Aula 6 CTM 2017 2 PROP MECANICAS DOS METAIS

Prévia do material em texto

PROPRIEDADES MECÂNICAS 
DOS METAIS
Aula 6 - 03/11/2017
MATÉRIA: CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS
PROFESSOR: LUIS VENANCIO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO – UFMA
CURSO DE BACHARELADO INTERDISCIPLINAR EM CIÊNCIA E 
TECNOLOGIA
PROGRAMA DA DISCIPLINA
1. Introdução a Ciência e 
Tecnologia dos Materiais.
2. Estrutura dos materiais: 
arranjos atômicos e 
iônicos.
3. Fundamentos de 
cristalografia.
4. Imperfeições em sólidos 
cristalinos.
5. Diagrama de fases
6. Polímeros, materiais 
compósitos e nano 
estruturados.
7. Propriedades dos 
materiais.
8. Seleção de materiais.
DATA DESCRIÇÃO
06-Sep Introdução a Ciência e Tecnologia dos Materiais
13-Sep Estrutura dos Materiais: Arranjos atômicos e Iônicos
15-Sep Estrutura dos Materiais: Arranjos atômicos e Iônicos
20-Sep Fundamentos de Cristalografia
22-Sep Exercícios
27-Sep Exercícios
29-Sep Avaliação 1
04-Oct Cancelada
06-Oct Imperfeições em Sólidos Cristalinos
11-Oct Diagramas de Fases
13-Oct Ponto facultativo
18-Oct Polímeros, Materiais Compósitos e Nanoestruturados
25-Oct Exercícios
27-Oct Exercícios
01-Nov Avaliação 2
03-Nov Propriedades dos Materiais
08-Nov Fratura, Fadiga e Fluência
10-Nov Cerâmicas
17-Nov Seleção de Materiais
22-Nov Seleção de Materiais
24-Nov Seleção de Materiais
29-Nov Seleção de Materiais
01-Dec Avaliação 3
06-Dec Revisão
13-Dec Reposição
15-Dec Revisão
20-Dec Final
22-Dec Revisão
METAIS Forte ligação com a engenharia
?
Vivemos na era do METAL??????
EVOLUÇÃO
Figura copiada do material do Prof. Arlindo Silva do Instituto Superior Técnico da Universidade de Portugal
Por que estudar propriedades mecânicas dos 
METAIS ?
Seleção de um material durável para aplicações estruturais 
sob diversas condições de serviço
Projeto de estruturas/componentes que utilizem materiais 
predeterminados, evitando o aparecimento de falhas
Fadiga em Fuselagem: após 89.000 
ciclos de decolagem/pouso: 
pressurização/despressurização
Propriedades mecânicas
Definem o comportamento do material quando
sujeito à esforços mecânicos (carga ou força
aplicada) – relacionam com a capacidade do
material de resistir ou transmitir estes esforços
aplicados sem romper e sem se deformar de
forma incontrolável.
Solicitações mecânicas
(photo courtesy P.M. Anderson)
Canyon Bridge, Los Alamos, NM
Principais propriedades mecânicas
Resistência à tração
Elasticidade
Ductilidade
Fadiga
Dureza
Tenacidade,....
Como determinar as propriedades mecânicas?
Feita através de ensaios mecânicos.
Utiliza-se normalmente corpos de prova para o ensaio
mecânico, não é praticável realizar o ensaio na própria peça,
que seria o ideal.
Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento
das medidas e confecção do corpo de prova para garantir
que os resultados sejam comparáveis.
ASTM (American Society for Testing and Materials)
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
Tensão x Deformação
“Quanta deformação devo esperar dada uma certa carga?”
Ensaio tensão-deformação: - carga estática/alteração lenta 
Temperatura ambiente.
Tensão – Carga mecânica agindo na área sobre a qual a carga foi aplicada.
Kgf/mm2 ou Pa [N/m2]
Deformação – alteração de tamanho por unidade de 
comprimento.
Tensão x Deformação
Ensaio de Tração – Norma ASTM E8 e E8M 
• Typical tensile 
specimen
Adaptado da fig. 6.2,
Callister 7e.
Tensão x Deformação
Ensaio de Tração
𝜎 =
𝐹
𝐴0
=
𝑁
𝑚2
Tensão de Engenharia 
Deformação de Engenharia 
𝜖 =
𝑙𝑖 − 𝑙0
𝑙0
=
∆𝑙
𝑙0
Área inicial da seção reta 
transversal– antes da tração 
Mpa (SI) – 1MPa = 106 N/m2
l0 – comprimento original
li – comprimento instantâneo
Tensão x Deformação
Ensaio de Compressão
(ASTM E9)
Força atuante de natureza compressiva-
(negativa).
Corpo-de-prova se contrai ao longo 
da direção da tensão
Menos comum – usado quando o material é frágil sob tração.
http://www.revistatechne.com.br/edicoes/113/imprime31818.asp
Tensão x Deformação
Ensaio de Cisalhamento e torção
(ASTM E143)
Ensaio de cisalhamento
Deformação 
Ensaio de Torção
Tensão de cisalhamento – T
Deformação – ângulo de torção ()
 = tan 
Comportamento dos metais quando submetidos à tração
𝜎 = 𝐸 ∈ Módulo de 
elasticidade/Young [Gpa]
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA - proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de 
Hooke).
• Precede à deformação plástica
• É reversível
• Desaparece quando a tensão é removida
• Módulo de Young – relacionado com a
• rigidez/resistência à deformação elástica.
T
e
n
s
ã
o
Deformação
Inclinação = E
Lei de HooKe
O módulo um importante parâmetro de projeto usado para calcular 
deflexões elásticas.
Comportamento dos metais quando submetidos à tração
Deformação Elástica (não-linear)
Materiais que apresentam 
porção elástica não linear
Módulo tangencial
Módulo secante
Comportamento dos metais quando submetidos à tração
Exemplos: ferro fundido cinzento
Deformação Elástica
Módulo de elasticidade em função da Temperatura
Comportamento dos metais quando submetidos à tração
Deformação Elástica
Exercícios
1- Uma barra de alumínio com 125 mm de comprimento e que possui
uma seção transversal quadrada com 16,5 mm de aresta é tracionada
com uma carga de 66.700 N e apresenta um alongamento 0,43 mm.
Assumindo que a deformação seja inteiramente elástica, calcule o
módulo de elasticidade do alumínio.
2- Um pedaço de cobre com um comprimento original de 205 mm é
tracionado com uma tensão de 379 MPa. Considerando que a
deformação do cobre foi inteiramente elástica, qual será o
alongamento resultante? Dados: Módulo de elasticidade do cobre –
110 GPa.
Comportamento dos metais quando submetidos à tração
Deformação Plástica – Propriedades de Tração
Metais – deformação elástica até deformações () de 0,005.
Além desse ponto – tensão não mais proporcional à deformação.
(lei de Hooke não é mais válida).
Deformação plástica é permanente – não é recuperada com a 
retirada da carga. 
É provocada por tensões que ultrapassam o limite de 
elasticidade.
Comportamento dos metais quando submetidos à tração
Tensão limite de escoamento (
l
)
Ponto de escoamento – afastamento 
inicial da linearidade na curva tensão-
deformação. (limite de proporcionalidade)
Deformação Plástica – Propriedades de Tração
(pré-deformação)
Comportamento dos metais quando submetidos à tração
Elástico plástico
T
e
n
s
ã
o
Deformação
Deformação Plástica – Propriedades de Tração
Limite de 
escoamento superior
Limite de 
escoamento inferior
Fenômeno do pico de escoamento descontínuo
Tensão limite de escoamento
Tensão média associada ao limite de 
escoamento inferior.
Transição elastoplástica bem definida
Comportamento dos metais quando submetidos à tração
T
e
n
s
ã
o
Deformação
Propriedades de Tração
Limite de Resistência à tração
T
e
n
s
ã
o
Deformação
LRT
“empescoçamento”
Propriedades de Tração
Fratura
Exemplo ensaio de tração
Os dados apresentados na tabela abaixo foram coletados em um corpo-de-
prova padronizado, com 12,827 mm de diâmetro, referente a uma liga de
alumínio (comprimento inicial (l0) = 50,8 mm). Construa o gráfico tensão
deformação e calcule:
a) O módulo de elasticidade.
b) A tensão limite de escoamento a um nível de pré-deformação de 0,002.
c) A carga máxima suportada por esse corpo-de-prova.
d) A tensão de engenharia na fratura.
Carga (N) l(mm)
0 0
4448 0,0254
13345 0,0762
22241 0,127
31138 0,1778
33362 0,762
35141 2,032
35586 3,04835363 4,064
33806 5,207
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12
0
50
100
150
200
250
300
te
ns
مo
 (M
Pa
)
deformaçao (mm/mm)
 tensمo
A=1,29 x10-4 m2 Seção transversal inicial do corpo de prova
0,000 0,001 0,002 0,003 0,004 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
0
50
100
150
200
250
300
te
ns
مo
 (M
Pa
)
deformaçao (mm/mm)
Modulo de elasticidade
Limite convencional
de escoamento
Carga maxima
Tensمo de 
fratura
Propriedades de Tração
Ductilidade
Representa uma medida do grau de deformação plástica 
suportado até a fratura.
Propriedades de Tração
Ductilidade
Ductilidade em termos de alongamento percentual
Corresponde ao alongamento total do material, na
fratura, devido à deformação plástica.
lf - comprimento no momento da fratura
lo - comprimento útil original (deve ser especificado)
x 100
L
LL
AL%
o
of
-
=
Propriedades de Tração
Ductilidade
Expressa como estricção (redução percentual da área)
Corresponde à redução na área da seção reta do corpo,
imediatamente antes da ruptura
Os materiais dúcteis sofrem grande redução na área da 
seção reta antes da ruptura.
Geralmente %AL  %RA
100x
A
AfARA%
o
o
-
=
Propriedades de Tração
Ductilidade - Importância 
Indica o grau ao qual uma estrutura irá se deformar 
plasticamente antes de fraturar.
Especifica o grau de deformação permitido durante 
operações de conformação.
Comportamento 
tensão-deformação do 
ferro em diferentes 
temperaturas
EXERCICIO
Uma barra de liga de alumínio com 12,827 mm de diâmetro e
um comprimento inicial de 50,8 mm foi submetida a um
ensaio de tração. Após a fratura o comprimento final foi de
55,753 mm e o diâmetro final de 10,109 mm na superfície
fraturada. Calcule a ductilidade do corpo-de-prova em termos
da redução percentual na área.
Propriedades de Tração
Resiliência
Corresponde à capacidade do material de absorver
energia quando este é deformado elasticamente, e com a
remoção da carga, permitir a recuperação dessa energia.
A propriedade associada é dada pelo módulo de
resiliência (Ur) – energia de deformação por unidade de
volume necessária para submeter um material à tensão,
desde um estado de ausência de carga até o ponto de
escoamento.
Propriedades de Tração
Resiliência
Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de
escoamento e baixo módulo de elasticidade (como os
materiais utilizados para molas).
Limite de escoamento
Ur = d com limites de 0 a y
Na região linear: 
Ur =yy /2 =y(y /E)/2 = y
2/2E
Unidade [J/m3]
Propriedades de Tração
Tenacidade
Corresponde à capacidade do material de absorver energia 
até sua ruptura.
Em situação estática – ensaio de tensão-deformação
Tenacidade
Principais propriedades mecânicas de um 
ensaio de Tração
Tensão
Deformação
1- módulo de elasticidade (E).
2- Tensão limite de escoamento
3- Limite de resistência à tração
4- Ductlidade
5- Tenacidade
Material
Limite de 
escoamento 
(MPa)
Limite de 
Resistência 
à tração 
(MPa)
Deformação 
na fratura
Resistência 
à fratura 
(MPa)
Módulo de 
elasticidade 
(GPa)
A 310 340 0,23 265 210
B 100 120 0,40 105 150
C 415 550 0,15 500 310
D 700 850 0,14 720 210
E Fratura antes do escoamento 650 350
Dados tensão-deformação em tração para vários metais hipotéticos.
a) Qual irá apresentar a maior redução percentual em área? Por quê?
b) Qual o mais resistente? Por quê? 
c) Qual é o mais rígido? Por quê?
Propriedades Elásticas
Quando uma tensão de tração é imposta, causa um alongamento elástico e uma 
deformação correspondente – resultado: contração perpendicular à extensão. 
COEFICIENTE DE POISSON ().
Propriedades Elásticas 
Tensão de cisalhamento
AS – área da amostra 
paralela à carga
Tensão de cisalhamento
Deformação de 
cisalhamento Módulo de cisalhamento ou 
rigidez
Tabela coeficiente de Poisson e módulo de cisalhamento
Relação entre os parâmetros elásticos –
módulo de elasticidade, cisalhamento e 
coeficiente de Poisson.
Exemplo:
Uma barra de 10 mm de diâmetro de liga de alumínio 3003-H14 (E=70 GPa e 
LE=145 MPa) é sujeita a uma carga de tração de 6 kN. Calcule o diâmetro resultante 
na barra.
Obs: O valor de  foi dado na tabela anterior.
Tensão e Deformação verdadeiras
Após o LRT, curva tensão x deformação de engenharia, 
ocorre diminuição na tensão para continuar deformação.
-Está o metal se tornando mais fraco?????
Redução na capacidade da amostra em 
suportar uma carga
Tensão e Deformação verdadeiras
Válidas até o surgimento da 
estricção
Após este ponto, cálculo deve 
considerar carga medida, área da seção 
reta e comprimento útil reais.
Tensão verdadeira para manter uma 
deformação crescente continua aumentando 
após o LRT (M’).
Relação tensão verdadeira-
deformação verdadeira na região
plástica da deformação.
K e n são constantes que
dependem do material e do
processamento.
Tensão e Deformação verdadeiras
Valores de n e K para algumas ligas (dependem da condição do material)
Tensão e Deformação verdadeiras
X
Tensão e Deformação de engenharia
Aplicações estruturais Interesse é a carga máxima
Tensão deformação de engenharia
Processa mento do materialAplicação de esforços superiores ao
LE
Tensão deformação verdadeiras
Tensão e Deformação - encruamento
Endurecimento por encruamento: fenômeno de 
aumento da resistência com o aumento da 
deformação.
Importante na modelagem de metais por trabalho 
a frio.
Recuperação Elástica após Deformação Plástica
Remoção da carga
Parcela da deformação total é 
recuperada
Ponto de descarregamento
LE inicial
LE após 
liberação 
da carga
DUREZA
O teste de dureza mede a resistência da superfície de um 
material à penetração por um objeto rígido.
Pode representar: 
-A resistência a riscos ou impressões 
- ser uma medida qualitativa da resistência do material a uma 
deformação plástica localizada.
Resistência à abrasão: usada na mineralogia. Escala construída em função de 
um material riscar outro material mais mole. 
Escala Mohs: Talco = 1 e diamante= 10
qualitativo
DUREZA
Técnicas quantitativas: pequeno penetrador é forçado contra a superfície do
material a ser testado, sobre condições de carga e de taxa de aplicação controladas.
- Profundidade ou tamanho são medidos. 
-Quanto mais macio o material, maior e mais
profunda será a impressão e menor será o valor
da dureza.
- Dureza medida é relativa.
DUREZA
Tipos de ensaios:
- Dureza Rockwell (ASTM E 18)
- Dureza Brinell (ASTM E 10)
- Dureza Knoop (ASTM E 384)
- Dureza Vickers (ASTM E 92)
Vantagens dos ensaios de dureza: 
- Simples e baratos
- Ensaio não-destrutivo: apenas uma pequena impressão
- Outras propriedades podem ser estimadas a partir dos dados de 
dureza (como LRT).
DUREZA
Dureza Rockwell
Ensaio mais comumente usado: execução simples.
Tipos de penetradores: esferas de aço (1,588 – 3,175 - 6,350 e 12,70 mm) e 
penetrador cônico de diamante (para materiais mais duros).
A dureza é determinada pela diferença na profundidade de penetração resultante da 
aplicação de uma carga inicial menor seguida por uma carga principal maior. 
Com base na magnitude das cargas inferior e principal dois ensaios são possíveis:
Rockwell e Rockwell superficial.
DUREZA
Dureza Rockell
Dureza Rockwell 
(menor carga 10 kg)
Dureza Rockwell superficial (menor 
carga 3 kg)
Exemplo: 80HRB – dureza Rockwell de 80 na escala B.
60 HR30W – dureza superficialde 60 na escala 30W.
Tanto o número de dureza, quanto o 
símbolo da escala devem ser indicados.
DUREZA
Dureza Rockell
Equipamento automatizado: leitura de dureza é 
direta.
DUREZA
Dureza Brinell
Penetrador esférico e duro (aço endurecido 
ou carbeto de tugstênio) é forçado contra a 
superfície do metal a ser testado. 
O diâmetro do penetrador D= 10 mm.
Cargas entre 500 e 3000 kg, tempo entre 10 e 
30s
F- Carga aplicada em kg
D – diâmetro do penetrador [mm]
Di – diâmetro da impressão [mm]
Exemplo de impressão (esférica)
DUREZA
Microdureza Knoop e Vickers
Ambos ensaios usam um penetrador de diamante (pequeno), com
geometria piramidal. As cargas aplicadas são menores que as dos ensaios
de Rockwell e Brinell. [1 e 100 g].
A designação do número de dureza é: HV – dureza Vickers e HK – dureza
Knoop..
São conhecidos como ensaios de microdureza, devido ao tamanho do
penetrador.
Microdureza – muito usado para materiais frágeis, materiais com endurecimento 
superficial, materiais com microestrutura com durezas diferentes e amostras que 
não são macroscopicamente uniformes.
Vickers
Correlação entre a Dureza e o LRT
Dureza e LRT
Indicadores da resistência de um metal 
à deformação plástica. 
Aproximadamente proporcionais 
Dureza Brinell (HB) e LRT. Para alguns 
metais!!!
LRT (Mpa) = 3,45 x HB
LRT (psi) = 500 x HB
Para ligas de aço
Comparação entre várias 
escalas de dureza
ASTM E 140
Tabelas Padrão para Conversão 
da Dureza de Metais
Nanoindentação
Liga TiAlV Interface filme de titânio (1 mm) –
evaporado sobre aço.
Propriedades Mecânicas estudadas
-ELASTICIDADE: capacidade em se deformar elasticamente, sem
atingir o campo elástico –relação entre tensão e deformação
édada pelo módulo de elasticidade.
-DUCTILIDADE: capacidade em se deformar plasticamente, sem
atingir a ruptura.
-FRAGILIDADE: oposto à ductilidade
-TENACIDADE: capacidade de armazenar energia sem se romper
-RESISLIÊNCIA: capacidade em armazenar energia no campo
elástico.
-RESISTÊNCIA À TRAÇÃO: máxima carga suportada.
-DUREZA: capacidade em resistir à penetração em sua superfície.