CMA Aula 04 propriedades mecânicas

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Ciência dos Materiais
Profª: Pricyla Corrêa
FACULDADE MERIDIONAL / IMED
 ESCOLA DE ENGENHARIA CIVIL 
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Difusão
Materiais de todos os tipos são submetidos com frequência a tratamentos térmicos para aprimorarem as suas propriedades.
Os fenômenos que ocorrem durante o tratamento térmico quase sempre envolvem a difusão atômica.
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Difusão
Muitas das reações e processos que são importantes no tratamento de materiais dependem da transferência de massa.
Isso é realizado obrigatoriamente através da difusão, que é o fenômeno de transporte de material através do movimento dos átomos.
A temperatura utilizada na difusão é elevada porém inferior a temperatura de fusão de ambos os materiais.
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Mecanismos da Difusão
De uma perspectiva atômica, a difusão é tão somente a migração em etapas dos átomos de um sítio para outro sítio do retículo cristalino
Para um átomo fazer esse tipo de movimento, duas condições devem ser atendidas:
Deve existir um sítio adjacente vazio;
O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações atômicas que os une aos seus átomos vizinhos e então causar alguma distorção na rede cristalina durante o deslocamento.
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Difusão por Lacuna
Difusão Intersticial
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Propriedades Mecânicas
Muitos materiais quando em serviço, estão sujeitos a forças ou cargas.
O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada.
Algumas propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductilidade e a rigidez.
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Propriedades Mecânicas
As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de experimentos de laboratório cuidadosamente programados, que reproduzem o mais fielmente possível as condições de serviço.
Dentre os fatores a serem considerado incluem-se a natureza da carga aplicada e a duração da sua aplicação, bem como as condições ambientais.
A carga pode ser de tração, compressiva, ou de cisalhamento, e a sua magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então flutuar continuamente. A temperatura de operação pode ser também um fator importante.
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Propriedades Mecânicas
O uso de técnicas de ensaio padronizadas torna-se imperativo para que exista alguma consistência na maneira segundo a qual os ensaios são conduzidos e na interpretação de seus resultados. 
Nos EUA, a organização mais ativa é a Sociedade Americana para Ensaios e Materiais (ASTM – American Society for Testing and Materials)
O papel dos engenheiros estruturais é o de determinar as tensões e as distribuições de tensão dentro dos membros que estão sujeitos a cargas bem definidas .
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Conceitos de tensão e deformação
Se uma carga é estática ou se ela se altera de uma maneira relativamente lenta ao longo do tempo e é aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou superfície de um membro, o comportamento mecânico pode ser verificado mediante um ensaio de tensão-deformação.
Existem três maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada: tração, compressão e cisalhamento. Na prática da engenharia, muitas cargas são de natureza torcional, e não de natureza puramente cisalhante.
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Tração.
Compressão.
Cisalhamento.
Torção.
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Conceitos de tensão e deformação
Ensaio de Tração
Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais comuns é executado sob tração.
Uma amostra é deformada, geralmente até a sua fratura, mediante uma carga de tração gradativamente crescente que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo mais comprido de um corpo de prova.
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A máquina de ensaios de tração é projetada para alongar o corpo de prova a uma taxa constante, além de medir contínua e simultaneamente a carga instantânea aplicada (com uma célula de carga) e os alongamentos resultantes (usando um extensômetro).
Demora alguns minutos e é um ensaio destrutivo.
O resultado é mostrado em um gráfico na forma de carga ou força em função do alongamento.
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Conceitos de tensão e deformação
Ensaio de Tração
σ = tensão de engenharia (MPa no SI ou psi);
F = carga instantânea aplicada em uma direção perpendicular à seção reta da amostra (N no SI ou lbf);
A0 = área da seção reta original da amostra (m² no SI ou pol²);
ϵ = deformação de engenharia (x100 para expressar em %);
l0 = comprimento original (m no SI ou pol);
li = comprimento instantâneo (m no SI ou pol);
∆l = variação do comprimento a um dado instante (m no SI ou pol).
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Conceitos de tensão e deformação
Ensaio de Compressão
Um ensaio de compressão é conduzido de uma maneira semelhante à de um ensaio de tração, exceto pelo fato de que a força é compressiva e o corpo de prova se contrai ao longo ao longo da direção da tensão.
As mesmas equações usadas no ensaio de tração são empregadas no ensaio de compressão para calcular a tensão e a deformação.
Por convenção, uma força compressiva é considerada como sendo negativa, o que produz uma tensão também negativa. 
Como l0 é maior do que li, as deformações compressivas calculadas são também negativas.
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Conceitos de tensão e deformação
Ensaio de Cisalhamento e de Torção
Para um ensaio puramente cisalhante, a tensão cisalhante é calculada de acordo com a equação:
t = tensão cisalhante;
F = carga ou força imposta paralelamente às faces superior e inferior;
A0 = áreas das faces superior e inferior.
A deformação de cisalhamento g é definida como sendo a tangente do ângulo de deformação q.
 
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Conceitos de tensão e deformação
Ensaio de Cisalhamento e de Torção
A torção é uma variação do cisalhamento puro, onde um membro estrutural é torcido. As forças torcionais produzem um movimento de rotação em torno do eixo longitudinal de uma das extremidades do membro em relação à outra extremidade. 
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Deformação Elástica
Comportamento Tensão-Deformação
O grau ao qual uma estrutura se deforma ou se esforça depende da magnitude da tensão imposta.
Para a maioria dos metais que são submetido à uma tensão de tração em níveis relativamente baixos, a tensão e a deformação são proporcionais entre si, de acordo com a relação:
Lei de Hooke
E = módulo de elasticidade ou módulo de Young (Gpa ou psi). 
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Deformação Elástica
Comportamento Tensão-Deformação
O processo de deformação no qual a tensão e a deformação são proporcionais é chamado de deformação elástica. 
Um gráfico de tensão (ordenada) e deformação (abscissa) resulta em uma relação linear.
A inclinação (coeficiente angular) deste segmento linear corresponde ao módulo de elasticidade E. 
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Deformação Elástica
Comportamento Tensão-Deformação
O módulo de elasticidade E pode ser considerado como sendo uma rigidez, ou uma resistência do material à deformação elástica.
Quanto maior for esse módulo, mais rígido será o material ou menor será a deformação elástica que resultará da aplicação de uma dada tensão.
O módulo de elasticidade é um importante parâmetro de projeto usado para calcular flexões elásticas.
A deformação elástica não é permanente, o que significa que quando a carga aplicada é liberada, a peça retorna à sua forma original.
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Existem alguns materiais (ferro fundido, concreto e muitos polímeros) para os
quais essa porção elástica inicial da curva tensão-deformação não é linear; assim não é possível determinar um módulo de elasticidade conforme visto anteriormente. Para esse comportamento não-linear, utiliza-se normalmente um módulo tangencial ou um módulo secante.
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Deformação Elástica
Comportamento Tensão-Deformação
Em uma escala atômica, a deformação elástica macroscópica é manifestada como pequenas alterações no espaçamento interatômico e na ligação de extensões interatômicas. A magnitude de E representa uma medida da resistência à separação de átomos adjacentes, isto é, às forças de ligação interatômicas.
Os valores de E para materiais cerâmicos são caracteristicamente maiores do que para os metais; para os polímeros, são menores. Essas diferenças são uma consequência direta dos diferentes tipos de ligação atômica nesses três tipos de materiais.
Com o aumento da temperatura, o valor de E tende a diminuir.
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Deformação Elástica
Comportamento Tensão-Deformação
Com o aumento da temperatura, o valor de E tende a diminuir.
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Deformação Elástica Comportamento Tensão-Deformação
A imposição de tensões compressivas, de cisalhamento ou torcionais também induz um comportamento elástico.
As características de tensão-deformação a baixos níveis de tensão, são virtualmente as mesmas, tanto para uma situação de tração como para uma situação de compressão, incluindo a magnitude do módulo de elasticidade.
A tensão e a deformação de cisalhamento são proporcionais uma à outra através da equação:
Onde G representa o módulo de Cisalhamento (ou módulo transversal).
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Deformação Elástica
Comportamento Tensão-Deformação
Exemplo:
Um pedaço de cobre originalmente com 305 mm (12 pol) de comprimento é puxado em tração com uma tensão de 276 Mpa (40 000 psi). Se a sua deformação é inteiramente elástica, qual será o alongamento resultante? 
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Propriedades Elásticas dos Materiais
Quando uma tensão de tração é imposta sobre um corpo de prova de um metal, um alongamento elástico e sua deformação correspondente ϵz resultam na direção da tensão aplicada. Como resultado desse alongamento, existirão constrições nas direções laterais (x e y), perpendiculares á tensão aplicada. A partir dessas contrações, as deformações compressivas ϵx e ϵy podem ser determinadas.
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Propriedades Elásticas dos Materiais
Um parâmetro conhecido por coeficiente de Poisson n, é definido como sendo a razão entre as deformações lateral e axial: 
Para materiais isotrópicos, os módulos de cisalhamento e de elasticidade estão relacionados entre si e com o coeficiente de Poisson de acordo com a expressão: 
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Exemplo:
Uma tensão de tração deve ser aplicada ao longo do eixo referente ao comprimento de um bastão cilíndrico de latão, que possui um diâmetro de 10 mm (0,4 pol). Determine a magnitude da carga exigida para produzir uma alteração de 2,5 x 10-3 mm (10-4 pol) no diâmetro. A deformação é puramente elástica.
Propriedades Elásticas dos Materiais
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Propriedades Elásticas dos Materiais
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Deformação Plástica
Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste apenas até deformações de aproximadamente 0,005. À medida que o material é deformado além deste ponto, a tensão não é mais proporcional à deformação, ocorrendo então uma deformação permanente e não recuperável, ou deformação plástica.
P = limite de proporcionalidade;
σe = limite de escoamento.
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Deformação Plástica
A partir de uma perspectiva atômica, a deformação plástica corresponde à quebra de ligações com os átomos vizinhos originais e em seguida formação de novas ligações com novos átomos vizinhos. Com a remoção da tensão, eles não retornam às sua posições originais.
No caso de sólidos cristalinos, a deformação ocorre mediante um processo chamado de escorregamento, que envolve o movimento de discordâncias.
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Propriedades de Tração
Escoamento e Limite de Escoamento
A maioria das estruturas são projetadas para assegurar que apenas uma deformação elástica irá assegurar quando da aplicação de uma tensão. Torna-se então desejável conhecer o nível de tensão onde a deformação plástica tem início, ou onde ocorre o fenômeno do escoamento.
Para metais que experimentam essa transição elastoplástica gradual, o ponto de escoamento pode ser determinado como sendo o ponto onde ocorre o afastamento inicial da linearidade na curva tensão-deformação; este é chamado de limite de proporcionalidade P.
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Propriedades de Tração
Escoamento e Limite de Escoamento
Em tais casos a posição deste ponto não é bem definida. Assim, estabeleceu-se uma convenção onde uma linha reta é construída paralelamente à porção elástica da curva tensão-deformação, a partir de uma pré-deformação específica de 0,002.
A tensão que corresponde à interseção desta linha com a curva tensão-deformação, à medida que esta última se inclina à região plástica, é definida como sendo tensão limite de escoamento σe.
A magnitude da tensão limite de escoamento para um metal representa uma medida da sua resistência à deformação plástica.
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Alguns aços e outros materiais exibem um comportamento tensão-deformação em tração semelhante à figura ao lado. A transição elastoplástica é muito bem definida, e ocorre de forma abrupta, o que é conhecido por fenômeno do pico de escoamento descontínuo.
Na tensão limite de escoamento superior, a deformação plástica tem seu início, com uma diminuição real na tensão.
Propriedades de Tração Escoamento e Limite de Escoamento
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Propriedades de Tração
Limite de Resistência à Tração
Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação plástica em metais aumenta até um valor máximo, o ponto M, e então diminui até a fratura do material, no ponto F.
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O limite de resistência à tração LRT (MPA ou psi) é a tensão no ponto máximo da curva tensão-deformação de engenharia. Este corresponde à tensão máxima que pode ser sustentada por uma estrutura que se encontra sob tração. Se essa tensão for aplicada e mantida o resultado será uma fratura.
Toda deformação até esse ponto é uniforme ao longo da região estreita do corpo de prova que se encontra sob tração. Contudo, nessa tensão máxima, uma pequena constrição, ou pescoço, começa a se formar em algum ponto determinado, e toda a deformação subsequente fica confinada neste pescoço. Esse fenômeno é conhecido por “empescoçamento” e a fratura ocorre, enfim, nesse pescoço.
Propriedades de Tração Limite de Resistência à Tração
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A resistência à fratura corresponde à tensão aplicada quando da ocorrência da fratura.
Normalmente, quando a resistência de um metal é citada para fins de projeto, a tensão limite de escoamento é o parâmetro utilizado. Este é o caso, pois, no momento em que a tensão correspondente ao limite de resistência à tração chega a ser aplicada, com frequência uma estrutura já experimentou tanta deformação plástica que ela já se tornou inútil.
Propriedades de Tração Limite de Resistência à Tração
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A partir do comportamento tensão-deformação em tração para amostra de latão da figura, determine o seguinte: 
Exemplo
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 diâmetro original de 12,8 mm;
A variação no comprimento de um corpo de prova originalmente com 250 mm que é submetido à uma tensão de tração de 345 Mpa.
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O Módulo de Elasticidade.
O Módulo de Elasticidade é o coeficiente angular da porção elástica (ou linear) da curva tensão-deformação.
b) A tensão limite de escoamento a um nível de pré-deformação de 0,002.
 A linha passando pela pré-deformação de 0,002 é construída conforme no detalhe; a sua interseção com a curva tensão deformação ocorre em aproximadamente 250 Mpa, que correspondo à tensão limite de escoamento do latão.
Valor muito próximo dado para o latão na tabela, 97 Gpa.
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c) A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de prova cilíndrico com diâmetro original de 12,8 mm;
A carga máxima que pode ser suportada está relacionada ao limite de resistência à tração lido diretamente no gráfico (450 MPa). 
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d) A variação no comprimento de um corpo de prova originalmente com 250 mm que é submetido à uma tensão de tração de 345 Mpa.
 Para calcular a variação no comprimento ∆l, torna-se necessário determinar a deformação que é produzida por uma tensão de 345 Mpa.
Isso é realizado pela localização do ponto de tensão sobre a curva tensão-deformação, ponto A, seguido pela leitura da deformação correspondente sobre o eixo da deformação, que é de aproximadamente 0,06.
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