3 - Propriedades Mecânicas dos Materiais

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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 
 
 
Professor: Anael Krelling 
 
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 
ENSAIO DE TRAÇÃO 
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../Vídeos/maq_un1.swf
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σesc 
σrup 
 σ 
 
 ε 
σmax 
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Força 
Área inicial da seção transversal 
Variação de comprimento 
Comprimento inicial 
Kgf/mm2 
N/mm2 
MPa 
% ? 
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 
COMPORTAMENTO DOS METAIS QUANDO SUBMETIDOS A TRAÇÃO 
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EXEMPLO 
 
 Um corpo de prova de cobre (E=110 GPa) com comprimento 
inicial de 305mm é submetido a um ensaio de tração com uma tensão de 
276 MPa. Considerando que a deformação é completamente elástica, qual 
será o alongamento (Δl) do corpo de prova? 
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MÓDULO DE ELASTICIDADE LONGITUDINAL 
 
 
 
 
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• 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 
 
 
•A lei de Hooke só é válida para o regime elástico! 
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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 204 30 
Aço 207 30 
Tungstênio 407 59 
 
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COEFICIENTE DE POISSON 
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EXEMPLO 
 
 Uma tensão de tração é aplicada no sentido longitudinal de um 
corpo de prova cilíndrico de latão (ν=0,34 e E=97GPa) que possui 
diâmetro inicial de 10mm. Determine a magnitude da força requerida para 
produzir uma variação no diâmetro (Δd) de 2,5.10-3 mm sabendo que a 
deformação é completamente elástica. 
 
Solução no quadro! 
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DUCTILIDADE 
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DUCTILIDADE X TEMPERATURA 
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RESILIÊNCIA 
 
 É a capacidade de um material absorver energia quando 
deformado elasticamente e libera-la quando descarregada. 
 É a área sob a curva de tensão - deformação calculada da origem 
até o limite de proporcionalidade, na pratica substitui o σprop para σesc 
Ur= esc
2/2E 
 
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TENACIDADE 
 
 É a energia total necessária para ocorrer a fratura do corpo de 
prova, ou seja é a capacidade do material absorver energia devido à 
deformação até a ruptura 
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ESTUDO DA DEFORMAÇÃO 
 
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA 
 
•Ocorre antes da deformação plástica; 
 
•É reversível; 
 
•O material volta ao seu estado inicial quando há remoção da tensão; 
 
•Obedece à Lei de Hooke. 
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DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 
 
•É provocada por tensões maiores que a tensão de escoamento; 
 
 
•É irreversível porque é resultado do deslocamento dos átomos e, 
portanto, não desaparece quando a tensão é retirada. 
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MICROESTRUTURALMENTE 
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DISCORDÂNCIAS E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 
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Densidades de Discordâncias Típicas 
 
 
Materiais solidificados lentamente = discord./mm2 
 
Materiais deformados= discord./mm2 
 
Materiais deformados e tratados termicamente= discord./mm2 
310
109 1010 
65 1010 
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• Discordâncias existem em materiais cristalinos. 
 
• Materiais cerâmicos apresentam estruturas cristalinas mais complexas e ligações 
mais direcionais (discordâncias imóveis) 
 
• A movimentação de discordâncias é o principal fator envolvido na deformação 
plástica de metais e ligas 
 
• A mobilidade de discordâncias pode ser alterada por diversos fatores (composição, 
processamento…) (manipulação das propriedades mecânicas do material) 
 
•Nos materiais cristalinos o principal mecanismo de deformação plástica geralmente 
consiste no escorregamento de planos atômicos através da movimentação de 
discordâncias. 
 
• Já nos materiais amorfos consiste no escoamento viscoso. 
 
•A movimentação das discordâncias se dá preferencialmente através de planos 
específicos e, dentro desses planos, em direções específicas, ambos com a maior 
densidade atômica de um dado reticulado cristalino. 
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ENSAIOS DE DUREZA 
•Ensaio mais rápido – não há necessidade de preparação de amostras com 
formato padrão; 
 
•Equipamento menos sofisticado (em termos, valia antigamente); 
 
•Qualquer tipo de material sólido; 
 
•Peças grandes ou pequenas; 
 
•Teste não destrutivo – as amostras não são fraturadas nem deformadas 
extensivamente, deformação é localizada. 
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CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS TESTES DE DUREZA 
 
•Uso de ponta rígida; 
 
•Penetração normal na amostra; 
 
•Deformação plástica da amostra sob teste. 
 
 
MEDIDA DA DUREZA 
 
•Avaliação da deformação plástica deixada na penetração. 
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DUREZA SEGUNDO CALLISTER, 1995 
•Dureza é uma medida da resistência do material à deformação plástica 
localizada; 
 
•Medidas de dureza são somente relativas e muito cuidado deve ser tomado para 
comparar medidas realizadas por diferentes técnicas. 
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TIPOS DE TESTES DE DUREZA 
 
•Mohs 
 
•Brinell 
 
•Rockwell 
 
•Vickers 
 
•Shore 
 
•Knoop 
 
•Nanoindentação 
 
•Indentação instrumentada 
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DUREZA MOHS 
 
•1822; 
 
•O que risca o que! 
 
•Minerais – do talco ao diamante. 
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DUREZA BRINELL 
 O ensaio de dureza Brinell consiste em comprimir lentamente uma esfera 
de aço temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um 
metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota 
esférica de diâmetro d. 
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•John August Brinell (1849 – 1925) – Sueco 
 
•Penetradores esféricos; 
 
•Cargas elevadas; 
 
•Medida óptica da deformação deixada pelo penetrador; 
 
•Uso generalizado em instalações metalúrgicas como controle 
de qualidade. 
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EXEMPLO 
 
 Uma amostra foi submetida a um ensaio de dureza Brinell no qual se usou 
uma esfera de 2,5mm de diâmetro e aplicou-se uma carga de 187,5 kgf. As medidas 
dos diâmetros de impressão foram de 1mm. Qual a dureza do material ensaiado? 
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Tensão Máxima X HB 
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http://www.cimm.com.br/portal/conteudo/noticias/imagem/Flash/brine33.swf 
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../Vídeos/brine33.swf
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DUREZA ROCKWELL 
 É hoje o processo de dureza mais utilizado no mundo inteiro devido à 
rapidez e facilidade de execução. 
 Neste método, a carga do ensaio é aplicadaem etapas, ou seja, primeiro 
se aplica uma pré-carga, para garantir um contato firme entre o penetrador e o 
material ensaiado, e depois aplica-se a carga do ensaio propriamente dita. 
 A leitura do grau de dureza é feita diretamente num mostrador acoplado 
à máquina de ensaio, de acordo com uma escala predeterminada, adequada à 
faixa de dureza do material. 
 Os penetradores utilizados na máquina de ensaio de dureza Rockwell 
são do tipo esférico (esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante com 
120º de conicidade). 
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 
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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 
DESCRIÇÃO DO PROCESSO 
•Aproximar a superfície do corpo de prova do penetrador; 
•Submeter o corpo de prova a uma pré-carga; 
•Aplicar a carga maior até o ponteiro parar; 
•Retirar a carga maior e fazer a leitura do valor indicado no mostrador, na escala 
apropriada. 
 
 
 Nos ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma pré-carga de 10 
kgf e a carga maior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf. 
 Nos ensaios de dureza Rockwell superficial a pré-carga é de 3 kgf e a 
carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf. 
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http://www.cimm.com.br/portal/conteudo/noticias/imagem/Flash/rock11.swf 
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DUREZA VICKERS 
 Este método leva em conta a relação ideal entre o diâmetro da esfera do 
penetrador Brinell e o diâmetro da calota esférica obtida, e vai além porque utiliza 
outro tipo de penetrador, que possibilita medir qualquer valor de dureza, incluindo 
desde os materiais mais duros até os mais moles. 
 A dureza Vickers se baseia na resistência que o material oferece à 
penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces 
de 136º, sob uma determinada carga. 
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Força [Kgf] 
Área de impressão 
Diagonal média de impressão [mm] 
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EXEMPLO 
 
 Encontrar o valor de dureza Vickers de um material que apresentou 
0,24mm e 0,26mm de medida de diagonal da impressão, após aplicação de uma 
força de 10 kgf. 
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 Neste método, ao contrário do que ocorre no Brinell, as cargas podem ser de 
qualquer valor, pois as impressões são sempre proporcionais à carga, para um 
mesmo material. Deste modo, o valor de dureza será o mesmo, independentemente 
da carga utilizada. 
 
 Por uma questão de padronização, as cargas recomendadas são: 1, 2, 3, 4, 
5, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120 kgf. 
 
 Para aplicações específicas, voltadas principalmente para superfícies 
tratadas (carbonetação, têmpera) ou para a determinação de dureza de 
microconstituintes individuais de uma microestrutura, utiliza-se o ensaio de 
microdureza Vickers. 
 
 A microdureza Vickers envolve o mesmo procedimento prático que o ensaio 
Vickers, só que utiliza cargas menores que 1 kgf. A carga pode ter valores tão 
pequenos como 10 gf. 
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http://www.cimm.com.br/portal/noticia/materi
al_didatico/6559 
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../Vídeos/vick22.swf
QUALIDADE DO PENETRADOR 
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DUREZA KNOOP 
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•Penetração menor; 
 
•Materiais frágeis; 
 
•Medidas de anisotropia. 
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REBOTE - ESCLEROSCÓPIO 
http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6562 
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../Vídeos/esclero.swf
•O peso do martelo é de aproximadamente 2,5 gf e cai de uma altura aproximada 
de 25cm (10”) sobre a superfície do material a testar. 
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http://www.cimm.com.br/portal/noticia/material_didatico/6563 
DUREZA SHORE 
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../Vídeos/dur_shore.swf
•O durômetro é uma evolução do antigo escleroscópio, no qual o princípio de 
medição de queda de peso foi substituído por um sistema de medição por mola. 
 
•O durômetro é um instrumento popular para medir a dureza de indentação de 
borrachas, plásticos e materiais com comportamento similar. Os tipos mais comuns 
de instrumentos são o Modelo A para materiais mais moles e o modelo D para 
materiais mais duros. 
 
•A operação do instrumento é bastante simples. O material é submetido a uma 
pressão definida aplicada através de uma mola calibrada que atua sobre o 
indentador, que pode ser esférico ou cônico. Um dispositivo de indicação fornece a 
profundidade de indentação. O valor da dureza é dado pela profundidade da 
penetração no material sob teste. Por causa da resiliência de algumas borrachas e 
plásticos, a leitura da dureza pode mudar ao longo do tempo, por isso o tempo de 
indentação às vezes acompanha o valor medido da dureza. 
 
•As escalas Shore A e Shore D são indicadas para a medição de dureza de 
borrachas/elastômeros e usadas também para plásticos “moles” como poliolefinas, 
fluoropolímeros e vinis. A escala A é usada para borrachas “moles” enquanto que a 
escala D é usada para borrachas mais “duras”. 
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•O Durômetro Shore A é específico para medição da dureza relativa em borrachas e 
plásticos moles. Se o indentador penetra completamente no material, a leitura obtida 
é zero. Se não ocorrer penetração, a leitura é 100. As leituras são adimensionais. 
 
•As diferentes escalas Shore A,B,C,D,DO,M,O,OO,OOO,OOO-S e R foram criadas 
utilizando 7 formas diferentes de indentadores, 5 diferentes molas, 2 diferentes 
extensões do indentador e duas diferentes especificações dos suportes. As escalas A 
e D são as mais utilizadas. A escala M usa uma mola de pouca força e foi 
desenvolvida para permitir o teste de pequenas peças como anéis O que não podem 
ser testados na escala A normal. Como os materiais respondem de forma diferente 
às diferentes escalas, não há correlação entre escalas. 
 
•Os resultados obtidos deste teste são medidas úteis da resistência relativa à 
indentação para várias gamas de polímeros. Entretanto, o teste de dureza Shore não 
serve para prever outras propriedades como resistência, abrasão ou desgaste, e não 
deve ser usado sozinho para especificação de projeto de produto. 
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