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* * CIÊNCIAS DOS MATERIAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS Prof° João de Deus * * 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. * * 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 * * 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 * * ESFORÇOS DE TRAÇÃO E COMPRESSÃO * * 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) * * TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS Tração; Compressão; Flexão; Torção; Flambagem; Cisalhamento. * * TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS Tração: A força atuante tende a provocar um alongamento do elemento na direção da mesma. * * TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS Compressão: A força atuante tende a provocar um alongamento do elemento na direção da mesma. * * TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS Flexão: A força atuante provoca uma deformação do eixo perpendicular à mesma. * * TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS Torção: Forças atuam em um plano perpendicular ao eixo e cada seção transversal tende a girar em relação às outras. * * 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. * * TIPOS DE ESFORÇOS EXTERNOS Cisalhamento: Forças atuantes tendem a produzir um efeito de corte, isto é, um deslocamento linear entre seções transversais. * * 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 * * 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 * * 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 * * 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 * * 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) * * DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO * * DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO * * 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 * * DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO * * 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 * * DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO * * 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 * * DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO * * 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 * * DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO * * 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 * * DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO * * 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 * * DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO * * 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. * * Diagrama Tensão - Deformação: Materiais Frágeis No entanto quando a fratura ocorre imediatamente após ultrapassar o limite de elasticidade, o material é (DURO) FRÁGIL. * * 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) * * 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) * * 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) * * 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 ? * * 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: * * 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. * * 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 * * Dureza Dureza por penetração : * * 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. * * Dureza - Dureza por choque Shore ESCLEROSCÓPIO * * 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 * * 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 * * 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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