Aula Propriedades mecânicas 2020 2

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Propriedades mecânicas 
Mossoró, abril 2021 
Introdução 
• Muitos materiais, quando em serviço, são submetidos a forças ou 
cargas. 
 
 
• Nestas situações é necessário conhecer as características do 
material de maneira que não ocorra uma deformação excessiva e 
nem a fratura. O comportamento mecânico do material reflete a 
relação entre sua resposta ou deformação a uma carga ou força 
aplicada. 
Propriedades mecânicas 
 
• Determinam a capacidade que o material tem para resistir aos 
esforços que lhe são aplicados. Essa capacidade é necessária não 
só durante o processo de fabricação, mas também durante sua 
utilização. 
Introdução 
• As propriedades mecânicas são determinadas pela execução de 
experimentos em laboratório que replicam as possíveis condições de 
trabalho. 
 
Fatores a serem considerados incluem: 
• A natureza da carga aplicada; 
 
• Duração da carga aplicada; 
 
• Condições ambientais. 
Introdução 
• Carga: tração, compressão, cizalhamento. 
 
• Magnitude: constante com o tempo ou alterar continuamente. 
 
• Tempo de aplicação: fração de segundo ou estender-se por um 
período de muitos anos. 
 
• A temperatura de serviço pode ser um importante fator. 
 
Introdução 
Fatores a serem considerados incluem: 
Tipos de forças 
Figura 1. Tipos de forças 
• Se uma carga é estática ou varia de maneira lenta com o tempo e 
está aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície 
de um elemento estrutural, o comportamento mecânico pode ser 
determinado pelo teste de tensão-deformação. 
 
 
• Teste de tensão-deformação - muito utilizado para metais à 
temperatura ambiente. 
 
• Tensões: tração, compressão, cizalhamento, torção. 
• Deformações: elásticas e plásticas 
Tensão e deformação 
Figura 2. Ilustração esquemática de como uma carga de tração 
produz um alongamento e uma tensão linear positiva. 
Tração 
Tensão e deformação 
Tensão e deformação 
Figura 3. Ilustração esquemática de como uma carga de compressão 
produz contração e uma deformação linear negativa. 
Compressão 
Tensão e deformação 
Compressão 
Figura 4. Ilustração esquemática de um ensaio de compressão. 
Tensão e deformação 
Cizalhamento 
Figura 5. Representação esquemática de deformação cizalhante (γ). 
As forças que agem sobre um corpo, provocam deslocamentos em planos diferentes. 
Tensão e deformação 
Torção 
Figura 6. Representação esquemática de deformação de torção 
(ângulo de torção θ ) produzido por um torque aplicado T. 
Deformação que um objeto sofre quando é aplicado um movimento de rotação 
Tensão e deformação 
Torção 
Figura 7. Representação esquemática de torção. 
 
• Tração - teste mecânico comum de tensão-deformação, usado 
para determinar propriedades mecânicas de materiais. 
 
 
• Uma amostra é deformada, geralmente até à fratura com carga de 
tração que é aplicada axialmente ao longo do eixo de uma 
amostra. 
Teste de tração 
Teste de tração 
Figura 8. Amostra padrão de tração com seção reta circular. 
Normalmente, a seção reta é circular, mas amostras retangulares são 
também usadas. 
Medida de comprimento 
Teste de tração 
Figura 9. Amostra padrão de tração com seção reta circular. 
 
• Durante o teste, a deformação é confinada a uma estreita região 
central, que tem uma seção reta uniforme ao longo do seu 
comprimento. 
 
• A máquina de teste de tração é projetada para alongar a amostra 
numa taxa constante e para medir continuamente e simultaneamente a 
carga aplicada instantânea (com uma célula de carga) e as resultantes 
elongações (usando um extensômetro). 
 
 
 
 
Teste de tração 
Figura 10. Amostra padrão de tração com seção reta circular. 
Teste de tração 
Representação do aparelho 
usado para conduzir testes de 
tensão deformação. 
A amostra é elongada pelo 
movimento. A célula de carga e 
o extensômetro medem, 
respectivamente, a magnitude 
da carga aplicada e a 
elongação. 
Um teste de tensão-deformação demora vários minutos para 
ser executado e é destrutivo, ou seja, a amostra de teste é 
permanentemente deformada e usualmente fraturada. 
 
 
Teste de tração 
Teste de tração 
Tensão de engenharia 
Onde: 
F – carga instantânea aplicada perpendicularmente a seção reta da 
amostra (unidades: libra-força (lbf) ou Newtons (N)); 
A0 - área da seção reta original antes que qualquer carga seja 
aplicada ( in2 ou m2). 
Unidades de tensão de engenharia: 
 
• libra-força / in 2, psi; 
 
• megapascals, MPa (SI); 1 MPa = 106N/m2. 
Equação 1 
Teste de tração 
Deformação 
Onde: 
 
• lo - comprimento original antes que qualquer carga seja aplicada; 
 
• li - comprimento instantâneo. 
 
Equação 2 
• Conduzido de maneira similar ao teste de tração, com exceção que a 
força é compressiva e a amostra se contrai ao longo da direção da 
tensão. 
 
 
• Por convenção, a força compressiva é considerada negativa, o que 
fornece uma tensão negativa. Além disso, como (lo > li), 
deformações compressivas calculadas a partir da Equação 2 são 
necessariamente também negativas. 
Teste de compressão 
Para testes realizados usando uma força cizalhante pura, a tensão 
cizalhante t é calculada de acordo com a relação. 
Teste de cizalhamento 
Onde: 
• F é a carga ou força imposta paralelamente às faces superior e 
inferior, cada uma das quais tem uma área de Ao. 
Teste de cizalhamento 
Figura 11. Ilustração esquemática de deformação cizalhante. 
A deformação cizalhante (γ) é definida como a tangente do ângulo 
de deformação ϴ, como indicado na figura. 
• A Torção é uma variação do cizalhamento puro, onde um 
componente estrutural é torcido conforme a figura. 
Teste de torção 
Forças de torção produz um movimento rotacional ao redor do eixo 
longitudinal de uma extremidade a outra do elemento estrutural. 
 
Figura 12. Ilustração esquemática de torção. 
Deformação reversível, sem deslocamentos permanentes de 
átomos ou moléculas. Após o esforço mecânico, o metal volta à 
forma e às dimensões originais. É o regime de deformação onde 
não ocorre mudança dimensional permanente, ou seja, com o fim 
do carregamento, o material volta ao estado inicial. 
 
 
Deformação elástica 
Comportamento tensão-deformação 
O grau de deformação ou escoamento de uma estrutura depende da 
magnitude da tensão imposta. Para muitos metais que são tensionados 
em tração e em relativamente baixos níveis, tensão e deformação são 
proporcionais entre si através da correlação. 
Deformação elástica 
Onde: 
E - constante de proporcionalidade (psi ou MPa) é o módulo de 
elasticidade ou módulo de Young. 
Lei de Hooke 
Módulo de elasticidade (E) – considerado como a rigidez ou a 
resistência do material à deformação elástica. Quanto maior o 
módulo, mais rígido é o material, ou menor é a deformação elástica 
que resulta da aplicação de uma dada tensão. 
Deformação elástica 
Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas. 
Deformação elástica 
Figura 13. Diagrama tensão-deformação mostrando deformação 
elástica linear para ciclos de carregamento e descarregamento. Ao 
aliviar a carga, a linha volta à origem. 
O processo de deformação no 
qual a tensão e a deformação 
são proporcionais entre si , é 
chamada de deformação 
elástica. 
O módulo de elasticidade depende da temperatura. Com o aumento 
da temperatura, o módulo de elasticidade decresce. 
Deformação elástica 
Figura 14. Módulo de elasticidade x temperatura para o tungstênio, 
aço e alumínio. 
Um pedaço de cobre com 305 mm (12 in) de comprimento é 
puxado em uma tensão com um estresse de 276 Mpa (40.000 
Psi). Se a deformação for totalmente elástica, qual será o 
alongamento resultante? Considere o módulo de elasticidade 
do cobre (E) = 110x103Mpa. 
Deformação elástica 
Deformação elástica 
Fios de aço carbonocom área de seção transversal de 62,9 mm2 
são utilizados para a fabricação de peças pré-moldadas de 
concreto. Nessas peças, a armação de fios de aço é pré-
tensionada (tração) antes de ser imersa na matriz de concreto. 
Depois que o concreto endurece, a tensão na armação de aço é 
retirada, o aço sofre recuperação elástica e comprime todo o 
sistema, aumentando a resistência mecânica do conjunto. O valor 
do módulo de elasticidade desse aço é de 200 GPa. Assumindo 
que esses fios sofreram uma deformação elástica de 1 % quando 
foram pré-tensionados, qual a F(N) a que eles foram submetidos? 
Deformação elástica 
Um pedaço de arame recozido de aço baixo carbono tem 2mm 
de diâmetro. Limite de escoamento 210 Mpa e módulo de 
elasticidade (E) de 207 GPa. Pergunta-se: 
 
a) Se uma garota de 54 Kg se dependura neste arame, 
ocorrerá deformação plástica no arame? 
 
b) Calcule o alongamento percentual do arame com a garota 
dependurada. 
 
c) O que aconteceria se o arame de cobre tivesse limite de 
escoamento = 70 Mpa? 
Deformação elástica 
Deformação elástica 
Deformação elástica 
• Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste até 
deformações de aproximadamente 0,005 (0,5 %). 
 
 
• A medida em que o material é deformado além desse limite, a tensão 
não é mais proporcional à deformação, ocorrendo então uma 
deformação permanente não recuperável, ou, deformação plástica. 
 
 
• A lei de Hooke não é mais válida para este caso. 
Deformação plástica 
Deformação plástica 
Figura 15. Comportamento tensão-deformação para um metal mostrando 
deformações elástica e plástica, o limite proporcional P e o limite de elasticidade 
convencional ϱy , é determinado usando o método de desvio com deformação 
0,002 (0,2 %). 
 
• De um ponto de vista atômico, a deformação plástica corresponde 
ao rompimento das ligações com os átomos vizinhos originais e em 
seguida as ligações são refeitas com novos átomos vizinhos, uma 
vez que grande número de átomos ou moléculas movem-se entre si. 
Após a remoção da tensão eles não retornam mais às suas posições 
originais. 
Deformação plástica 
 
• O mecanismo da deformação plástica é diferente para os materiais 
cristalinos e materiais amorfos. Nos sólidos cristalinos, a deformação 
é obtida por meio de um processo chamado de escorregamento, que 
envolve o movimento de discordâncias. 
 
 
• A deformação plástica nos sólidos não cristalinos (assim como nos 
líquidos) ocorre por um mecanismo de escoamento viscoso. 
Deformação plástica 
Deformação elástica 
 
Deformação plástica 
Precede a deformação plástica Provocada por tensões que 
ultrapassam o limite de elasticidade 
Reversível Irreversível (deslocamentos 
permanente dos átomos) 
Desaparece quando a tensão é 
removida 
Não desaparece quando a tensão é 
removida 
Proporcional a tensão aplicada 
 (Lei Hooke) 
Não se aplica a Lei de Hooke 
Deformação elástica x plástica 
• É importante conhecer o nível de tensão no qual a deformação 
plástica começa, ou onde ocorre o fenômeno do escoamento. 
 
 
• Para alguns metais que experimentam a transição gradual, o ponto 
de escoamento pode ser determinado como o desvio inicial a partir 
da linearidade da curva tensão-deformação, (Ponto P- limite de 
proporcionalidade - Figura 16). A posição do ponto P é difícil de ser 
medida com precisão, usando assim o método de desvio. 
Propriedades em tração 
Escoamento e limite convencional de escoamento 
Figura 16. Comportamento tensão-deformação para um metal mostrando 
deformações elástica e plástica. O limite proporcional P e o limite de escoamento 
(ϱy) , são determinado usando o método de desvio com deformação residual de 
0,002 (0,2 %). 
Propriedades de tração 
 
• Como não existe um limite claro entre as regiões elástica e plástica, 
foi estabelecida uma convenção onde uma linha reta é construída 
paralelamente à região elástica da curva de tensão-deformação num 
especificado desvio de deformação, usualmente 0,002. 
 
 
• A tensão corresponde à interseção desta linha e a curva tensão-
deformação quando ela se curva na região plástica é definida como o 
limite convencional de escoamento Ҽy (Figura 16). 
Propriedades em tração 
A transição elástica-plástica é bem 
definida e ocorre abruptamente (ponto 
de escoamento). No ponto superior de 
escoamento, a deformação plástica é 
iniciada com um decréscimo na tensão. 
A deformação flutua ao redor de um 
valor constante de tensão (ponto 
inferior de escoamento). A tensão 
subsequentemente sobe com 
crescente deformação. 
Propriedades em tração 
Figura 17. Comportamento representativo de tensão-deformação encontrado em 
alguns aços demonstrando o limite de escoamento descontínuo. 
Propriedades em tração 
Para os metais que exibem esse 
efeito, o limite de escoamento é 
tomado como a tensão média 
associada ao limite de escoamento 
inferior, uma vez que esse ponto é 
bem definido. 
Os limites de escoamento podem 
variar desde 35 Mpa para o 
alumínio de baixa resistência até 
acima de 1400 Mpa para aços de 
alta resistência. 
Após o escoamento, a tensão 
necessária para continuar a 
deformação plástica cresce até 
um máximo (ponto M) e a seguir 
decresce até a fratura (ponto F). 
O Limite de Resistência à Tração 
(LRT) é a tensão no máximo na 
curva de tensão-deformação. 
Limite de resistência à tração 
Figura 18. Comportamento de tensão-deformação até a fratura (ponto F). 
 A resistência a tração é indicada no ponto M. Dentro dos circulos é possível 
verificar a geometria do corpo de prova deformado em vários pontos ao longo 
da curva. 
 
• Toda deformação até o ponto (M) é uniforme através de toda a região 
estreita da amostra. Entretanto, na tensão máxima, uma pequena 
constricção ou pescoço começa a se formar e toda deformação 
subsequente é confinada neste pescoço até ocorrer a fratura. 
Fenômeno denominado estricção ("necking") ou empescoçamento. A 
resistência à fratura corresponde à tensão no ponto de ruptura. 
 
 
• Os limites de resistência à tração podem variar desde 50 MPa para 
um alumínio até um valor tão alto quanto 3000 MPa para aços de alta 
resistência mecânica. 
 
 
Limite de resistência à tração 
Normalmente, quando a resistência de um metal é citada para fins 
de projeto, o limite de escoamento é o parâmetro utilizado. Isso 
ocorre porque, no momento em que a tensão correspondente ao 
limite de resistência à tração chega a ser aplicada, com frequência 
uma estrutura já sofreu tanta deformação plástica que já se tornou 
imprestável. 
Limite de resistência à tração 
Ductilidade - propriedade mecânica que corresponde ao grau de 
deformação plástica que o material suportou até o momento de sua 
fratura. Um material que apresenta pouca ou nenhuma deformação 
plástica antes da fratura é denominado frágil. 
Ductilidade 
Figura 19. Representações do comportamento de tensão tração-deformação 
para materiais frágil e dúctil carregado até a fratura. 
Ductilidade 
Resiliência – capacidade de um material absorver energia 
mecânica quando ele é deformado elasticamente e depois com o 
descarregamento, o material volta a sua forma original. 
Resiliência 
Dureza - propriedade de um material que permite a ele resistir à 
deformação plástica, usualmente por penetração. O 
termo dureza também pode ser associado à resistência à flexão, 
risco ou corte. É a medida da resistência de um material a uma 
deformação localizada. 
 
Dureza 
Um material é considerado mais duro que o outro quando consegue 
riscar esse outro. Para determinar a dureza dos materiais, podemos 
usar uma escala de 1 a 1O. O valor 1 (um) corresponde ao mineral 
menos duro conhecido pelo homem, o talco. O valor 10 é a dureza do 
diamante, o mineral mais duro. 
Tenacidade - capacidade de um material para absorver energia até 
a fratura. A geometria de amostra bem como a maneirade 
aplicação da carga são importantes nas determinações de 
tenacidade. Compreende o regime elástico e elástico-plástico. 
Tenacidade 
• O declínio na tensão para continuar 
a deformação após o ponto máximo 
M, parece indicar que o material está 
se tornando menos resistente. 
 
• Na verdade, a resistência do material 
está aumentando. Porém, a área da 
seção reta está diminuindo (região 
de pescoço), onde ocorre a 
deformação. Isto resulta numa 
redução na capacidade da amostra 
em suportar carga. 
Tensão verdadeira e deformação verdadeira 
Figura 20. Comportamento de tensão-deformação a fratura (ponto F). 
 A resistência a tração é indicada no ponto M. 
• A tensão de acordo com a equação abaixo, baseia-se na área da 
seção reta original (A0), ou seja, antes que qualquer deformação 
ocorra, não considerando esta diminuição em área no pescoço. 
 
 
 
Tensão verdadeira e deformação verdadeira 
Às vezes é mais significativo usar uma tensão verdadeira-deformação verdadeira. 
 
Tensão verdadeira e deformação verdadeira 
 
• Tensão verdadeira ҼT - carga F dividida pela área da seção reta 
instantânea (Ai) na qual a deformação está ocorrendo 
(considerando o pescoço, passado o ponto de tração). 
 
A curva de tensão 
deformação verdadeira com 
correções, considera o 
complexo estado de tensão 
na região do pescoço. 
Tensão verdadeira e deformação verdadeira 
Figura 21. Comparação do comportamento tensão-deformação da 
tensão de engenharia e do comportamento tensão-deformação da 
tensão verdadeira. 
 
• CALLISTER, William D. Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: 
Uma Introdução 5a ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. 612 p. 
 
 
 
• https://www.researchgate.net/figure/Figura-9-Ensaio-de Compressao-
a-forca-de-compressao-aplicada-ao-provete-b-setup_fig2_277330897 
 
 
Referências 
https://www.researchgate.net/figure/Figura-9-Ensaio-de-Compressao-a-forca-de-compressao-aplicada-ao-provete-b-setup_fig2_277330897
https://www.researchgate.net/figure/Figura-9-Ensaio-de-Compressao-a-forca-de-compressao-aplicada-ao-provete-b-setup_fig2_277330897
https://www.researchgate.net/figure/Figura-9-Ensaio-de-Compressao-a-forca-de-compressao-aplicada-ao-provete-b-setup_fig2_277330897
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