Introdução a Ciência e Tecnologia dos Materiais - Propriedades mecânicas dos metais

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Introdução à Ciência e 
Tecnologia dos Materiais
Propriedades Mecânicas dos 
Metais
Cursos de Graduação em Engenharia de 
Produção e Engenharia Mecânica
Por que estudar?
� É obrigação dos engenheiros compreender como as várias 
propriedades mecânicas são medidas e o que elas 
representam.
� Isto é necessário durante o projeto de estruturas e 
componentes que utilizem materiais predeterminados, a fim 
de que não ocorram deformação excessiva e a consequente
falha. Para isto, faz-se necessário conhecer as 
características destes materiais.
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Introdução
� Propriedades mecânicas: refletem a relação entre a 
resposta (deformação) que o material fornece a uma 
determinada carga ou força aplicada. Exemplos: 
resistência, dureza, ductilidade, rigidez. 
� A determinação das propriedades mecânicas é feita através 
de ensaios mecânicos, que reproduzem o mais fielmente 
possível as condições de serviço.
Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade 
do material de resistir às forças mecânicas e/ou de 
transmiti-las.
� Utilizam-se normalmente corpos de prova (amostra 
representativa do material) para o ensaio mecânico, já que, 
por razões técnicas e econômicas, não é praticável realizar o 
ensaio na própria peça, que seria o ideal.
� Geralmente, usam-se normas técnicas para o procedimento 
das medidas e confecção do corpo de prova, para garantir que 
haja consistência na maneira segundo a qual os ensaios são 
realizados e na interpretação dos resultados.
Introdução
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Introdução
� Nos EUA, a organização mais ativa é a ASTM 
(American Society for Testing and Materials): 
Sociedade Americana para Ensaios e Materiais.
www.astm.org
� No Brasil, adotam-se as normas ABNT 
(Associação Brasileira de Normas Técnicas).
Introdução
� Considerando as exigências de serviço, o papel dos 
engenheiros é selecionar, a partir da diversificada gama de 
materiais existentes, qual é o mais adequado.
� Para a seleção correta é necessária a compreensão das 
relações entre a microestrutura dos materiais e as suas 
propriedades mecânicas.
� A discussão atual está restrita ao comportamento mecânico 
dos metais.
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� Natureza da carga aplicada: tração, compressão, 
cisalhamento, flexão;
� Regime de aplicação da carga: constante ou variando com o 
tempo;
� Duração do carregamento;
� Condições ambientais: temperatura, umidade.
Fatores que influenciam o ensaio
Classificação dos Ensaios
� Destrutivos: usados para avaliar as propriedades mecânicas 
dos materiais. Utilizam-se corpos de prova com dimensões 
padronizadas. Promovem a inutilização total ou parcial da peça 
ensaiada.
Exemplos: tração, compressão, cisalhamento.
� Não destrutivos (END): usados em peças acabadas ou semi-
acabadas, como ferramenta de controle de qualidade e 
manutenção. Não comprometem a integridade da peça.
Exemplos: Ensaio visual, ultrassom, líquido penetrante.
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TRAÇÃO COMPRESSÃO
Tipos de carregamento comuns
CISALHAMENTO TORÇÃO
Tipos de carregamento comuns
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O ensaio de tração
� É o ensaio tensão-deformação mais usado, pois 
permite averiguar diversas propriedades mecânicas 
que são importantes para projetos.
� Uma amostra é deformada (em geral, até a fratura) 
por uma carga (crescente) que é aplicada 
uniaxialmente ao longo do eixo maior de um corpo de 
prova.
RaioComprimento útil
Seção reduzida
CORPO DE PROVA PADRÃO PARA ENSAIOS DE TRAÇÃO
O ensaio de tração
� Em geral, utiliza-se seção transversal circular, mas também são 
utilizados corpos de prova com seção retangular.
� Esta configuração (redução de seção) foi adotada para que, durante 
o ensaio, a deformação fique confinada à região central e para evitar 
a probabilidade de fratura nas extremidades.
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O ensaio de tração
� A máquina de ensaios é
projetada para alongar o 
corpo de prova a uma taxa 
constante até a fratura, ao 
mesmo tempo em que mede a 
carga instantânea e o 
alongamento resultante.
Resultado: 
Força x alongamento
Máquina universal de ensaios.
O ensaio de tração
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Tensão de engenharia e Deformação de 
engenharia
� σ = tensão de engenharia (MPa)
� F = carga aplicada perpendicularmente à seção 
transversal (N)
� A0 = área original da seção transversal, antes da 
aplicação da carga (m²)
� ε = deformação de engenharia (adimensional)
� l0 = comprimento original (m)
� li = comprimento instantâneo (m)
� ∆l = li- l0 = alongamento (m)
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O ensaio de tração
Alongamento (mm)
0 2 3 4 51
0
50
100
Ca
rg
a 
(10
3 
N
)
0
250
500
Deformação, ε (mm/mm)
Te
n
sã
o
,
 
σ
(M
Pa
)
0 0.04 0.05 0.08 0.100.02
Normalização para 
eliminar influência 
da geometria da 
amostra
Corpo 
de 
provaComprimento 
útil
Célula de 
Carga
Tração
O ensaio de compressão
� É feito de maneira semelhante ao ensaio de tração, exceto 
pelo fato de que a força é compressiva e o corpo de prova 
se contrai ao longo da direção da tensão.
� Por convenção, uma força compressiva é considerada 
negativa, gerando uma tensão também negativa.
� É usado quando se deseja conhecer o comportamento de 
um material submetido a deformações permanentes ou 
quando o material é frágil sob tração.
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Comportamento tensão-deformação
Curva tensão-deformação esquemática, destacando os principais 
estágios do ensaio.
1
2 3
4
1: Deformação elástica;
2: Deformação plástica;
3: Estricção;
4: Ruptura
Deformação elástica
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Comportamento tensão-deformação
� Ocorre a deformação elástica 
(reversível): Região linear da 
curva.
� Obedece a lei de Hooke:
σ = E.ε
E = módulo de elasticidade ou 
módulo de Young.
PARA TENSÕES DE TRAÇÃO EM NÍVEIS RELATIVAMENTE BAIXOS: 
COMPORTAMENTO LINEAR
Com a liberação da carga, a peça 
retorna à sua forma original.
Módulo de elasticidade (E)
� O módulo de elasticidade corresponde ao coeficiente 
angular da reta que caracteriza o regime elástico. 
� Representa a a rigidez do material ou a resistência do 
material à deformação elástica.
� Quanto maior a inclinação da reta, maior o módulo de 
elasticidade, ou seja, maior é a rigidez do material.
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Módulo de elasticidade (E)
� Está relacionado diretamente com as forças das 
ligações interatômicas.
� No regime elástico, há apenas pequenas alterações no 
espaçamento interatômico. Consequentemente, o módulo 
de elasticidade é uma medida da resistência à separação 
dos átomos adjacentes, ou seja, das forças de ligação 
interatômicas.
Módulo de elasticidade (E)
Relação da força em função da separação interatômica para átomos 
com ligações fracas e com ligações fortes.
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Módulo de elasticidade (E)
30-70207-438Carbeto de Silício
59407Tungstênio
0,35-0,602,41-4,14Cloreto de Polivinila (PVC)
30207Aço
30207Níquel
16110Cobre
15.5107Titânio
1497Latão
1069Alumínio
6.545Magnésio
106 PsiGPa
MÓDULO DE ELASTICIDADE [E]Material
Anelasticidade
� Consiste no comportamento elástico dependente do tempo: 
isto significa que haverá uma componente da deformação 
elástica dependente do tempo. 
� Consequentemente, após a liberação da carga, será
necessário um tempo finito para que ocorra uma 
recuperação completa da forma original.
� Para os metais, esta componente é desprezível. No entanto, 
para alguns materiais poliméricos, sua magnitude é
significativa e deve ser considerada.
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Coeficiente de Poisson
� Quando uma tensão de tração é
aplicada a um metal, há um 
alongamento e uma deformação 
correspondente na direção da 
tensão aplicada (εz).
� Como consequência do 
alongamento, há uma contração 
nas direções perpendiculares à
tensãoaplicada (εx e εy). 
� Materiais isotrópicos: εx = εy.
A relação entre as deformações é dada pelo 
coeficiente de Poisson (ν). 
ν = -εx/εz = -εy/εz
O sinal negativo apenas indica que uma extensão gera 
uma contração e vice-versa.
Os valores de ν para diversos metais estão entre 0,25 e 
0,35.
Coeficiente de Poisson
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Deformação plástica
� Deformação elástica nos metais 
ocorre, em geral, até 0,5%.
� A partir deste ponto, a 
deformação é plástica (não 
recuperável, irreversível, 
permanente).
Deformação plástica
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Deformação plástica
� Há quebra das ligações entre os átomos vizinhos originais e 
formação de novas ligações.
� Quando a tensão é removida, os átomos não retornam às 
suas posições originais.
� A maioria das estruturas é projetada para assegurar 
que ocorrerá apenas deformação elástica quando 
uma tensão é aplicada.
Deformação elástica x plástica
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
� Precede a deformação
plástica;
� É reversível (desaparece
quando a tensão é removida);
� É proporcional à tensão
aplicada;
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
� É provocada por tensões que
ultrapassam o limite de 
elasticidade; 
� É irreversível, porque é resultado
do deslocamento permanente
dos átomos;
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Propriedades de Tração
Escoamento e limite de escoamento
� Escoamento: início da deformação plástica. Caracteriza-se pelo 
ponto na curva tensão-deformação onde se inicia o afastamento 
da linearidade (ponto P da curva). Também é chamado de limite 
de proporcionalidade.
� A tensão correspondente ao escoamento, considerando-se uma 
pré-deformação de 0,2%, é definida como o limite de 
escoamento.
� O limite de escoamento varia desde 35 MPa, para um alumínio de 
baixa resistência até 1400 MPa, para aços de alta resistência.
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Limite de escoamento
ε=0,002
É determinado traçando-
se uma linha paralela à
reta elástica, a partir de 
uma pré-deformação de 
0,2%.
σ esc
Medida da resistência 
à deformação plástica
Limite de escoamento
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Limite de resistência à tração (LRT)
LRT = tensão no 
ponto máximo da 
curva (M).
Corresponde à
máxima tensão 
suportada pelo 
material sob tração.
Resistência à
fratura=tensão 
aplicada no momento 
da fratura (ponto F)
Tensão de projeto < 
Tensão de escoamento
Limite de resistência à tração (LRT)
� Toda a deformação até este ponto é uniforme ao longo do 
comprimento útil do corpo de prova.
� Após ser atingido o LRT, uma pequena estricção começa a 
se formar em algum ponto e toda a deformação 
subsequente fica confinada no estrangulamento. Como 
consequência, a fratura ocorre no local onde ocorre a 
estricção.
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Limite de resistência à tração (LRT)
� Para fins de projeto, quando a resistência de um material é
citada, o limite de escoamento é utilizado.
� Quando o LRT é atingido, em geral, o material já sofreu 
tanta deformação plástica que tornou-se imprestável.
� Geralmente a resistência à fratura não é especificada para 
fins de projeto de engenharia.
Ductilidade
� Medida do grau de deformação plástica que foi 
suportado até a fratura. Pode ser expressa pelo 
alongamento percentual (%AL) ou pela redução 
percentual de área (%RA).
Lf=comprimento no momento 
da fratura
Af=área da seção transversal no 
ponto da fratura
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Ductilidade
� A ductilidade indica o grau ao qual uma estrutura irá se deformar 
plasticamente antes da fratura.
� Materiais frágeis: apresentam uma deformação plástica muito 
pequena ou mesmo nenhuma deformação plástica até a fratura (de 
uma maneira aproximada, apresentam deformação plástica de até
5%).
� Materiais dúcteis: podem sofrer uma deformação local sem que 
haja fratura.
� A maioria dos metais possui pelo menos um grau moderado de 
ductilidade à temperatura ambiente. Alguns se tornam frágeis 
conforme a temperatura é reduzida (transição dúctil-frágil).
Diagrama Tensão-Deformação: Materiais Dúcteis
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Diagrama Tensão-Deformação: Materiais Frágeis
Ductilidade
Materiais frágeis
Deformação de fratura 
inferior a 5%.
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Fatores que influenciam o limite de 
escoamento, LRT e a ductilidade
� Deformação prévia;
� Presença de impurezas;
� Tratamentos térmicos;
� Temperatura.
� O módulo de elasticidade é insensível a esses tratamentos 
Influência da temperatura
Comportamento tensão-deformação de 
engenharia para o ferro em três 
temperaturas.
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Resiliência
Capacidade de um material de absorver energia 
quando é deformado elasticamente e permitir a 
sua recuperação quando o carregamento é
cessado.
� Módulo de resiliência (Ur): energia por unidade 
de volume, necessária para submeter um 
material à tensão desde o estado com ausência 
de carga até o ponto de escoamento.
Resiliência
Área sob a curva tensão-deformação 
desde o seu inicio até o limite de 
escoamento:
EE
Ur lllll 22
1
2
1 2σσ
σεσ =





==
Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de escoamento e baixo
módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas).
Unidade: J/m³ = Pa
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Tenacidade
� Medida da habilidade de um material em absorver energia 
até a fratura (área sob a curva tensão-deformação).
Tenacidade = Ductilidade + Resiliência
Unidade: J/m³ = Pa
Para que um material seja 
tenaz, ele deve exibir tanto 
resistência como ductilidade.
Tenacidade
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Tensão verdadeira e Deformação verdadeira
� Os materiais não se tornam mais fracos. A tensão diminui 
na curva tensão-deformação de engenharia após o ponto M 
porque ela é calculada desconsiderando a redução de área.
� A tensão e a deformação verdadeira consideram área 
instantânea (Ai) do corpo de prova, ou seja, a área sobre a 
qual a deformação está ocorrendo.
i
v A
F
=σ
0
ln
l
li
v =ε
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� Até o início do empescoçamento, as seguintes relações são 
válidas:
� Após este ponto, a tensão e a deformação verdadeira devem 
ser calculadas a partir de medições de carga, área da seção 
transversal e comprimento útil reais.
)1( εσσ +=v
)1ln( εε +=v
Tensão verdadeira e Deformação verdadeira
Curva tensão-deformação verdadeira
Comparação entre os comportamentos típicos tensão-deformação de 
engenharia e tensão-deformação verdadeira sob tração. A curva 
corrigida considera o estado de tensão complexo na região do 
empescoçamento.
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Fatores de projeto/segurança
� Devem ser permitidas folgas no projeto para a proteção 
contra falhas não previstas. Uma maneira segundo a qual 
isso pode ser feito é estabelecer, para a aplicação 
específica, uma tensão de projeto (σp).
� O material selecionado deve possuir um limite de 
escoamento tão elevado quanto o valor de σp.
σp = N’ σc
Onde N’ é um fator de projeto (maior do que a unidade) e σc é o 
nível de tensão calculado (com base na carga máxima estimada.)
Fatores de projeto/segurança
� Alternativamente, a tensão de trabalho ou tensão admissível 
(σt) é usada em lugar da tensão de projeto. É definida como o 
limite de escoamento dividido por um fator de segurança (N).
� N muito grande: superdimensionamento do componente. Em 
geral 1,2<N<4.
� A escolha do valor de N depende de: aspectos econômicos, 
experiência prévia, precisão na determinação das 
propriedades e consequências das falhas.
σt = σl/N
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Referências
� Callister Jr, W.D. (2008) Ciência e Engenharia de 
Materiais: Uma Introdução. 7a ed. Rio de Janeiro. 
LTC Editora. 705 p.
� Van Vlack, Lawrence H. Princípios de ciência dos 
materiais. Tradução de Luiz Paulo Camargo 
Ferrão. São Paulo: Edgard Blücher, 2004. 427p.