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Propriedades Mecânicas dos Materiais

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CIÊNCIAS DOS MATERIAIS 
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS 
Prof° João de Deus
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OBJETIVO DA AULA
Ao final desta aula, você deverá:
Saber o conceito de Tensão; 
Conhecer a Lei de Hooke; 
Identificar os esforços atuantes: Tração, Compressão, Cisalhamento, Flexão, Torsão e Flambagem; 
Identificar as Propriedades Mecânicas: Resistência Mecânica, Elasticidade, Ductilidade, Plasticidade, Tenacidade, Resiliência, Dureza, Resistência a Fadiga e a Fluência.
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 Tipos de deformações:
 Elásticas: os átomos se afastam das posições originais sem ocuparem definitivamente novas posições. O material retorna às suas dimensões originais, quando é cessada o motivo da deformação.
 Plásticas: ao retirarmos o esforço, o material não retorna às suas dimensões originais. Suas dimensões originais ficam alteradas após cessar o esforço externo.
INTRODUÇÃO
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 Estudo do comportamento mecânico dos materiais, utilizando o Ensaio de Tração e o Diagrama Tensão x Deformação.
Ensaio Tração (Corpo de Prova):
 Considerando uma barra cilíndrica de área A0 e comprimento L0 submetida a um esforço externo P (uniaxial) na direção de seu eixo principal.
PROPRIEDADES MECÂNICAS
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ESFORÇOS DE TRAÇÃO E COMPRESSÃO
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ELASTICIDADE
Tensão e deformação são suficientemente pequenas.
A constante de proporcionalidade entre tensão e deformação denomina-se LEI DE HOOKE.
S.I: Newton/metro (N/m)
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TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS
 Tração;
 Compressão;
 Flexão;
 Torção;
 Flambagem;
 Cisalhamento.
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TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS
Tração: A força atuante tende a provocar um alongamento do elemento na direção da mesma.
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TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS
Compressão: A força atuante tende a provocar um alongamento do elemento na direção da mesma.
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TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS
Flexão: A força atuante provoca uma deformação do eixo perpendicular à mesma.
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TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS
Torção: Forças atuam em um plano perpendicular ao eixo e cada seção transversal tende a girar em relação às outras.
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TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS
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.
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TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS
Cisalhamento: Forças atuantes tendem a produzir um efeito de corte, isto é, um deslocamento linear entre seções transversais.
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 Diagrama resultante do ensaio de tração. Neste ensaio traciona-se um corpo de prova cilíndrico até que sofra fratura em uma máquina de tração com velocidade constante. 
DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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 Os registros da carga atuante e das deformações são registrados automaticamente pela máquina em forma de gráfico de Carga x Deformação, do qual poderá ser retirado os valores de carga máxima, carga de ruptura e de escoamento, que divididos pela área do corpo de prova, fornecem os valores de Tensão Máxima ou Limite de resistência, Tensão de Ruptura ou Limite de Ruptura e de Tensão de Escoamento ou Limite de Escoamento.
DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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 A relação entre a tensão e a deformação elástica de um material foi demonstrada em 1678 por Robert Hooke que ficou conhecida como lei de Hooke e podemos escrever:
σ = ε . E
 Sendo a constante “ E “ conhecida como o módulo de elasticidade ou módulo de Young, representada pela tangente do ângulo formado pelo gráfico Tensão x Deformação no período elástico com o eixo da “deformação“. É uma propriedade de cada material.
LEI DE HOOKE
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 O módulo de elasticidade é a medida da rigidez do material. Quanto maior for o módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão e mais rígido será o material. Esta propriedade é muito importante na seleção de materiais.
LEI DE HOOKE
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σ = F / A e σ = ε . E 
assim:
F / A = ε . E mas ε = Δl / l0 e teremos:
F / A = Δl . E / l0 o que nos dá:
Δl = F . l0 / E . A
LEI DE HOOKE (Alongamento)
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DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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Limite elástico: O ponto marcado no final da parte reta do gráfico da Figura representa o limite elástico. Se o ensaio for interrompido antes deste ponto e a força de tração for retirada, o corpo volta à sua forma original, como faz um elástico.
DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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Limite de proporcionalidade
A lei de Hooke só vale até um determinado valor de tensão, denominado limite de proporcionalidade, a partir do qual a deformação deixa de ser proporcional à carga aplicada. Na prática, considera-se que o limite de proporcionalidade e o limite de elasticidade são coincidentes.
DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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Escoamento
No início da fase plástica ocorre um fenômeno chamado escoamento. O escoamento caracteriza-se por uma deformação permanente do material sem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade de deformação. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito próximos uns dos outros.
DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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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 deformados a frio. O material resiste cada vez mais à tração externa, exigindo uma tensão cada vez maior para se deformar. Nessa fase, a tensão recomeça a subir, até atingir um valor máximo num ponto chamado de limite de resistência.
DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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Limite de ruptura
Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, que ocorre num ponto chamado limite de ruptura. Note que a tensão no limite de ruptura é menor que no limite de resistência, devido à diminuição da área que ocorre no corpo de prova depois que se atinge a carga máxima.
DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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Estricção
É a redução percentual da área da seção transversal do corpo de prova na região onde vai se localizar a ruptura. A estricção determina a ductilidade do material. Quanto maior for a porcentagem de estricção, mais dúctil será o material.
DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO
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Diagrama Tensão - Deformação: Materiais Dúcteis
 Quando uma grande deformação plástica ocorre entre o limite de elasticidade e o ponto de fratura, dizemos que esse material é DUCTIL. 
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Diagrama Tensão - Deformação: Materiais Frágeis
 No entanto quando a fratura ocorre imediatamente após ultrapassar o limite de elasticidade, o material é (DURO) FRÁGIL. 
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Definições importantes 
Propriedade atribuída ao grau de deformação que um material sofre antes de sofrer fratura. 
Material dúctil se deforma sob tensão cisalhamento e sob tensões normais de compressão e tração. 
Exemplos de materiais dúcteis: Ouro, cobre e alumínio , alguns aços e alguns polímeros.
DUCTILIDADE:
Alongamento (mm)
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Definições importantes 
O oposto de dúctil é frágil, quando o material se rompe sem sofrer grande OU NENHUMA deformação. 
Materiais que sofrem pouca ou nenhuma deformação sob o efeito de tensão normais ou cisalhamento são considerados materiais frágeis.
Exemplos de materiais frágeis: Ferro fundido (em sua maioria), aço com alto teor de carbono , vidro , cerâmicas (em sua maioria), alguns polímeros e outros. 
FRAGILIDADE OU RIGIDEZ:
Alongamento (mm)
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Definições importantes 
TENACIDADE:
Tenacidade é a quantidade de energia que um material pode absorver antes de fraturar quando sujeito a tensão normal ou cisalhante, essa energia pode ser denominada como energia mecânica e sua unidade é J/m3, joule por volume.
A tenacidade pode ser calculada integrando a curva que mostra o comportamento do material, da origem até a ruptura.
(Tenacidade)
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Definições importantes 
É diagrama resultante do ensaio de tensões normais. No caso de ensaio de tração, traciona-se um corpo de prova até que sofra fratura em uma máquina de tração com velocidade constante. 
Qual aço apresenta maior alongamento?
Qual aço é mais dúctil? 
Qual aço é menos tenaz
Há algum aço frágil?
Qual aço apresenta o maior módulo de elasticidade ?
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Definições importantes 
RESILIÊNCIA:
é a capacidade de um metal absorver energia quando deformado elasticamente, isto é, dentro da zona elástica, liberando-a quando descarregada.
Observa-se a fadiga quando as peças estão propicias a esforços cíclicos (repetidos) e acabam se rompendo a tensões inferiores àquelas obtidas em ensaios.
FADIGA:
Tendência que o metal apresenta em sofrer uma deformação plástica quando estão submetidos a tensões constantes por longo período de tempo. Essa tendência pode ser aumentada com a influência, aumento, da temperatura. 
FLUÊNCIA:
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Dureza
Há várias definições envolvendo o termo dureza, como resistência ao desgaste, comportamente durante a deformação, resistência à tração e módulo de elasticidade. 
Dureza é uma resposta do material a uma certa carga e método de teste, sendo calculada com base na resposta do material testado à esta carga.
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A DUREZA NÃO É UMA QUANTIDADE FÍSICA, E SIM, UM PARÂMETRO.
Brinell 
Vickers
Meyer
Knoop
Rockwell
Shore
Tipos de Dureza ou Técnica 
A dureza vai depender do método utilizado.
Dureza
(Brinell) https://www.youtube.com/watch?v=n4kT3wNJpx4
(Vickers) https://www.youtube.com/watch?v=bDPGlVwd7Mc
(Rockwell) https://www.youtube.com/watch?v=FzHHzN6YqJ0
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Dureza
Dureza por penetração :
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Dureza
- Dureza por choque 
Shore
– Ensaio Dinâmico - A impressão é causada pela queda livre de um êmbolo. Utiliza uma barra de aço(êmbolo) de peso 2,5 N, com uma ponta padronizada (arredondada) de diamante colocada dentro de um tubo de vidro. 
O valor de dureza é proporcional à energia consumida. Materiais dúcteis consomem mais energia e o embola alcança uma altura menor na escala.
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Dureza
- Dureza por choque 
Shore
ESCLEROSCÓPIO 
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Dureza
- Correlação entre Dureza e Limite de resistência a tração.
Tanto o limite de resistência como a dureza são indicadores da resistência de um material a deformação plástica. Para alguns metais como: ferro fundido, aços e o latão e relação a seguir é válida: 
σLR = 3,45xHB
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Calcule a deformação elástica que acontece em um tirante que está submetido a uma força de tração de 8 000 N. O tirante tem seção circular constante cujo diâmetro vale 6 mm, seu comprimento é 0,3 m e seu material tem módulo de elasticidade valendo 2,1 x 105 N / mm2. 
EXERCÍCIO
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Calcule a deformação elástica que acontece em um tirante que está submetido a uma força de tração de 8 000 N. O tirante tem seção circular constante cujo diâmetro vale 6 mm, seu comprimento é 0,3 m e seu material tem módulo de elasticidade valendo 2,1 x 105 N / mm2. 
EXERCÍCIO
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