é uma das ferramentas

mais importantes para obtenção de ligas

metálicas com as propriedades e desempenho

desejados.

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PROPRIEDADES DOS METAIS

Condutividade Elétrica:

Eletricidade é a passagem de elétrons

em um condutor.

Bons condutores são, na grande maioria,

da família dos metais (baixa resistência a

passagem de corrente elétrica): ouro,

prata, alumínio e cobre.

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PROPRIEDADES DOS METAIS

Assim como alguns novos materiais, de

propriedades físicas alteradas, que conduzem

energia com perda mínima, denominados

supercondutores.

Curiosidade: Exemplos de supercondutores

(baixíssima resistência a passagem de corrente

elétrica):

Óxidos cerâmicos;

Borocarbetos;

Compostos intermetálicos.

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PROPRIEDADES DOS METAIS

Já, a porcelana, o plástico, o vidro e a

borracha são bons isolantes. Isolantes

são materiais que não permitem o fluxo

da eletricidade.

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PROPRIEDADES DOS METAIS

Condutividade Térmica:

O que determina se um material será bom ou

mau condutor térmico são as ligações em sua

estrutura atômica ou molecular.

Assim, os metais são excelentes condutores de

calor:

devido ao fato de possuírem os elétrons mais

externos "fracamente" ligados, tornando-se livres

para transportar energia por meio de colisões

através do metal.

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PROPRIEDADES DOS METAIS

Por outro lado temos que materiais como

lã, madeira, vidro, papel e isopor são

maus condutores de calor (isolantes

térmicos):

Os elétrons mais externos de seus átomos

estão firmemente ligados.

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17

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

Fluência

Fadiga

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

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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:

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TESTES MAIS COMUNS PARA SE DETERMINAR

AS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS

Resistência à tração (+ comum)

Resistência à compressão

Resistência à torção

Resistência ao choque (impacto)

Resistência ao desgaste

Resistência à fadiga

Dureza

Etc…

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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO

É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, paulatinamente 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

(extensiômetro)

RESISTÊNCIA À TRAÇÃO

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É o teste mais simples.

Permite determinar diversas propriedades mecânicas importantes.

Consiste em aplicar uma força (carga) de intensidade crescente,

tracionando o material até sua ruptura.

• Corpo de prova

• Máquina de ensaio

• Célula de carga e extensiômetro

• Curvas: força x alongamento

tensão x deformação

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RESITÊNCIA À TRAÇÃO

TENSÃO () X Deformação ()

= F/Ao Kgf/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 milímetrosa 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 carga

Área 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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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 Young

E= / =Kgf/mm2

• 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

•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 = E

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Precede a deformação plástica.

A deformação não é permanente (reversível) o material retorna à

posição inicial após retirada a força.

A Tensão é proporcional à deformação (Lei de Hooke)

Deformação Elástica

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Módulo de Elasticidade para alguns metais Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou menor é a sua deformação elástica quando aplicada 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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o módulo de elasticidade : mais rígido é o material

(menor é a sua deformação elástica)

O comportamento elástico

também é observado quando

forças compressivas, tensões

de cisalhamento ou de torção

são aplicadas ao material

E

Módulo de Elasticidade

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Esse fenômeno é nitidamente observado em alguns metais de natureza

dúctil, como aços com baixo teor de carbono.

Caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga.

Para a maioria dos materiais metálicos, a deformação elástica persiste

apenas até deformações de 0,005. Após este ponto ocorre a deformação

plástica (não-reversível).

A lei de Hooke não é mais válida !

Em nível atômico, a Deformação Plástica é causada pelo “deslizamento”,

onde ligações atômicas são quebradas pelo movimento de deslocamento, e

novas ligações são formadas.

DEFORMAÇÃO PLÁSTICA: Escoamento

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Comportamento não-linear

Alguns metais como

ferro fundido cinzento,

concreto e muitos

polímeros apresentam

um comportamento não

linear na parte elástica

da curva tensão x

deformação

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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

Com o aumento da temperatura o módulo de

elasticidade diminui

* Considerando o mesmo material sendo este monocristalino, o módulo de elasticidade depende apenas da orientação cristalina

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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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O COEFICIENTE DE POISSON PARA TENSÕES DE CISALHAMENTO

• Tensões de

cisalhamento produzem deslocamento de um plano de átomos em relação ao plano adjacente

•A deformação elástica de cisalhamento é

dada ( ):

= tg

Módulo de Cisalhamento ou de rigidez

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Forças de compressão,

cisalhamento e torção

O comportamento elástico também é

observado quando forças compressivas,

tensões de cisalhamento ou de torção

são impostas ao material

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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.

41

Outras informações que podem ser obtidas

das curvas tensãoxdeformação

Tensão de escoamento y= tensão de escoamento (corresponde a tensão máxima relacionada com o fenômeno de escoamento)

• De acordo com a curva “a”, onde não observa-

se nitidamente o fenômeno de escoamento

•Alguns aços e outros materiais exibem o comportamento da curva “b”, ou seja, o limite

de escoamento é bem definido (o material

escoa- deforma-se plasticamente-sem praticamente aumento da tensão). Neste caso, geralmente a tensão de escoamento corresponde à tensão máxima verificada durante a fase de escoamento Não ocorre escoamento

propriamente dito

Escoamento

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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 fig. Ao lado)

Fonte figura: Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais

e Metalurgia da PUC-Rio

43

44

Outras informações que podem ser obtidas

das curvas tensãoxdeformação

Resistência à Tração

(Kgf/mm2)

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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Outras informações que podem ser obtidas

das curvas tensãoxdeformação

Tensão de Ruptura (Kgf/mm2)

Corresponde à tensão que promove a ruptura do material

O limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura

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Corresponde ao alongamento total do material devido à deformação plástica

%alongamento=

(lf-lo/lo)x100

onde lo e lf correspondem ao comprimento inicial e final (após a ruptura), respectivamente

Ductilidade em termos de alongamento

ductilidade

Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação

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Definição: Representa uma medida do grau de deformação plástica que o

material suportou quando de sua fratura, ou seja, corresponde à elongação

total do material devido à deformação plástica.

Alongamento Percentual:

Onde l0 e lf correspondem, respectivamente,

aos comprimentos inicial e final (após a

ruptura) do material.

Redução de Área Superficial: Onde A0 e Af correspondem,

respectivamente, as áreas da seção

reta inicial e final (após a fratura) do

material.

DUTILIDADE

100% xl

llAL

o

of

100% xA

AARA

o

of

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Ductilidade expressa como alongamento

Como a deformação final é localizada, o valor da elongação só tem significado se indicado o comprimento de medida

Ex: Alongamento: 30% em 50mm

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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

50 50

Materiais frágeis: são considerados, de maneira

aproximada, como sendo aqueles que possuem

uma deformação de fratura que é inferior a 5%.

DUTILIDADE: Frágil x Dúctil

51

Outras informações que podem ser obtidas

das curvas tensãoxdeformação

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= esc2/2E

Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas)

esc

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Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensãoxdeformação

Tenacidade

Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura

tenacidade

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Algumas propriedades mecânicas

para alguns metais

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VARIAÇÃO DA PROPRIEDADES MECÂNICAS

COM A TEMPERATURA

55

Propriedade Mecânica x Temperatura

Transição Frágil - Dúctil

Exemplos

ENSAIO DE IMPACTO

56

initial heightfinal height

sample

57

58

59

ENSAIO DE IMPACTO

60

61

Durezas

Rockwell Superficial

- N, T, W -

P(15, 30, 45 Kgf)

Correlação

LRT (MPa) = 3,45 x HB

LRT (psi) = 500 x HB