CIÊNCIAS DOS MATERIAIS - PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

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CIÊNCIAS DOS MATERIAIS: PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 
Descrição: Trata de tensão e deformação, comportamento mecânico dos materiais, testes 
laboratoriais, ensaio de tração, ensaio de tensão, ensaio de cisalhamento e torção, deformação 
elástica, comportamento tensão-deformação, deformação plástica, propriedades de tração, 
escoamento e limite de escoamento, limite de resistência à tração, ductilidade, resiliência, 
tenacidade, tensão verdadeira e deformação verdadeira e dureza. 
INTRODUÇÃO 
• Muitos materiais estão sujeitos a forças ou cargas durante o serviço. Nessas situações, é 
preciso conhecer as propriedades do material e projetar a peça para que a deformação não seja 
excessiva e não quebre. O comportamento mecânico de um material descreve a relação entre sua 
resposta a uma carga ou força aplicada. Algumas propriedades mecânicas importantes são 
resistência, dureza, ductilidade e rigidez. 
• As propriedades mecânicas dos materiais são testadas através da realização de 
experimentos de laboratório nos quais as condições de funcionamento (características e duração 
das cargas e condições ambientais) são reproduzidas com a maior precisão possível. 
• A carga pode ser de tração, compressiva, ou de cisalhamento e a sua magnitude pode ser 
constante ou flutuar continuamente ao longo do tempo. O tempo de aplicação pode ser curto ou 
longo. A temperatura operacional também pode ser um fator. 
• O desenvolvimento e a publicação desses padrões geralmente são coordenados por 
sociedades profissionais como a ASTM. 
 
CONCEITOS DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO 
• Ensaios de tensão-deformação consistem na aplicação uniforme de uma carga – estática ou 
que varia de forma lenta ao longo do tempo – Geralmente é realizado em temperatura ambiente. 
Existem três tipos principais de aplicação de carga: tração, compressão e cisalhamento. 
• Ensaios de tração: a amostra é deformada, normalmente até sua fratura (destrutivo), 
através de uma carga de tração que cresce de modo gradativo e é aplicada uniaxialmente ao longo 
do eixo mais longo de um corpo de prova. A deformação durante o ensaio é limitada por essa parte 
central mais estreita do corpo de prova, que possui uma seção transversal uniforme ao longo de 
todo o seu comprimento. As máquinas de teste de tração são desenvolvidas para esticar uma 
amostra a uma taxa constante e contabilizar contínua e simultaneamente a carga instantânea 
aplicada e o alongamento resultante. O resultado é descrito em gráfico na forma de carga ou força 
em função do alongamento. Essas características carga-deformação dependem do tamanho da 
amostra. Para minimizar esses fatores geométricos, a carga e o alongamento são normalizados de 
acordo com os seus respectivos parâmetros de tensão de engenharia e deformação de engenharia. 
A tensão de engenharia é definida por σ = F/A, com A sendo a área original (antes da aplicação de 
carga) da seção transversal. A deformação de engenharia é definida como ε = Δl/l0, com Δl 
representando o alongamento. 
• Ensaios de compressão: o ensaio é realizado de forma semelhante ao ensaio de tração, 
exceto que a força é compressiva e o corpo de prova se contrai na direção da tensão. As fórmulas 
usadas para calcular tensão de engenharia e deformação de engenharia são as mesmas dos 
ensaios de tração. Por convenção, a força compressiva é considerada negativa, resultando em uma 
tensão negativa. Ademais, como l0 é maior que l, a deformação compressiva calculada é negativa. 
Os testes de compressão são usados para determinar o comportamento de materiais submetidos 
a deformações grandes e permanentes (plásticas) que ocorrem durante a fabricação ou quando o 
material é frágil sob tensão. 
• Ensaios de cisalhamento e torção: Para ensaios realizados com força de cisalhamento 
puro, a tensão de cisalhamento é calculada de acordo com a equação t = F/A0. A tensão de 
cisalhamento é definida como a tangente do ângulo de deformação. 
 
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA 
 
COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO 
• Para a maioria dos metais submetidos a tensões de tração relativamente baixas, tensão e 
deformação são proporcionais entre si de acordo com a relação σ = Ee (Lei de Hooke), em que E 
é o módulo de elasticidade. 
• Um processo de deformação no qual tensão e deformação são proporcionais é chamado de 
deformação elástica. Os gráficos de tensão (ordenadas) e deformações (abcissas) mostram uma 
relação linear (gráfico mais abaixo). 
• A inclinação (coeficiente angular) deste segmento linear corresponde ao módulo de 
elasticidade E. Este módulo pode ser pensado como a rigidez de um material ou resistência à 
deformação elástica. Quanto maior o módulo, mais duro o material ou menos deformação elástica 
ocorre quando uma determinada tensão é aplicada. 
• A deformação elástica não é permanente, a peça retorna à sua forma original quando a carga 
aplicada é liberada. Existem alguns materiais em que a parte elástica inicial da curva tensão-
deformação não é linear. Módulos tangenciais ou coeficientes secantes são comumente usados 
para esse comportamento não linear. O módulo tangente é considerado como a inclinação da curva 
tensão-deformação em um determinado nível de tensão, enquanto o módulo secante descreve a 
inclinação da secante desde a origem até um ponto específico na curva. 
• Na escala atômica, as deformações elásticas macroscópicas aparecem como pequenas 
mudanças nas distâncias interatômicas e no grau de ligação interatômica. Assim, a magnitude do 
módulo é uma medida da resistência à separação de átomos adjacentes, ou seja, a força das 
ligações entre os átomos. Além disso, o módulo de elasticidade tende a diminuir com o aumento 
da temperatura. A imposição de tensões compressivas, de cisalhamento ou torcionais também 
induz um comportamento elástico. 
• A maioria dos materiais de engenharia também possui um componente de deformação 
elástica ao longo do tempo. Isso significa que a deformação elástica continua depois que a tensão 
é aplicada e a recuperação completa leva um tempo finito para ocorrer quando a carga é liberada. 
Esse comportamento elástico ao longo do tempo é chamado de anelasticidade. Para os metais, a 
componente anelástica é geralmente pequeno e frequentemente negligenciado. 
 
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 
 
• Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico é mantido apenas até uma 
deformação de cerca de 0,005. Qualquer deformação do material além desse ponto resulta em 
deformação permanente e não recuperável, a deformação plástica. A transição do comportamento 
elástico para o plástico é uma transição gradual para a maioria dos metais; uma curvatura ocorre 
onde a deformação plástica aparece e aumenta mais rapidamente com o aumento da tensão: 
 
https://www.researchgate.net/profile/Luiz-Gomes-17/publication/309788298/figure/fig9/AS:668790782193673@1536463556460/Diagrama-Tensao 
Deformacao-A-zona-elastica-se-estende-da-origem-0-ao-ponto-A-Nesta.ppm 
 
• Do ponto de vista atômico, a deformação plástica corresponde à quebra de ligações com 
átomos originalmente adjacentes e, em seguida, formação de novas ligações com novos átomos 
vizinhos, já que um grande número de átomos ou moléculas se move em relação uns aos outros. 
 
PROPRIEDADES DE TRAÇÃO: ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO 
• A maioria das estruturas é projetada de forma que ocorra apenas deformação elástica 
quando da aplicação de uma tensão. Torna-se então desejável saber o nível de tensão no qual a 
deformação plástica começa, ou onde ocorre o fenômeno do escoamento. Para metais que passam 
por essa transição elastoplástica gradual, o ponto de escoamento pode ser definido como o ponto 
no qual ocorre o desvio inicial da linearidade na curva tensão-deformação, muitas vezes referido 
como o limite de proporcionalidade (ponto P). 
• A localização deste ponto pode não ser determinada com precisão. Foi desenvolvida, então, 
uma convenção: uma linha reta é desenhada paralelamente àporção elástica da curva tensão-
deformação, segundo uma pré-deformação específica (normalmente 0,002). A tensão que 
corresponde à interseção desta linha com a curva tensão-deformação, na medida em que esta 
última se inclina em direção à região plástica, é definida como a tensão limite de escoamento. Para 
materiais com uma região elástica não linear, é comum definir a tensão de escoamento limite como 
a tensão necessária para produzir uma quantidade específica de deformação (por exemplo, e = 
0,005). 
• Alguns aços e outros materiais exibem um comportamento tensão-deformação em tração 
em que a transição elastoplástica é muito bem definida e acontece de forma repentina, chamado 
de fenômeno do pico de escoamento descontínuo. Na tensão limite de escoamento superior, a 
deformação plástica inicia, com uma redução real na tensão. A deformação que se segue flutua um 
pouco em tomo de algum valor de tensão constante, chamado der tensão limite de escoamento 
inferior; então, a tensão cresce com o crescimento da deformação. Nos metais que mostram este 
efeito, a tensão limite de escoamento é tida como a tensão média que está associada com a tensão 
limite de escoamento inferior, já que este ponto é bem marcado e relativamente insensível ao 
procedimento de ensaio. A magnitude da tensão limite de escoamento para um metal concebe uma 
medida de sua resistência à deformação plástica. 
 
• Limite de resistência à tração: Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a 
deformação plástica em um metal aumenta até um valor máximo (M) e depois diminui até que o 
material falhe (F). O limite de resistência à tração LRT é a tensão no ponto máximo da curva tensão-
deformação de engenharia. Corresponde à tensão máxima que pode ser sustentada por uma 
estrutura que se encontra sob tração. Se essa tensão for aplicada e sustentada, ocorrerá fratura. 
 
https://serrametal.com.br/limite-de-resistencia-a-tracao/ 
• O limite de resistência à tração se dá no ponto onde acontece o espescoçamento. Nessa 
tensão máxima, um pescoço surge num ponto determinado, e toda a deformação posterior se 
confina neste pescoço e nele que a fratura acontece. O LRT é diferente do limite de resistência à 
fratura, que corresponde à tensão aplicada quando da ocorrência da fratura. 
 
DUCTILIDADE 
• Se relaciona à medida do grau de deformação plástica suportado até a fratura. É chamado 
de frágil um material que experimenta uma deformação plástica muito pequena ou nenhuma 
deformação plástica na fratura. 
 
https://biopdi.com.br/artigos/ductilidade/ 
• Quantitativamente, a ductilidade pode ser como alongamento percentual e redução de área 
percentual. O alongamento percentual AL% é a porcentagem da deformação plástica para o 
momento de fratura. Assim, AL% = 100×(lf-l0)/l0, com lf para o comprimento no momento da fratura 
e l0 o comprimento útil original. Já a redução de área percentual, RA%, é definida como AL% = 
100×(A0-Af)/A0, com A0 para a área original da seção reta e Af a área da seção reta no ponto de 
fratura. AL% e RA% geralmente são diferentes para um mesmo material. Alguns materiais se 
tornam frágeis ao passo que a temperatura é cai. A ductilidade informa sobre o grau segundo o 
qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes da fratura. 
 
RESILIÊNCIA 
• Resiliência é a capacidade de um material absorver energia quando deformado 
elasticamente e então, com o descarregamento, recuperar essa energia recuperada. O módulo de 
resiliência é a área sob a curva tensão-deformação de engenharia até o escoamento ou U = 
0,5σ2/2E. A absorção de energia por unidade de volume do material é representada pela área sob 
a curva tensão-deformação. Materiais resilientes possuem limites de escoamento elevados e 
módulos de elasticidade pequenos. 
 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Gr%C3%A1fico_de_Resili%C3%AAncia.jpg 
 
TENACIDADE 
• Se relaciona à habilidade de um material em absorver energia até a sua fratura e pode ser 
determinada por ensaio tensão-deformação em tração como a área sob a curva até o ponto de 
fratura. Um material seja tenaz apresenta tanto resistência como ductilidade. Por várias vezes, 
materiais dúcteis são mais tenazes que os frágeis. 
• A tenacidade à fratura é outra propriedade: é indicativa da resistência do material à fratura 
quando apresenta uma trinca. 
 
 
 
 
 
 
TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA 
 
https://www.youtube.com/watch?v=wPBTImwFHUI&ab_channel=EngenhariaRaiz 
 
• É comum achar que a redução na tensão necessária para continuar a deformação após o 
ponto máximo (M) pareça indicar que o material está se tornando mais fraco, mas, na realidade, 
ele está aumentando em resistência. No entanto, a área da seção reta está reduzindo de modo 
rápido na região do pescoço, onde a deformação está acontece, levando à redução na capacidade 
do corpo de prova em suportar carga. 
• Utiliza-se, em alguns casos, um esquema baseado em tensão verdadeira-deformação 
verdadeira. A tensão verdadeira σv é a carga F dividida pela área da seção reta instantânea A, 
sobre a qual a deformação está ocorrendo (pescoço após o limite de resistência à tração), σv = F/Ai. 
Pode também ser mais conveniente representar a deformação como uma deformação verdadeira, 
ev = ln(li/l0). Nos casos em que não há alteração de volume, σv = σ(1+e) e ev = ln(1+e), sendo essas 
equações válidas até o surgimento do pescoço. 
• No caso de alguns metais e ligas, a região da curva tensão-deformação verdadeira desde o 
início da deformação plástica até o ponto onde surge o pescoço pode ser aproximada por σv = Kevn, 
levando em consideração o estado de tensão complexo no interior da região do pescoço. 
• Em cargas compressivas, cisalhantes e torcionais, o comportamento tensão-deformação 
dentro da região plástica se assemelha à componente de tração. Mas no caso da compressão, não 
há valor máximo, já que não existe ocorrência de pescoço, e o modo de fratura é diferente daquele 
da tração. 
 
DUREZA 
• Mede a resistência de um material à deformação plástica localizada. Pode ser indexada pela 
escala de Mohs. 
• Para determinação da dureza, um pequeno penetrador é forçado na superfície do material a 
e mede-se a profundidade da impressão resultante, que pode ser relacionada a um número índice 
de dureza. 
• O LRT e a dureza são indicadores da resistência de um metal à deformação plástica.