6_PropriedadesMecanicas_Parte1_ProfaMCristinaMFarias_2012_2

Prévia do material em texto

08/05/2012 
1 
MAM0411 
Ciência dos Materiais 
Profa. María Cristina Moré Farias 
Tema 6 
Propriedades Mecânicas dos Materiais 
Parte 1 
Propriedades Mecânicas dos Metais 
• Conteúdo 
– Tensão e deformação (definição e correlação) 
– Módulo de elasticidade, limite de escoamento, resistência à tração, 
alongamento, ductilidade, tenacidade 
– Dureza (macro e micro) 
2 
Por que estudar propriedades mecânicas? 
• Materiais em serviços estão sujeitos a forças (avião, 
automóveis, etc.) 
– Conhecer o material 
– Projetar (sem deformação excessiva e sem falha) 
• Conhecer como são medidas as várias propriedades 
mecânicas e o que estas representam 
• Necessárias para projeto de estruturas/componentes 
mecânicos (deformação aceitável / evitar falhas) 
 
3 
Como são medidas as propriedades mecânicas 
• Experimentos de laboratório padronizados 
– (ASTM; www.astm.org) 
– Natureza da carga aplicada 
• Tração, compressão, cisalhamento, torção 
• Constante, flutuante 
– Duração da aplicação da carga 
• Fração de segundos, anos 
– Condições ambientais 
• Temperatura 
4 
08/05/2012 
2 
Ilustração de como uma carga de 
tração/compressão produz o 
alongamento/contração 
Tração 
Compressão 
5 
Ilustração da deformação de 
cisalhamento/torcional 
Torção 
Cisalhamento 
6 
Tensão e Deformação – 
Ensaio de Tração 
• O comportamento mecânico de um 
material reflete a relação entre a 
deformação e carga aplicada 
• O comportamento mecânico pode ser 
verificado por meio de um ensaio de 
tensão-deformação 
– A amostra é deformada até a sua fratura 
mediante uma carga de tração 
gradativamente crescente que é aplicada 
na direção uniaxial ao longo do eixo mais 
comprido de um corpo-de-prova 
7 
Tensão e Deformação 
• Resultado de um ensaio de tração é 
um registro da carga em função do 
alongamento 
• Carga-deslocamento são dependentes 
do tamanho da amostra 
– Normalização da carga e do 
alongamento para minimizar efeitos dos 
fatores geométricos 
• Tensão de engenharia 
• Deformação de engenharia 
 
 
 
 
8 
08/05/2012 
3 
Tensão e Deformação 
Tensão de engenharia (s) 
 
Carga instantânea aplicada (N) 
Área da seção transversal inicial (m2) 
Tensão de engenharia ou Tensão (MPa); 1 MPa = 106 N/m2 
Deformação de engenharia (e) 
 
Comprimento inicial (m) 
Comprimento instantâneo (m) 
Deformação de engenharia ou Deformação 
(adimensional ou %) 
0A
F
s
0
0
0 l
ll
l
l i 

e
9 
Tensão e Deformação – 
Ensaio de Compressão 
• O ensaio de compressão é conduzido de maneira semelhante 
(temperatura, velocidade de deformação, material, ambiente) à do 
ensaio de tração, porém a força aplicada é compressiva (contração) 
• O cálculo de s e é similar ao do ensaio de tração; 
força/tensão/deformação de compressão (negativa) 
• Muitos materiais têm comportamento sob tração e sob compressão 
semelhantes, exceto muitos polímeros e compósitos 
10 
Tensão e Deformação – 
Ensaio de Compressão 
• O ensaio de compressão é utilizado para 
– Estudo do comportamento do material sob deformações grandes 
e permanentes; 
– Estudo de materiais frágil sob tração (baixa straçao; trincas); 
indústria de construção civil (considerando, também, o teor de 
água contido nos corpos-de-prova); cerâmicas 
– Estudo estatístico do comportamento mecânico de diferentes 
materiais, concreto, madeira, compósitos, materiais frágeis 
– Estudo paramétrico de processos de conformação, laminação, 
forjamento, extrusão, etc. 
– Análise do modo de deformação (flambagem, cisalhamento, 
abaulamento) 
11 
Tensão e Deformação – 
Ensaios de Cisalhamento 
• Ensaio de Cisalhamento 
 tan
0A
F

Tensão de 
cisalhamento 
Deformação de 
cisalhamento 
12 
08/05/2012 
4 
 
Inclinação = 
Módulo de elasticidade 
Descarga 
Carga 
Deformação 
T
en
sã
o
 
Propriedades Elásticas 
• Deformação elástica: a peça retorna à sua forma original 
após liberada a carga aplicada 
• Tensão e deformação são proporcionais entre si (Lei de 
Hooke) 
s = E e 
Módulo de Elasticidade ou 
Módulo de Young (GPa); 1 GPa = 109 N/m2 = 103 MPa 
Resistência à separação de átomos adjacentes 
(forças de ligação interatômicas) 
Rigidez do material 
13 
z
y
z
x
e
e
e
e
 
Deformação Elástica 
x0
x
l
2/lx
2
e

x 
y z 
sz 
sz 
lx / 2 
l0x 
l0z 
 
lz / 2 
z
z
l
lz
0
2/
2


e
Coeficiente de Poisson 
Rigidez do material na direção 
perpendicular à direção de 
aplicação da carga 
14 
Deformação Elástica 
Deformação Reversível 
lei de Hooke 
Elástica linear 
Elástica não linear 
15 
Relação entre Coeficiente de Poisson e 
Módulo Elástico 
)1(2  GE
Onde G = módulo de cisalhamento 
 


G
 G
16 
08/05/2012 
5 
Exercício 
Uma tensão de tração deve ser aplicada ao longo do eixo do 
comprimento de uma barra cilíndrica de latão, que tem um 
diâmetro de 10 mm. Determine a magnitude da carga 
necessária para produzir uma variação de 2,5x10-3 mm 
no diâmetro se a deformação é puramente elástica. O 
módulo de elasticidade e coeficiente de Poisson do latão são, 
respectivamente, 97 GPa e 0,34. 
17 
Propriedades Plásticas 
• Deformação plástica: a peça sofre uma deformação 
permanente após liberada a carga aplicada 
• Tensão e deformação não são proporcionais entre si 
s = K en 
Constante de proporcionalidade 
Coeficiente de encruamento 
Escoamento 
aumento relativamente grande na deformação, 
acompanhado por uma pequena variação na tensão 
 
Elástico 
T
e
n
sã
o
 
Deformaç ão 
P 
 
s e 
P lástico 
18 
Propriedades Plásticas 
T
e
n
sã
o
 
Deformação 
0,002 
se 
Escoamento 
imperceptível 
P 
 
Deformação 
T
en
sã
o
 
se 
Limite de escoamento 
inferior 
Limite de escoamento 
superior 
Escoamento 
Nítido 
(discordâncias) 
Limite de Escoamento (MPa) 
Resistência à deformação plástica 
19 20 
Comportamento plástico Comportamento elástico 
Comportamento elástico 
 Deformação reversível 
 Relação linear entre tensão e deformação 
 Propriedades 
 Limite de proporcionalidade (LP) 
 Limite de elasticidade 
Diagrama tensão-deformação 
convencional 
Ex. Aço 
Comportamento plástico 
 Deformação irreversível 
 Relação não linear entre tensão e 
deformação 
 Propriedades 
 Tensão ou limite de escoamento (LE) 
 Limite de resistência à tração (LRT) 
 Tensão de ruptura (TR) 
 Escoamento 
Encruamento 
 Encruamento 
Estricção  Estricção 
LE 
LP 
LRT 
TR 
s 
e 
Limite de elasticidade 
08/05/2012 
6 
Propriedades de Tração 
E: limite de escoamento (LE) 
 
M: limite de resistência à tração (LRT); 
 tensão máxima que pode ser suportada 
 
F: tensão na ruptura (TR) ; deformação na fratura ou 
alongamento total (eT) 
21 
Propriedades Plásticas 
• Ductilidade 
– Grau de deformação plástica suportado pelo material até a fratura 
• Material frágil (experimenta pouca deformação) 
• Material dúctil (experimenta considerável deformação) 
– Utilidade em projetos e em operações de fabricação 
Frágil 
Dúctil 
Deformação 
T
e
n
s
ã
o
 
(%)100l
llAL
0
0f 





 

Alongamento 
lf : Comprimento 
final após fratura 
l0 : Comprimento 
inicial 
(%)100A
AARA
0
f0 





 

Estricção (redução de área) 
Af : Área final apósfratura 
A0 : Área inicial 22 
Resiliência 
• Resiliência 
– Capacidade do material de 
absorver energia durante a 
deformação e devolve-la após o 
descarregamento 
• Módulo de Resiliência (Ur) 
– Energia de deformação por 
unidade de volume necessária 
para submeter um material à 
tensão, desde o estado inicial 
(sem carga) até o escoamento 
23 

l
dUr
e
es
0
Área sob a curva se de 
engenharia calculada 
até o escoamento 
sl 
el 
EE
U lllllr
2
2
1
2
1
2
1 ssses 






[J/m3] 
Material resiliente possue 
LE elevado e E pequeno 
Tenacidade • Tenacidade 
– Capacidade de um material de 
absorver energia até a fratura 
• Fatores que afetam a 
tenacidade 
– Geometria do corpo-de-prova 
– Método de aplicação da carga 
24 
Área sob a curva se de 
engenharia até o ponto 
de fratura 
Frágil 
Dúctil 
Deformação 
T
e
n
s
ã
o
 
Tenacidade 
Material tenaz exibe resiliência e ductilidade 
08/05/2012 
7 
Propriedades Mecânicas Típicas de 
Metais e Ligas 
Liga 
metálica 
Módulo do 
elasticidade, E 
(GPa) 
Coeficiente 
de Poisson, 
 
Limite de 
escoamento, LE 
(MPa) 
Limite de 
resistência, LR 
(MPa) 
Ductilidade, 
AL 
(%) 
Alumínio 69 0,33 35 90 40 
Cobre 110 0,34 69 200 45 
Latão 
(70Cu-30Zn 
97 0,34 75 300 68 
Níquel 207 0,31 138 480 40 
Aço 207 0,30 180 380 25 
Titânio 107 0,34 450 520 25 
25 
Tensão Verdadeira e 
Deformação Verdadeira 
i
v
A
F
s
0
ln
l
li
v e
)1ln(
)1(
ee
ess


v
v
n
vv Kes 
26 
Comportamento Elástico após 
Deformação Plástica 
27 
Exercício 
Dentre os materiais listados na tabela abaixo, 
(a) Qual irá apresentar a maior redução percentual em 
área? Explique 
(b) Qual é o mais resistente? Explique 
(c) Qual é o mais rígido? Explique 
Material LE (MPa) LRT (MPa) eT TR (MPa) E (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 
28 
08/05/2012 
8 
Exercício 
Um corpo-de-prova cilíndrico fabricado em aço e com 
diâmetro inicial de 12,8 mm é ensaiado sob tração até a 
sua fratura, obtendo-se uma tensão de engenharia na 
fratura de 460 MPa. Se o diâmetro de sua seção 
transversal no momento da fratura é de 10,7 mm, 
determine: 
 
(a) A ductilidade em termos da redução percentual na 
área 
(b) A tensão verdadeira na fratura 
29 
Dureza 
• Resistência à deformação localizada 
(ao risco ou à formação de uma marca 
permanente) 
– Área, profundidade ou largura da 
impressão residual (marca ou risco) 
medida e correlacionada com um valor 
numérico (dureza do material) 
– Vários métodos de dureza com aplicações 
específicas recomendáveis 
– Faixa de cargas de 100 N – 0,1 mN 
– Penetradores com formato padronizado 
– Condições específicas de pré-carga e 
carga 
– Correlação entre dureza e resistência 
mecânica 
– Tabela de conversões de durezas 
30 
Métodos para determinar a dureza 
• Dureza por risco 
• Dureza dinâmica por rebote 
• Dureza quase-estática por penetração 
31 
Dureza por risco 
• Habilidade de um material de riscar outro material ou de ser riscado 
por outro sólido 
• Pouco utilizado nos materiais metálicos 
• Maior aplicação no campo da mineralogia 
• Ensaios de dureza por risco 
– Dureza Mohs 
– Diamante (10) risca todos o outros minerais 
– Zafira (9) risca os que seguem 
– Talco - Silicato de Magnésio (1) 
– Metais (4 - 8) 
32 
08/05/2012 
9 
Dureza por rebote 
• Energia de deformação consumida para formar a marca 
• Altura alcançada no rebote de um êmbolo com ponta de diamante 
• Ensaios de dureza por rebote 
– Dureza Shore 
• Peças grandes 
• Ensaios em campo 
• Altas temperaturas 
 
33 
Dureza por penetração (ou indentação) 
• É uma medida da deformação plástica essencialmente e da 
deformação elástica em menor extensão 
 
• Calculada pela carga máxima dividida pela área da impressão 
 
• Depende do tempo de carregamento, temperatura e de outras 
condições do meio de operação 
 
34 
Faixas de cargas do ensaio de 
indentação 
100 N 10 mN 0,1 mN 
Macrodureza Microdureza Nanodureza 
1 mN 10 N 
Independente da carga Dependente da carga 
Deformação plástica 
predominante 
Influência significativa da 
deformação elástica 
500 mm 5 - 20 nm 2 - 20 mm 
35 
Macrodureza convencional 
Brinell (# HB) 
• Indentador esférico 
• Aço temperarado (HBs) 
• WC (HBw) 
• Ensaio 
– 1 – 15 s 
– Tabela de valores 
• ASTM E-10-93/ NBR 6394 
• Aplicações 
– Componentes fundidos, forjados e 
laminados 
)dDD)(D(
P2102,0HB 22 


P (N) 
D (mm2) 
36 
08/05/2012 
10 
Macrodureza convencional 
Rockwell (# HR”C”) 
• Indentador 
– Esfera de aço 
– Cone de diamante 
• Ensaio 
– Comum 
– Superficial 
– Tabela de valores 
• ASTM E-18-94/ NBR 6671 
• Aplicações 
– Metais(ferrosos, não 
ferrosos, forjados fundidos), 
plásticos, borracha, madeira 
– Superfícies 
Profundidade de penetração é 
correlacionada a um número 
(leitura direta na escala da 
máquina) 
)pp()CC(HR 021 
37 
Macrodureza convencional 
Vickers (# HV) 
• Indentador 
– Pirâmide de diamante 
• Ensaio 
– HV independe da carga 
– Tabelas de conversão 
• NBR 66-72 
• Aplicações 
– Metais 
– Corpos-de-prova finos, 
pequenos e irregulares 
P (N; kfg) 
D (mm2) 
2
2
d
P
189,0
d
)2/(senP22102,0
HV




HV (kfg/mm2) ou GPa 
38 
Correlação entre dureza e resistência 
mecânica 
• Dureza Brinell 
– Estimativa da resistência de um 
material 
– Correlação usada quando não se 
dispõe de um máquina de 
ensaio de tração ou situação 
inversa 
– Aplicável para HB < 380 
 
 
a ≈ 3,6 – 5,20 
• Dureza Vickers 
 
– A dureza pode também ser 
correlacionada com o limite de 
proporcionalidade 
 
 
 
b ≈ 0,3 – 3,0 
HBu as 
HVp bs 
39 
Conversão de dureza Rockwell em 
dureza Brinell 
)dDD)(D(
P2102,0HB 22 


)pp()CC(HR 021 
)HB(D
PPCCHR 021 


40 
08/05/2012 
11 
Tabela de conversões de dureza 
Rockwell C 
HRC 
Brinell 
HB 
Vickers 
HV 
65 739 832 
50 481 513 
25 253 266 
41 
Microdureza convencional 
Vickers e Knoop 
• Determinação da dureza de pequenas áreas do corpo-de-
prova 
– Gradiente de dureza de camadas superficiais (tratamento térmico), 
revestimentos, tintas 
– Microconstituintes 
– Zona termicamente afetada (ZTA) em soldas 
– Materiais frágeis (vidro) 
• Ensaio 
– Penetradores de diamante 
– Microscópio óptico 
– Cargas menores que 1 kgf 
42 
Microdureza convencional 
Vickers e Knoop 
22p l
P23,14
cl
P
A
PHK 
(d1:d2=1:1) 
Knoop 
Vickers 
2
2
d
P
189,0
d
)2/(senP22102,0
HV




(l:b = 7:1) 
43 
Microdureza de microconstituintes 
A 
A – Bainita - 458 HV 
HV (50 gf) 
HV 0,5 
B – Austenita - 434 HV 
B 
C – Martensita - 539 HV 
C 
E – Perlita - 390 HV 
E 
D – Carboneto M7C3 -1730 HV 
D 
44 
08/05/2012 
12 
Resumo 
Propriedades Mecânicas dos Materiais 
• Metais 
– Tensão e deformação (ensaio de tração) 
• Tensão e deformação de engenharia 
• Tensão e deformação verdadeiras 
• Curva tensão-deformação 
– Propriedades elásticas 
• Relação tensão-deformação 
• módulo de elasticidade, coeficiente de Poisson 
• Relação entre coeficiente de Poisson e módulo de elasticidade45 
Resumo 
Propriedades Mecânicas dos Materiais 
• Metais (cont.) 
– Propriedades plásticas 
• Escoamento 
• Relação tensão-deformação 
• Limite de escoamento 
• Coeficiente de encruamento 
• Limite de resistência à 
tração 
• Ductilidade/Fragilidade 
– Alongamento 
– Estrição 
• Resiliência 
• Tenacidade 
 
 
• Dureza por penetração 
– Rockell 
– Brinell 
– Vickers 
– Knoop 
• Correlação dureza – resistência 
mecânica 
 
46 
Bibliografia 
• Callister, W.D.; “Ciência e Engenharia de Materiais: 
Uma Introdução”. 7ed., 2002. 
– Cap. 6 p. 98-128 
47