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12/04/2016 1 Unidade 03 - Propriedades Mecânicas Professor Hanilton Marana Nasser Introdução O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada. Algumas propriedades mecânicas importantes são a resistência mecânica, dureza, ductilidade e a rigidez. As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de experimentos de laboratório cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições de serviço. 12/04/2016 2 Se uma carga é estática ou se ela se altera de uma maneira relativamente lenta ao longo do tempo e é aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um membro, o comportamento mecânico pode ser verificado mediante um simples ensaio de tensão x deformação. Tais ensaios são mais comumente conduzidos para metais à temperatura ambiente. Existem seis maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada: tração, compressão e cisalhamento, torção, flambagem, flexão Tração: A força atuante tende a provocar um alongamento do elemento na direção da mesma. 12/04/2016 3 Compressão: A força atuante tende a provocar uma redução no comprimento do elemento na direção da mesma Flexão: A força atuante provoca uma deformação do eixo perpendicular à mesma 12/04/2016 4 Torção: Forças atuam em um plano perpendicular ao eixo e cada seção transversal tende a girar em relação às outras. Flambagem: É um esforço de compressão em uma barra de seção transversal pequena em relação ao comprimento, que tende a produzir uma curvatura na barra 12/04/2016 5 Cisalhamento: Forças atuantes tendem a produzir um efeito de corte, isto é, um deslocamento linear entre seções transversais. As principais propriedades mecânicas utilizadas na engenharia são: �Resistência mecânica - capacidade do material em suportar esforços (tensões) sob determinadas condições. �Elasticidade é a capacidade que o material deve ter para se deformar quando submetido a um esforço, e de voltar à forma original quando o esforço termina. �Plasticidade e capacidade que o material apresenta, que quando submetido a um esforço, o mesmo deforma-se e manter essa deformação mesmo quando o esforço for retirado. �Dureza é a resistência do material à penetração, e a deformação plástica, ou seja, deformação permanente. 12/04/2016 6 As principais propriedades mecânicas utilizadas na engenharia são: �Ductilidade capacidade de um material alongar-se (ou seja, de aumentar o seu comprimento quando tracionado) até a sua fratura. �Rigidez e a capacidade do material em resistir a deformação elástica. �Resiliência capacidade do material em absorver energia quando deformado elasticamente (ou seja, dentro do campo elástico de deformações). �Tenacidade, capacidade que o material apresenta em absorver energia antes da sua fratura. 12/04/2016 7 12/04/2016 8 Definição: No ensaio de tração a carga e aplicada longitudinalmente (ao longo do eixo maior do corpo de prova), uniaxialmente (alinhada com a linha de centro do corpo de prova) e gradativamente (carregamento lento). O material e deformado até a sua fratura (trata-se, portanto, de um ensaio destrutivo); A0 área inicial da secção transversal do corpo de prova; L0 comprimento inicial de medida. 12/04/2016 9 � A dureza, que é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada (por exemplo, uma pequena impressão ou um risco) Portanto o ensaio de dureza consiste basicamente em aplicar uma pressão perpendicular a superfície do material e medir a deformação plástica resultante. Os ensaios de dureza são realizados com mais freqüência do que qualquer outro ensaio mecânico por diversas razões: �Eles são simples e baratos — normalmente, nenhum cor po de prova especial precisa ser preparado, e os equipa mentos de ensaio são relativamente baratos. �O ensaio é não destrutivo — o corpo de prova não é fraturado, tampouco é excessivamente deformado; uma peque na impressão é a única deformação. �Outras propriedades mecânicas podem, com freqüência, ser estimadas a partir de dados obtidos para ensaios de dure za, tais como o limite de resistência a tração Os principais tipos de ensaio de dureza são: Ensaios de dureza Brinell Nos ensaios de dureza Brinell, um penetrador esférico e duro é forçado contra a superfície do metal a ser testado. O diâmetro do penetrador de aço endurecido (ou carboneto de tungstênio) é de 10,00 mm. As cargas padrões variam entre 500 e 3000 kg, em incrementos de 500 kg; durante um ensaio, a carga é mantida constante por um tempo específico (entre 10 e 30 s). Materiais mais duros exigem cargas aplicadas maiores. O índice de dureza Brinell, HB, é uma função tanto da magnitude da carga como do diâmetro da impressão resultante (ver Tabela 6.4).13 Esse diâmetro é medido com um microscópio especial de baixa potência, utilizando uma escala que está gravada na sua ocular. O diâmetro medido é então convertido ao número HB apropriado com o auxílio de um gráfico; com essa técnica, emprega-se apenas uma escala. As exigências de espessura máxima do corpo de prova, bem como de posição da impressão (em relação às arestas do corpo de prova) e de espaçamento mínimo da impressão, são as mesmas para os ensaios Rockwell Além disso, exige-se uma impressão bem definida; isso obriga a se ter uma superfície lisa e plana,onde é feita a impressão 12/04/2016 10 Ensaios de dureza Rockwell Os ensaios Rockwell constituem o método mais comumente utilizado para medir a dureza, pois eles são muito simples de executar, permite leitura direta na escala do apare-lho além de permitir ensaio de todos os metais e ligas, desde os mais duros até os mais macios. Os penetradores incluem bolas de aço esféricas e endurecidas, com diâmetros de 1/16” , 1/8”, ¼” e ½” penetradores cônico de diamante (Brale), que é usado para os materiais mais duros. O ensaio Rockwell é mais preciso que o Brinell, pois prevê uma pré carga que tem como objetivo vencer fase plástica do material. Assim como no ensaio Brinell, no ensaio Rockwell também deve ser observado a espessura do corpo de prova, assim como a distância da borda. Outra variável que deve ser observada é a distância entre um ensaio e outro, pois durante o ensaio a região próxima sofre encruamento, interferindo assim no próximo ensaio. 12/04/2016 11 Duas outras técnicas de ensaio de dureza são a Knoop (pronunciado nup) e a Vickers. Para cada ensaio, um penetrador de diamante muito pequeno, com geometria piramidal, é forçado contra a superfície do corpo de prova. As cargas aplicadas são muito menores do que para os ensaios Rockwell e Brinell, variando entre 1 e 1000 g. A impressão resultante é observada sob um microscópio e medida; essa medição é então convertida em um número índice de dureza (Tabela 6.4). Pode ser necessária uma preparação cuidadosa da superfície do corpo de prova (lixamento e polimento), a fim de assegurar uma impressão bem definida, que possa ser medida com precisão. Os números de dureza Knoop e Vickers são designados por HK e HV, respectivamente, e as escalas de dureza para ambas as técnicas são aproximadamente equivalentes. Os métodos Knoop e Vickers são conhecidos como métodos de ensaio de microdureza com base na carga e no tamanho do penetrador. Ambos os métodos são bem adequados para medição da dureza de regiões pequena e selecionadas do corpo de prova; além disso, o método Knoop é usado para testar materiais frágeis, como os materiais cerâmicos. 12/04/2016 12 12/04/2016 13 Todo cristal exibe defeitos quantidade e tipo de imperfeições depende da forma que o cristal foi formado defeitos modificam o comportamento do material: �mecânico �elétrico �químico �óptico Solidificação de umamassa metálica 12/04/2016 14 Comportamento Mecânico Em uma escala microscópica, a deformação plástica corresponde ao movimento líquido ou global de um grande número de átomos em resposta à aplicação de uma tensão. Durante esse processo, as ligações interatômicas devem ser rompidas e depois formadas novamente. Em sólidos cristalinos, a deformação plástica envolve na maioria das vezes o movimento de discordâncias, as quais são defeitos cristalinos lineares. Podemos concluir que a número de discordâncias facilita a deformação plástica, porém quando esse numero de discordância aumenta muito, o processo e inverso, em outras palavras, uma discordância acaba atrapalhando a outra 12/04/2016 15 Sistemas de Escorregamento As discordâncias não se movem com o mesmo grau de facilidade sobre todos os planos cristalográficos de átomos e em todas as direções cristalográficas, existe sempre um plano preferencial. Esse plano é chamado de plano de escorregamento; e analogamente, a direção do movimento é chamada de direção de escorregamento. Essa combinação do plano de escorregamento e da direção de escorregamento é conhecida por sistema de escorregamento. O sistema de escorregamento depende da estrutura cristalina do metal e é tal que a distorção atômica que acompanha o movimento Para uma estrutura cristalina específica, o plano de escorregamento é aquele plano que possui empacotamento atômico mais denso, isto é, que possui a maior densidade planar. Observe a seguir exemplo de estruturas cristalinas CFC e CCC: 12/04/2016 16 Existirão sempre incertezas na caracterização da magnitude das cargas aplicadas e de seus níveis de tensão associados para aplicações em condições de serviço; de maneira geral, os cálculos de carga são apenas aproximados. Além disso, como foi observa dona seção anterior, virtualmente todos os materiais da engenharia exibem uma variabilidade nas medições das suas propriedades mecânicas. O procedimento atual consiste em utilizar materiais com tenacidade adequada que ofereça redundância no projeto original ou seja folgas de projeto para proteção contra falhas não previstas. Para situações estáticas menos criticas e quando não são utilizados materiais dúcteis definisse tensão de projeto σ p σp=N.σc Ou seja, no caso acima a tensão admissível de projeto deverá ser N vezes maior que o valor calculado. 12/04/2016 17 Unidade 04 -Diagrama de equilíbrio Professor Hanilton Marana Nasser
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