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Materiais podem estar sujeitos a forças de tensão durante serviços. É necessário conhecer as características dos materiais para projeto, evitando deformações e fraturas. Propriedades mecânicas são avaliadas através de ensaios experimentais que tentam reproduzir condições de campo. Fatores a considerar: tipo e magnitude da carga, tempo de aplicação e condições ambientais. Tipos de tensões: tração, compressão ou cisalhamento. Normas definidas (ex: ASTM – American Society for Testing and Materials) A deformação sofrida a partir de uma tensão aplicada é medida em equipamentos apropriados PROPRIEDADES MECÂNICAS CORPO DE PROVA (CP) ASTM Standards: E8 - Test Methods of Tension Testing of Metallic Materials Ensaios de tração são os mais comumente aplicados. Deformação de uma amostra, geralmente até fratura, por carga de tração uniaxial aplicada gradativamente. Ensaio destrutivo. Máquina projetada para alongar o corpo de prova (CP) em taxa constante. Relação carga x deslocamento: Curva tensão x deformação tensão nominal (ou de engenharia) = F / A0 Extensão ou deformação nominal (deformação de engenharia): = (lf - l0) / l0 [σ] = N/m2 = Pa (Pascal) A0 = área transversal original do CP, sem aplicação de tensãoCurva de engenharia DEFORMAÇÃO ELÁSTICA (Lei de Hooke) onde E = MÓDULO DE ELASTICIDADE ou módulo de Young (constante de proporcionalidade, GPa) Maioria dos metais: 45 GPa (Mg) < E < 407 GPa (W) Materiais cerâmicos: 70 GPa < E < 500 GPa Materiais poliméricos: 0,007 GPa < E < 4 GPa Relação linear para maioria dos materiais (há exceções. Ex: ferro fundido e concreto) Deformação elástica longitudinal provoca variações as dimensões transversais Coeficiente de Poisson () = - x / z No caso de comportamento isótropo: () = - y / z Deformação elástica x microestrutura Pequenas alterações nos espaços interatômicos e nas extensões das ligações interatômicas. O módulo de elasticidade varia de grão cristalino a outro (anisotropia) DEFORMAÇÃO PLÁSTICA (deformação permanente) Os materiais cristalinos se deformam plasticamente através do deslizamento de planos, que envolve a movimentação de discordâncias. Como definir a transição entre o escoamento elástico e o plástico? •LIMITE DE ESCOAMENTO (L.E.): tensão máxima na região elástica •LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (L.R.) = tensão máxima na curva tensão-deformação de engenharia L.E. L.R. •DUCTILIDADE (%): mede a deformação plástica que um material pode suportar sem fraturar. • % alongamento = (lf -l0) / l0 x 100 • redução percentual de área = (A0 - Af) /A0 x 100 Curva de engenharia x curva real ou verdadeira Como a temperatura afeta a curva tensão x deformação? AÇO O rompimento do material se dá por ruptura de todas as ligações ao mesmo tempo, deslizamento de planos ou pode haver um deslizamento facilitado pelas discordâncias. Os deslizamentos podem ser dificultados por: Solubilização de outro elemento na rede (quanto maior a quantidade e diferença entre os átomos, maior o efeito). Soluções sólidas de metais são mais resistentes mecanicamente do que o elemento puro. Precipitação de segunda fase: microestruturas polifásicas são mais resistentes que o metal puro. FRATURA Contorno de grão: interfere no movimento das discordâncias. As direções dos deslizamentos diferem de grão a outro (inúmeras descontinuidades). Aumento do número de grãos favorece aumento da resistência mecânica. Deformação plástica DUREZA resistência à deformação plástica localizada; medida pela resistência à penetração de um material em outro Escalas de medidas de dureza de metais: Brinnel Vickers Rockwell Knoop Escalas de medidas de dureza de cerâmicos: Vickers Knoop Comparação entre as diversas escalas de dureza Escala de Dureza de Mohs Termos práticos TENACIDADE: Capacidade de um material em resistir a um impacto. Os testes de impacto avaliam a fragilidade de um material sob condições de ata taxa de deformação. A diferença de energia potencial corresponde à energia absorvida durante a fratura. Teste Izod: geralmente utilizado em materiais poliméricos. Corpo-de-prova com entalhe permitem avaliar a resistência à propagação de trincas. Varia do Charpy em relação ao posicionamento do CP. Ensaio Charpy: determinação da resistência dos materiais submetidos à carga de impacto, visando medir a quantidade de energia absorvida pelo material durante a fratura. É a temperatura na qual o material muda o tipo de fratura: de dútil para frágil. Tenacidade: Energia de impacto Teste com alta taxa de deformação ou alto impacto Temperatura de transição dútil-frágil Em geral, os metais com excelente tenacidade no ensaio de tração (área sob a curva tensão- deformação, podem apresentar comportamento frágil quando tracionados sob elevadas taxas de deformação, ou seja, podem resistir pouo a impasctos. Materiais cerâmicos têm baixa resistência a impacto, já que não possuem boa dutilidade. TENACIDADE capacidade de absorver energia plástica antes de se romper RESILIÊNCIA capacidade do material de absorver energia elástica Teste com baixa taxa de deformação: área sob a curva tensão- deformação 1. Uma tensão de tração deve ser aplicada ao longo do eixo do comprimento de um bastão cilíndrico de latão com diâmetro de 10mm. Determine a carga necessária para produzir alteração de 2,5 x 10-3 mm no diâmetro do bastão se a deformação é puramente elástica e o coeficiente de Poisson do latão é de 0,34. EXERCÍCIOS 2. Um corpo-de-prova cilíndrico de aço, com diâmetro de 12,8mm, é tracionado até a fratura. É determinada sua tensão de ruptura, expressa em tensão de fratura, de 460MPa. Se o diâmetro do corpo-de-prova no instante da fratura é de 10,7mm, determine: a) a ductilidade, em termos de redução percentual de área. b) tensão verdadeira no momento da fratura.
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