AULA2 MATERIAIS POLÍMERICOS

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 Sueila Silva Araújo
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS
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PARTE 1: PROPRIEDADES MECÂNICAS
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IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DO COMPORTAMENTO
DE MECÂNICO DE MATERIAIS
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PRODUTOS X REQUISITOS
MERCADO CONSUMIDOR
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 Resistência Mecânica
 Rigidez
 Ductilidade
 Dureza
 Tenacidade
 Resiliência
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material de resistir às forças mecânicas e/ou de transmiti-las.
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Ensaios mecânicos
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TIPOS DE TENSÕES
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PARA QUE SERVEM OS ENSAIOS MECÂNICOS?
	Os ensaios mecânicos tem por finalidade:
 Conhecimento do comportamento dos materiais para fins do projeto.
 Conhecimento do causas de falhas dos materiais em serviço.
 Conhecimento de novos materiais.
 Controle do processo produtivo.
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Ensaios mecânicos
Qualidade
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	Qualquer projeto de engenharia, requer, para sua viabilidade, um vasto conhecimento das características, propriedades e comportamento dos materiais disponíveis. 
	Os critérios de escolha dos materiais impõem, para a realização dos ensaios, métodos normalizados que objetivam levantar as propriedades e o comportamento destes sob determinadas condições de esforços. 
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TIPOS DE ENSAIOS MECÂNICOS
	Existem vários critérios para classificar os ensaios mecânicos. A classificação que adotaremos neste curso agrupa os ensaios em dois blocos:
 Ensaios destrutivos - são aqueles que deixam algum sinal na peça ou corpo de prova submetido ao ensaio, mesmo que estes não fiquem inutilizados.
 Ensaios não-destrutivos - são aqueles que após sua realização não deixam nenhuma marca ou sinal e, por conseqüência, nunca inutilizam a peça ou corpo de prova. Por essa razão, podem ser usados para detectar falhas em produtos acabados e semi-acabados.
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	Os ensaios destrutivos abordados serão:
· tração
· compressão
· flexão e dobramento
· torção
· dureza
· fluência
· fadiga
· impacto
	E quanto aos ensaios não-destrutivos serão vistos:
· visual
· líquido penetrante
· partículas magnéticas
· ultrasom
· radiografia industrial
 
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ENSAIO DE TRAÇÃO
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ENSAIO DE TRAÇÃO
	O ensaio de tração consiste em submeter o material a um esforço uniaxial que tende a alongá-lo até a ruptura. Este ensaio permite conhecer como os materiais reagem ao esforço de tração, quais os limites de tração que suportam e a partir de que momento se rompem.
	
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 É realizado em máquinas de ensaio que aplicam uma força axial no corpo de prova, fazendo com que se deforme até sua ruptura.
 Nestas máquinas a força aplicada e a deformação obtida são registradas para a confecção do Diagrama Tensão-Deformação.
 Partes básicas do equipamento: Sistema de aplicação de carga; dispositivo para prender o corpo de prova; sensores que permitam medir a tensão aplicada e a deformação promovida (extensômetro).
 O equipamento é projetado para alongar a amostra a uma taxa constante e para continua e simultaneamente medir a carga aplicada e as elongações sofridas. 
 É um teste destrutivo e que pode durar vários minutos.
ENSAIO DE TRAÇÃO
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• Máquina típica para o de ensaio de tração
• Amostra típica (metais)
Comprimento útil
ENSAIO DE TRAÇÃO
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ENSAIO DE TRAÇÃO - METAIS
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Comportamento esquemático tensão-deformação de um METAL
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ENSAIO DE TRAÇÃO - POLÍMEROS
Ensaio tensão-deformação por tração
Comportamento esquemático tensão-deformação de um polímero
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Comportamento esquemático tensão-deformação de um polímero
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ENSAIO DE TRAÇÃO
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AO - região de comportamento elástico
AB - região de escoamento de discordâncias
BU - região de encruamento uniforme
UF - região de encruamento não-uniforme
PROPRIEDADES MECÂNICAS EM TRAÇÃO
Curva tensão-deformação – Ensaio convencional
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A região de comportamento elástico (AO) 
	Quando uma amostra de um material solicitado por uma força sofre uma deformação e, após a retirada da força aplicada, recupera suas dimensões originais, esta deformação é definida como deformação elástica.
	A deformação elástica de um corpo de prova é dada pela lei de Hooke:   E . 
Onde: E - módulo de elasticidade
	
	Terminada a região elástica atinge-se a região plástica.
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Região de Escoamento (AB)
	O escoamento é um fenômeno que ocorre entre o fim da fase elástica e o começo da fase plástica. Caracteriza-se por uma deformação permanente do material sem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade de deformação.
	
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• Tensão em que deformação plástica observável ocorreu.
Tensão de escoamento, sy
quando ep = 0.002 
A principal tensão definida na região de escoamento sy, é o limite de escoamento que á a máxima tensão atingida na região de escoamento.
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Importante!!!!
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 Tensão de escoamento: primeiro ponto na curva tensão-tração no qual o aumento de deformação ocorre sem um aumento na tensão.
Curva tensão X deformação - Polímeros
Resistência à tração: É a máxima tensão tração suportada pela amostra durante o ensaio
PROPRIEDADES AVALIADAS
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A região de comportamento plástico – (BF) é caracterizada pela presença de deformações permanentes no corpo de prova. Nessa região, pode-se determinar uma série de características do material ensaiado, como:
 limite de resistência à tração
 limite de ruptura
 alongamento
 coeficiente de estricção 
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	Em um ensaio de tração, obtém-se o gráfico tensão-deformação, na qual é possível analisar o comportamento do material ao longos do ensaio. Do início do ensaio, até a ruptura, os materiais geralmente passam pelas seguintes etapas:
 Deformação Elástica
 Deformação Plástica
	
ANALISANDO A CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO
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Deformação Elástica e Plástica
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
Precede a deformação plástica.
É reversível.
Desaparece quando a tensão é removida.
É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke).
Elástica
Plástica
 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade. 
É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida.
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Deformação Plástica (Permanente)
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TENSÃO E DEFORMAÇÃO VERDADEIRAS
	A curva de tensão x deformação convencional, estudada anteriormente, não apresenta uma informação real das características tensão e deformação porque se baseia somente nas características dimensionais originais do corpo de prova ou amostra e que na verdade são continuamente alteradas durante o ensaio.
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	Diagrama tensão-deformação obtido através de um ensaio de tração:
1. Tensão Máxima de Tração 2. Tensão de Escoamento 3. Tensão de Ruptura 4. Região de Encruamento 5. Região de "Empescoçamento".
ANALISANDO A CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO
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ANALISANDO A CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO
Material Dúctil  apresenta um limite de elasticidade, além do qual ocorre deformação plástica. Ex. Material metálico (aço de baixo carbono).
Material Frágil  não deforma plasticamente antes da ruptura. Ex. Material cerâmico (Al2O3), ferro fundido.
1. Tensão máxima de tração 2. Limite de escoamento 3. Tensão limite de proporcionalidade 4. Ruptura 5. Deformação (tipicamente 0,002).
1. Tensão máxima de tração 2. Ruptura.
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	A partir da curva de tensão deformação pode - se obter;
 Módulo de elasticidade em tração ou de Young
 Tensão e deformação no ponto de escoamento
 Tensão máxima
 Tensão e deformação na ruptura
 Ductibilidade
 Resiliência
 Tenacidade
ENSAIO DE TRAÇÃO
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ENSAIO DE TRAÇÃO - Algumas definições
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PROPRIEDADES AVALIADAS
Alongamento - Deformação de um corpo de prova (aumento do seu comprimento com diminuição da área da seção transversal) devido a aplicação de uma força axial.
	O alongamento plástico
define a ductilidade do material. Quanto maior for o alongamento plástico, maior a facilidade de deformar o material.
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RESISTÊNCIA À TRAÇÃO TENSÃO () X Deformação ()
	Como efeito da aplicação de uma tensão tem-se a deformação (variação dimensional).
	A deformação pode ser expressa:
 O comprimento deformado como uma percentagem do comprimento original
lo= comprimento inicial
lf= comprimento final
ε = lf-lo/lo= l/lo
 = F/Ao
Força ou carga
Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2
Área inicial da seção reta transversal
Onde: 
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Limite de Proporcionalidade: Até este limite o material obedece a Lei de Hooke, onde suas deformações são diretamente proporcionais às tensões aplicadas.
Limite Elástico: Tensão limite para a qual o material deixa de comportar de forma elástica.
	O limite de Proporcionalidade e o limite Elástico normalmente estão muito próximos. Na prática, podem ser considerados coincidentes.
PROPRIEDADES AVALIADAS
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Módulo de Elasticidade: (Módulo de Young) Relação constante entre a tensão e a deformação na fase elástica do material.
	
	
	O Módulo de Elasticidade é a medida da rigidez do material. Quanto maior for o módulo, menor será a deformação elástica e mais rígido será o material.
PROPRIEDADES AVALIADAS
Tensão (σ)
Deformação 
Módulo de 
Elasticidade
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Módulo de elasticidade, ou módulo de Young (E)
	O módulo de elasticidade fornece uma indicação da rigidez do material e depende fundamentalmente das forças de ligação interatômicas.
	De certa forma, o módulo de elasticidade pode ser considerado mais uma propriedade física do que uma propriedade mecânica, pois vimos que ele é só depende de força de ligação dos átomos, sendo uma função da natureza deles.
	Portanto, podemos afirmar que o módulo de elasticidade é uma propriedade intrínseca do material e depende de dois parâmetros:
 Intensidade das ligações;
 Densidade das ligações (número de átomos de área).
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Módulo de elasticidade 
METAIS x POLÍMEROS
	Quanto maior o módulo de elasticidade mais rígido é o material ou menor é a sua deformação elástica quando aplicada uma dada tensão.
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Limite de Resistência: Após o escoamento ocorre o encruamento, que é um endurecimento causado pela quebra dos grãos que compõem o material, quando deformado a frio. O material resiste cada vez mais à tração externa, exigindo uma tensão cada vez maior para se deformar. O valor máximo que a tensão atinge é chamado de Limite de Resistência.
PROPRIEDADES AVALIADAS
Limite de Resistência (B)
O valor do limite de resistência é calculado por:
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Resiliência: Resiliência – é a capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado elasticamente e depois, com o descarregamento, ter essa energia recuperada.	
	O Módulo de Resiliência é calculado por:
PROPRIEDADES AVALIADAS
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RESILIÊNCIA
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Limite de Ruptura: É definido como sendo a tensão correspondente à ruptura do material. O Limite de Ruptura é menor que o Limite de Resistência devido a diminuição da área que ocorre no corpo de prova depois que atinge a carga máxima.
PROPRIEDADES AVALIADAS
Limite de Ruptura (C)
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RESUMO DOS PONTOS E REGIÕES NO GRÁFICO:
TENSÃO x DEFORMAÇÃO 
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PROPRIEDADES AVALIADAS
Materiais com alta tenacidade sofrem grandes deformações, já os materiais com baixa tenacidade podem romper subitamente sem dar sinais de um rompimento eminente.
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PROPRIEDADES AVALIADAS
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RESILIÊNCIA x TENACIDADE
PROPRIEDADES AVALIADAS
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PROPRIEDADES AVALIADAS
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RESILIÊNCIA x TENACIDADE
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Estricção: Redução percentual da área da seção transversal do corpo de prova na região onde se localiza a ruptura.
	A estricção determina a ductilidade do material. Quanto maior for a estricção, mais dúctil será o material.
PROPRIEDADES AVALIADAS
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PROPRIEDADES AVALIADAS
Figura - Estricção
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 Estricção OU EMPESCOÇAMENTO
PROPRIEDADES AVALIADAS
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CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO PARA MATERIAIS DÚCTEIS
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Fratura dos corpos de prova submetidos ao ensaio por tração
	Fratura é a separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas ou mais partes, sob a ação de uma tensão. 
	A fratura pode ser classificada em duas categorias gerais:
 fratura frágil
 fratura dúctil
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A fratura dúctil é caracterizada pela ocorrência de uma apreciável deformação plástica antes e durante a propagação da trinca. 
A fratura frágil é caracterizada pela rápida propagação de trinca, sem apresentar deformação macroscópica.
Tipos de fraturas: (A) frágil; (B) dúctil
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	Os resultados fornecidos pelo ensaio de tração são fortemente influenciados pela temperatura, pela velocidade de deformação, pela anisotropia do material, pelo tamanho de grão, pela porcentagem de impurezas.
IMPORTANTE!!!
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EFEITO DA TEMPERATURA
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EFEITO DO TAMANHO DE GRÃO
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ENSAIO DE TRAÇÃO - ALGUNS EM PRODUTOS ACABADOS EM METAIS
 Barras, fios e arames;
 Cabos;
 Cordoalhas de aço;
 Chapas e tubos;
 Parafusos e porcas;
 Chapas ou tubos soldados.
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Materiais cerâmicos têm a sua aplicabilidade limitada em certos aspectos devido às suas propriedades mecânicas, que em muitos aspectos são inferiores àquelas apresentadas pelos metais.
 A principal desvantagem em relação aos metais é a disposição à fratura catastrófica, fratura frágil, pouco ou nenhuma absorção de energia na forma de deformação plástica.
A temperatura ambiente, os materiais cerâmicos sempre fraturam antes de qualquer deformação ocorrer em resposta à aplicação de um carga de tração;
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS CERÂMICOS
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COMPORTAMENTO MECÂNICO TÍPICO - TRAÇÂO
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Tração:
 É difícil preparar e testar amostras que possuam a geometria exigida;
 É difícil prender e segurar materiais frágeis;
 As cerâmicas falham após uma deformação de apenas 0,1%, o que exige que os corpos de prova estejam perfeitamente alinhados.
COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO
MATERIAIS CERÂMICOS
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RESISTÊNCIA À FLEXÃO
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Os defeitos que causam a fratura frágil são muito pequenos nos materiais cerâmicos;
Defeitos superficiais (riscos ou trincas), internos (poros) ou detalhes da microestrutura (grãos) – ou seja, são virtualmente impossíveis de serem eliminados.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS CERÂMICOS
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James F. Shackelford, Ciências dos Materiais, 6ª Edição, Artliber , São Paulo, 2008.
BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA
William D. Callister, Jr. Ciência e Engenharia de Materiais, 1ª edição, LTC, Rio de Janeiro, 2002.
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Sueila Silva Araújo
sueilaeng@yahoo.com.br
sueila@terra.com.br