CIÊNCIA DOS MATERIAIS Propriedades Mecânicas

Prévia do material em texto

CIÊNCIA DOS MATERIAIS I
PROF: RICARDO HENRIQUES LEAL
Email: rhleal@id.uff.br
Carga Horária: 75 horas (Teórica: 60 hrs; Prática: 15 hrs)
BIBLIOGRAFIA: 
1) Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma Introdução; William D. Callister Jr. e David G. 
Rethwisch, 8a edição, Editora LTC/GEN
2) Princípios de Ciência e Tecnologia dos Materiais; L.H. Van Wlack
AVALIAÇÃO:
2 Provas 
3a Nota: 40% Prova, 30% Seminário, 30% Exercícios
RESUMO DA EMENTA
• Introdução
• Revisão de Estrutura Cristalina
• Difração de Raios X
• Imperfeições Cristalinas
• Difusão
• Propriedades Mecânicas dos Metais
• Mecanismos de Endurecimento
• Fratura, Fadiga e Fluência
• Diagramas de Fase
• Transformação de Fases em Metais
Propriedades Mecânicas dos Metais
• Introdução
• Conceitos de Tensão-Deformação
• Deformação Elástica
• Deformação Plástica
Bibliografia: 
1. Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma Introdução, William D. 
Callister Jr. e David G. Rethwisch, 8a edição, Editora LTC/GEN
Introdução
• Materiais em serviço são submetidos a forças ou cargas (p.ex. alumínio em peças de 
avião, aços em peças de automóveis, aço ou cimento em pontes, aço em tubos 
transportando gases, etc..)
• É fundamental conhecer as respostas desses materiais a essas forças ou cargas para 
garantir que a deformação não seja excessiva e que o material não frature em 
serviço
• As principais propriedades mecânicas para o projeto de peças metálicas são: rigidez, 
resistência, dureza, ductililidade e tenacidade
• As propriedades mecânicas são determinadas através de experimentos de 
laboratório que procuram reproduzir as condições de trabalhao da peça, incluindo a 
natureza da carga aplicada (tração, compressão ou cisalhamento, constante ou 
variável ao longo do tempo), a duração da sua aplicação (frações de segundo ou 
períodos de dias ou até anos) e também as condições ambientais, como, p.ex., a 
temperatura e atmosfera de operação da peça
• Os experimentos laboratoriais e as especificações dos produtos são padronizados de 
acordo com normas internacionais e brasileiras – ASTM, DIN, JIS, NBR
• Engenheiros de estruturas: determinar tensões e sua distribuição em elementos da 
estrutura
• Engenheiros de materiais e metalúrgicos: produção e fabricação de materiais para 
atender às exigências de serviço previstas pelas análises de tensões
Conceitos de Tensão e Deformação – Tipos de Cargas
Conceitos de Tensão e Deformação – Ensaio de Tração
Tensão de Engenharia: σ = F / Ao (N/m
2)
onde F é a força aplicada e Ao a área inicial
Obs: 1 Mpa = 106 N/m2
Deformação de Engenharia: ϵ = (li – lo) / lo = Δ l / lo
onde li = C é o comprimento instantâneo e
lo = Co é o comprimento inicial
Conceitos de Tensão e Deformação – Ensaio de Compressão
Tensão de Engenharia: σ = F / Ao (N/m
2)
onde F é a força aplicada e Ao a área inicial
Obs: 1 Mpa = 106 N/m2
Deformação de Engenharia: ϵ = (li – lo) / lo = Δ l / lo
onde li = C é o comprimento instantâneo e
Lo = Co é o comprimento inicial
• Mesmas fórmulas do Ensaio de Tração, exceto que a força compressiva por convenção é negativa 
e o corpo de prova se contrai
• Além disso li < lo e a deformação também é negativa
• Os ensaios de tração são mais comuns e ensaios de compressão são realizados quando se deseja conhecer o
comportamento do material submetido a deformações grandes e permanentes, ou seja, as que ocorre em
algumas operações de fabricação ou quando o material é frágil sob tração
Conceitos de Tensão e Deformação – Ensaio de Cisalhamento e de Torção
τ = F / Ao é a tensão cisalhante, , onde F é a carga ou força imposta paralelamente às faces superior e inferior, 
cada uma delas com área Ao
γ = tan (θ) é a deformação cisalhante
Conceitos de Tensão e Deformação – Considerações Geométricas sobre Estado de Tensão
Deformação Elástica – Comportamento Tensão-Deformação
• Para a maioria dos metais submetidos a uma tensão de tração relativamente baixa, tensão e deformação 
são proporcionais entre si:
σ = Eϵ
• Essa expressão é conhecida como Lei de Hooke e é válida para Deformação Elástica; E é o Módulo de 
Elasticidade ou de Young, com unidades de tensão, GPa, para metais variando de 45 GPa para o Mg a 407 
Gpa para o W.
• Parâmetro E mede a Rigidez do material, ou seja, a resistência à deformação elástica: quanto maior o 
valor de E mais rígido o material, ou seja, menor a deformação elástica para uma mesma tensão aplicada
Deformação Elástica – Comportamento Tensão-Deformação
• Deformação Elástica não é permanente, e o material retorna à sua forma original quando a carga é 
liberada
• Maioria dos materiais segue a lei de Hooke no regime elástico, porém para alguns (p. ex., ferro fundido 
cinzento, concreto e diversos polímeros) a curva tensão-deformação não é linear e o Módulo de 
Elasticidade é determinado pela tangente à curva em um ponto ou a secante entre dois pontos no 
regime elástico
Deformação Elástica – Comportamento Tensão-Deformação
• Em escala atômica, deformação elástica se daria por pequenas alterações no espaçamento interatômico 
e no estiramento das ligações interatômicas; potanto, a magnitude de E é uma medida da resistência à 
separação de átomos adjacentes, isto é, das forças de ligação interatômicas
• Portanto, E é proporcional à inclinação da curva força interatômica x separação interatômica na posição 
do espaçamento de equilíbrio
Deformação Elástica – Comportamento Tensão-Deformação
• Imposição de tensões de compressão, cisalhamento ou torção também induz comportamento elástico 
sob baixos níveis de tensão; para tensões e deformações cisalhantes: 
τ = G.γ
onde G é o Módulo de cisalhamento 
• Em geral, após a liberação da carga em regime elástico, o retorno à forma original não se dá 
instantaneamente, mas leva um tempo finito para que isso ocorra; esse comportamento elástico 
dependente do tempo é chamado Anelasticidade: para metais esse tempo é desprezível, mas para 
alguns polímeros sua magnitude é significativa, gerando o «comportamento viscoelástico»
Módulo de Elasticidade diminui 
com a temperatura
Deformação Elástica – Comportamento Tensão-Deformação
Deformação Elástica – Propriedades Elásticas dos Materiais
• Quando uma tensão trativa (ou compressiva) elástica é aplicada, além da deformação na direção da 
tensão, ocorrerá deformação também nas direções perpendiculares à mesma
Deformação Elástica –Propriedades Elásticas dos Materiais
• Um parâmetro denominado Coeficiente de Poisson, ν, é definido como a razão entre as 
deformações lateral e axial:
• Para a grande maioria dos materiais ν é positivo, porém, para alguns polímeros 
denominados “auxéticos”, ν é negativo
• Teoricamente, para materiais isotrópicos ν = 0,25 e o valor máximo, quando não haveria 
variação de volume, seria ν = 0,50; para a maioria dos metais ν varia entre 0,25 e 0,35
• Muitos materiais são anisotrópicos, o comportamento elástico varia com a direção 
cristalográfica e, nesse caso várias constantes elásticas são necessárias para caracterizar 
esses materiais; para materiais isotrópicos pelo menos 2 constantes são necessárias, já 
que para esses materiais:
E = 2G(1 + ν)
• Para a maioria dos materiais policristalinos a orientação dos grãos é aleatória e eles 
podem ser considerados isotrópicos; vidros cerâmicos inorgânicos também são 
isotrópicos
Deformação Elástica – Propriedades Elásticas dos Materiais
Deformação Elástica – Propriedades Elásticas dos Materiais
Deformação Plástica
• Para a maioria dos materiais metálicos, a deformação elástica ocorre apenas até cerca 
de 0,005; após esse valor ocorre uma deformação permanente, não recuperável, a 
Deformação Plástica
• Sob o ponto de vista atômico, a deformação plástica corresponde à quebra de ligações 
entre os átomos vizinhos originais, seguida pela formação de ligações com novos 
vizinhos e eles não retornam às suas posições originais
• O mecanismo dessa deformação é diferente para materiais cristalinos e amorfos: 
• Nos sólidos cristalinos a deformação é obtida porum processo de deslizamento, ou escorregamento, 
envolvendo o movimento de discordâncias
• Nos sólidos não cristalinos (assim como nos líquidos), a deformação ocorre por um mecanismo de 
escoamento viscoso
• A maioria das estruturas é projetada para que ocorra apenas deformação elástica em 
serviço; uma estrutura ou componente que tenha sido deformado plasticamente, ou 
que tenha sofrido alteração na sua forma, pode não funcionar como previsto
• Portanto é importante conhecer o nível de tensão no qual tem início a deformação 
plástica (escoamento), o chamado Limite de Escoamento (LE), que é uma medida da 
sua resistência à deformação plástica: para metais varia desde 35 Mpa para um Al de 
baixa resistência até acima de 1400 Mpa para aços de alta resistência
Deformação Plástica – Limite de Escoamento
Material sem Limite de 
Escoamento definido
Material com Limite de 
Escoamento definido
Deformação Plástica – Resistência à Tração
• Após o escoamento a tensão necessária para continuar a deformação plástica aumenta até um valor 
máximo, denominado Limite de Resistência à Tração (LRT); esse é o valor máximo de tensão suportado 
pelo material quando submetido à tração, a partir daí se a tensão aplicada for mantida ou aumentada 
ocorrerá fratura
• Até o LRT a deformação está uniformemente distribuída por toda a região estreita do corpo de prova, 
mas nesse ponto se forma uma pequena estricção, ou pescoço e toda deformação subsequente, até a 
fratura, se concentra nesse pescoço
• A Resistência à Fratura corresponde à tensão no ponto de ruptura
• Os LRT’s podem variar desde cerca de 50 MPa para alumínio de baixa resistência até valores da ordem de 
3000 MPa para aços de alta resistência
• Normalmente em projetos de estruturas se utiliza como parâmetro o Limite de Escoamento, porque no 
momento em que o Limite de Resistência chega a ser aplicado a estrutura já sofreu deformação 
permanente significativa e, da mesma forma, não se usa o Limite à Fratura em projetos
• Entretanto, diversos Processos de Fabricação de Produtos (p.ex. Forjamento, Laminação, Conformação de 
Chapas) envolve deformação plástica e o conhecimento de como se processa a deformação plástica e os 
seus parâmetros é fundamental para o projeto desses processos de fabricação 
Deformação Plástica – Resistência à Tração
Deformação Plástica – Resistência à Tração
Deformação Plástica – Resistência à Tração
Deformação Plástica – Resistência à Tração
Deformação Plástica – Resistência à Tração
Deformação Plástica - Ductilidade
• Ductilidade é a medida do grau de deformação plástica que foi suportada até a fratura
• Material que só é capaz de sofrer deformação plástica muito pequena (em geral < 5%) ou mesmo nenhuma 
deformação plástica até a fratura é denominado frágil e pode ser arriscado utilizá-lo em diversas aplicações, 
em função do risco de rompimento prematuro
• A ductilidade pode ser expressa tanto por um Alongamento Percentual (%AL) ou por Redução Percentual da 
Área (%RA)
• Como uma proporção significativa da deformação plástica no momento da fratura está confinada à região 
do pescoço, a magnitude de %AL depende do comprimento do corpo de prova: quanto menor o valor de lo
maior a fração do alongamento total devido ao pescoço e maior o valor de %AL; portanto, o valor de %AL 
deve ser sempre referenciado a um comprimento de corpo de prova
• Os valores de %RA são independentes de Ao e lo e, em geral, diferentes de %AL
• LE, LRT e Ductilidade, ao contrário de E, são sensíveis a deformação prévia, presença de impurezas e/ou 
qualquer tratamento térmico; LE e LRT diminuem ao passo que a Ductilidade em geral aumenta com o 
aumento da temperatura
Deformação Plástica - Ductilidade
Deformação Plástica - Resiliência
• Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e, 
depois, com a remoção da carga, permitir a recuperação dessa energia
• A propriedade associada é o Módulo de Resiliência, Ur, que é a energia de deformação por unidade de 
volume necessária para tensionar o material desde um estado sem carga até o Limite de Escoamento
• O Módulo de Resiliência para um material submetido a um ensaio de tração uniaxial é igual a área sob a 
curva tensão de engenharia x deformação de engenharia calculada até o escoamento
• A unidade de Resiliência é J / m3 = N / m2 = Pa
• Alta Resiliência é obtida com alto LE e baixo E
(material para mola)
onde assumindo uma região elástica linear: e, introduzindo a Lei de Hooke:
Resiliência
Deformação Plástica - Tenacidade
• Tenacidade é um termo mecânico que pode ser usado sob vários contextos
• Tenacidade à Fratura é uma propriedade indicativa da resistência de um material à fratura quando uma 
trinca, ou outro defeito concentrador de tensões está presente; como é praticamente impossível e caro 
fabricar materiais sem defeitos, a Tenacidade à Fratura é uma das principais propriedades considerada 
no uso de materiais estruturais
• Tenacidade é também definida como a habilidade de um material absorver energia e se deformar 
plasticamente antes de fraturar
• Para carregamentos dinâmicos (elevadas taxas de deformação) e na presença de um entalhe, a Tenacidade ao Entalhe é 
determinada por meio de um Ensaio de Impacto
• Para carregamento estáticos (pequena taxa de deformação), uma medida da tenacidade é a área sob a curva tensão x 
deformação até o ponto de fratura; as unidades são as mesmas da Resiliência (energia por unidade de volume, J /m3 ou N / 
m2 ou Pa; materiais tenazes têm boa combinação de resistência mecânica e ductilidade
Tenacidade
Deformação Plástica – Tensão e Deformação Verdadeira
• Tensão e Deformação de Engenharia são calculadas a partir da área e comprimento originais do Corpo de 
Prova, porém, durante a deformação plástica, após o Limite de Escoamento, e, particularmente após o 
empescoçamento, essas dimensões são alteradas significativamente e valores de tensão e deformação a 
cada instante são diferentes dos valores de engenharia
• Por exemplo, em uma curva tensão x deformação de engenharia a tensão cairia após o início do 
empescoçamento, o que não é correto, pois, com a redução de área a tensão na realidade cresce
• Em alguns casos é mais interessante se trabalhar com uma curva tensão x deformação considerando a área 
e o comprimento do corpo de prova a cada instante; essa curva é denominada Tensão x Deformação 
Verdadeira
• Tensão Verdadeira (σv ): é definida como a carga F dividida pela área da seção transversal instantânea Ai na 
qual a deformação está ocorrendo (após o empescoçamento será no pescoço)
σv = F / Ai
• Deformação Verdadeira (ϵv ): é definida através da expressão dϵ = dl / l , então;
ϵv = ln (li / lo)
• Se não ocorrer variação no volume durante a deformação: Aili = Aolo e nesse caso as tensões e 
deformações de engenharia e verdadeiras estão relacionadas de acordo com as expressões:
σv = σ(1 + ϵ) e ϵV = ln (1 + ϵ)
Deformação Plástica – Tensão e Deformação Verdadeira
• Paralelamente à formação do pescoço no Ensaio de Tração, ocorre a introdução de um complexo estado de 
tensões no pescoço, que deixa de ser uniaxial; como consequência desse novo estado de tensão, a tensão 
axial é menor no pescoço do que a calculada a partir da carga aplicada e da área da seção reta do pescoço 
• O comportamento tensão x deformação na região plástica quando da aplicação de cargas compressivas, 
cisalhantes ou de torção é semelhanto àquele exibido no ensaio à tração
• Contudo, no ensaio à compressão não haverá um valor máximo, uma vez que não há formação de pescoço 
e o modo de fratura será diferente do que ocorre na tração.
Deformação Plástica – Tensão e Deformação Verdadeira
• Para alguns metais e ligas a região da curva tensão x deformação verdadeira desde o início da deformação 
plástica até o ponto onde tem início o pescoço pode sera aproximada pela relação:
σv = K.ϵ𝑣
𝑛
onde K e n são constantes, cujos valores irão variar de uma liga para outra e que tambémdependerão da 
condição do material, isto é, se ele foi deformado plasticamente, se foi tratado termicamente, etc..
• O parâmetro n é denominado coeficiente de encruamento e possui valor inferior à unidade
Deformação Plástica – Tensão e Deformação Verdadeira
Deformação Plástica – Tensão e Deformação Verdadeira
Recuperação Elástica
• Com a liberação da carga durante um ensaio de tração uma fração da deformação total é 
recuperada como deformação elástica
• Durante o ciclo de descarregamento a curva percorre uma trajetória aproximadamente linear 
virtualmente paralela com inclinação igual ao Módulo de Elasticidade
• Se a carga for reaplicada , a curva percorrerá a mesma trajetória linear porém na direção oposta 
ao do descarregamento e o escoamento se dará no mesmo nível de tensão que o 
descarregamento teve início
• Também existirá uma recuperação da deformação associada à fratura
Ensaio de Dureza
• Dureza é uma propriedade mecânica que mede a resistência de um 
material a uma deformação plástica localizada, p.ex. uma pequena 
impresso ou um risco
• As primeiras medidas de dureza foram baseadas em escala construída a 
partir da habilidade de um material riscar um mais macio, sendo criada a 
Escala Mohs, que varia do índice 1 para o talco até 10 para o diamante
• Posteriormente se desenvolveram técnicas quantitativas para medida da 
dureza, nas quais um pequeno penetrador é forçado contra a superfície do 
material a ser testado, sob condições controladas de carga e taxa de 
aplicação, e a profundidade ou o tamanho da impressão é medida e 
relacionada a um número de dureza
• As medidas de dureza são relativas e deve-se tomar cuidado ao comparar 
valores determinados por técnicas diferentes
• Os ensaios de dureza são mais comuns que os outros ensaios mecânicos:
• São simples e baratos
• Ensaio não destrutivo
• Com frequência outras propriedades podem ser estimadas a partir da dureza
Ensaio de Dureza Rockwell
• Obtida a partir de combinações possíveis de vários penetradores e diferentes 
cargas, permitindo o ensaio de virtualmente todas as ligas metálicas e alguns 
polímeros, sendo o ensaio de dureza mais comum
• Penetradores esféricos de aço endurecido com diâmetros de 1/16, 1/8, ¼ e ½ 
polegada e um penetrador cônico de diamante (Brale) usado para materiais mais 
duros
• Número de dureza é determinado pela diferença na profundidade de penetração 
resultante da aplicação inicialmente de uma carga menor seguida da aplicação de 
uma carga principal maior
• Dois tipos de Dureza Rockwell em função das cargas aplicadas:
• Ensaio Rockwell: carga menor de 10 kg e cargas principais de 60, 100 e 150 kg
• Rockwell Superficial: carga menor de 3 kg e cargas principais de 15, 30 e 45 kg
• As combinações de cargas e penetradores são identificadas por letras, p.ex, 80 
HRB, dureza 80 na escala Rockwell B e 60 HR30W, dureza de 60 na escala 30W
• Valores de dureza em uma certa escala que passem de 100 ou fiquem abaixo de 
20 são imprecisos e devem ser medidos em uma outra escala; superfície deve ser 
lisa e plana
• Espessura do corpo de prova deve ser pelo menos 10 vezes maior que a 
profundidade da impressão e deve ser dado um espaçamento de pelo menos 3 
diâmetros de impressão entre dois centros de impresso ou entre um centro e a 
borda
Ensaio de Dureza Rockwell
Ensaio de Dureza Brinell
• Obtida a partir da medição do diâmetro resultante da marca de um 
penetrador esférico de aço duro ou de carbeto de tungstênio de 10 mm de 
diâmetro
• Cargas padrão variam entre 500 e 3000 kg, em intervalos de 500 kg, sendo 
mantidas constantes por um tempo especificado entre 10 e 30 s
• O diâmetro é medido com um microscópio especial de baixo aumento e 
convertido no número de dureza por meio de um gráfico ou fórmula
• O número de dureza Brinell é tanto uma função da magnitude da carga e 
do diâmetro medido e a escala é única, sendo denominada HB
• Requisitos de espessura do material, de distância mínima entre impressões 
e distância da borda e de qualidade da superfície são as mesma da Dureza 
Rockwell e é adicionalmente necessário uma impressão bem definida
Ensaio de Dureza
Ensaios de Microdureza Knoop e Vickers
• Penetrador de diamante muito pequeno e de formato piramidal é forçado contra 
superfície do corpo de prova
• Cargas variando entre 1 e 1000 g
• Dimensões da penetração resultante são medidas e convertidas em números de 
dureza através de fórmulas específicas para cada uma das escalas, que também 
leva em conta a carga aplicada
• Ambos os ensaios são adequados para determinação da dureza em regiões 
pequenas e selecionadas dos materiais, sendo que o método Knoop é aplicado 
para ensaios em materiais frágeis, tais como os cerâmicos 
• OBS: Existem outros ensaios de dureza de aplicações mais específicas, tais como: 
microdureza ultrasônica, ensaios de dureza dinâmica (escleroscópica), ensaios 
com durômetro (para materiais plásticos e elastoméricos) e ensaios de dureza ao 
risco
Conversão de Dureza e Correlação Dureza-LRT
• Como a dureza não é uma propriedade bem definida do material, dependendo da técnica 
empregada, não existe um sistema de conversão abrangente.
• Os dados de conversão existentes foram obtidos experimentalmente, sendo dependentes do tipo 
e características do material e, portanto, devem ser usados com cuidado
• Dureza e LRT são indicadores da resistência de um metal à deformação plástica e, portanto são 
aproximadamente proporcionais para o aço, ferro fundido e latão, mas o mesmo não se observa 
para outros materiais
• Para o aço, como regra geral: 
LRT (Mpa) = 3,45 x HB
Ensaio de Dureza