Propriedades mecanicas dos metais

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Propriedades mecânicas dos metais
 1 Introdução
Muitos materiais quando em serviço são submetidos a forças ou cargas. Nestas
situações é necessário conhecer as características do material e projetar a peça de tal
maneira que as forças aplicadas durante o uso não causem fratura.
Cabe ao engenheiro de estruturas determinar as tensões envolvidas no projeto,
enquanto os engenheiros metalúrgicos e de materiais são responsáveis em obter os
materiais que atendam aos requisitos de projeto. Para isto, é necessário compreender as
relações entre microestrutura e propriedades mecânicas e realizar e analisar os
resultados de testes padronizados com controle de qualidade.
 2 Tensão versus deformação
Duas das perguntas mais simples que um engenheiro de estruturas pode realizar
são:
(1) Quão forte é este material?
(2) Quanto este material pode se deformar antes de sofrer falha mecânica?
Estas questões podem ser respondidas por um simples ensaio de tração. Neste
ensaio, um corpo de prova padronizado, figura 2.1, é submetido a uma carga de tração
que é aumentada gradativamente até a ruptura do material
Figura 2.1: Corpo de prova para ensaio de tração de acordo com a norma ASTM E8/E8M-
13.
O resultado deste ensaio é registrado como força em função do alongamento.
Desta maneira, determina-se a tensão de engenharia (σ) e a deformação de engenharia
(ε).
A tensão de engenharia é definida pela relação:
σ= F
A0
(1)
onde F é a carga instantânea e A0 é a área transversal antes da aplicação de qualquer
carga. No caso do corpo de prova do ensaio de tração, considera-se a área da secção
mais fina.
A deformação de engenharia é definida por:
ε=
li−l0
l0
=Δ l
l0
(2)
onde li é o comprimento instantâneo e l0 o comprimento inicial.
Uma curva típica de tensão vs deformação de um metal é ilustrada na figura 2.2.
Figura 2.2: Curva tensão versus deformação
Nesta curva podemos observar 5 propriedades mecânicas obtidas no ensaio de
tração.
O módulo de elasticidade 1 , é a indicação da região linear da curva tensão x
deformação. A linearidade do gráfico tensão x deformação é uma representação gráfica
da lei de Hooke.
σ=E ε (3)
em que E é o módulo de elasticidade.
A deformação sofrida na região linear da curva tensão x deformação é chamada de
deformação elástica. Toda deformação sofrida nesta região é recuperada após remoção
da carga.
O ponto 2 representa o limite de escoamento do material. Este limite representa a
transição da deformação elástica recuperável para a deformação plástica, ou permanente.
Ou seja, é a carga máxima que o material pode ser submetido durante sua aplicação
antes de se deformar permanentemente. Também representa a tensão à qual o material
precisa ser submetido em um processo de laminação ou estiramento.
Na maior parte dos metais, a transição entre a região de deformação elástica para
a região de deformação plástica ocorre de maneira gradual. Desta maneira, adota-se
como limite de escoamento a interseção da curva tensão x deformação com uma reta
paralela a parte elástica, deslocada em 0,2 % como mostra a figura 2.2.
À medida que a deformação plástica continua acima do limite de escoamento, a
tensão atinge um valor máximo, ponto 3. Este é o limite de resistência à tração. Até este
limite, a resistência do material aumenta. O endurecimento do material por deformação é
um fator importante no trabalho a frio. A partir do limite de resistência à tração, a tensão
apresentada no gráfico começa a diminuir. Isto ocorre porque a tensão apresentada é a
tensão de engenharia e considera a área inicial do corpo de prova. A partir do limite de
resistência a tração, ocorre a formação de um pescoço no corpo de prova e a área de sua
seção transversal é menor que a área original. Corrigindo-se os valores de tensão com a
área instantânea, observa-se que a tensão aumenta até a ruptura, figura 2.3.
Figura 2.3: Esboço demonstrando o comportamento de tensão real e tensão de 
engenharia versus deformação.
O ponto 4 da figura 2.2 indica a tensão de ruptura e a deformação de ruptura. A
ductilidade é quantificada como o alongamento percentual na fratura (nota-se que ocorre
recuperação elástica após a fratura). A ductilidade indica a capacidade geral do metal ser
deformado plasticamente.
Finalmente, a tenacidade pode ser calculada como a área sob a curva tensão x
deformação 5. A tenacidade é a energia necessária para romper o material. Uma maior
tenacidade indica tanto uma maior resistência quanto alta ductilidade. A figura 2.4
compara três casos, o primeiro de um material de alto limite de escoamento e baixa
ductilidade, o segundo de alta resistência e alta ductilidade e o terceiro de baixa
resistência e alta ductilidade. Pode-se dizer que o segundo apresenta maior tenacidade
que os outros dois.
Figura 2.4: Esboço de uma curva de tensão versus deformação indicando a diferença na 
tenacidade.
Em alguns metais, como o aço, o limite de escoamento ocorre em uma região bem
definida. Nestes casos, a tensão atinge um limite de escoamento superior, seguida por
uma queda para um limite de escoamento inferior, onde oscila entre um valor de tensão
constante, seguido por subsequente aumento da tensão e deformação plástica, como
esboça a figura 2.5.
Figura 2.5: Curva tensão x deformação de um material que apresenta limite de 
escoamento bem definido.
Este padrão é associado a deformação não homogênea que ocorre em pontos de
concentração de tensão.
 3 Mecanismos de deformação em escala atômica
 3.1 Deformação elástica
O mecanismo de deformação elástica é o estiramento de ligações atômicas. A
figura 3.1 ilustra este mecanismo
A deformação fracionária do material na região elástica é pequena, de modo que,
na escala atômica estamos lidando com a região da curva força vs separação atômica na
vizinhança imediata da distância de separação em equilíbrio dos átomos (a0, onde F=0). O
comportamento aproximadamente linear de F versus a, cruzando o eixo a, implica que um
comportamento semelhante será observado em um ensaio de compressão, além da
tração.
Figura 3.1: Esboço indicando a relação do estiramento de ligações atômicas e 
deformação elástica.
 3.2 Deformação plástica
O mecanismo fundamental da deformação plástica é a distorção e reformação das
ligações atômicas. Este mecanismo ocorre através do movimento de discordâncias ao
longo de um plano de deslizamento. A figura 3.2 ilustra este fenômeno
Figura 3.2: Movimento de discordâncias ao longo de um plano de escorregamento em 
resposta a uma tensão de cisalhamento.
O mecanismo de escorregamento gradativo torna-se mais difícil quando as
distâncias dos incrementos atômicos aumentam. Como resultado, o escorregamento é
mais difícil em um plano de densidade atômica baixa que em um plano de densidade
atômica alta. Este fato explica a diferença de ductilidade entre os metais. Por exemplo, o
alumínio possui rede CFC e é mais dúctil que o magnésio, que representa rede HC. O
primeiro apresenta em sua célula unitária 12 planos de alta densidade, enquanto o
segundo apresenta apenas 3.
Diversos conceitos básicos do comportamento mecânico de materiais cristalinos se
relacionam diretamente com modelos simples de movimentos de discordâncias. Quanto
mais livre este movimento, mais fácil é o metal se deformar.
O trabalho a frio envolve a deformação dos metais em temperaturas relativamente
baixas. Após o trabalho a frio, o metal torna-se mais difícil de se deformar com o aumento
da extensão da deformação. O motivo micromecânico básico é que o trabalho a frio causa
aumento na concentração de discordâncias, e estas atuam como obstáculos ao
deslizamento de planos (movimentode discordâncias).
Átomos em solução sólida também podem atuar como obstáculos ao movimento de
discordâncias. O endurecimento por solução sólida causa aumento da região de
deformação elástica, aumentando o limite de escoamento do material.
Materiais com estruturas cristalinas mais complexas, como intermetálicos e
materiais cerâmicos, são normalmente frágeis devido a dificuldade na criação de planos
de escorregamento, o que limita o movimento de discordâncias. No caso de materiais
cerâmicos, muitos planos de escorregamento não são possíveis devido ao estado
carregado dos íons. O deslizamento de íons com cargas semelhantes próximos um do
outro pode resultar em forças coulombianas repulsivas.
 4 Dureza
Outra propriedade mecânica que pode ser importante considerar é a dureza, uma
medida de resistência do material a uma deformação plástica localizada.
Neste ensaio, um pequeno penetrador é forçado contra a superfície de um material
a ser testado, sob condições controladas de carga e taxa de aplicação. A profundidade ou
o tamanho da impressão resultante é medida e então relacionada a um número de
dureza. Quanto mais macio for um material, maior e mais profunda será a impressão, e
menor será seu índice de dureza. As durezas medidas são apenas relativas, e deve-se
tomar cuidado ao comparar valores determinados por técnicas diferentes.
Os ensaios de dureza são realizados com maior frequência que outros ensaios
mecânicos pelas seguintes razões:
- Simples e barato, nenhum corpo de prova especial precisa ser preparado e os
equipamentos de ensaio são relativamente baratos.
- Ensaio não destrutivo; o corpo de provas não é fraturado, nem excessivamente
deformado. Uma pequena impressão é a única deformação.
- Com frequência outras propriedades mecânicas podem ser estimadas a partir dos dados
de dureza, tal como o limite de resistência a tração.
O ensaio de dureza possui um componente substancial de deformação plástica,
desta maneira, a dureza pode ser correlacionada com o limite de resistência à tração.
	1 Introdução
	2 Tensão versus deformação
	3 Mecanismos de deformação em escala atômica
	3.1 Deformação elástica
	3.2 Deformação plástica
	4 Dureza