Deformação dos Materiais

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UNIVERSIDADE PRESIDENTE ANTÔNIO CARLOS – UNIPAC
CURSO DE ENGENHARIA DE MINAS
6º PERÍODO
DISCIPLINA: INTRODUÇÃO A CIÊNCIAS DOS MATERIAIS
DEFORMAÇÃO DOS MATERIAIS
JOÃO PAULO GUEDES
JOSIANNY CAROLINE
HUNDER AVELAR
LEONARDO BRAGA
MARCELO RODRIGUES
MARIANA PAIVA
OTÁVIO HENRIQUE
RODRIGO GÓIS
VICTOR HUGO
Prof. MAURÍCIO
INTRODUÇÃO
 Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças ou cargas: um exemplo é a liga de alumínio a partir da qual a asa de um avião é construída e o aço no eixo de um automóvel. Em tais situações, torna-se necessário conhecer as características do material e projetar o membro a partir do qual ele é feito, de tal maneira que qualquer deformação resultante não seja excessiva e não ocorra fratura. 
 O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre sua resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada. Algumas propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductibilidade e a rigidez.
DEFORMAÇÃO DOS MATERIAIS
Quando uma força é aplicada a um corpo, tende a mudar a forma e o tamanho dele.
Podem ser perfeitamente visíveis ou praticamente imperceptíveis sem o uso de equipamento para fazer medições precisas.
Deformação de estrutura de concreto
Disponível em: http://www.engbrasil.eng.br/pp/res/aula4.pdf
 Deformação dos materiais, acontece quando ocorre uma determinada mudança da configuração geométrica do corpo que leve a uma variação da sua forma ou das suas dimensões após a aplicação de uma ação externa (solicitação), a exemplo de uma tensão ou variação térmica que altere a forma de um corpo.
 As deformações por tensão podem ser classificadas basicamente em três tipos:
Deformação transitória ou elástica;
Deformação permanente ou plástica;
Fratura (ruptura).
DEFORMAÇÃO DOS MATERIAIS
DEFORMAÇÃO DOS MATERIAIS
Maquina de tração para ensaios mecânicos
Disponível em: https://www.google.com.br/imagens
Tipos de esforços:
DEFORMAÇÃO DOS MATERIAIS
Tração;
Compressão;
Cisalhamento;
Torção.
DEFORMAÇÃO DOS MATERIAIS
Dentro de certos limites, a deformação é proporcional à tensão.
M= limite de resistência à tração
F= fratura do material 
Gráfico de Tensão x Deformação
Disponível em: http://www3.fsa.br/materiais/propmecmat.pdf
Tipos de deformação
Disponível em: http://www3.fsa.br/materiais/propmecmat.pdf
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
Precede a deformação plástica;
A deformação não é permanente (reversível);
O material retorna à posição inicial após retirada a força;
A Tensão é proporcional à deformação.
σ = tensão
E = módulo de elasticidade 
ε = deformação
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
Anelasticidade: A maioria dos metais apresenta uma “componente” de deformação elástica dependente do tempo, ou seja, após retirada a carga é necessário um certo tempo para que haja a recuperação do material (para o material retornar ao seu tamanho inicial).
Metais: normalmente a componente anelástica é pequena.
„Para alguns polímeros a componente anelástica é elevada (Comportamento Viscoelástico).
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
 Plasticidade é a propriedade do corpo sólido mudar de forma de modo irreversível. Deformação Plástica é quando a tensão não é mais proporcional a deformação ocorrendo então a deformação não recuperável e permanente, mantendo a deformação mesmo quando o carregamento é retirado. 
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
 Esta deformação permanente não modifica o reticulado atômico já que os movimentos são sempre de um número inteiro de parâmetros de rede. 
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
 Como os átomos tem uma tendência a rolarem uns sobre os outros, são os esforços de cisalhamento os responsáveis pelos movimentos atômicos.
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
 Consideremos agora o semiplano que está dentro do cristal. 	O cristal está distorcido onde o semiplano atinge o plano de escorregamento.
Plano de escorregamento
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Tensão de Cisalhamento
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
 Observou-se que a força necessária na prática, para se fazer um plano escorregar sobre outro era 20 X menor que o valor teórico calculado. E isso se deve a presença de um defeito em linha que todos os materiais cristalinos possuem chamado de Discordâncias.
DISCORDÂNCIAS
 As discordâncias são planos incompletos de átomos gerados no momento da cristalização devido a má formação dos planos vizinhos. O tipo mais simples de discordância pode ser visto como um semiplano atômico extra, inserido na estrutura, o qual termina em qualquer lugar do cristal. A extremidade do meio plano é a discordância, conforme mostra a figura abaixo.
DISCORDÂNCIAS
 De modo geral a discordância é um defeito cristalino linear no qual diversos átomos estão desalinhados e provocam uma distorção na Estrutura cristalina.
F
Cristalinos
Amorfos
Sólidos
ESTRUTURAS CRISTALINAS
 Na Estrutura cristalina de um sólido, os átomos e moléculas que o constituem estão espacialmente organizados.
Organização atômica
 Exemplo: sais, metais e a maior parte dos minerais.
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Defeitos na Estrutura Cristalina = Discordâncias
	Indica como e em que direção a rede, acima do plano de escorregamento, foi desviada em relação à rede abaixo do plano de escorregamento.
Vetor de Burguers
DISCORDÂNCIAS
Simbologia
Geometria de discordâncias simples.
(a)discordância em cunha 
(b)discordância em hélice
 A movimentação plástica do material ocorre em virtude da movimentação das discordâncias no interior da rede cristalina, que é o rompimento das ligações atômicas e a formação de novas ligações.
DISCORDÂNCIAS
Arranjo Atômico que acompanha o movimento de uma discordância
Disponível em: http://cermat.ufsc.br/wp-content/uploads/2015/03/APOSTILA-DO-LABORATORIO-DE-PROPRIEDADES-MEC-160315.pdf
 Depois de removidos os esforços, continua a existir um deslocamento diferenciado de uma parte do corpo em relação a outra, ou seja, o corpo não recupera sua forma original.
DISCORDÂNCIAS
 Depois de removidos os esforços, continua a existir um deslocamento diferenciado de uma parte do corpo em relação a outra, ou seja, o corpo não recupera sua forma original.
IMPORTANTE:
Toda a teoria de deformação plástica e endurecimento de metais é fundamentada na movimentação de discordâncias.
DISCORDÂNCIAS
 O movimento de uma discordância através de todo o cristal produz um degrau na superfície do mesmo, cuja profundidade é de uma distância atômica. Como uma distância atômica em cristais metálicos é da ordem de alguns ângstrons, esse degrau evidentemente não é visível a olho nu. 
DISCORDÂNCIAS VISTAS ATRAVÉS DE MICROSCOPIO
Disponível em: http:https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6421#03
DISCORDÂNCIAS
Disponível em: http:https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6421#03
Discordâncias são defeitos 1D em um cristal;
O tipo mais simples de discordância pode ser visto como um semiplano atômico extra, inserido na estrutura, o qual termina em qualquer lugar do cristal.
DISCORDÂNCIA
Discordâncias deste tipo são chamadas discordâncias em aresta ou em cunha.
DISCORDÂNCIAS
Discordância em Cunha
DISCORDÂNCIAS
Discordância em Cunha
Um plano extra é inserido no cristal
Um Cristal perfeito
DISCORDÂNCIAS
Envolve um semiplano extra de átomos;
Envolve zonas de tração e compressão.
Discordância em Cunha
Discordância em Cunha
CORPO DE PROVA - Cobre
DISCORDÂNCIAS
Discordância em Cunha
A nível Atômico - MACRO
DISCORDÂNCIAS
	Além das discordâncias em cunha, existem as discordâncias em hélice ou helicoidais.
As discordâncias helicoidais normalmente se formam na superfície de um cristal durante o seu crescimento.
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE
Disponível em: http:https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6421#03
DISCORDÂNCIAS
Discordância em Hélice
Produz distorção na rede;
CORPO DE PROVA - Alumínio
Discordância em Hélice
DISCORDÂNCIAS
Discordância em HéliceDISCORDÂNCIAS
Discordância Mista
Discordância Mista
DISCORDÂNCIAS
DISCORDÂNCIAS
Discordância Mista
DISCORDÂNCIAS
Discordância Mista
DISCORDÂNCIAS
Discordância Mista
DISCORDÂNCIAS
Discordância Mista
FRATURA
 A engenharia e ciência dos materiais tem papel importante na prevenção e análise de falhas em peças ou componentes mecânicos.
FRATURA
Fratura ou rompimento do material geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca que se inicia em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição ou de alta concentração de tensões;
Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de uma carga estática à temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material.
FUNDAMENTOS DA FRATURA
 Todos os materiais se rompem quando submetidos a um carregamento no qual a tensão seja maior que aquela da sua resistência. 
O processo de fratura envolve duas etapas:
 Formação de trinca 
 Propagação 
FUNDAMENTOS DA FRATURA
Fratura transgranular Fratura intergranular
FRATURA
Fratura frágil
O material se deforma pouco, antes de fraturar.
O processo de propagação de trinca pode ser muito veloz, gerando situações catastróficas.
A partir de um certo ponto, a trinca é dita instável porque se propagará mesmo sem aumento da tensão aplicada sobre o material.
FRATURA
Fratura frágil
FRATURA
Fratura dúctil
O material se de forma substancialmente antes de fraturar. 
O processo se desenvolve de forma relativamente lenta á medida que a trinca propaga. 
Este tipo de trinca é denominado estável porque para ela se propagar a menos que haja um aumento da tensão aplicada no material. 
FRATURA
Fratura dúctil
MODO DE ABERTURA DE UMA TRINCA
I – Abertura ou tração
II- Deslizamento ou cisalhamento
III-Deslizamento lateral ou rasgamento
I 
II 
III 
FRATURA
Mecânica da Fratura
Navio Liberty – 1941-1945 
Disponível em: Google imagens
FRATURA
 A temperatura fragilizam consideravelmente a estrutura dos materiais, como o aço doce, principal constituinte do casco dos navios. O naufrágio do Titanic também foi causado pela fragilidade do frio, que foi crucial no rompimento de seu casco ao chocar-se com um iceberg. 
Fonte; imagens Google 
FRATURA
Fonte: Google imagens 
Fonte: Google imagens 
Rebites
Disponível em: Google imagens
FRATURA
A mecânica da fratura possui duas vertentes de estudo: A Mecânica da Fratura Linear Elástica e a Mecânica da Fratura Elasto-Plástica 
Fratura Linear Elástica: surgiu em função das limitações na aplicação dos conceitos tradicionais para prever o comportamento dos materiais quanto à presença de descontinuidades internas ou superficiais, como as trincas, introduzindo assim o conceito dos fatores de intensidade de tensão K, Kc e KIC. 
Fratura Elasto-Plástica: Surgiu em função das limitações na aplicação do critério de KIC da Mecânica da Fratura Linear Elástica em materiais dúcteis, onde a existência de uma zona plástica de tamanho significativo em relação à espessura invalida as considerações de tensões elásticas na ponta da trinca controlando o processo de fratura.
FADIGA
Superfície de fratura de um eixo rotativo de aço que sofreu falha por fadiga. As nervuras de marcas de praia são visíveis na fotografia.
Disponível em: Apostila do laboratorio de propriedades mec. pdf
 Fadiga é uma redução gradual da capacidade de carga do componente, pela ruptura lenta do material, consequência do avanço quase infinitesimal das fissuras que se formam no seu interior. 
FADIGA
Crescimento em cada flutuação do estado de tensões → Deterioração progressiva → Trinca pequena → Trinca de tamanho crítico → Ruptura final (brusca);
 Causado por carregamento cíclico mecânico ou termomecânico;
Uma falha por fadiga ocorre dentro de uma gama bastante ampla de ciclos de carga, desde valores da ordem de 10 ciclos.
Do número total de falhas, as provocadas por fadiga perfazem de 50% a 90%.
Sendo na maioria das vezes falhas que ocorrem de forma inesperada.
FADIGA
Exemplo:
FADIGA
 A falha por fadiga está geralmente ligada a deformações plásticas e, estas, associadas com tensões cisalhantes. Em um material cristalino a deformação plástica ocorre pelo movimento de discordâncias, sob a ação de tensões cisalhantes. Este movimento tem como resultado final o deslocamento relativo entre dois planos atômicos. 
 Já as estrias de fadiga apresentam dimensões microscópicas, e somente são sujeitas a observação através de microscópio. Cada estria é considerada como representando a distancia de avanço de uma frente de trinca durante cada ciclo de aplicação da carga. A largura das estrias depende, e aumenta em função do aumento do intervalo de tensões. 
FADIGA
Nucleação da trinca
 A falha por fadiga está geralmente ligada a deformações plásticas e, estas, associadas com tensões cisalhantes.
 
Em pontos com elevado nível de tensões; 
 Máquinas bem projetadas (menores que a tensão de escoamento), porém: – descontinuidades geométricas, metalúrgicas, sobrecarga na operação. 
 
 Trinca pré-existente:
 Defeitos na fabricação 
 Mal uso do equipamento
FADIGA
 Estágio I
Reentrâncias superficiais: extrusões
Concentradores de tensão → micro trincas
FADIGA
Estágio II
 Trinca aumenta;
Propagação perpendicular às tensões;
 30% da vida útil.
FADIGA
 Estágio III
Fissura cresce em cada ciclo;
Superfície marcada pelo avanço da trinca;
Propagação perpendicular às tensões. 
FADIGA
CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO CÍCLICA
Materiais reais apresentam deformação Plástica (zona elástica);
Rearranjo da estrutura → propriedades mecânicas; 
Teste: valores fixos de deformações.
FADIGA
CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO CÍCLICA
Materiais encruados amolecem;
Materiais recozidos encruam;
Em 10%-20% da vida útil.
CONCLUSÃO
Referências Bibliográficas
CALLISTER, W. D. JR. Ciência de Engenharia de Materiais: uma Introdução. 5. ed.
Disponível em: http://www.foz.unioeste.br/~lamat/downmateriais/materiaiscap10.pdf
Acesso em: 01 out. 2017
Disponível em: https://pt.wikipedia.org/wiki/Deforma%C3%A7%C3%A3o
Acesso em: 01 out 2017
Disponível em: http://cermat.ufsc.br/wp-content/uploads/2015/03/APOSTILA-DO-LABORATORIO-DE-PROPRIEDADES-MEC-160315.pdf
Acesso em: 01 out 2017
Entre outras fontes.