Propriedades mecânicas dos materiais

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Fundamentos dos materiais de construção
7 – Propriedades mecânicas dos materiais
Universidade Federal de Santa Maria – UFSM
Departamento de Engenharia de Produção e Sistemas
Curso de Engenharia de Produção
Prof. Cristiano J. Scheuer
ONDE ESTAMOS?
 Introdução à ciência dos materiais.
• 1ª Avaliação:
 Estrutura e ligações atômicas.
 Estrutura dos sólidos cristalinos.
 Imperfeições nos sólidos cristalinos.
 Solidificação dos metais e ligas.
 Difusão em sólidos.
 Propriedades mecânicas dos materiais.
 Discordância e mecanismos de aumento de resistência.
ROTEIRO DA AULA
• Introdução.
• Deformação elástica.
• Deformação plástica.
• Tensões e deformações verdadeira.
• Recuperação elástica durante a defomação plástica.
• Dureza.
• Ensaios de dureza.
• Conceitos de tensão e deformação.
OBJETIVOS DA AULA 7
• Entender o conceito de deformação plástica e elástica.
• Identificar no gráfico tensão vs. deformação o E, sE, LRT, LR.
• Conhecer as diferentes técnicas de ensaio de dureza e suas diferenças.
INTRODUÇÃO
• Projeto (evitar falha)  determinar as dimensões dos componentes.
• Saber como as propriedades são medidas e o que elas representam.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 128. 
INTRODUÇÃO
• Algumas propriedades mecânicas dos materiais:
 Resistência mecânica.
 Tenacidade.
 Ductilidade.
 Rigidez.
• Medida de propriedades  ensaios de laboratório.
• Padronização (normas).
• Seleção de materiais:
 Estruturas e composição química.
CONCEITOS DE TENSÃO E 
DEFORMAÇÃO
• Carga (tração, compressão, cisalhamento e torção):
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 130. 
CONCEITOS DE TENSÃO E 
DEFORMAÇÃO
• Estados de tensão:
o
s =
F
A
ss
 Tração → cabo.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 132. 
CONCEITOS DE TENSÃO E 
DEFORMAÇÃO
• Estados de tensão:
 Torção → cisalhamento.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 132. 
o
t =
Fs
A
M
M Ao
2R
Fs
Ac
CONCEITOS DE TENSÃO E 
DEFORMAÇÃO
• Estados de tensão:
 Compressão.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 132. 
o
s =
F
A
A
CONCEITOS DE TENSÃO E 
DEFORMAÇÃO
• Estados de tensão:
 Tração biaxial.  Compressão Hidrostática.
sz > 0
s
q > 0
s < 0h
CONCEITOS DE TENSÃO E 
DEFORMAÇÃO
• Estados de tração:
Taxa de deformação constante
Medida da carga
Medida da deformação
Geralmente destrutivo
O limite de carga depende da forma do corpo
Tensão minimiza esta influência
Tensão de engenharia (MPa)
Deformação de engenharia
(m/m ou %)
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 131. 
CONCEITOS DE TENSÃO E 
DEFORMAÇÃO
• Estados de compressão:
 Inverso do ensaio de tração.
 Aplicado em materiais frágeis.
 Pequenas deformação (sem rompimento).
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 132. 
CONCEITOS DE TENSÃO E 
DEFORMAÇÃO
• Estados de cisalhamento e torção:
Tensão de cisalhamento (F paralelo a A0)
Deformação é a tangente do angulo 
Torção Cisalhamento
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 130. 
CONCEITOS DE TENSÃO E 
DEFORMAÇÃO
• Considerações geométricas sobre os ensaios de tensão:
 A tensão dependo do plano de interesse.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 133. 
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
• Lei de Hooke (mola  deformação elástica  não permanente):
E = módulo de elasticidade
(módulo de Young).
Rigidez  resistência à
deformação elástica
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 134 e 135. 
Deformação 
elástica
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
• Escala atômica  espaçamento atômico  ligações atômicas.
• Maior força de Ligação  maior E.
Módulo de 
cisalhamento
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 134 e 136. 
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
1. Inicial 2. Baixa carga 3. Descarregamento
F
d
Esticamento 
das ligações
Rotorna para
condição inicial
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
• Módulo de elasticidade e os tipos de materiais (tipos de ligações).
 Cerâmicos.
 Metálicos.
 Poliméricos.
• E e a temperatura.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 136. 
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
• Pode ser não linear (Ferro fundido, concreto e polímeros).
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 135. 
ANELASTICIDADE
• Lei de Hooke (mola  deformação elástica  não permanente).
• Processos microscópicos (atomísticos).
• Normalmente desprezível para metais.
• Importante para Polímeros (comportamento viscoelástico).
PROPRIEDADES ELÁSTICAS 
DOS MATERIAIS
• Coeficiente de Poisson:
Se isotrópico
0,25 (isotrópico) e 
0,5 (sem variação de volume)
Se isotrópico
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 137. 
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• Para metais a deformação elástica máxima é da ordem de 0,005 (0,5%).
• A partir daí a Lei de Hooke não é válida.
• Material não se recupera completamente  deformação permanente.
• Movimento de átomos (troca de posição com os átomos vizinhos).
Deformação 
plástica
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
1. Inicial 2. Baixa carga 3. Descarregamento
planos 
mantêm-se 
deformados
F
dElástica + Plástica
Esticamento 
das ligações
e deslizamento
dos planos
dPlástica
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• Tensão x deformação:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 140. 
Fenômeno do limite de 
escoamento descontínuo
 0,002 (0,2%) convenção 
Tensão limite de escoamento.
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• Limite de resistência à tração (máximo possível de uma estrutura):
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 141. 
Atenção - Para projeto 
usar limite de escoamento
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
Dúctil: deforma muito
Frágil: deforma pouco (<5%)
Depende do comprimento inicial
(estricção)
Independe do comprimento inicial e 
de A0
Ductilidade é importante para:
1 – limite de deformação (antes da fratura).
2 – processo de fabricação (como posso fabricar o componente).
• Ductilidade: grau de deformação plástica até a fratura.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 143. 
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• Ductilidade (exemplos):
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo:Editora LTC, 2012, Pág. 144. 
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• Influência da temperatura:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 144. 
 T  resistência
 T  ductilidade
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• Resiliência:
 Capacidade de um material absorver energia quando é deformado
elasticamente (energia pode ser recuperada).
Módulo de resiliência
(Energia por volume J/m3)
Se linear
Importante para molas
área
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 145. 
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• Tenacidade:
 Capacidade de um material absorver energia e se deformar até a fratura.
 Tenacidade ao entalhe  concentrador + carregamento rápido.
 Na tração  área.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 144 e 145. 
TENSÃO E DEFORMAÇÃO 
VERDADEIRAS
Tensão verdadeira
deformação verdadeira
Se
Válido até a estricção
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 146 e 141. 
TENSÃO E DEFORMAÇÃO 
VERDADEIRAS
n = expoente de encruamento
Do inicio da deformação plástica até o inicio da estricção
• Comparação:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 147. 
TENSÃO E DEFORMAÇÃO 
VERDADEIRAS
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 146. 
RECUPERAÇÃO ELÁSTICA 
DURANTE A DEFORMAÇÃO 
PLÁSTICA
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 149. 
DUREZA
• Escala Mohs (1 a 10 – habilidade de um material riscar o outro).
• Atual  penetrador com carga controlada.
• Mede-se  profundidade ou tamanho.
• Muito utilizado.
 Simples e barato.
 Não destrutivo.
 Estima outras propriedades.
• Definição: resistência a uma deformação plástica localizada.
ENSAIOS DE DUREZA
• Ensaio de dureza Rockwell.
 Mais usado  Simples.
 Diversas escalas.
 Diferença de profundidade.
 Cuidados (bordas(3D), chapa fina
(10X), identação próxima(3D)).
Carga: 15 – 45 kg
60 –150 kg
Fonte: Souza, S.A. Ensaios mecânicos de materiais metálicos. 5ª ed. São Paulo: Editora Blücher, 2014, Pág. 117. 
ENSAIOS DE DUREZA
• Ensaio de dureza Rockwell.
Fonte: Souza, S.A. Ensaios mecânicos de materiais metálicos. 5ª ed. São Paulo: Editora Blücher, 2014, Pág. 119 e 120.
ENSAIOS DE DUREZA
• Ensaio de dureza Brinell.
 Penetrador esférico (10 mm).
 Carga de 500 a 3000 Kg.
 Medida do diâmetro da penetração.
 Mesmos problemas (bordas, chapa
fina, indentação próxima).
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 150. 
ENSAIOS DE DUREZA
• Ensaio de dureza Vickers e Knoop.
 Pirâmide de diamante.
 Carga de 1 a 2000 g (bem menor que os demais).
 Medida das diagonais da impressão.
 Preparação da amostra.
 Microdureza.
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 152. 
ENSAIOS DE DUREZA
• Indentadores:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 151. 
ENSAIOS DE DUREZA
 Depende do material.
 Medida experimentalmente.
 A mais precisa é a do aço.
• Conversão de dureza:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 153. 
ENSAIOS DE DUREZA
 Representam resistência a deformação.
 Depende do material.
• Dureza x limite de resistência:
Fonte: Callister, W.D.; Rethwisch, D.G. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª ed. São Paulo: Editora LTC, 2012, Pág. 154. 
O QUE É IMPORTANTE 
LEMBRAR?
• O que é tensão.
• Tensão de engenharia x tensão verdadeira.
• O que é deformação.
• Deformação elástica x deformação plástica.
• Curva tensão x deformação.
• Propriedades mecânicas e sua importância.
• Conceito de dureza.
• Ensaios para determinação da dureza.
REFERÊNCIAS 
• CALISTER, W.D.; RETHWISCH, D.G. Ciência
e engenharia de materiais: uma introdução. 8ª
ed. São Paulo: Editora LTC, 2012.
► Capítulo 6 – Propriedades mecânicas dos materiais.
→ Páginas: 128 – 157.