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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS CIVIS Prof. Msc. Adriana Trigolo atrigolo@anhembimorumbi.edu.br AULA 4 Tensão x Deformação Profa Adriana Trigolo AULA 4 Propriedades mecânicas dos materiais Propriedades associadas com a capacidade que o material tem de resistir a forças mecânicas. Propriedades mecânicas Propriedades associadas com a capacidade que o material tem de resistir a forças mecânicas. Importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação de um componente. POR QUE ESTUDAR? PROPRIEDADES MECÂNICAS Aplicação particular pretendida Conjunto de propriedades requerido para aplicação Seleção do material que atende ao conjunto de propriedades Seleção do processo de fabricação7 Definem o comportamento do material quando sujeitos aos esforços mecânicos. Relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir os esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável. PROPRIEDADES MECÂNICAS 8 Cada propriedade está associada à habilidade do material de resistir ás forças mecânicas ou transmiti-las. PROPRIEDADES MECÂNICAS Resistência à tração. Resistência à flexão. Resistência à compressão. Resistência ao cisalhamento. Resistência à torção. Módulo de elasticidade. Dureza. Elasticidade. Ductilidade. Plasticidade. Tenacidade. Fadiga. 9 Testes mais comuns para se determinar as propriedades mecânicas dos metais Resistência à tração (+ comum, determina a elongação) Resistência à compressão Resistência à torção Resistência ao choque PROPRIEDADES MECÂNICAS Resistência ao desgaste Resistência à fadiga Dureza 15 TENSÃO Relação entre a carga ou força aplicada e a área resistente. Expressa em kgf/cm2 ou N/m2 = Pa [MPa = N/mm2]. PROPRIEDADES MECÂNICAS Estruturas dimensionadas para atuar sobre componentes de tensão aceitável de trabalho, obtida pela tensão de ruptura minorada por um coeficiente de segurança. 16 Célula de carga Corpo de prova Exten- sômetro Travessão móvel Seção reduzida Comprimento útil ou gabarito (Raio) (Diâmetro)(Diâmetro) O material é submetido à uma carga ou força de tração, crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento. RESISTÊNCIA À TRAÇÃO FONTE: CALLISTER JR., W. D. Ciência e engenharia de materiais: um introdução. Tradução Sérgio Murilo Stamile Soares. 7ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 17 Força puramente cisalhante, aplicada em uma direção paralela às faces do corpo de prova. RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO FONTE: CALLISTER JR., W. D. Ciência e engenharia de materiais: um introdução. Tradução Sérgio Murilo Stamile Soares. 7ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 18 RESISTÊNCIA À TORÇÃO FONTE: CALLISTER JR., W. D. Ciência e engenharia de materiais: um introdução. Tradução Sérgio Murilo Stamile Soares. 7ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. Forças de torção produzem movimento de rotação em torno do eixo longitudinal de uma das extremidades em relação à outra. 19 lo lf Deformação: (A) rotação sem deformação; (B) deformação por cisalhamento; e (C) deformação por elongação . Associada à mudança de posições relativas das partes de um corpo. Definida como a relação entre a variação de comprimento (após a aplicação de uma determinada carga) e o comprimento inicial. DEFORMAÇÃO 21 * * * * * 22 CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO DEFORMAÇÃO ELÁSTICA: Instantânea e reversível. Precede à deformação plástica. É praticamente proporcional à tensão aplicada. compressão tração Deformação ( Te ns ão plásticaelástica DEFORMAÇÃO PLÁSTICA: Irreversível. Deformação excessiva sem a ruptura. Materiais dúcteis: alongamento antes da ruptura. DEFORMAÇÃO 23 TIPOS DE RUPTURA FONTE: CALLISTER JR., W. D. Ciência e engenharia de materiais: um introdução. Tradução Sérgio Murilo Stamile Soares. 7ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. Ruptura frágil: ocorre sem que o material apresente deformações plásticas significativas ruptura catastrófica Ruptura dúctil: ocorre com o material apresentando deformações plásticas ruptura estável T e n s ã o Deformação Dúctil Frágil 24 Descrição gráfico do comportamento da deformação de um material sob tensão. ELASTICIDADE: Propriedade que o material tem de retornar seu volume inicial após cessada a força que causa a compressão. PLASTICIDADE: Propriedade de um corpo mudar de forma de modo irreversível, ao ser submetido a uma tensão. DUCTILIDADE: Propriedade que mede o grau de deformação plástica suportado até a fratura. CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO 25 Representa a rigidez do material Resistência à deformação elástica E, mais rígido é o material ; deformação elástica quando aplicada uma dada tensão. Dado pela Lei de Hooke: deformação é proporcional à tensão. Metais – 45 GPa a 407 GPa Cerâmicas – 70 GPa e 500 GPa Polímeros – 0,007 GPa e 4 GPa Inclinação da curva tensão x deformação na região elástica. MÓDULO DE ELASTICIDADE 26 Módulo de elasticidade ou Módulo de Young E = 𝝈 𝜺 = Kgf/mm2 • É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante. • Está relacionado com a rigidez do material ou à resistência à deformação elástica Tg = E A lei de Hooke só é válida até este ponto P Lei de Hooke: = E 27 Módulo de Elasticidade para alguns metais MÓDULO DE ELASTICIDADE [E] GPa 106 Psi Magnésio 45 6.5 AlumÍnio 69 10 Latão 97 14 Titânio 107 15.5 Cobre 110 16 Níquel 207 30 Aço 207 30 Tungstênio 407 59 28 Quanto maior a carga normal aplicada, e o comprimento inicial da peça, maior o alongamento. Quanto maior a área da seção transversal e a rigidez do material, medido através do seu módulo de elasticidade, menor o alongamento 29 ALONGAMENTO Lei de Hooke: = E 0 0 L LLF 00 0 L LE L LL E F 0L LE A F E L EA LF L 00 . . . 30 Alongamento Positivo: Tração na Peça Alongamento Negativo: Compressão na Peça A Lei de Hooke, abrange a deformação longitudinal () e a deformação transversal (t) 31 O COEFICIENTE DE POISSON PARA ELONGAÇÃO OU COMPRESSÃO Qualquer elongação ou compressão de uma estrutura cristalina em uma direção, causada por uma força uniaxial, produz um ajustamento nas dimensões perpendiculares à direção da força O coeficiente de Poisson,, mede a deformação transversal (t) (em relação à direção longitudinal de aplicação da carga) 32 A relação estabelecida entre deformações ortogonais ν = Razão de Poisson (adimensional), εx= Deformação na direção x, que é transversal, εy= Deformação na direção y, que é transversal, εz= Deformação na direção z, que é a longitudinal, εx, εy e εz são também grandezas adimensionais, já que são deformações z x 33 DEFORMAÇÃO LONGITUDINAL ( ) Ocorre em uma unidade de comprimento (u.c) de uma peça submetida à ação de carga axial. 34 DEFORMAÇÃO TRANSVERSAL ( t ) Determina-se através do produto entre a deformação unitária () e o coeficiente de Poisson () 35 A tensão admissível é calculada a partir das tensões de escoamento ou de ruptura e representa a tensão máxima que o projetista admite, que a peça de seu projeto possa suportar, para que não sofra nenhum dano, causando acidentes. A tensão admissível é determinada atravésda relação e e coeficiente de segurança para os materiais dúcteis, r e coeficiente de segurança para materiais frágeis. frágeismateriais k dúcteismateriais k r e 38 Tensão de escoamento Afastamento da linearidade na curva tensão-deformação. Valor de tensão para o qual o material começa a se deformar plasticamente . Resistência à deformação plástica. Metais: 35 MPa (Al) a 1.400 MPa (aços especiais). CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO DOS METAIS 39 DEFORMAÇÃO ELÁSTICA deformações de aproximadamente 0,005 tensão não é mais proporcional à deformação DEFORMAÇÃO PLÁSTICA. Tensão de escoamento CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO DOS METAIS 40 Deformação plástica total ocorrida no material até sua ruptura no ensaio de tração. Relaciona com a capacidade de deformação plástica do material dúctil é o material; alongamento. Alongamento 40 T e n s ã o Deformação Limite da resistência à tração Tensão máxima suportada por um material sob tração Metais: 50 MPa (Al) a 3.000 MPa (aços especiais). CURVA TENSÃO X DEFORMAÇÃO DOS METAIS 41 FONTE: CALLISTER JR., W. D. Ciência e engenharia de materiais: um introdução. Tradução Sérgio Murilo Stamile Soares. 7ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. Projeto LIMITE DE ESCOAMENTO quando a tensão correspondente ao limite de resistência à tração chega a ser aplicada, com frequência a estrutura sofreu tanta deformação plástica que tornou-se imprestável. Propriedade que mede o grau de deformação plástica suportado até a fratura. Expressa como alongamento percentual ou como redução percentual na área (coeficiente percentual de estricção). 42 DUCTILIDADE 100% 0 0 l ll AL f %AL = alongamento percentual (%) lf = comprimento no momento da fratura l0 = comprimento útil original 100% 0 0 A AA RA f %RA = redução percentual na área (%) Af = área da seção transversal no ponto da fratura A0 = área da seção transversal original Af e lf são medidos após a fratura e após as duas extremidades quebradas terem sido colocadas novamente juntas Indica ao projetista o grau ao qual uma estrutura irá se deformar plasticamente antes de fraturar. Especifica o grau de deformação permitido durante as operações de fabricação. 43 Resistência que um material apresenta ao risco ou a à formação de uma marca permanente, quando pressionado por outro material ou por marcadores padronizados. Maneira rápida, barata e não destrutiva de avaliar a resistência mecânica de um material. Ensaios de dureza: impressão de uma pequena marca na superfície da peça, pela aplicação de pressão, com uma ponta de penetração. Medida da dureza dada em função das características da marca de impressão e da carga aplicada. DUREZA 44
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