14. Propriedades Mecânicas dos Metais pt.1

Prévia do material em texto

Propriedades Mecânicas dos 
Metais
Introdução
• Materiais – Sujeitos a forças e cargas 
• Liga de Al da asa de um avião 
Introdução
• Materiais -> Sempre estarão sujeitos a ação de forças e cargas
Ex: Aço do eixo de um automóvel
• Carga -> deformação (não deve ser excessiva / fratura)
• Comportamento mecânico -> resposta ou deformação a uma carga
aplicada
Introdução
• O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre
uma carga ou força que esteja sendo aplicada e sua resposta ou
deformação ao esforço aplicado;
• Tensão -> Medida de uma carga ou força mecânica aplicada,
normalizada em função da seção reta do material sob a qual a carga é
aplicada;
• Deformação -> Intensidade da variação dimensional induzida pela
tensão;
Introdução
• Propriedades importantes -> resistência, dureza, ductilidade, rigidez
• Propriedades avaliadas através de experimentos de laboratório (ensaios)
padronizadas pela ASTM de acordo com:
Natureza da carga aplicada
Tração
Compressão
Cisalhamento
Duração da aplicação
Condições ambientais
Introdução
Determinação as Propriedades
Mecânicas
• Através de ensaios mecânicos;
• Utiliza-se normalmente corpos de prova;
• Utilização de normas técnicas para o procedimento das medidas e
confecção do corpo de prova.
Ensaios Mecânicos
• Tipos de Solicitação:
• Força lenta (estática) (ensaio de tração);
• Força rápida (impacto);
• Força variável (vibração);
• Presença de trincas, entalhes ou defeitos de fabricação;
• Altas temperaturas (oxidação, modificação nas propriedades).
Ensaio Mecânico Estático
• Se uma carga estática ou que se altera lentamente e aplicada sobre
uma seção reta ou superfície o comportamento mecânico verificado
num simples ensaio de tensão-deformação.
Ensaio de Tração
• As medidas de tensão são feitas por meio de uma célula de carga;
• As medidas de deformação são feitas por meio de um extensômetro
ou diretamente sobre o corpo de prova;
• Os corpos de prova usados nos ensaios de tração podem ter
diferentes formas e dimensões;
• Na deformação por tração normalmente ocorre:
Alongamento ao longo do eixo de aplicação da força
Contração ao longo dos dois outros eixos
Ensaio de Tração
Tensão e Deformação
• Para minimizar os fatores geométricos, tensão e deformação são
normalizadas:
• A tensão nominal, ou tensão de engenharia, é determinada pela
divisão da carga aplicada F pela área original da seção transversal do
corpo de prova, A0;
Tensão e Deformação
• A deformação nominal, ou deformação de engenharia, é determinada
pela divisão da variação ∆l no comprimento de referência do corpo de
prova, pelo comprimento de referência original do corpo de prova, l0;
Tensão-Deformação Real 
e de Engenharia
Ensaio de Tração
Ensaio de Compressão
• Semelhante ao ensaio de tração, porém a força medida é compressiva
e o corpo de prova se contrai ao longo da direção de tensão;
• Compressão -> Forças compressivas são consideradas negativas;
• Ensaios de tração são mais comuns
• Para tensões compressivas não há amplificação de tensões com a
presença de defeitos;
• Assim, as cerâmicas apresentam valores de tensão máxima em
ensaios de compressão superiores aos obtidos em ensaios de tração.
Ensaio de Cisalhamento/Torção
• Forças Puramente cisalhantes:
• Torção é uma variação do cisalhamento puro
• eixos de máquinas de acionamento
• brocas helicoidais
• ensaios em eixos sólidos cilíndricos ou tubos.
Considerações Geométricas a 
Respeito do Estado de Tensões
• O estado de tensão é uma função das orientações dos planos sobre
os quais as tensões atuam;
• Considere um corpo de prova cilíndrico que está sujeito a uma tensão
de tração aplicada paralelamente ao seu eixo;
• Considere também o plano p-p' que está orientado segundo algum
ângulo arbitrário θ em relação ao plano da face na extremidade do
corpo de prova;
Considerações Geométricas a 
Respeito do Estado de Tensões
• O estado de tensão é uma 
função das orientações dos 
planos sobre os quais as tensões 
atuam;
𝜎′ = 𝜎. 𝑐𝑜𝑠2𝜃 = 𝜎(
1 + cos 2𝜃
2
)
𝜏′ = 𝜎. 𝑠𝑒𝑛𝜃. 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝜎(
𝑠𝑒𝑛 2𝜃
2
)
Considerações Geométricas a 
Respeito do Estado de Tensões
• Sobre este plano p-p', a tensão aplicada não é puramente de tração;
• Tem-se um estado de tensão mais complexo, que consiste em uma
tensão de tração (ou normal) σ', que atua em uma direção normal ao
plano p-p‘;
• Adicionalmente tem-se uma tensão de cisalhamento τ', que atua
paralelamente a esse plano;
Lei de Hooke
• O grau com que uma estrutura se deforma ou se esforça depende da
magnitude da tensão imposta;
• A Lei de Hooke define a relação linear entre a tensão e a deformação
dentro da região elástica;
• E -> Módulo de Elasticidade (Módulo de Young);
• “E” pode ser usado somente se o material tiver relação linear–
elástica;
Tipo de Deformação
• Deformação Elástica:
Precede à deformação plástica;
É reversível;
Desaparece quando a tensão é removida;
É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de
Hooke).
Tipo de Deformação
• 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.
Deformação Elástica
• O Módulo de Elasticidade E pode ser considerado como sendo uma
medida da rigidez, ou uma resistência do material à deformação
elástica;
• Quanto maior o E menor a deformação que resultará da aplicação da
tensão;
Deformação Elástica
• Deformação não permanente;
• Pequena alteração no espaçamento interatômico e na extensão de
ligações interatômicas;
• E das CERÂMICAS > E dos METAIS > E dos POLÍMEROS
• Aumento da temperatura -> Redução do E;
Deformação Elástica
• Variação do Módulo de Elasticidade E em função da Temperatura T:
Deformação Elástica
• Tensões de compressão e cisalhamento também induzem
comportamento elástico:
Anelasticidade
• ANELASTICIDADE -> necessidade de tempo para recuperação
completa, ou seja, retornar ao estado inicial sem deformação;
• Esse tempo se deve aos processos microscópicos e atômicos
dependentes do tempo que acompanham o processo de deformação;
• Maioria dos materiais de Engenharia -> componente da deformação
elástica dependente do tempo;
• Metais e Cerâmicas -> componente anelástica pequena e geralmente
desprezada;
• Polímeros -> magnitude significativa (comportamento viscoelástico).
Propriedades Mecânicas dos Metais
• Alongamento axial (z) 
(deformação positiva);
• Contrações laterais (x e y) em 
resposta à imposição de uma 
tensão de tração.
Propriedades Mecânicas dos Metais
• Constrição nas direções laterais (x e y) perpendiculares a direção de
tensão aplicada;
• Contrações -> deformações compressivas εx e εy determinadas.
• Se o material for isotrópico e a tensão uniaxial -> εx = εy
• Coeficiente de Poison ν -> razão entre as deformações lateral e axial.
• Metais e ligas -> ν varia entre 0,25 ~ 0,35
Propriedades Mecânicas dos Metais
• Para materiais isotrópicos:
• Para maioria dos materiais -> G = 0,4.E
Comportamento Elástico
• A tensão é proporcional à deformação;
• O material é linearmente elástico;
• Comportamento linear entre tensão e deformação;
• O limite superior da tensão para essa relação linear é denominado
LIMITE DE PROPORCIONALIDADE,
• Se a tensão ultrapassar ligeiramente o limite de proporcionalidade, o
material ainda pode responder de maneira elástica, porém a reta
tende a encurvar-se;
Comportamento Elástico
• A capacidade de recuperar toda a deformação elástica continua até a
tensão atingiro LIMITE DE ELASTICIDADE;
• Ao atingir esse ponto, se a carga for removida, o corpo de prova ainda
voltará à sua forma original;
• O limite de elasticidade raramente é determinado
experimentalmente, visto que está muito próximo do limite de
proporcionalidade;
Comportamento Elástico
• Estabeleceu-se uma linha reta construída paralelamente à porção
elástica da curva tensão-deformação, a partir de uma pré-deformação
específica (0,2%);
• A tensão que corresponde à interseção desta linha com a curva
tensão-deformação, à medida que esta última se inclina em direção à
região plástica, é definida como sendo a TENSÃO LIMITE DE
ESCOAMENTO;
• A tensão limite de escoamento representa uma medida da sua
resistência à deformação plástica;
Comportamento Elástico
Módulo de Resiliência
• Capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado
elasticamente e, depois, com o descarregamento, ter sua energia
recuperada.
• Ur representa a energia de deformação por unidade de volume
exigida para tensionar um material desde um estado de ausência de
carga até a sua tensão limite de escoamento.
Módulo de Resiliência
• Materiais altamente resilientes:
elevado limite de escoamento;
módulo de elasticidade pequeno;
• Ex: Uma mola
• Representação de como o módulo 
de Resiliência (que corresponde à 
área sombreada) é determinado a 
partir do comportamento tensão-
deformação em tração do material.
Módulo de Resiliência