PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS
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.
POR QUÊ ESTUDAR?
PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS
• Resistência à tração• Elasticidade• Ductilidade• Fadiga• Dureza• Tenacidade
Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas
e/ou de transmiti-las
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.
Normalização de métodos A Normalização dos ensaios tem por objetivo fixar os conceitos e procedimentos gerais que se aplicam aos diferentes métodos de ensaios.
Principais normas
ASTM (Ammerican Society for Testing and Materials);
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas);
ISO (International Standards Organization);
DIN (Deutsches Institut für Normung).
NORMAS TÉCNICAS
CONCEITOS DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO
Para uma carga estática ou relativamente lenta ao longo do tempo aplicada
uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um membro, o
comportamento mecânico pode ser verificado através de um ensaio de tensão-
deformação.
Existem três maneiras as quais a carga pode ser aplicada:
Tração
Compressão
Cisalhamento
Na prática da engenharia, muitas cargas são de natureza torcional, e não de natureza puramente cisalhante.
ENSAIO DE TRAÇÃO
Dentre os diversos tipos de ensaios disponíveis para a avaliação das propriedades mecânicas dos materiais, o mais amplamente utilizado é o ENSAIO DE TRAÇÃO.
Dentre os diversos tipos de ensaios disponíveis para a avaliação das propriedades mecânicas dos materiais, o mais amplamente utilizado é o ENSAIO DE TRAÇÃO.
Ensaio relativamente simples e rápido.
O ensaio de tração pode ser usado para avaliar diversas propriedades mecânicas dos materiais.
ENSAIO DE TRAÇÃO
A amostra é deformada, geralmente até sua fratura, mediante uma carga de tração gradativamente crescente que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de um corpo de prova.
Corpo-de-prova antes e após ensaio de tração.
Seção transversal original
Durante os ensaios, a deformação fica confinada à região central, mais estreita, do corpo de prova, que possui uma seção reta uniforme ao longo do seu comprimento.
F
F
Representação esquemática do ensaio de tração.
ENSAIO DE TRAÇÃO
A máquina de ensaios de tração é
projetada para alongar o corpo de
prova a uma taxa constante, além de
medir contínua e simultaneamente a
carga aplicada e os alongamentos
resultantes;
O ensaio é destrutivo;
O resultado é um gráfico na forma
de carga ou força em função do
alongamento;
ENSAIO DE TRAÇÃOOs resultados obtidos com o ensaio de tração são dependentes de
fatores geométricos do corpo de prova.
Para minimizar esses fatores, a carga e o alongamento são
normalizados de acordo com os seus respectivos parâmetros de tensão
e deformação de engenharia.
COMO SE DEFINEM TENSÃO E DEFORMAÇÃO?COMO SE DEFINEM TENSÃO E DEFORMAÇÃO?
• Tensão
• Deformação
oo
oi
l
l
l
ll
oA
F
Sendo:
= tensão (Pa);
F = carga instantânea aplicada (N) e
Ao = área da seção reta original antes da aplicação da carga (m2).
Sendo:
= deformação (adimensional);
li = comprimento instantâneo e
lo = comprimento original.
Como efeito da aplicação de uma tensão, tem-se a deformação
(variação dimensional).
Como efeito da aplicação de uma tensão, tem-se a deformação
(variação dimensional).
Deformação ()
Tensã
o ()
COMPORTAMENTO DOS METAIS QUANDO SUBMETIDOS À UMA TENSÃO
Então, desta curva, observamos que os metais podem apresentar dois tipos de deformação:Então, desta curva, observamos que os metais podem apresentar dois tipos de deformação:
ELÁSTICA ELÁSTICA PLÁSTICA 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
EM UMA ESCALA ATÔMICA...EM UMA ESCALA ATÔMICA...
Deformação elástica
• É manifestada por pequenas
alterações no espaçamento
interatômico e na extensão de
ligações interatômicas.
Deformação plástica
• Corresponde à quebra de
ligações com os átomos vizinhos
originais e em seguida formação
de novas ligações com novos
átomos vizinhos, uma vez que
um grande número de átomos ou
moléculas se move em relação
aos outros; com a remoção da
tensão, eles não retornam às
suas posições originais.
DA CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO, PODEMOS OBTER:DA CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO, PODEMOS OBTER:
Módulo de elasticidade ou módulo de YoungMódulo de elasticidade ou módulo de Young
• É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante – Lei de Hooke.
• Está relacionado com a rigidez do material ou à resistência à deformação elástica.
• Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas.
E = /
MÓDULO DE ELASTICIDADE
ESendo:
= tensão (Pa);
= deformação (adimensional);
E = módulo de elasticidade (Pa);
MÓDULO DE ELASTICIDADE (E)MÓDULO DE ELASTICIDADE (E)
Deformação ()
Tensã
o ()
= E
A lei de Hooke é válida até este ponto.
Máxima tensão que o material suporta sem sofrer deformação permanente.
Módulo de elasticidade para algumas ligas metálicas
Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou
menor é a sua deformação elástica
quando aplicada uma dada tensão.
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
Fonte: Callister, 2002.
CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE MÓDULO DE ELASTICIDADE
Como conseqüência 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, o módulo de elasticidade depende apenas da orientação cristalina
Relação entre temperatura de fusão e módulo de elasticidade
MetalTemperatura de
fusão (oC)Módulo de
elasticidade (MPa)
Alumínio 660 70.000
Cobre 1085 127.000
Ferro 1538 210.000
O módulo de elasticidade é
fortemente dependente das forças de ligação
entre os átomos.
O módulo de elasticidade é
fortemente dependente das forças de ligação
entre os átomos.
As forças de ligação entre os átomos, e consequentemente o módulo de
elasticidade, são maiores para metais com temperaturas de fusão mais
elevadas.
As forças de ligação entre os átomos, e consequentemente o módulo de
elasticidade, são maiores para metais com temperaturas de fusão mais
elevadas.Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
ESBOÇO DA CURVA OBTIDA NO ENSAIO DE TRAÇÃOESBOÇO DA CURVA OBTIDA NO ENSAIO DE TRAÇÃO
Fonte: Garcia, Spim e Santos, 2000.
• AO – região de comportamento elástico.
• AB – região de escoamento – se caracteriza por um aumento relativamente grande na deformação, acompanhado por uma pequena variação da tensão.
• BF – região de comportamento plástico - a partir de B o material entra na região plástica, que é caracterizado pela presença de deformações permanentes.
LIMITE DE ELASTICIDADE
• Corresponde à máxima tensão que o material suporta sem sofrer deformação permanente
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Elástico
Plástico
Deformação ()
Ten
são ()
Deformação ()
Ten
são ()
Limite de escoamento
(a) (b)
(a) Curva tensão x deformação para um metal típico. A transição do comportamento elástico para o plástico é uma transição gradual para a maioria dos metais.
(b) Curva tensão x deformação típica para o aço. A transição elastoplástica é muito bem definida (ocorre de forma abrupta).
Fonte: Callister, 2002.
LIMITE DE ESCOAMENTO
Onde 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)
• Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura (muitas vezes é superior à tensão de ruptura)
• É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial
LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
• Corresponde à tensão que prove 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
TENSÃO DE RUPTURA
Deformação ()
Tensã
o (
)
Limite de resistência à tração - LRT
Deformação ()
Tensã
o (
)
Limite de resistência à tração - LRT
Fratura do material
DUCTILIDADEDUCTILIDADE
Representa uma medida do grau de deformação
plástica que foi suportado quando da fratura.
Representa uma medida do grau de deformação
plástica que foi suportado quando da fratura.
A ductilidade dá uma indicação para o projetista do grau segundo o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes de fraturar.
A ductilidade pode ser expressa quantitativamente como:A ductilidade pode ser expressa quantitativamente como:
100% xl
llAL
o
of
Alongamento percentual (AL%)
Porcentagem da deformação plástica no momento da fratura
Estricção (RA%)Redução da área percentual
100% xA
AARA
o
fo
RESILIÊNCIA RESILIÊNCIA
• Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa energia recuperada.
• Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas)
TENACIDADETENACIDADE
Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura.
Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura.
Para que um material seja tenaz, este deve apresentar tanto resistência como ductilidade.
Para que um material seja tenaz, este deve apresentar tanto resistência como ductilidade.
É a área sob a curva tensão x deformação até o ponto
de fratura.
Freqüentemente, materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais frágeis.
Freqüentemente, materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais frágeis.
Embora, o material frágil tenha maior limite de escoamento e maior limite de resistência à tração, possui menor tenacidade
do que o material dúctil, em virtude da sua falta de ductilidade (comparar as áreas ABC e AB’C’).
Embora, o material frágil tenha maior limite de escoamento e maior limite de resistência à tração, possui menor tenacidade
do que o material dúctil, em virtude da sua falta de ductilidade (comparar as áreas ABC e AB’C’).
Curvas de Tração de Materiais Frágeis (Materiais Cerâmicos)
Curva tensão x deformaçãopara a alumina e para o vidro.
Curvas de Tração de Materiais Poliméricos
Relação entre a tensão e a deformação para:
A- polímero frágil;B- polímero plástico;C- elastômero
Efeito da temperatura sobre as curvas tensão x deformação
Curvas tensão x deformaçãode engenharia para o ferro
em três temperaturasdiferentes
Efeito da temperatura sobre as curvas tensão x
deformação de um acrílico.
DUREZADUREZA
A dureza depende diretamente das forças de ligação entre os átomos, íons ou moléculas.
A dureza depende diretamente das forças de ligação entre os átomos, íons ou moléculas.
A dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada, como por exemplo, à penetração de um corpo (uma pequena impressão ou risco).
A dureza é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada, como por exemplo, à penetração de um corpo (uma pequena impressão ou risco).
O ensaio consiste na aplicação de uma carga conhecida através de um penetrador de geometria conhecida e na medição da área da impressão produzida na superfície do corpo de prova.
Ensaio de grande importância tecnológica (controle de qualidade)
Dureza, ao contrário do limite de escoamento e da tenacidade à fratura, não é um parâmetro característico do material (depende da máquina, da carga, do tipo de penetrador, etc…)
DUREZADUREZA
DUREZA
Os ensaios de dureza são realizados com mais frequência
do que outros ensaios mecânicos pois:
Eles são simples e baratos;
O ensaio é não-destrutivos;
Outras propriedades mecânicas podem, com frequência, ser
estimadas a partir de dados obtidos para ensaios de dureza, tais como o
limite de tração.
Se usa para determinar a dureza dos minerais. Se baseia em que um corpo é riscado por outro mais duro.
Escala de Mohs:
1 - Talco
2 - Gesso
3 - Calcita
4 - Fluorita
5 - Apatita
6 - Feldspato
7 - Quartzo
8 - Topázio
9 - Coríndon
10 - Diamante
Dureza MOHS
1) Talco (Pedra Sabão)Arranhável com a unha
Estátuas Aleijadinho
2) Gipsita (Gesso)Arranhável dificilmente com a unha
Construção Civil
3) Calcita (Calcário)Arranhável com moeda de cobre
Construção civil
4) Fluorita Arranhável com facaSiderurgia (fundente)
DUREZA MOHS
5) ApatitaDificilmente arranhável com faca
Osso humano (hidroxiapatita)
6) FedspatoArranhável com liga de açoVidros e cerâmicas brancas
7) Quartzo (ametista)Capaz de arranhar o fedspato
Vidros
DUREZA MOHS
9) Coríndon (rubi e safira)Capaz de arranhar o topásio
Pedra preciosa, laser
10) DiamanteSubstância mais dura conhecida
Pedra preciosa, lentes
8) TopásioCapaz de arranhar o quartzo
Pedra semi preciosa
DUREZA MOHS
Dureza Brinell Dureza Brinell
TIPOS DE ENSAIOS PARA MEDIÇÃO DA DUREZATIPOS DE ENSAIOS PARA MEDIÇÃO DA DUREZA
Dureza Rockwell Dureza Rockwell
Dureza Vickers Dureza Vickers