Propriedades Mecânicas dos Materiais

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Área Área 2 2 
Relação entre Estrutura e Relação entre Estrutura e 
PropriedadesPropriedades
Propriedades MecânicasPropriedades Mecânicas
Diagrama tensãoDiagrama tensão--deformaçãodeformação
Propriedades mecânicas estabelecidas por ensaios
carga aplicada - tração
- compressão
- cisalhamento
Diagrama σ x ε
cisalhamento
forma de aplicação variável com o tempo
tempo de aplicação - curto 
- longo
Fadiga
Impacto
Fluência
condições do meio - constante com o tempo 
- temperatura
- umidade
Fluência
Fadiga estática
Fadiga
2
σescoamento
4Tensão máxima
escoamento
σ
Plásticaσmax
σr pt ra
Informações importantes a partir do diagrama σ x ε
ruptura
4Deformação elástica
plástica
4Ductilidade
4Tenacidade
ε
Elástica
σruptura
Resiliência TenacidadeDuctilidade Tenacidade
4Resiliência
4Módulo de Elasticidade (E)
Deformação Elástica
⇒ Precede à deformação 
plástica
⇒ É reversível
Deformação Plástica
⇒ É provocada por tensões 
que ultrapassam o limite de 
elasticidade 
Informações importantes a partir do diagrama σ x ε
⇒ É reversível
⇒ Desaparece quando a 
tensão é removida
⇒ É praticamente 
proporcional à tensão 
aplicada (obedece a lei de 
Hooke)
⇒ É irreversível porque é 
resultado do deslocamento 
permanente dos átomos e 
portanto não desaparece 
quando a tensão é 
removida
Plástica
Elástica
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11aa REGIÃO DO DIAGRAMA REGIÃO DO DIAGRAMA σσ xx εε
Região elástica
Ponto de rupturaLimite de resistência
Deformação elástica
Deformação plásticaσ
σ
σ
Início do 
escoamento
Te
ns
ão
 (σ
)
σ
Região elástica:
Deformação elástica
Módulo de elasticidade
Limite de elasticidade
= E = Módulo de elasticidade
Deformação (ε)
Δ σ
Δ ε
Módulo de elasticidade E = σσ//εε
Região elástica
⇒⇒ Relação com níveis da estrutura
- atômica energia de ligação
- cristalina deslocamento regiões povoadas
- microestrutural homogeneidade
imperfeições
⇒⇒ Relação com o processo de fabricação
⇒⇒ Relação com outras propriedades
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Relação E com a estrutura atômica
Região elástica
Forças atrativas e repulsivas na 
ligação entre dois elementos.
Diferentes somatório de forças na ligação entre 
dois elementos, obtendo-se diferentes módulos 
de elasticidade.
Relação E com a microestrutura
Região elástica
ANISOTROPIA
D d d d ã ( i t ã f ) Dependendo do grão (sua orientação, forma,...) 
o valor do módulo de elasticidade varia.
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Relação E com o ambiente TEMPERATURA
Região elástica
Fe
Cu
Al
Mg
relação de E com temperatura 
Este comportamento é observado 
em materiais cerâmicos e 
materiais metálicos.
Mg
E x temperatura para diferentes metais 
Relação E com a microestrutura
POROSIDADE Figura mostrando o comportamento 
Região elástica
g p
acentuado da diminuição da rigidez em 
relação a porosidade para materiais 
cerâmicos, metálicos e poliméricos.
Relação de E com a porosidade
E=E0(1-1,9P+0,9P2)
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Relação E com a deformação plástica ⇒⇒ ocorre em metais
Região elástica
E x deformação plástica
Não modifica o módulo de 
elasticidade (a rigidez) do 
t i lmaterial
Modifica a
Tensão de escoamento
Ductilidade
22aa REGIÃO DO DIAGRAMA REGIÃO DO DIAGRAMA σσ xx εε
Transição elástico-plástica:
Resistência ao escoamento
Região Plástica
Ponto de ruptura
Limite de resistência
Região plástica:
Deformação plástica
Resistência máxima
Ductilidade
Ponto de ruptura
Deformação plástica
σ
σ
Te
ns
ão
 (σ
)
Ponto de ruptura
Deformação (ε)
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COMO OS MATERIAIS COMO OS MATERIAIS DEFORMAMDEFORMAM (e ROMPEM)?(e ROMPEM)?
Região Plástica
1a Hipótese: ruptura ao mesmo tempo de todas as ligações. 
A resistência mecânica seria extremamente elevada 
comparada à obtida na prática (1000 x!).
2a Hipótese: deslizamento de planos até a ruptura.
Deslizamento
Região Plástica
⇒⇒ materiais podem ser 
solicitados por tração, 
compressão ou cisalhamento 
solicitações de tração e ç ç
compressão podem ser 
decompostas em tensões de 
cisalhamento puras
Componentes de cisalhamento (a) tração; (b) compressão
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Cristais apresentam menor resistência ao cisalhamento que à tração e compressão, 
Deslizamento
Região Plástica
p q ç p ,
logo esta é a solicitação responsável pela deformação destes materiais
CRISTAIS DEFORMAM-SE PELO DESLIZAMENTO DE PLANOS CRISTALINOS EM 
RELAÇÃO AOS DEMAISRELAÇÃO AOS DEMAIS
⇒ Escala microscópica: - deformação plástica é o resultado do movimento 
dos átomos devido à tensão aplicada
- durante este processo ligações são quebradas e 
outras refeitas. 
O d li t i f il t l d t di õ l 
Deslizamento em monocristal
Região Plástica
⇒ O deslizamento ocorre mais facilmente ao longo de certas direções e planos 
MAIS POVOADOS
PLANO DE DESLIZAMENTO
SISTEMA DE DESLIZAMENTO
DIREÇÃO DE DESLIZAMENTO
⇒ O NÚMERO DE SISTEMAS (plano + direção) ATRAVÉS DOS QUAIS PODE OCORRER O 
DESLIZAMENTO VARIA COM A ESTRUTURA CRISTALINA
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Em monocristais dúcteis o deslizamento ocorre em múltiplos planos, em conseqüência 
observa-se bandas de deslizamento na superfície destes metais.
Deslizamento em monocristal
Região Plástica
deslizamento provocado pela 
deformação plástica, devido à 
força aplicada
Linhas de deslizamento no 
interior das bandas de 
deslizamento (ampliado)
LEI DE SCHMID
Deslizamento em monocristal
Região Plástica
tensão de cisalhamento
τ = F cos λ
(a) frágil (b) dúctil
τ = F cos λ
A/cos ϕ
τ= F . cos λ . cos ϕ
A
τ= σ .cos λ . cos ϕ
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LEI DE SCHMID
Deslizamento em monocristal
Região Plástica
Tensão de cisalhamento resolvida crítica (τtcrc):
tensão de cisalhamento mínima exigida para
iniciar o escorregamentoiniciar o escorregamento.
σy = τcrss/(cosφ cosλ)max
Para φ = λ = 45o
σe = 2τcrss
Mecanismo hipotético de deslizamento simplificado
Assumindo o mecanismo abaixo e calculando o limite de resistência dos metais, obtém-
Região Plástica
(a) (b)
,
se um valor na ordem de 20x Metais não são tão 
resistentes
Deve existir outro 
mecanismo
( ) (b) 
(c) 
Mecanismo hipotético simplificado, na verdade os metais se deformam com uma tensão 
de cisalhamento menor que a exigida por este mecanismo.
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1a Hipótese: ruptura ao mesmo tempo de todas as ligações 
COMO OS MATERIAIS COMO OS MATERIAIS DEFORMAMDEFORMAM (e ROMPEM)?(e ROMPEM)?
Região Plástica
1 Hipótese: ruptura ao mesmo tempo de todas as ligações. 
A resistência mecânica seria extremamente elevada 
comparada à obtida na prática (1000 x!).
2a Hipótese: deslizamento de planos até a ruptura.
A resistência mecânica ainda bastante elevada (20x!).
3a Hipótese: deslizamento facilitado por movimento de 
discordâncias.
A resistência mecânica da mesma ordem de grandeza da 
prática.
Materiais sólidos cristalinos apresentam menor resistência ao cisalhamento que à 
tração e compressão, logo esta é a solicitação responsável pela deformação destes 
Região Plástica
ç p g ç p p ç
materiais
CRISTAIS DEFORMAM-SE PELO DESLIZAMENTO DE PLANOS CRISTALINOS EM 
RELAÇÃO AOS DEMAISÇ
O DESLIZAMENTO DE PLANOS ATÔMICOS (CRISTALINOS) ENVOLVE O MOVIMENTO 
DE DISCORDÂNCIAS
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O que é discordância?
Deformação plástica e discordâncias
Região Plástica
Defeito linear da estrutura cristalina:
Deformação plástica e discordâncias
Região Plástica
Esquema mostrando como o movimento de discordância 
em cunha origina um degrau unitário de deslizamento.
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Discordâncias e Mecanismos de Aumento de ResistênciaDiscordâncias e Mecanismos de Aumento de Resistência
• A deformação plástica corresponde ao 
i t d d tid d dmovimento de uma grande quantidade de 
discordâncias;
O movimento de uma discordância se dá
de forma discreta (pequenos
deslocamentos por vez).
O movimento de um plano inteiro de
uma vez exigiria uma imensag
quantidade de energia para ser
realizado.
Sistemas de EscorregamentoSistemas de Escorregamento
• Existe um plano (plano de escorregamento) e uma direção preferenciais, 
nas quais ocorrerá mais facilmente um escorregamento;
A esta combinação é dada o nome de sistema de escorregamento.
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Sistemas de EscorregamentoSistemas de Escorregamento
O plano preferencialé o de maior densidade planar;
A direção preferencial é a que apresenta a maior densidade linear. Para o caso de
discordâncias de aresta, esta direção é dada pelo vetor de burgers.
Plano de escorregamento 
(menor densidade planar)
Plano de escorregamento 
(maior densidade planar)
Distância de deslocamento
Sistemas de EscorregamentoSistemas de Escorregamento
Geralmente, metais com maior número de sistemas de escorregamento são
mais dúcteis. Por isso, metais com estruturas dos tipos CFC e CCC são
dúcteis e metais com estrutura HC são frágeis.
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Deformação plástica e discordâncias
Região Plástica
Nos sólidos cristalinos a deformação plástica geralmente envolve: 
- deslizamento de planos atômicos
- movimento de discordâncias
- formação de maclas
Formação e movimento das discordâncias têm papel fundamental para 
t d i tê i â i it t i io aumento da resistência mecânica em muitos materiais
A resistência mecânica pode ser aumentada restringindo-se o 
movimento das discordâncias
Maclagem
Discordâncias não são o único defeito cristalino responsável pela 
deformação plástica maclas também contribuem
Região Plástica
deformação plástica maclas também contribuem
A deformação em materiais CFC, como o cobre, é comum ocorrer por 
maclação.
Segundo mecanismo de deformação plástica em METAIS
Produção de maclas: uma força cisalhante age ao longo do contorno de 
grão, causando a transformação dos átomos para novas posições
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Uma parte da rede atômica deforma-se originando a sua transformação a imagem, 
num espelho plano, da parte não deformada da rede que lhe fica adjacente. 
PLANO DE MACLA: plano cristalográfico que separa as regiões deformada e não 
f
MaclagemRegião Plástica
deformada da rede.
DIREÇÃO DE MACLAGEM: direção específica em que ocorre a maclagem.
Átomos se movem em distâncias proporcionais às respectivas distâncias 
ao plano de macla.
MaclagemRegião Plástica
Diferença básica entre o efeito do deslizamento e da maclagem na 
topografia da superfície de um material metálico deformado.
Deslizamento Maclagem
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Produção de maclas pode ser iniciada sob a ação de uma força 
cisalhante, ao longo de seu contorno
Contorno de maclas interfere no escorregamento e ↑ RM
MaclagemRegião Plástica
estrutura cristalina microestrutura 
OBSTRUÇÃO DO DESLIZAMENTO POR:
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
OBSTRUÇÃO DO DESLIZAMENTO POR:
1. Solubilização de um segundo elemento na rede
2. Precipitação de uma segunda fase
3 Contorno de grão3. Contorno de grão
4. Deformação plástica (excesso de discordâncias)
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Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
1. Solubilização de um segundo elemento na rede
- movimentação de discordâncias é dificultada
- segundo elemento é a barreira para tal movimento
- maior a quantidade, maior o efeito
- quanto maior a diferença de tamanho de átomos, mais 
acentuado é o efeito
1. Solubilização de um segundo elemento na rede
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
INTERAÇÃO DE DISCORDÂNCIAS EM SOLUÇÕES SÓLIDAS
Quando um átomo de uma impureza esta presente, o movimento da 
discordância fica restringido, ou seja, deve-se fornecer energia adicional 
para que continue havendo escorregamento.
soluções sólidas de metais são sempre mais resistentes que 
metais puros de seus constituintes
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Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
1. Solubilização de um 
segundo elemento na 
rede
Controle do deslizamento = controle de prop. mecânicas
Região Plástica
1. Solubilização de um segundo elemento 
na rede
Resistência mecânica do metal puro
Aumento daresistência mecânica do metal 
devido a formação de solução sólida
na rede
SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO 
MAIS RESISTENTES QUE 
O METAL PURO
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2. Endurecimento por partículas de segunda fase2. Endurecimento por partículas de segunda fase
* Aumento da resistência mecânica do 
metal devido a precipitação de uma 
* Aumento da resistência mecânica do metal 
devido a formação de eutético
Resistência mecânica do metal puro
segunda fase β.
*Aumento da resistência mecânica do 
metal devido a formação de solução 
sólida.
MICROESTRUTURAS
POLIFÁSICAS SÃO 
MAIS RESISTENTES 
QUE O METAL PURO
SOLUÇÕES SÓLIDAS SÃO 
MAIS RESISTENTES QUE 
O METAL PURO
3. Contorno de grão
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
O contorno de grão interfere no movimento das discordâncias
Devido as diferentes orientações cristalinas presentes, resultantes do 
grande número de grãos as direções de escorregamento dasgrande número de grãos, as direções de escorregamento das 
discordâncias variam de grão para grão.
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Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
3. Contorno de grão
Grãos adjacentes tem diferentes orientações cristalográficas
Contorno de grão
Grão A
Grão B
Plano de 
deslizamento
- menor tamanho de grão, mais descontinuidades para travar o movimento de 
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
3. Contorno de grão
g , p
discordâncias
EQUAÇÃO DE HALL PETCHEQUAÇÃO DE HALL PETCH
σy= σo + k . d-1/2
k - constante do material
σy - resistência ao escoamento
σo - resistência inicial
d - diâmetro médio do contorno de grão
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Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
3. Contorno de grão
AUMENTO DA RESISTÊNCIA POR DIMINUIÇÃO DO TAMANHO DE GRÃO
O contorno de grão funciona como uma barreira para a continuação 
do movimento das discordâncias devido as diferentes orientações 
presentes e também devido às inúmeras descontinuidades presentes 
no contorno de grão.
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
ENCRUAMENTO OU ENDURECIMENTO PELA DEFORMAÇÃO À FRIO
⇒ É o fenômeno no qual um material endurece devido à deformação 
plástica (realizado pelo trabalho à frio)
⇒ Esse endurecimento dá-se devido ao aumento de discordâncias e 
imperfeições promovidas pela deformação, que impedem o 
escorregamento dos planos atômicos
⇒ A medida que se aumenta o encruamento maior é a força necessária 
para produzir uma maior deformação
⇒ O encruamento pode ser removido por tratamento térmico 
(recristalização)
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4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
ENCRUAMENTO E MICROESTRUTURA
Antes da deformação Depois da deformação
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VARIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS EM FUNÇÃO DO ENCRUAMENTO
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
O encruamento aumenta a 
resistência mecânica
O encruamento aumenta o 
limite de escoamento
O encruamento diminui a 
ductilidade
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
MECANISMO QUE OCORRE NO 
AQUECIMENTO DE UM MATERIAL ENCRUADO
ESTÁGIOS:
⇒ Recuperação
⇒ Recristalização
Ex: Latão
⇒ Crescimento de grão
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4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
RECUPERAÇÃO
⇒ Há um alívio das tensões internas armazenadas durante a deformação 
devido ao movimento das discordâncias resultante da difusão atômica
⇒ Nesta etapa há uma redução do número de discordâncias e um rearranjo 
das mesmas
⇒ Propriedades físicas como condutividade térmica e elétrica tendem a voltar 
ao seu estado original (correspondente ao material não-deformado)
RECRISTALIZAÇÃO - (Processo de Recozimento)
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
Se os metais deformados plasticamente forem submetidos a um aquecimento 
controlado, este aquecimento fará com que haja um rearranjo dos cristais 
deformados plasticamente, diminuindo a dureza dos mesmos
⇒depois da recuperação, os grão ainda estão um pouco tensionados
⇒ cristais plasticamente deformados tem mais energia que os não deformados, devido a 
presença de discordâncias e imperfeições
RECRISTALIZAÇÃO (Processo de Recozimento)
p ç p ç
⇒ átomos se reacomodam sob temperatura elevada, através de recozimento
⇒ ocorre um rearranjo dos átomos em grãos menos deformados em temperaturas 
elevadas, a recristalização, com o crescimento do grão
⇒ o número de discordâncias reduz mais ainda
⇒ as propriedades mecânicas voltam ao seu estado original
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4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
TEMPERATURAS DE RECRISTALIZAÇÃO
⇒ A temperatura de recristalização está entre 1/2 e 1/3 da temperatura 
absoluta de fusão
⇒ Temperatura onde ocorre a diminuição significativa da dureza⇒ Temperatura onde ocorre a diminuição significativa da dureza 
4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
CRESCIMENTO DE GRÃO
⇒ Depois da recristalização se o material permanecer por mais tempo em 
temperaturas elevadas o grão continuará à crescer
⇒ Em geral, quanto maior o tamanho de grão mais mole é o material e menor 
é sua resistência
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4. Deformação plástica
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
Recuperação da 
estrutura 
cristalina pela 
temperatura
Controle do deslizamento = controle de propriedades mecânicas
Região Plástica
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33aa REGIÃO DO DIAGRAMA REGIÃO DO DIAGRAMA σσ xx εε
OCORRE DE MANEIRA DÚCTIL OU FRÁGIL E DE 
Ruptura
FORMA DIFERENCIADA PARA CADA TIPO DE 
MATERIAL
Dúctil Frágil
Ruptura
Ocorre, normalmente de maneira dúctil há um aviso do material 
t d i t
Materiais metálicos
antes do rompimento
A fratura pode ocorrer de maneira dúctil por:
- transgranular (crescimento plástico-fratura em taça ou cone)
- intergranular (presença de vazios nos contornos de grão)
- cisalhamento
- formação de um pescoço (deformação plástica)
Se ocorrer de maneira frágil (geralmente T muito baixas):
- clivagem 
- intergranular
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Ruptura
Etapas da formação de uma fratura dúctil em taça e cone.
Materiais metálicos
Fissuração interna na zona de 
estricção de um corpo policristalino 
de cobre de elevada pureza
⇒ A dureza é medida pela resistência a identação ou 
penetração por algum material duro.
⇒ Valor da propriedade varia com o método empregado.
DurezaDureza
Brinell
Vickers
Microsureza Knoop
Rockwell 
Dureza dos metais 
Mede-se a profundidade e a 
largura de identação
Dureza dos Cerâmicos
Mede-se microfissuras no material
Vickers
Knoop
30
DurezaDureza