AULA 5 - PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS

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Propriedades Mecânicas dos Metais
Tecnologia dos Materiais
Prof. João Victor Soares Chagas
• O comportamento mecânico de um material
reflete a relação entre a sua resposta ou
deformação a uma carga ou força aplicada.
• Algumas propriedades mecânicas importantes são
a resistência mecânica, a dureza, a ductilidade,
a tenacidade e a rigidez.
Conceitos fundamentais
• As propriedades mecânicas dos materiais são
verificadas através de experimentos em
laboratório.
• A carga usada nesses experimentos pode ser de
tração, de compressão ou de cisalhamento e a
sua magnitude pode ser constante ao longo do
tempo ou variar.
Conceitos fundamentais
• O tempo de aplicação também pode variar, tal
como a temperatura de operação.
• A organização responsável por padronizar as
técnicas de ensaio utilizadas para mensurar as
propriedades é a ASTM – American Society of
Testing and Materials.
Conceitos fundamentais
Ensaio de tração:
• Uma amostra é deformada, geralmente até a
fratura, por uma carga de tração que é
aumentada gradativamente e que é aplicada
uniaxialmente ao longo do eixo maior de um
corpo de prova.
Tensão e deformação
Tensão e deformação
• A partir desse ensaio é possível determinar
diversas propriedades mecânicas dos metais,
tais como resistência mecânica, ductilidade,
tenacidade e rigidez.
• Trata-se de um ensaio destrutivo, isto é, a
amostra testada é deformada
permanentemente.
Tensão e deformação
• O resultado de um ensaio de tração é registrado
na forma de carga ou força em função do
alongamento.
• Para minimizar fatores geométricos, a carga e o
alongamento são normalizados para os seus
respectivos parâmetros de tensão de engenharia
e deformação de engenharia.
Tensão e deformação
Tensão e deformação
• tudo
• Ensaios de compressão são muito similares aos
de tração, porém não são tão utilizados, pois são
mais trabalhosos e não fornecem tantas
informações.
• Ensaios de cisalhamento e torção também são
utilizados em menor escala quando comparados
ao ensaio de tração.
Tensão e deformação
Tensão e deformação
Tensão e deformação
• A deformação elástica é a deformação
reversível. É o processo de deformação na qual
tensão e deformação são proporcionais.
• Em uma escala atômica, a deformação elástica
macroscópica é manifestada como pequenas
alterações no espaçamento interatômico e no
alongamento das ligações interatômicas.
Comportamento tensão-deformação
Comportamento tensão-deformação
Lei de Hooke
• A rigidez mecânica, módulo de elasticidade ou
módulo de Young, é a medida da resistência do
material a deformação elástica.
• É possível associar o módulo de elasticidade a
grandeza da força das ligações atômicas do
material.
Comportamento tensão-deformação
1) Limite de escoamento verdadeiro: baseado em
medidas de microdeformação da ordem de 10−6 e
se relaciona com a movimentação de poucas
discordâncias.
2) Limite de proporcionalidade: tensão mais alta
na qual tensão e deformação são diretamente
proporcionais.
Comportamento tensão-deformação
3) Limite elástico: maior tensão que o material pode
suportar sem qualquer deformação permanente
mensurável após a carga ser totalmente removida.
4) Limite de escoamento: Tensão necessária para
produzir uma pequena quantidade específica de
deformação permanente.
Comportamento tensão-deformação
Comportamento tensão-deformação
Fenômeno do limite de
escoamento – transição
elastoplástica abrupta.
• Anelasticidade é o comportamento elástico
dependente do tempo. Para os metais, a
componente anelástica geralmente é pequena,
sendo frequentemente desprezada.
Comportamento tensão-deformação
• O coeficiente de Poisson é o parâmetro que
relaciona as deformações lateral e axial.
• Para os materiais isotrópicos, os módulos de
cisalhamento e de elasticidade se relacionam
também através do coeficiente de Poisson.
Comportamento tensão-deformação
Comportamento tensão-deformação
• A deformação plástica é a irreversível,
permanente. Acontece quando a tensão não é mais
proporcional a deformação.
• A deformação plástica corresponde, em uma
perspectiva atômica, a quebra de ligações com os
átomos vizinhos originais, seguida pela
formação de novas ligações com outros átomos.
Comportamento tensão-deformação
• Limite de resistência a tração: Onde se inicia a
estricção – empescoçamento. Para análise de
resistência em projetos, é mais útil a utilização do
limite de escoamento em vez de limite de
resistência a tração.
Comportamento tensão-deformação
• Ductilidade é a medida do grau de deformação
plástica suportado até a fratura. Um material que
apresenta uma deformação plástica muito
pequena é frágil.
• A ductilidade pode ser expressa
quantitativamente como alongamento
percentual ou como redução percentual de
área.
Propriedades em tração
Propriedades em tração
Propriedades em tração
• Fratura dúctil: quando o material sofre grande
deformação plástica antes de fraturar. A superfície
de fratura é do tipo “taça-cone”.
• Fratura frágil: quando o material sofre pouca ou
nenhuma deformação plástica antes de fraturar. A
superfície de fratura é lisa.
Propriedades em tração
Propriedades em tração
Propriedades em tração
Propriedades em tração
• Resiliência é a capacidade de um material
absorver energia quando ele é deformado
elasticamente e, com a remoção da carga, permitir
a recuperação dessa energia.
• A propriedade associada é o módulo de
resiliência, que é a energia de deformação por
unidade de volume necessária para submeter
um material à tensão, desde um estado sem carga
até o escoamento.
Propriedades em tração
Propriedades em tração
• Tenacidade é um termo mecânico usado em
vários contextos; pode ser entendida como a
habilidade de um material absorver energia
até sua fratura.
• Tenacidade a fratura é a propriedade indicativa
da resistência do material a fratura quando uma
trinca está presente.
Propriedades em tração
• Tenacidade ao entalhe é a habilidade do
material absorver energia e deformar
plasticamente antes de fraturar.
• A tenacidade pode ser expressa como a área
abaixo da curva tensão-deformação até a
fratura.
Propriedades em tração
Propriedades em tração
• O ensaio de impacto é utilizado para determinar
características de fratura dos materiais sob altas
taxas de carregamento. O principal objetivo do
ensaio de impacto é estimar quantitativamente o
valor da tenacidade a fratura do material.
• Os ensaios de impacto mais comuns são o ensaio
Charpy e o Izod. A diferença entre os ensaios é a
posição do corpo de prova.
Propriedades em tração
Propriedades em tração
Propriedades em tração
Ensaio de Impacto
• O ensaio de impacto também é usado para definir
a transição dúctil-frágil do material, isto é,
definir em qual temperatura o material passa de
um estado frágil para dúctil e vice-versa.
• Para esse fim, o ensaio é realizado em várias
temperaturas distintas.
Propriedades em tração
Propriedades em tração
• Tensão verdadeira e deformação verdadeira: A
diminuição da tensão necessária para continuar a
deformação após o LRT parece indicar que o
metal está se tornando mais fraco, contudo, isso
é inverdade, já que sua resistência está
aumentando.
Tensão e deformação verdadeira
Tensão e deformação verdadeira
Recuperação elástica:
Com a remoção da carga
durante um ensaio
tensão-deformação, uma
parcela da deformação
total é recuperada como
deformação elástica.
Tensão e deformação verdadeira
Tensão e deformação verdadeira
Tensão e deformação verdadeira
• Dureza é a medida da resistência de um material
a deformação plástica localizada.
• Os ensaios de dureza são muito usados porque:
1. São simples e baratos.
2. São ensaios não-destrutivos.
3. Podemos mensurar outras propriedades
mecânicas através dos dados de dureza.
Dureza
Dureza Rockwell:
• Número de dureza determinado pela diferença
entre a profundidade de penetração resultante da
aplicação de uma carga inicial menor seguida por
uma carga principal maior.
Dureza• Com base na magnitude das cargas aplicadas,
classificamos entre ensaio Rockwell e Rockwell
superficial.
• São usados penetradores de esferas de aço
endurecidas ou penetrador cônico de diamante.
Dureza
E: constante que depende do formato do
penetrador (100 para diamante, 130 para aço).
e: aumento permanente da profundidade de
penetração devido a carga maior medida em
unidades de 0,002mm.
HR: dureza Rockwell..
Dureza Brinell: O número de dureza Brinell é função
da magnitude da carga aplicada e do diâmetro de
impressão resultante, medido com um microscópio
especial de baixo aumento.
• Usados para cargas mais elevadas.
• Penetrador esférico de aço endurecido.
Dureza
Microdureza Knoop e Vickers: Ensaios onde um
penetrador de diamante muito pequeno com
geometria piramidal é forçado contra um corpo-de-
prova.
• Cargas aplicadas são muito pequenas.
• São chamados ensaios de microdureza por causa
do tamanho do penetrador.
Dureza
Dureza
Dureza
Dureza
Carga P em kg, diâmetros em mm.
Dureza
Dureza
Dureza
• É possível correlacionar valores de dureza com
valores de limite de escoamento.
• Vale ressaltar o conceito de dureza ao risco –
resistência do material ao risco. A escala Mohs é
uma escala construída para comparar
qualitativamente a dureza ao risco de uma série
de materiais. Nesse sistema, o talco é 1 e o
diamante é 10.
Dureza
Dureza
• Sempre existe alguma dispersão ou
variabilidade dos dados que são obtidos das
amostras de um mesmo material.
• Por essa razão, é necessário o uso de ferramentas
estatísticas para obter-se dados com menor
incerteza – ainda que a incerteza nunca seja igual
a zero.
Considerações finais
• Por causa das incertezas, em aplicações onde o
material assume posições de responsabilidade,
deve-se permitir folgas no projeto para a
prevenção contra falhas não previstas.
• Uma maneira segundo a qual isso pode ser feito é
através da adoção de um fator de
segurança/projeto.
Considerações finais
Considerações finais
FIM!