Unidade 3 - Propriedades mecânicas

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Princípios da Ciência e Tecnologia 
dos Materiais
CCE 0291 (2 créditos)
Fábio Oliveira
2015/2
Unidade 3 
Propriedades Mecânicas
Por que estudar as 
propriedades mecânicas?
• Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças
ou cargas. Nestas situações torna-se necessário conhecer as
características do material.
• É de obrigação do engenheiro compreender como as várias
propriedades mecânicas são medidas e o que elas
representam.
• As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela
execução de ensaios em laboratórios, elaborados de forma a
reproduzirem o mais fielmente as condições de serviço.
Introdução
• Os materiais apresentam aplicabilidade limitada devido ao
seu comportamento frente as propriedades de interesse.
Aplicação Comportamento
Estrutural Mecânico (RM, ductilidade, ...)
Térmica Térmico (K, α, ...)
Elétrica Elétrico (semicondução, isolante, ...)
Óptica Óptico (transparente, opaco, ...)
Magnética
Magnético (diamagnético, 
paramagnético, ...)
Propriedades de interesse na utilização de materiais.
Introdução
• Propriedades mecânicas: comportamento do material quando
sujeito à esforços mecânicos; capacidade de resistir a estes
esforços sem romper e sem deformar de forma incontrolável.
Variável Resposta Propriedade
Carga aplicada
Tração, compressão e 
cisalhamento
Diagrama σ x ε
Forma de aplicação Variável com o tempo Fadiga mecânica
Tempo de aplicação
Curto
Longo
Impacto
Fluência
Condições do meio
Constante com o tempo
Temperatura
Umidade
Fluência
Fadiga térmica
Fadiga estática
Ensaio de Tração
Ensaio de tração.mp4
Comportamento do corpo de prova durante o ensaio de tração.
Diagrama Tensão x Deformação
Elástica Plástica
Diagrama Tensão x Deformação
Elástica
1ª Região do diagrama: Região Elástica.
Região
elástica
Deformação elástica
Limite de elasticidade
Resiliência
Módulo de elasticidade
Diagrama Tensão x Deformação
1ª Região do diagrama: Região Elástica.
Deformação elástica
- Precede a deformação plástica.
- É reversível.
- Desaparece quando a tensão é removida.
- É praticamente proporcional à tensão
aplicada.
Diagrama Tensão x Deformação
1ª Região do diagrama: Região Elástica.
Limite de elasticidade
- Máxima tensão que o material suporta sem sofrer deformação
permanente.
Diagrama Tensão x Deformação
1ª Região do diagrama: Região Elástica.
Resiliência
- É a capacidade do material em absorver energia quando este é deformado
elasticamente e, depois da remoção da carga, permitir a recuperação desta
energia.
- Módulo de resiliência: Ur= y
2/2E (J/m3 ou Pa).
- Materiais resilientes são aqueles que possuem limites de escoamento
elevados e módulos de elasticidade pequenos. Estes materiais são
encontrados em ligas empregadas em molas.
Diagrama Tensão x Deformação
1ª Região do diagrama: Região Elástica.
Módulo de elasticidade
- Também conhecido como módulo de Young, é o quociente entre a tensão
aplicada e a deformação elástica resultante, isto é: E= /  (GPa).
- Está relacionado à rigidez do material.
- Quanto maior o módulo de elasticidade
mais rígido é o material ou menor é a sua
deformação elástica quando aplicada uma
dada tensão.
Diagrama Tensão x Deformação
1ª Região do diagrama: Região Elástica.
Relação entre o Módulo de elasticidade 
e a temperatura
Diagrama Tensão x Deformação
1ª Região do diagrama: Região Elástica.
Relação entre o Módulo de elasticidade 
e a microestrutura
Diagrama Tensão x Deformação
Plástica
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Região
plástica
Tensão de escoamento
Deformação plástica
Tenacidade
Resistência à tensão
Ductilidade
Diagrama Tensão x Deformação
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Transição elástico-plástica 
e resistência ao escoamento
Diagrama Tensão x Deformação
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Tensão de escoamento
- Capacidade de um material resistir à deformação plástica.
Na curva “a”, não
se observa um
limite para a
região elástica, a
tensão de
escoamento
corresponde à
tensão necessária
para promover
uma deformação
permanente de
0,2%.
Na curva “b”, o
limite para a
região elástica é
bem definido (o
material escoa,
deforma-se
plasticamente).
Neste caso, a
tensão de
escoamento
corresponde à
tensão máxima
na região elástica.
Diagrama Tensão x Deformação
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Deformação plástica
- Procede a deformação elástica.
- É irreversível porque é resultado do
deslocamento permanente de átomos e,
portanto não desaparece quando a tensão é
removida.
Diagrama Tensão x Deformação
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Tenacidade
- Trata-se da habilidade de um material em absorver energia até a sua
fratura.
Diagrama Tensão x Deformação
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Resistência à tensão
- Também conhecida como resistência máxima ou resistência à tração.
- Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura,
sendo muitas vezes superior à tensão de ruptura.
- Trata-se do quociente entre a carga máxima suportada pelo material e a
área da seção reta inicial, isto é:  = F/Ao (MPa).
Diagrama Tensão x Deformação
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Ductilidade
- Corresponde à elongação total do material devido à deformação plástica.
- É calculada pela fórmula: % elongação = ((lf-lo)/lo) x 100, onde:
l0: comprimento inicial do corpo-de-prova.
lf: comprimento final após a ruptura.
Diagrama Tensão x Deformação
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Tensão e deformação verdadeiras
- Algumas vezes, faz mais sentido empregar o conceito da tensão verdadeira-
deformação verdadeira, que são relacionadas de acordo com:
Diagrama Tensão x Deformação
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Como os materiais deformam e rompem?
1ª hipótese: todas as ligações se rompem ao
mesmo tempo.
Implicaria numa resistência extremamente
elevada comparada à resistência real (~1000X a
mais).
2ª hipótese: deslizamento de planos até a ruptura.
Diagrama Tensão x Deformação
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Deslizamento
- Cristais deformam-se através do deslizamento de planos cristalinos.
- Em escala microscópica, a deformação plástica é o resultado do
movimento dos átomos e, durante este processo, ligações são rompidas e
novas ligações são formadas.
- O deslizamento ocorre mais facilmente ao
longo de direções e planos mais povoados.
Diagrama Tensão x Deformação
2ª Região do diagrama: Região Plástica.
Deslizamento
Menor NC,
ligações mais
intensas, maior
resistência.
Maior NC,
ligações menos
intensas, maior
ductilidade.
Diagrama Tensão x Deformação
3ª Região do diagrama: Ruptura.
Diagrama Tensão x Deformação
3ª Região do diagrama: Ruptura.
- O processo de fratura é normalmente súbito e catastrófico, podendo gerar
grandes acidentes.
- Envolve duas etapas: nucleação e propagação da trinca.
- Pode assumir dois tipos: dúctil ou frágil.
Dureza
- Consiste em uma medida da resistência de um material a uma deformação
plástica localizada.
- Nos metais a dureza é medida pela resistência a uma identação ou
penetração por algum material duro.
Dureza
Relação entre as escalas de dureza
Ensaio de Dureza
• Na mecânica, trata-se da resistência à
penetração de um material duro em outro.
Ensaio de dureza
Ensaio de Dureza 2
Ensaio de Dureza
Esquema de uma identação de um ensaio de dureza.
Ensaio de Dureza
Micrografias mostrando identações de ensaios de dureza.
Fatores de Projeto/Segurança
- Incertezas de medições sempre estarão associados às condições de
serviço dosmateriais pois, de maneira geral os cálculos das tensões e
deformações são sempre aproximados.
- Consequentemente devem ser permitidas folgas na elaboração do projeto
para a proteção contra falhas e/ou imprevistos.
- Uma maneira de se fazer isto é a utilização de uma tensão de projeto, de
acordo com a equação:  p = N’  C onde:  C é a tensão calculada (com base
na carga máxima) e N’ é um fator de projeto.
- Torna-se necessária a seleção de um valor de N’ apropriado para que não
haja superdimensionamento dos componentes empregados no projeto.
Exercícios
1. Descreva a fratura dúctil e a fratura frágil.
2. Qual o efeito da temperatura sobre o módulo de elasticidade
e sobre a resistência mecânica de um metal?
3. Defina deformação plástica.
4. No que consiste um ensaio de dureza?
5. Como se pode aumentar a segurança de um projeto?
6. Explique a relação entre a deformação plástica e a
temperatura.
7. Defina a tenacidade e a ductilidade.
8. O que é módulo de elasticidade?