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MetaisMetais Propriedades Mecânicas dos Materiais Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos à: forças ou cargas torna-se necessário: Em tais situações,... conhecerconhecer asas característicascaracterísticas (propriedades)(propriedades) dodo material,material, ee projetarprojetar oo membromembro (a(a partirpartir dodo qualqual éé feito),feito), tal que,... qualquer deformação resultante não seja excessiva e não qualquer deformação resultante não seja excessiva e não cause FRATURA O comportamento mecânico de um material fornece a relação entre: 2sua resposta (deformação) a uma carga (ou força) aplicada MIA MIA -- MetaisMetais 3 Algumas propriedades mecânicas importantes são: resistênciaresistência;; ductilidadeductilidade;; rigidezrigidez;; durezadureza.. Resistência: ao Impacto, à Tração, a Flexão, à Compressão, As propriedades mecânicas ESTÁTICAS são obtidas comumente dos ensaios de: tração flexão dureza compressão As propriedades mecânicas DINÂMICAS são determinadas a partir dos ensaios de: impacto fadiga fluência Estas propriedade dependem de : composição química microestrutura MIA MIA -- MetaisMetais 4 Dentre as principais propriedades determinadas nos diferentes ensaios mecânicos têm-se: ductilidadeductilidade;; durezadureza;; limitelimite dede resistênciaresistência àà traçãotração;; limitelimite dede escoamentoescoamento.. rigidezrigidez (módulo(módulo dede elasticidade)elasticidade);; resiliênciaresiliência;; tenacidadetenacidade;; resistênciaresistência aa fadigafadiga.. resistênciaresistência aa fluênciafluência.. fragilidadefragilidade.. MIA MIA -- MetaisMetais 5 Resistência ao Impacto: Teste de Impacto O que é impacto? aplicação de uma carga dinâmica por choque/colisão Quais são as consequências? deformações que levam à FRATURAS ...ou seja,... um teste de IMPACTO pode fornecer informações relacionadas à FRATURA de um material 6 Quando um material é submetido a um impacto: súbitosúbito ee intensointenso comcom taxataxa dede deformaçãodeformação extremamenteextremamente elevadaelevada quando comparado o resultado de um ensaio de quando comparado o resultado de um ensaio de traçãotração... ... pode se comportar de modo bem mais FRÁGIL Técnicas de ensaio por impacto são utilizadas para determinar as características de fratura dos materiais Assim,... Isto é,... Avaliam a fragilidade de um material sob condições de levadas taxas de deformações. OBS.: Fratura é a separaçãoseparação de um corpo em duas ou mais partes quando submetido a um esforçoesforço mecânico MIA MIA -- MetaisMetais 7 As condição em que são realizados estes experimentos representam: àquelas mais àquelas mais severasseveras em relação à possibilidade de ocorrer em relação à possibilidade de ocorrer fraturafratura ...ou seja,... deformaçãodeformação aa umauma temperaturatemperatura relativamenterelativamente baixabaixa taxataxa dede deformaçãodeformação elevadaelevada;; estadoestado dede tensãotensão introduzidointroduzido pelapela presençapresença dede entalheentalhe Nestes ensaios é medido: energia de impacto Neste sentido,... Dois tipos de ensaios são empregados na medição desta energia: Izod Charp MIA MIA -- MetaisMetais 8 Consistem na aplicação de uma carga pela queda de um martelo (ou pêndulo) de uma determinada altura, sobre um corpo de prova: Desta forma,... É possível medir a energia absorvida pelo material antes de ocorrer a ruptura: Estes ensaios determinam as propriedades dos materiais a: Porém,... são mais são mais qualitativosqualitativos e de e de pouca pouca utilidade para fins de utilidade para fins de projetoprojeto A principais função dos ensaios de impacto é determinar: se um material apresenta ou não uma TRANSIÇÃO DÚCTIL-FRÁGIL com a diminuição da TEMPERATURA FRATURA MIA MIA -- MetaisMetais 9 Os fatores que determinam se um material apresenta a característica de transição são: A aparência da superfície de falha serve como indicativo da natureza da fratura e pode ser usada nas determinações da temperatura de transição: composição química microestrutura fratura fratura dúctildúctil superfície fibrosa e opaca superfície fibrosa e opaca (acinzentada), e ocorre (acinzentada), e ocorre após extensa deformação após extensa deformação plástica, se caracterizando plástica, se caracterizando pela propagação lenta de pela propagação lenta de trincastrincas fratura fratura frágilfrágil superfície com textura superfície com textura granular e fibrosa granular e fibrosa (brilhante), com propagação (brilhante), com propagação rápida de trincas, rápida de trincas, acompanhada de pouca ou acompanhada de pouca ou nenhuma deformação)nenhuma deformação) OBS.: nana transiçãotransição notanota--sese ambasambas característicascaracterísticas.. MIA MIA -- MetaisMetais 10 Sendo que,... Esta propriedade está relacionada à dependência da absorção de energia de impacto medida em relação à temperatura. Seja a figura esquematizando o comportamento de materiais num ensaio de impacto: CertosCertos materiaismateriais ((BB),), emem temperaturastemperaturas elevadaselevadas aa energiaenergia dede impactoimpacto éé relativamenterelativamente ?????????? O que,... correspondecorresponde aa umum modomodo dede fraturafratura ?????????? Neste caso,... oo materialmaterial sese deformadeforma ?????????? antesantes dada rupturaruptura.. A B C . MIA MIA -- MetaisMetais A B C . 11 Assim,... ConformeConforme aa temperaturatemperatura éé reduzidareduzida,, aa energiaenergia dede impactoimpacto ???????? repentinamente,repentinamente, emem umauma faixafaixa dede temperaturastemperaturas relativamenterelativamente estrita,estrita, ...abaixo da qual,... aa energiaenergia dede impactoimpacto possuipossui umum valorvalor constanteconstante,, porémporém ????????,, ...ou seja,... oo modomodo dede fraturafratura éé ???????? Portanto,... nana faixafaixa dede diminuiçãodiminuição bruscabrusca dada energiaenergia absorvidaabsorvida nono impactoimpacto temtem--sese caracterizadocaracterizado umauma regiãoregião dede ???????? MIA MIA -- MetaisMetais 12 Assim,... AsAs estruturasestruturas construídasconstruídas aa partirpartir dede ligasligas queque exibemexibem esteeste comportamentocomportamento ????????,, ... devem ... serser usadasusadas somentesomente emem temperaturastemperaturas ????????,, dada temperaturatemperatura dede transiçãotransição,, aa fimfim dede evitarevitar falhasfalhas ???????? Também,... ExistemExistem materiaismateriais (como(como oo AA dada figura),figura), queque nãonão apresentamapresentam transiçãotransição dúctildúctil-- frágil,frágil, ee retémretém ???????? energiasenergias dede impactoimpacto.. Isto é,... mesmomesmo comcom aa reduçãoredução dada temperaturatemperatura,, permanecempermanecem ????????.. A B C . MIA MIA -- MetaisMetais 13 Já... ParaPara materiaismateriais ((comocomo oo CC -- figurafigura),), aa energiaenergia dede impactoimpacto tambémtambém éé relativamenterelativamente insensívelinsensível àà temperaturatemperatura Porém,... essesesses materiaismateriais (sempre(sempre nono teste)teste) apresentamapresentam ???????? dede energiaenergia dede impactoimpacto.. Sendo assim,... muitomuito ???????? .. A B C . MIA MIA -- MetaisMetais 14 A diferença entre a altura hi e hf está correlacionada com a perda da energia (potencial) do martelo gasta para romper o corpo de prova. O esquema a seguir ilustra a realização de um ensaio de impacto. MIA MIA -- MetaisMetais 15 Assim, ... Para um material que apresentavariação significativa da ductilidade em redução da temperatura, encontra-se o seguinte comportamento : MIA MIA -- MetaisMetais 16 até 1950 a maioria dos navios produzidos apresentavam, em algum momento, fraturas por fragilização. fratura de navios em águas geladas A fragilização de materiais devido a temperatura de transição dúctil-frágil. MIA MIA -- MetaisMetais 17 Resistência Flexão: Teste de Flexão O que é flexão? carga (força) aplicada no sentido perpendicular a um eixo Quais são as consequências? Deformações ELÁSTICAS MIA MIA -- MetaisMetais 18 MIA MIA -- MetaisMetais Mas, ... O esforço é chamado de DOBRAMENTO sese aa deformaçãodeformação forfor plásticaplástica...... A Figura a seguir mostra um teste de flexão sendo executado: 19 As Figuras a seguir esquematizam o comportamento (ou tendência) do material em um teste de flexão: Os materiais respondem de forma diferente quando submetidos a diversos tipos de tensão: Assim,... a RESISTÊNCIA MECÂNICA deve ser medida para tensões de naturezas diversas: Além disso,... MIA MIA -- MetaisMetais 20 O dobramento é um esforço que se caracteriza por induzir numa peça (corpo): Não é fácil realizar um ensaio de tração em vários materiais frágeis, ... sendo que,... o simples fato de posicioná-los nas garras da máquina de tração é, as vezes, suficiente para causar trincas. tensões de TRAÇÃO (alongamento) numa parte da seção transversal e tensões de COMPRESSÃO (contração) numa parte da seção transversal MIA MIA -- MetaisMetais 21 Quando a força provoca somente deformação ELÁSTICA no material, trata-se de um esforço de: Nestes casos,... FLEXÃO Quando a força provoca somente deformação PLÁSTICA no material, trata-se de um esforço de: DOBRAMENTO Em aplicações industriais envolvendo materiais de alta resistência é muito importante conhecer o comportamento do material quando submetidos à esforços de flexão. O ensaio é acompanhado na fase elástica, sendo avaliadas as propriedades mecânicas dessa fase. Em materiais dúcteis o principal objetivo do ensaio de dobramento é: fornece dados qualitativos MIA MIA -- MetaisMetais 22 obter uma indicação qualitativa da DUCTILIDADE, sem determinação numérica Materiais ou ligas duras e frágeis (como, ferro fundido cinzento ou aços-ferramenta), são frequentemente submetidos a um tipo ensaio de flexão-dobramento para avaliar: resistênciaresistência;; ductilidadeductilidade (fragilidade)(fragilidade);; tenacidadetenacidade;; resiliênciaresiliência;; Todavia,... sempresempre queque possívelpossível devedeve--sese realizarrealizar oo ensaioensaio dede TRAÇÃOTRAÇÃO,, ficandoficando oo dede dobramentodobramento comocomo umauma opçãoopção dede substituiçãosubstituição.. Quanto mais duro o material, maior a aplicação do ensaio, Pois,... módulomódulo dede flexãoflexão ouou elasticidadeelasticidade (função(função dada flechaflecha--carga)carga).. MIA MIA -- MetaisMetais 23 A sua execução fica mais rápida que a usinagem do corpo de prova para o teste de tração. Deste ensaio também pode-se encontrar: módulo de ruptura resistência ao dobramentoou valor máximo da tensão de tração ou compressão nas fibras externas do corpo de prova tem mais tem mais significadosignificado para os materiais para os materiais durosduros e e frágeisfrágeis porque estes quando sujeitos a cargas de dobramento,a porque estes quando sujeitos a cargas de dobramento,a deformação deformação resultante é muito resultante é muito pequenapequena, de modo que , de modo que sua sua rupturaruptura se dá de para dada tensão, se dá de para dada tensão, repentinamenterepentinamente, , com com míninima míninima ou nenhuma ou nenhuma DEFEXÃO ou FLEXADEFEXÃO ou FLEXA OBS.: deflexãodeflexão é um deslocamento na direção yy de qualquer ponto no eixo do corpo. MIA MIA -- MetaisMetais 24 A medida das flechas permite obter curvas de tensão de dobramento-deformação, sendo que: aa deformaçãodeformação éé dadadada pelaspelas flechasflechas ((deflexãodeflexão emem mm)mm) àà corrosãocorrosão.. AA tensãotensão dede dobramentodobramento éé calculadacalculada conhecendoconhecendo asas cargascargas aplicadasaplicadas nono testeteste.. As Figuras a seguir mostram esquema: do ensaio e da resposta. Tensão 25 Resistência Compressão: Ensaio de Compressão MIA MIA -- MetaisMetais 26 MIA MIA -- MetaisMetais O que é tração? solicitação aplicada numa direção perpendicular a um eixo, de forma que a carga (força) tende a puxar ou alongar o material Quais são as consequências? deformações que podem levar a FRATURA Resistência a Tração: Ensaio de Tração 27 A resistência de um material depende de: Essa propriedade é inerente ao material e determinada (experimentalmente), por testes como: Num experimento de tração uma máquina de teste é projetada para: MIA MIA -- MetaisMetais Limites de Resistência Mecânica sua capacidade de suportar uma carga sem deformação excessiva ou ruptura. ensaio TRAÇÃO ler a ler a cargacarga exigida para exigida para manter manter a taxa de a taxa de alongamentoalongamento uniformeuniforme e muitoe muito lenta lenta até a até a rupturaruptura. . 28 São medidos: MIA MIA -- MetaisMetais alongamentos (δ) carga axial (P) Correspondentes ao acréscimo de: Aplicada ao corpo de prova até a ruptura. ...que é... Assim,... É possível obter valores de: tensão deformaçãoe E então,... construir um diagrama σ-ε 29 A tensão nominal ou TENSÃO DE ENGENHARIA é: Pode-se determinar a DEFORMAÇÃO de engenharia pela: MIA MIA -- MetaisMetais Diagrama Tensão-Deformação Convencional relação da carga aplicada (P) pela área original (Ao) da seção transversal do corpo de prova. 0 P A ...isto é,... Da mesma forma,... variação (δ) no comprimento de referência original (L0) ...ou seja,... 0 0 0 iL L L L Seja um corpo de comprimento L0 e área de seção transversal A0, submetido a um ensaio de tração: 30 MIA MIA -- MetaisMetais Da mesma forma,... Desta mesma forma, com σ e ε obtêm-se o diagrama tensão- deformação convencional. É um diagrama muito importante na engenharia, possibilitando obter propriedades relacionadas: RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS Seja o caso de um Seja o caso de um diagrama genérico diagrama genérico de um determinado de um determinado AÇOAÇO: : na região de deformação ELÁSTICA Grande parte da curva é, na verdade uma LINHA RETA, de modo que: tensão deformaçãoα ...ou seja,... obedece a lei de Hooke E 31 O limite SUPERIOR da tensão para essa relação linear é denominado: Se o material ultrapassar ligeiramente o limite de proporcionalidade, MIA MIA -- MetaisMetais limite de proporcionalidade (σLP). Ainda assim,... Pode responder de maneira ELÁSTICA. Todavia,... a reta tende a encurvar-se e achatar-se, até a tensão atingir: limite de elasticidade (σelast). No entanto,... Para muitos materiais, difícil ou até raro detectá-lo e determiná-lo pela proximidade com o limite de proporcionalidade. 32 Um pequeno AUMENTO na tensão acima do limite de elasticidade: Este comportamento chamado de: MIA MIA -- MetaisMetais resultará no resultará no colapsocolapso e fará com que o material se e fará com que o material se deforme deforme PERMANENTEMENTEPERMANENTEMENTE ESCOAMENTO É causado por uma tensão chamada de: e,... tensão de escoamento (σe), também chamada de limite de escoamento Sendo que ,... Nesta região (ou nível de tensão) ocorre o início da: região de deformação PLÁSTICA 33 Atingido o escoamento, o corpo continuaa se alongar SEM qualquer aumento de carga. Quando o escoamento tiver “terminado” MIA MIA -- MetaisMetais Uma vez,... ...ou seja,... É um ponto em que: a deformação ocorre sem alteração na tensão Então,... Tem-se que,... A aplicação de carga ao corpo resulta em uma curva que CRESCE continuamente e ACHATADA até atingir uma região (ponto) de máximo, chamada de: limite de resistência (σres) = limite de resistência a tração (LRT) = limite de resistência a ruptura (LRR) 34 MIA MIA -- MetaisMetais Tem-se assim,... o endurecimento por deformação nesta região OBS.: OBS.: endurecimento é o mecanismo observado na aplicação de tensãotensão na região plásticaplástica caracterizado por aumentaraumentar resistênciaresistência à deformação plástica e a resistência mecânica do metal. Durante todo o ensaio, Enquanto,... o corpo se alonga, a área seção transversal DIMINUI Essa redução é razoavelmente uniforme por todo o comprimento de referência do corpo, ...até,... a deformação correspondente ao σres 35 A área da seção transversal começa a DIMINUIR em uma região localizada, e à medida que o corpo se alonga, tende a formar: MIA MIA -- MetaisMetais A partir de então,... uma estricção gradativa nessa região ...ou seja,... O ponto MÁXIMO da curva de tensão de engenharia versus deformação de engenharia está associado com: o início da deformação (não uniforme) localizada (estricção) A área da seção transversal nesta região está DIMINUINDO continuamente, Visto que,... a área MENOR só pode suportar uma carga sempre decrescente O diagrama σ-ε tende a curva-se para baixo até que o corpo atinja: MIA MIA -- MetaisMetais Por consequência,... a tensão de ruptura (σrup) De acordo com o que foi descrito a diagrama σ-ε e o corpo de prova apresentam o seguinte comportamento: 37 MIA MIA -- MetaisMetais Diagrama σ-ε: Convencional versus Verdadeira A diminuição na tensão necessária para continuar a deformação após o ponto de máximo, parece indicar que: material está se tornando mais fraco mas,... na realidade, a sua resistência está aumentando. Contudo,.. . A área da seção transversal está diminuindo rapidamente na região do empescoçamento, onde a deformação ocorre. Com isso tem-se,... uma redução na capacidade da amostra suportar carga Porém,... 38 Para a obtenção do diagrama σ-ε REAL (ou VERDADEIRO), calcula-se uma tensão real e uma deformação real utilizando: MIA MIA -- MetaisMetais A tensão de A tensão de engenhariaengenharia e calculada de acordo com á e calculada de acordo com á área área originaloriginal, e , e NÃONÃO considera a considera a reduçãoredução da seção reta da seção reta do corpo de prova no ensaio de traçãodo corpo de prova no ensaio de tração 0 engenharia P A Assim,... a área da seção transversal e o comprimento reais do corpo de prova, no instante em que a carga é medida ...ou seja,... verdadeira i P A 39 MIA MIA -- MetaisMetais Porém,... Quando a deformação é pequena: σ-ε convencional ≅ σ-ε verdadeiro A deformação fica mais significativa, e as diferenças começam a aparecer no endurecimento Continuando,... na estricção É possível observar grande divergência entre as curvas. 40 MIA MIA -- MetaisMetais Já que,... Pelo diagrama σ-ε real: Na região de estricção, o diagrama σ-ε convencional mostra na verdade que: Como relatado,... O corpo de prova suporta carga DECRESCENTE A0 é constante ao calcular a tensão de engenharia Contudo,... a área real no interior da estrição sempre DIMINUI Até,... a tensão de ruptura E, portanto,... na verdade, o material suporta tensão CRESCENTE 41 MIA MIA -- MetaisMetais Na qual,... Verifique-se esta diferença, a MAIORIA dos projetos de engenharia fica dentro da faixa: Embora,... gera pequenos erros na utilização de valores de σ-ε ENGEHARIA (quando comparados aos reais) E, sendo assim,... ELÁSTICA A distorção do material (e do comportamento observado), não é tão severa. Desta forma,... Para materiais “rígidos” como a maioria dos METAIS, a deformação até o limite de elasticidade permanece pequena. E, por isso,... utiliza-se σ-ε ENGEHARIA 42 A comparação entre os diagramas σ-ε convencional e real, mostra o seguinte comportamento: MIA MIA -- MetaisMetais Então,... 43 MIA MIA -- MetaisMetais Escoamento Bem Definido e Não Bem Definido pelo fato da posição desse ponto NÃO ser nítida: o escoamento NÃONÃO pode ser determinado com precisão Nestes casos,... Na região onde já se verifica um afastamento da linearidade (após o limite de proporcionalidade). a tensão (ou limite) de ESCOAMENTO em um ponto NÃONÃO muito BEMBEM definido Assim,... Determinados materiais apresentam uma transição elastoplástica GRADUAL. Tem-se,... Por isso,... 44 Foi estabelecido uma CONVENÇÃO onde: Esta pré-deformação é de 0,002 (0,2%). MIA MIA -- MetaisMetais uma linha reta é construída PARALELAMENTE à porção elástica da curva tensão-deformação, a partir de: alguma alguma PRÉPRÉ--DEFORMAÇÃO DEFORMAÇÃO especificadaespecificada Geralmente,... Mas,... Tem-se como valores de pré-deformações usuais, de acordo com o material: 45 Foi estabelecido uma CONVENÇÃO onde: Esta pré-deformação é de 0,002 (0,2%). A tensão correspondente à interseção dessa linha com a curva tensão-deformação, na medida que esta última se inclina, é definida como o limite de escoamento (σe). MIA MIA -- MetaisMetais Assim,... uma linha reta é construída PARALELAMENTE à porção elástica da curva tensão-deformação, a partir de: alguma alguma PRÉPRÉ--DEFORMAÇÃO DEFORMAÇÃO especificadaespecificada Geralmente,... 46 A Figura a seguir ilustra a convenção descrita de determinação da tensão de escoamento para um material com a propriedade NÃONÃO bem definida, usando 0,002 de pré-deformação: MIA MIA -- MetaisMetais Desta forma,... A tensão correspondente à INTERSEÇÃO dessa linha com a CURVA tensão-deformação, na medida que esta última se inclina, é definida como: o LIMITE DE ESCOAMENTO (σe) 47 MIA MIA -- MetaisMetais Por outro lado,... No ponto superior a transição elastoplástica é muito BEM DEFINIDA BEM DEFINIDA e ocorre de forma abrupta Assim,... Alguns aços e outros materiais exibem comportamento σ-ε, em tração, em que: ...isto é,... O ESCOAMENTO (σe) no limite SUPERIOR de escoamento Tem-se que,... a deformação a deformação plástica plástica é é iniciadainiciada com um real com um real decréscimodecréscimo na tensãona tensão 48 A tensão aumenta com crescente deformação plástica. σe MIA MIA -- MetaisMetais Então,... a deformação (a deformação (plásticaplástica) que se segue, e ) que se segue, e FLUTUAFLUTUA ligeiramente em ligeiramente em torno de um torno de um valorvalor constante de constante de tensãotensão, denominado de:, denominado de: limite de escoamento INFERIOR Subsequentemente,... A Figura a seguir ilustra este comportamento de escoamento bem definido, caracterizando os limites superior e inferior: 49 MIA MIA -- MetaisMetais Para materiais que exibem essa característica: A magnitude do limite de escoamento (σe) para um metal é uma medida de sua resistência à deformação plástica, podendo variar: Desde,... o limite de escoamento (σe) é tomado como a tensão média que está associada ao limite de escoamento INFERIOR (bem definidobem definido) 3535 MPaMPa (liga(liga dede alumínioalumínio dede baixabaixa resistência)resistência) relativamenterelativamente;; Até,... maismais dede 14001400 MPaMPa (aços(aços dede altaalta resistência)resistência)..50 Quando um projeto de estrutura ou componente requer um material dúctil: MIA MIA -- MetaisMetais visando evitar níveis visando evitar níveis excessivosexcessivos (ou inaceitáveis) (ou inaceitáveis) de de deformaçãodeformação plástica, ou até mesmo plástica, ou até mesmo falha/fraturafalha/fratura o o critériocritério de de RESISTÊNCIARESISTÊNCIA adotado é... adotado é... LIMITE DE ESCOAMENTO (σe)
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