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Universidade Tecnológica Federal do Paraná Princípios de Resistência dos Materiais Prof. Marlos Wander Grigoleto PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e fabricação do componente. As propriedades mecânicas definem o comportamento do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados sem romper e sem se deformar de forma incontrolável. Principais Propriedades Mecânicas Resistência à tração Elasticidade Ductilidade Fluência Fadiga Dureza Tenacidade,.... Tipos de tensões que uma estrutura está sujeita Tração Compressão Cisalhamento Torção Como determinar as Propriedades Mecânicas? A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos. Utiliza-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria o ideal. Geralmente, usa-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis. Normas Técnicas As Normas Técnicas mais comuns são elaboradas pelas: ASTM (American Society for Testing and Materials) ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) 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 Resistência ao desgaste Resistência à fadiga Dureza Resistência à tração É medida submetendo-se o material à uma carga ou força de tração, paulatinamente crescente, que promove uma deformação progressiva de aumento de comprimento. Esquema de máquina para ensaio de tração - Partes básicas Sistema de aplicação de carga dispositivo para prender o corpo de prova Extensiômetro: sensor que permite medir a tensão aplicada e a deformação promovida. Onde: σ é dado em N/ mm2 (MPa) A é a área inicial da seção reta transversal F é a Força ou carga Como efeito da aplicação de uma tensão tem-se a deformação (variação dimensional), que pode ser expressa como: onde l0 - comprimento inicial lf - comprimento final ɛ - deformação (adimendional) Lei de Hooke: σ = E ɛ A Deformação pode ser: Elástica e Plástica Lei de Hooke A lei de hooke supõe que os materias tenham um comportamento perfeitamento elástico e enuncia que a deformação apresentada por um material é diretamente proporcional à tensão nele aplicada. 00 0 l l l ll f Limite de Resistência à tração Desta forma, sempre que considerarmos a região elástica expressa no diagrama tensão X deformação, e esta região apresentar uma linha retilinia (comportamento linear) dis-se que o material analizado obedece a lei de Hooke. Deformação elástica Precede à deformação plástica É reversível Desaparece quando a tensão é removida É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke) Deformação plástica É provocada por tensões que ultrapassam o limite de elasticidade É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida Elástica Plástica Informações que podem ser obtidas das curvas x Módulo de elasticidade ou Módulo de Young: E E= / =Kgf/mm2 Curva característica de um material dúctil, pois apresenta além da deformação elástica, a capacidade de deformar-se plasticamente, até o limite de tensão de ruptura, onde o material rompe. Regiões: ● Regime elástico: Região onde acontece uma deformação elástica, proporcional a intensidade da força aplicada, ali, cessando a força o material volta a sua forma original sem deformações permanentes. ● Escoamento: O escoamento é o fenômeno caracterizado pela deformação permanente do material sem que haja aumento de carga, fenômeno que antecede o regime plástico. ● Regime plástico: Região onde o material sofre deformação plástica, com o aumento da força aplicada as transformações no material são permanentes. ● Encruamento (estricção): Ponto do ensaio onde ocorre significativa redução na área do corpo de prova, quanto mais dúctil foi o material maior será a região de estricção. ● Limite de resistência: É o maior valor de tensão que o material eé capaz de suportar. É o quociente entre a tensão aplicada e a deformação elástica resultante. Está relacionado com a rigidez do material ou à resist. à deformação elástica Está relacionado diretamente com as forças das ligações interatômicas Comportamento não-linear ● Ruptura: Ponto limite do material, momento onde ocorre o rompimento do corpo de prova. Módulo de Elasticidade para alguns Metais Metal (a 20 °C) Módulo de Elasticidade E GPa Módulo de Elasticidade E Kgf/mm2 Alumínio 70,3 7140 Cádmio 49,9 5040 Cromo 279,1 28350 Cobre 129,8 13160 Ouro 78 7910 Ferro 211,4 21420 Magnésio 44,7 4550 Niquel 199,5 20230 Prata 82,7 8400 Titaneo 115,7 11760 Tungstênio 411,0 41720 Vanadio 127,6 12950 Comportamento não-linear Alguns metais como ferro fundido cinzento, concreto e muitos polímeros apresentam um comportamento não linear na parte elástica da curva tensão x deformação CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE MÓDULO DE ELASTICIDADE Como consequência do módulo de elasticidade estar diretamente relacionado com as forças interatômicas: Os materiais cerâmicos têm alto módulo de elasticidade, enquanto os materiais poliméricos têm baixo Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade diminui Limite de elasticidade Corresponde à máxima tensão que o material suporta sem sofrer deformação permanente O comportamento elástico também é observado quando forças compressivas, tensões de cisalhamento ou de torção são impostas ao material. O fenômeno de escoamento Esse fenômeno é nitidamente observado em alguns metais de natureza dúctil, como aços baixo teor de carbono. Caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga. Outras informações que podem ser obtidas das curvas tensão x deformação como mostram os gráficos abaixo: • De acordo com a curva “a”, onde não se observa nitidamente o fenômeno de escoamento •Alguns aços e outros materiais exibem o comportamento da curva “b”, ou seja, o limite de escoamento é bem definido: o material escoa (deforma-se plasticamente) sem praticamente aumento da tensão. Neste caso, geralmente a tensão de escoamento corresponde à tensão Não ocorre escoamento propriamente dito Escoamento (a) (b) máxima verificada durante a fase de escoamento onde não se observa nitidamente o fenômeno de escoamento, a tensão de escoamento corresponde à tensão necessária para promover uma deformação permanente de 0,2% ou outro valor especificado (obtido pelométodo gráfico indicado na figuara abaixo) Resistência à Tração - σ T (MPa) Corresponde à tensão máxima aplicada ao material antes da ruptura É calculada dividindo-se a carga máxima suportada pelo material pela área de seção reta inicial Tensão de Ruptura - σ R (Mpa) Corresponde à tensão que promove a ruptura do material O limite de ruptura é geralmente inferior ao limite de resistência em virtude de que a área da seção reta para um material dúctil reduz-se antes da ruptura Ductilidade Corresponde à elongação total do material devido à deformação plástica %elongação= (lf-lo/lo)x100 (Onde lf corresponde ao comprimento final após a ruptura) Ductilidade expressa como alongamento %elongação= (lf-lo/lo)x100 Como a deformação final é localizada, o valor da elongação só tem significado se indicado o comprimento de medida R T Ductilidade expressa como estricção Corresponde à redução na área da seção reta do corpo, imediatamente antes da ruptura Os materiais dúcteis sofrem grande redução na área da seção reta antes da ruptura Estricção= (área inicial-área final)/área inicial Resiliência Corresponde à capacidade do material de absorver energia quando este é deformado elasticamente A propriedade associada é dada pelo módulo de resiliência (Ur) Ur= y 2/2E Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para molas) Tenacidade Corresponde à capacidade do material de absorver energia até sua ruptura Outras Propriedades Mecânicas importantes Resistência ao impacto (os testes serão vistos nas aulas práticas) Dureza (os testes serão vistos nas aulas práticas) Fluência Fratura Fadiga
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