tec04 Propriedades Mecânicas dos Metais

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01
UNIDADE
IV
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS 
METAIS
CONTEÚDO DESTA UNIDADE
Introdução.
Conceitos de Tensão e Deformação.
Ensaio de Tração
Curva Tensão-Deformação.
Lei de Hooke.
Escoamento.
Limite de Resistência à Tração.
Estricção, Ductilidade..
Resiliência e Tenacidade.
Dureza.
Ensaios de Dureza. 
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INTRODUÇÃO
Quando em serviço, os componentes mecânicos de máquinas e estruturas estão submetidos à ação de esforços ou cargas.
O projeto adequado desses componentes exige o conhecimento do COMPORTAMENTO MECÂNICO ou das PROPRIEDADES MECÂNICAS dos materiais de que são fabricados.
As propriedades mecânicas definem o comportamento ou as respostas do material à ação de esforços mecânicos.
Algumas propriedades mecânicas importantes: 
RESISTÊNCIA MECÂNICA (À TRAÇÃO, À COMPRESSÃO, À TORÇÃO, À FLEXÃO, AO IMPACTO ...).
DUCTILIDADE.
DUREZA.
RESILIÊNCIA.
TENACIDADE.
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Introdução
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Os esforços mecânicos podem variar muito: 
QUANTO À VELOCIDADE DE APLICAÇÃO: 
LENTA E GRADUAL: o esforço é dito ESTÁTICO (TRAÇÃO e COMPRESSÃO).
 REPENTINA (CHOQUE): o esforço é dito DINÂMICO. 
QUANTO AO TIPO DE ESFORÇO APLICADO:
TRAÇÃO.
CISALHAMENTO.
QUANTO AO MODO DE APLICAÇÃO: 
CONSTANTES.
VARIÁVEIS: repetindo-se ao longo do tempo (FADIGA).
O comportamento do material é afetado ainda pelas CONDIÇÕES AMBIENTES: temperatura, tipo de atmosfera.
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Introdução
As propriedades mecânicas dos materiais são determinadas através de ensaios ou experimentos de laboratório, cuidadosamente elaborados.
Sociedades técnicas como ABNT brasileira, a ASTM e a SAE americanas e a DIN alemã e a estabelecem as normas de execução desses ensaios.
Os ensaios mecânicos são realizados não apenas para se medir as propriedades dos materiais, como também para:
Realizar comparações entre diversos materiais.
Avaliar a influência de fatores como condições de fabricação, tratamentos térmicos sobre as propriedades dos materiais.
Determinar o material mais adequado para uma determinada aplicação.
Verificar se determinado material atende às especificações de fabricação.
Os ensaios fazem parte da rotina não apenas de laboratórios de pesquisa como também das empresas, sendo realizados em amostras representativas, de forma e dimensões específicas, os CORPOS DE PROVA. 
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CONCEITOS DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO
Para se determinar o comportamento mecânico de um material, aplicam-se cargas (forças) sobre corpos de prova.
É importante o valor da força aplicada, mas também o da ÁREA do corpo de prova em que essa força atua.
TENSÃO: definida com FORÇA POR UNIDADE ÁREA. É medida em N/m2 (Pa), kgf/mm2, psi (“pounds per square inch”, libra-força por polegada quadrada).
DEFORMAÇÃO: mudança na forma (dimensional) do corpo, provocada pela aplicação da carga.
RESISTÊNCIA: carga máxima suportada pelo material sob determinado esforço.
DUCTILIDADE: capacidade do material de se deformar plasticamente em um ensaio de tração.
MATERIAL FRÁGIL: não-dúctil, que muito pouco se deforma plasticamente ou que mesmo não sofre deformação plástica. 
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CONCEITOS DE TENSÃO E DEFORMAÇÃO: TRAÇÃO
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COMPRESSÃO
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CISALHAMENTO
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ENSAIO DE TRAÇÃO
Consiste em se submeter um corpo de prova a uma carga crescente de tração, ao mesmo tempo em que se registra a carga instantânea aplicada e a conseqüente deformação do material. Essas informações são registradas na forma de um GRÁFICO TENSÃO-DEFORMAÇÃO.
Permite a avaliação de diversas propriedades mecânicas importantes dos materiais.
Utiliza um corpo de prova PADRÃO ou produtos de forma adequada (fios, barras, chapas delgadas).
É um ensaio DESTRUTIVO (o corpo de prova é deformado de modo permanente ou levado a ruptura).
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Ensaio de tração
Inicialmente, o corpo de prova é deformado ELASTICAMENTE.
Atingido um determinado nível de tensão, característico do material, inicia-se a deformação PLÁSTICA. Esse fenômeno é denominado ESCOAMENTO.
A tensão necessária para se continuar deformando o corpo de prova aumenta, até que se atinge um valor máximo, o LIMITE DE RESITÊNCIA À TRAÇÃO. A tensão decresce então até que ocorre a ruptura do corpo de prova. 
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Deformação
Tensão
Ruptura do corpo de prova
Ensaio de tração
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ENSAIO DE TRAÇÃO: TENSÃO E DEFORMAÇÃO 
TENSÃO DE ENGENHARIA ou NOMINAL (): 
Onde
F: carga instantânea aplicada perpendicularmente à área da seção reta do corpo (N, kgf, lbf).
A0: área da seção reta inicial (m2, mm2, pol2).
DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA ou NOMINAL ():
Onde:
l0: comprimento inicial do corpo.
lf: comprimento final do corpo.
l: alongamento. 
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LEI DE HOOKE
A maioria dos materiais, quando deformados ELASTICAMENTE, obedecem à LEI DE HOOKE que estabelece: TENSÃO () E DEFORMAÇÃO () SÃO DIRETAMENTE PROPORCIONAIS:
Ou ainda,
A constante de proporcionalidade E é uma propriedade do material denominada MÓDULO DE ELASTICIDADE ou MÓDULO DE YOUNG, expresso em unidades de força sobre área, MPa, kgf/mm2, psi.
O módulo de elasticidade é uma medida da RIGIDEZ e da FORÇA DE LIGAÇÃO entre os átomos do material.
O módulo de elasticidade não é afetado por tratamentos térmicos, embora diminua com o aumento da temperatura.
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Lei de Hooke
O módulo de elasticidade é igual à INCLINAÇÃO DA CURVA x: 
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 (DEFORMAÇÃO)
 (TENSÃO)
1
2
1
2

E = tan()
CARREGAMENTO
DESCARREGAMENTO

E1 > E2
1
2

Material 1 é MAIS RÍGIDO.
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MÓDULO DE ELASTICIDADE X TEMPERATURA
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EXEMPLO 01
SOLUÇÃO: como a deformação é elástica, a lei de Hooke é válida:
Tem-se para o cobre: E = 110 GPa = 110 X 103 MPa. Da definição de deformação,  = l/l0, logo: 
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Uma amostra de cobre originalmente com 305 mm de comprimento é tracionada com uma tensão de 276 MPa. Se a sua deformação é inteiramente elástica, qual será o alongamento resultante?
l = 0,77 mm
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MÓDULO DE ELASTICIDADE PARA ALGUNS METAIS E LIGAS
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ESCOAMENTO
Terminada a fase elástica, tem início a DEFORMAÇÃO PLÁSTICA (PERMANENTE) do material. É o fenômeno do ESCOAMENTO. 
É muito importante o conhecimento da tensão em que se inicia a deformação plástica, denominada TENSÃO DE ESCOAMENTO.
A transição elástico-plástico pode ser 
 GRADUAL: o início do escoamento pode ser determinado pelo:
LIMITE DE PROPORCIONALIDADE OU DE ELASTICIDADE: ponto onde a curva tensão-deformação se afasta da linearidade.
LIMITE DE ESCOAMENTO CONVENSIONAL: tensão que provoca deformação plástica de 0,002.
DESCONTÍNUA: o escoamento é nítido, marcado pelo LIMITE DE ESCOAMENTO SUPERIOR e LIMITE DE ESCOAMENTO INFERIOR. Fenômeno observado em alguns aços. 
A TENSÃO LIMITE DE ESCOAMENTO REPRESENTA A RESISTÊNCIA DO MATERIAL À DEFORMAÇÃO PLÁSTICA.
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O FENÔMENO DO ESCOAMENTO
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Deformação
Elástico
Plástico
Tensão
0,002
P
Deformação
Tensão
Limite de escoamento superior
Limite
de escoamento inferior
e
e
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LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
Após o início da deformação plástica, a tensão necessária para continuar deformando o material aumenta até um valor máximo, o LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (LRT).
O limite de resistência à tração é a tensão no ponto MÁXIMO da curva tensão x deformação, sendo igual a CARGA MÁXIMA dividida pela área da seção transversal ORIGINAL do corpo de prova.
O LRT corresponde a MAIOR TENSÃO que uma estrutura pode suportar sob tração, SEM FRATURAR.
Até esse ponto, a área da seção transversal do corpo de prova se deforma de modo uniforme ao longo do seu comprimento.
Quando a tensão do ensaio atinge o LRT, há uma redução localizada da seção transversal do corpo de prova, ou EMPESCOÇAMENTO ou ESTRICÇÃO.
O LRT pode variar desde 50 MPa, para o alumínio, até 3.000 MPa, para aços de elevada resistência.
A tensão em que ocorre a ruptura é a TENSÃO DE RUPTURA.
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Limite de resistência à tração
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Tensão de ruptura
EXEMPLO 02
A partir do comportamento tensão-deformação em tração para a amostra de latão mostrada na figura seguinte, determine: 
O módulo de elasticidade.
A tensão limite de escoamento a um nível de pré-deformação de 0,002.
A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de prova cilíndrico com um diâmetro inicial de 12,8 mm.
A variação do comprimento de um corpo de prova originalmente com 250 mm que é submetido a uma tensão de tração de 345 MPa.
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SOLUÇÃO
Módulo de elasticidade (E): 
150
0,0016
250
450
345
0,06
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Limite de escoamento:
0,002
E  250 MPa
l para l0 = 250 mm e  = 345 MPa: 
Carga máxima suportada por um corpo de prova (d0 = 12,8 mm):
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RECUPERAÇÃO ELÁSTICA DURANTE A DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
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DUCTILIDADE
É uma medida do grau de deformação plástica suportado até a fratura.
MATERIAL FRÁGIL: suporta muito pouca ou nenhuma deformação plástica.
MEDIDAS DE DUCTILIDADE: 
ALONGAMENTO PERCENTUAL APÓS A RUPTURA (%AL):
Onde lf: comprimento após a ruptura.
 l0: comprimento inicial do corpo de prova. 
ESTRICÇÃO ou REDUÇÃO DE ÁREA APÓS A RUPTURA (%RA):
Onde Af: área da seção reta após a ruptura.
 A0: área inicial da seção reta do corpo de prova.
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MATERIAIS FRÁGEIS X MATERIAIS DÚCTEIS
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Representação esquemática do comportamento tensão x deformação de materiais frágeis e dúcteis.
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TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA
TENSÃO VERDADEIRA (V):
Onde:
F: carga instantânea.
Ai: área da seção reta instantânea do corpo de prova.
DEFORMAÇÃO VERDADEIRA (V):
Onde:
li: comprimento instantâneo do corpo de prova.
l0: comprimento inicial do corpo de prova.
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Tensão verdadeira e deformação verdadeira
Se não houver variação de volume do corpo de prova durante a deformação (Aili = A0l0) pode-se demonstrar as seguintes relações entre tensão verdadeira e tensão de engenharia e entre deformação verdadeira e deformação de engenharia:
As relações acima são válidas SOMENTE ATÉ O EMPESCOÇAMENTO. 
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Tensão verdadeira e deformação verdadeira
Comportamento tensão-deformação verdadeira e tensão-deformação de engenharia em tração. Os pontos M e M’ correspondem ao início do empescoçamento.
Na prática da engenharia, empregam-se a tensão e a deformação de engenharia ou nominal. A tensão e a deformação verdadeiras são utilizadas em pesquisa.
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Capacidade do material absorver energia na região elástica e depois devolvê-la, com o descarregamento.
MÓDULO DE RESILIÊNCIA (Ur): energia por unidade de volume (J/m3) necessária para deformar o material desde o estado de tensão nula até o seu limite de escoamento. É igual à ÁREA SOB A CURVA  ×  ATÉ O LIMITE DE ESCOAMENTO.
SE A REGIÃO ELÁSTICA É LINEAR:
MATERIAIS RESILIENTES:
ELEVADO LIMITE DE ESCOAMENTO.
BAIXO MÓDULO DE ELASTICIDADE.
RESILIÊNCIA
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Capacidade do material absorver energia até a sua fratura.
CARREGAMENTO ESTÁTICO: é representada pela área abaixo do diagrama tensão x deformação.
CARREGAMENTO DINÂMICO COM ENTALHE: é representada pela energia absorvida no ensaio de impacto.
MATERIAL TENAZ:
RESISTÊNCIA ELEVADA.
DUCTILIDADE ELEVADA. 
TENACIDADE
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RESILÊNCIA X TENACIDADE
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Deformação
Tensão
ENSAIO DE TRAÇÃO: OBSERVAÇÕES FINAIS 
A resistência à tração, assim como outras propriedades mecânicas, depende de uma série de fatores:
 Do metal ou liga; 
 Do teor de impurezas (elementos de liga);
Das condições de fabricação e de tratamento;
De fatores externos, como temperatura.
Os resultados obtidos em um ensaio de tração permitem ao engenheiro ou projetista:
Conhecer a resistência do material à deformação plástica.
Conhecer a carga máxima que o material pode suportar sem que haja ruptura.
Além disso, foram desenvolvidas relações entre resistência à tração e outras propriedades mecânicas importantes.
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DUREZA
Resistência do material à deformação plástica localizada ou à penetração.
ESCALA DE MOHS: primeira escala de dureza, baseada na capacidade de um material riscar outro mais macio. Varia de 1 (talco) até 10 (diamante). É empregada pelo MINERALOGISTAS.
A dureza dos metais é determinada através de ENSAIOS DE DUREZA, em que um penetrador (ESFERA, PIRÂMIDE ou TRONCO DE PIRÂMIDE) é forçando contra a superfície da amostra a ser testada, medindo-se a seguir o tamanho ou a profundidade da impressão resultante. O equipamento utilizado é o DURÔMETRO.
Os ensaios de dureza são os mais realizados pois:
São simples e baratos.
Não são destrutivos.
Permitem que se estime outras propriedades mecânicas importantes.
Ensaios de dureza mais importantes:ROCKWELL, BRINELL e VICKERS.
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ENSAIO DE DUREZA BRINELL
Foi o primeiro ensaio grandemente aceito e padronizado (data de 1900).
Emprega um penetrador esférico. A dureza Brinell (HB) é obtida pelo quociente da carga aplicada sobre a área da impressão obtida: 
O cálculo da dureza é simplificado pelo uso de tabelas, as quais fornecem diretamente o valor da dureza em função da carga e do diâmetro do penetrador.
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Ensaio de dureza Brinell
Originalmente, a carga empregada era de 3.000 kgf e o diâmetro D da esfera, de 10 mm. 
Condições para o uso de outras cargas e outros diâmetros de esferas (para que HB1 = HB2 = ... HBn):
Com 
Onde G é uma constante empírica que depende do material.
Limitações do ensaio Brinell:
Não pode ser utilizado em peças muito finas.
Não é aplicável em materiais de dureza igual ou maior do que as esferas. 
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ENSAIO DE MICRODUREZA VICKERS
Adequado para medir a dureza de regiões pequenas do corpo de prova.
Penetrador empregado: PIRÂMIDE DE DIAMANTE DE BASE QUADRADA.
Utiliza cargas muito menores do que os ensaios Brinell e Rockwell (de 1 a 1.000 g).
A dureza Vickers (HV) é dada pela relação: 
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ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL
Método mais utilizado, pois é muito simples, não exigindo nenhuma habilidade especial do operador.
Utiliza vários penetradores e cargas, cujas combinações formam diferentes escalas, adequadas para cada metal e liga. A escala é representada por uma letra do alfabeto, a qual identifica o penetrador utilizado (esferas de diversos diâmetros e cone de diamante). Exemplos:
Escala C (HRC): carga de 150 kgf sobre um cone de diamante de 120º.
Escala B (HRB): carga de 100 kgf sobre uma esfera de 1/16 pol.
A dureza do material é medida por um índice determinado a partir da PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO resultante da aplicação de uma carga inicial menor, seguida por outra maior. A dureza é indicada por esse índice (número) seguido do símbolo da escala. Exemplo: 80 HRB. 
Há dois tipos de ensaios:
ROCKWELL: carga menor de 10kg; carga maior de 60, 100 ou 150 kg.
ROCKWELL SUPERFICIAL: carga menor de 3 kg, carga maior de 15, 30 e 45 kg. Realizado em corpos de prova mais finos.
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Ensaio de dureza rockwell
Seqüência do ensaio: 
Aplicação da carga inicial ou pré-carga (F0).
Aplicação da carga complementar (F1).
Carga principal (F = F0 + F1).
O valor da dureza é lido diretamente 
 do durômetro.
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CONVERSÃO DE DUREZA
Não existe um sistema de conversão geral entre as diversas escalas. Isso se deve:
Às diferenças experimentais entre as diversas técnicas.
Ao fato de que a dureza não é uma propriedade bem definida.
Quando a conversão é possível, ela é determinada experimentalmente e os dados dependem do material.
Os dados de conversão mais confiáveis são os do aços. Tabelas de conversão detalhadas para outros metais podem ser encontradas na norma ASTM E 140: “Standard Hardness Conversion Tables for Metals”. 
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CORRELAÇÃO ENTRE DUREZA E LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO
Para alguns metais (aços, ferros fundidos, latão) a dureza e o LRT são praticamente proporcionais.
Para AÇOS-CARBONO e AÇO-LIGA DE MÉDIO TEOR DE LIGA, vale a relação APROXIMADA:
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EXERCÍCIOS SUGERIDOS
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Questões do livro texto “TECNOLOGIA MECÂNICA, Estrutura e Propriedades
das Ligas Metálicas”, VOL I, Vicente Chiaverini:
CAPÍTULOS V a VI: 1 até 6, 9 até 13.
CAPÍTULOS IX a XI: 3, 4, 6. 
Unidade V: Falha. 
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