Propriedades Mecânicas dos Metais 6

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Propriedades Mecânicas dos Metais
Aula 5
Propriedades Mecânicas dos Materiais
As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas através de execução de experimentos de laboratório cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições de serviço - ENSAIOS
Principais Propriedades Mecânicas
Limite de Resistência a tração
Modulo de Elasticidade
Limite de escoamento
Dureza
Ductilidade
Tenacidade 
Como determinar as propriedades mecânicas?
Através de ensaios mecânicos.
Utiliza-se corpos de prova para testar
Normas técnicas padronizam procedimento de ensaio, medidas e confecção dos corpos de prova.
Fatores considerados: natureza da carga aplicada, duração da aplicação e condições ambientais
Solicitações Mecânicas
Ensaio de Tração
ASTM E8-M
Ensaio de tração
Ensaio de tração normas
Preparação dos corpos de prova :
 ASTM B208-06 , Standard Practice for Preparing Tension Test Specimens for Copper Alloy Sand, Permanent Mold, Centrifugal, and Continuous Castings
 ASTM E 8/E8M, Standard Test Method for Tension Testing of Metallic Materials
Ensaio de Tração
ASTM E 21, Standard Test Methods for Elevated Temperature Tension Tests of Metallic Materials
 ASTM D 638, Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics
ASTM D 3039/D 3039M, Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials
 ASTM E 8/E8M , Standard Test Method for Tension Testing of Metallic Materials 
www.astm.org
Tensão e deformação de engenharia
Tensão de Engenharia
F – carga instantânea aplicada em uma direção perpedicular a seção reta da amostra, Ao – área da seção reta original antes da aplicação da carga
Deformação de Engenharia
lo – comprimento inicial antes de qualquer deformação
l– comprimento instantâneo
∆l – alongamento da deformação
Deformação Elástica
Para a maioria dos metais que são submetidos a um nível de tensão relativamente baixo a tensão e a deformação são proporcionais entre si
- Precede à deformação plástica
- É reversível 
- Desaparece quando a tensão é removida
- É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke)
Tensão aplicada
E - Módulo de elasticidade do material – relacionado com as forças de ligações interatômicas
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
Diagrama tensão x deformação
Tensão máxima – deformação uniforme na região estreita 
Constrição- deformação confinada ao pescoço
1- Limite de Resistência a tração
2 – Limite de escoamento
3 – Módulo de elasticidade (E) ou limite de proporcionalidade (P)
4- Tensão de ruptura
Escoamento e limite de escoamento
Estruturas- projetada para assegurar uma deformação elástica 
Desejável conhecer o nível de tensão onde a deformação plástica tem início – fenômeno de escoamento
Linha reta construída paralelamente à porção elástica da curva tensão deformação a partir de uma pré deformação específica, geralmente de 0,002.
Limite de Resistência à Tração
É a tensão no ponto máximo da curva tensão x deformação de engenharia
É a tensão máxima que pode ser sustentada por uma estrutura que se encontra sob tração
Empescoçamento - Pequena constrição(pescoço) começa a se formar em algum ponto do material e toda deformação subseqüente fica confinada a este pescoço
Ductilidade
Medida do grau de deformação plástica que foi suportado até a fratura
Importante pois :
 1) Indica para um projetista o grau segundo o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes de fraturar
 2) Especifica o grau de deformação permissível durante operações de fabricação
Materiais Frágeis – pequena ou nenhuma deformação plástica
%AL = 100 x (Lf – Lo )/Lo 
%RA = 100 x(Ao - Af )/Ao
Ductilidade
Modos de Fratura
Fratura dúctil -absorve uma grande quantidade de energia .Alta ductilidade
Fratura frágil – sem deformação plástica considerável antes da ruptura.Baixa ductilidade. Ruptura catastrófica
Material DÚCTIL- FRÁGIL : alta V de aplicação de carga, concentrador (trinca, entalhe), baixa T
Navios cargueiros Liberty 1943
 Uso intensivo de solda
• Fraturas em águas calmas nos meses de inverno
Modos de Fratura
Titanic - fragilidade do seu aço devido as águas frias do Atlântico Norte
Testes feitos por metalúrgicos no Canadá sugeriram que o aço das placas de seu casco tornava-se frágil a cerca de 32°C. Isto contrasta com os aços modernos, onde a temperatura  de transição dúctil-frágil é de -27°C.
Aspectos macroscópicos da fratura
Dúctil - fratura em aproximadamente em 45º em relação ao eixo de aplicação de carga – taça e cone
Frágil - fratura perpendicular ao eixo de aplicação de carga
Aspectos Microscópicos da Fratura- Fractografia
Aço de baixo carbono ensaiado a 25°C
Aço de baixo carbono ensaiado a -190°C
Presença de “dimples” alongados na direção da carga aplicada
Presença de rede de degraus
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Ensaio de impacto Charpy
O ensaio é realizado em pêndulo de impacto . 
O corpo de prova é fixado num suporte, na base da máquina. O martelo do pêndulo é liberado de uma altura pré-definida, causando a ruptura do corpo de prova pelo efeito da carga instantânea. 
A altura de elevação do martelo após o impacto dá a medida da energia absorvida pelo corpo de prova.
O teste pode ser conduzido em temperatura ambiente ou em temperaturas mais baixas para testar a fragilização do material por efeito de baixa temperatura.
Ensaio de impacto Charpy
ASTM E23-05 Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials (2005) (cobre Charpy e Izod)
ASTM F2231-02e1 Standard Test Method for CHARPY Impact Test on Thin Specimens of Polyethylene Used in Pressurized Pipes (2002)
Ensaio de impacto Charpy
Tensão verdadeira x deformação verdadeira
A diminuição na tensão necessária para continuar a deformação após o ponto M parece indicar que o material está se tornando mais fraco
Isto está longe de ser o caso; na realidade; ele está aumentando em resistência.
Contudo, a área da seção transversal está diminuindo rapidamente na região do pescoço, onde a deformação está ocorrendo, isto resulta em redução da capacidade do corpo de prova em suportar uma carga
A tensão de engenharia calculada é dada com base na área da seção reta original antes de qualquer deformação e não leva em consideração essa diminuição da área na região do pescoço
A tensão verdadeira σv é definida como sendo a carga F dividida pela área da seção reta instantânea Ai, sobre a qual a deformação está ocorrendo (isto é, o pescoço após o limite de resistência à tração)
Tenacidade
 Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a fratura; 
Pode ser determinada a partir da curva tensão x deformação. Ela é a área sobre a curva
Para que um material seja tenaz, deve apresentar resistência e ductilidade. 
Materiais dúcteis são mais tenazes que os frágeis
Dureza
Definição – medida da resistência de um material à deformação plástica localizada (pequena impressão ou risco)
Depende das forças de ligação presentes no material e de seu processamento (Tratamento térmico, processo de fabricação, etc
Dureza
Primeiros ensaios de dureza – baseados em minerais naturais
Escala de Mohs – habilidade de um material riscar o outro mais mole sendo que a dureza aumenta em ordem crescente
Dureza
Desenvolvimento de técnicas quantitativas ao longo dos anos
Identador (Penetrador) é forçado contra a superfície de um material a ser testado, sob condições controladas de carga e taxa de aplicação.
Dureza
Vantagens :
 Ensaio não destrutivo,rápido, barato;
 Pode fornecer valores de outras propriedades como limite de resistência a tração;
LRT (MPa) = 3,45 x HB
LRT (psi) = 500 x HB
Dureza – tipos de ensaios
Os ensaios de dureza mais comuns são:
Ensaio de dureza Rockwell
Ensaio de dureza Brinel
Ensaios menos comuns:
Ensaio de dureza Vickers
Ensaio de dureza Knoop
Ensaio de dureza Rockwell
Método mais comum
Simples execução
O equipamento 
Identador
Identificador
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Ensaio de dureza Rockwell
Várias escalas podem ser usadas a partir da utilização de identadores diferentes
Ensaio em vários materiais – quase todas as ligas metálicas, polímeros
Tipos de identadores:
Esferas de aço endurecidas
Penetrador de diamante cônico
Ensaio de dureza Rockwell
Ensaio rockwell – utiliza uma pré carga (10 kg) seguida de uma carga maior (60, 100 ou 150 kg)para aumentar a precisão do ensaio.
Ensaio Rockwell superficial –utiliza uma pré carga de 3kg e cargas de 15, 30 e 45 kg.utilizados para corpos de prova mais finos 
O resultado fornecido é a diferença entre a profundidade de impressão da carga maior e da pré carga.
Ensaio de dureza Rockwell
Ensaio de dureza Rockwell
Especificações de dureza Rockwell
Ex: 30 HRC , representa uma dureza de 30 medida na escala C
Para cada escala os valores podem variar de 20 a 130, porém conforme se afastam destes valores, se tornam imprecisos – utiliza – se então a proxima escala, maior ou menor
Escala C – refere – se ao tipo de identador utilizado
Tipos de identador
P – carga aplicada
Dureza Brinell
Método que consiste em fazer penetrar uma esfera de aço endurecido ou metal duro no material
Fig.1- esfera de aço do equipamento de dureza brinell
Esfera de aço (steel) – HBS
Esfera de carboneto de tungstênio - HBW
Dureza Brinell
1° Ensaio de dureza por penetração padronizado e reconhecido industrialmente;
Dureza Brinell
O método de dureza brinell é ideal para a análise de materiais heterogêneos, ou seja, que possuem 2 fases ou mais , devido ao tamanho da esfera (grande impressão que o identador provoca no corpo de prova).Deste modo, a dureza medida é uma média ente as fases pois a esfera não toca somente uma fase especificamente.
Fig.2- Micrografia de um ferro fundido nodular perlítico.
Fig.3- Durômetro Brinell.
Dureza Brinell
Quanto maior o diâmetro impresso, mais “mole” é o material
Como é medida a dureza brinell na prática?O diâmetro impresso é medido com um microscópio de baixo aumento especial- escala gravada em sua ocular - acoplada ao equipamento .
Dureza Brinell
Técnicas semi automáticas : câmera acoplada ao microscópio transfere dados para o computador 
Desvantagem: preparação mais minuciosa da amostra.
Dureza Brinell
 
Espessura – no mínimo dez vezes a profundidade da impressão;
Impressões: espaçamento de no mínimo 3 x o diâmetro da impressão entre os centros de duas impressões ou entre o centro da impressão e a aresta do corpo de prova;
Regras para o corpo de prova:
Estas regras também são válidas para os ensaios de dureza Rockwell
Dureza Brinell
Regras para Endentadores:
O USO DE QUALQUER CARGA E QUALQUER DIÂMETRO DE ESFERA NÃO PRODUZEM NUM MESMO MATERIAL VALORES IDÊNTICOS DE DUREZA
ESCOLHA DO TIPO DE ESFERA (AÇO OU CARBONETO DE TUGSTÊNIO)
Depende da faixa de dureza do material
Esfera de aço para durezas menores que 430 HB
Dureza Brinell
Exercício
Uma empresa comprou um lote de chapas de aço carbono com a seguinte especificação:
Espessura: 4mm
Dureza brinell: 180HB
Deve – se submeter as chapas ao ensaio de dureza para ver se estão de acordo com as especificações.Nosso problema consiste em saber se estas chapas podem ser ensaiadas com uma esfera de 10 mm.
HB=F/π.D.p
p= profundidade da impressão
 D=diâmetro da esfera, 
F=força ou carga aplicada
Como representar a dureza brinell
Se o ensaio não for com carga, tempo e esfera padrão 
 
 Ex: um valor de dureza brinell de 120, medido com uma esfera de 5mm de diâmetro, utilizando uma carga de 250Kgf por 30 segundos é representado por:
Se o ensaio for com carga , tempo e esfera padrão – ex: 60 HB
120HB 5/250/30
Ensaio de dureza Vickers e Knoop
Identadores – pirâmides de diamante
Cargas aplicadas - muito menores que rockwell e brinell – 1 a 2000g;
Designação – HK ou HV 
Podem ser utilizados como métodos de Microdureza.
Métodos adequados para medidas em regiões pequenas;
Dureza Vickers
A dureza Vickers se baseia na resistência que o material oferece à penetração de uma pirâmide de diamante de base quadrada e ângulo entre faces de 136º, sob uma determinada carga.
Dureza Vickers
[mm]
F [kgf]
Microdureza 
Utilizada em aplicações específicas, voltadas principalmente para superfícies tratadas (carbonetação, têmpera) , determinação de dureza de microconstituintes individuais de uma microestrutura.
Procedimento prático equivalente ao ensaio Vickers porém utiliza cargas menores que 1 kgf podendo ter valores tão pequenos como 10 gf.
A carga aplicada é pequena e a impressão produzida é microscópica, como mostra a figura ampliada
Defeitos de impressão
Uma impressão perfeita - lados retos. 
- Defeitos de impressão: afundamento ou aderência do metal em volta das faces do penetrador.
Vantagens
 Escala contínua de dureza, medindo todas as gamas de valores de dureza numa única escala;
 As impressões são extremamente pequenas e, na maioria dos casos, não inutilizam as peças, mesmo as acabadas;
 O penetrador, por ser de diamante, é praticamente indeformável;
 Este ensaio aplica-se a materiais de qualquer espessura, e pode também ser usado para medir durezas superficiais;
Limitações
 Cuidados especiais para evitar erros de medida ou de aplicação de carga, que alteram muito os valores reais de dureza;
 A preparação do corpo de prova - obrigatoriamente, por metalografia
 A máquina de dureza Vickers requer aferição constante, pois qualquer erro na velocidade de aplicação da carga traz grandes diferenças nos valores de dureza.
Fadiga
É o fenômeno de fratura sob tensão cíclica (abaixo Le) e após um certo número de ciclos
Comum em eixos em rotação, molas, asas de avião etc..
Fadiga
Mas se estou abaixo do limite de escoamento, o material não deveria sofrer apenas deformação elástica?
Sim, para um carregamento estático – movimento de um pequeno numero de discordâncias que afloram a superfície, deixando um degrau que é um deformação plástica tão pequena que é desprezível sob carregamento estático.
Não para carregamento cíclico - após alguns ciclos há um encruamento do material, seguido de aumento de rugosidade que atua como um concentrador de tensões, nucleando uma trinca.
Aspectos da fratura por fadiga
Fatores que influenciam a vida em fadiga
1- Acabamento superficial
2- Teor de impurezas
3- Tratamentos termoquímicos
4- Presença de Shotpeening – induz tensões de compressão na superfície
5- Descarbonetação - cai a resistência
6- Corrosão – reduz acabamento superficial, concentra tensões
Fadiga Mecânica – Voo JAL-123 (1985)
Pior desastre com uma única aeronave na história da aviação, morreram 520 pessoas no voo entre Tóquio e Osaka onde este se chocou contra uma montanha após perder  a cauda. 
Caverna de pressão traseira do aparelho, um Jumbo 747 da Japan Airlines, se rompeu devido a um reparo mal executado pela manutenção. O ar pressurizado da cabine entrou na cauda, arrebentando partes da fuselagem e danificando o sistema hidráulico. Segundo o relatório, a inspeção também falhou ao não detectar a fadiga do metal.
A cauda havia sido retirada para reparos e, na substituição, foi fixada com somente uma fileira de rebites onde seriam necessárias duas. Com o passar do tempo e decorrente da operação normal da aeronave, houve uma fadiga no material resultando na quebra abrupta de toda a parte.