Propriedades mecanica dos metais

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Propriedades dos Materiais
(Capítulo 6 – Callister)
CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
DOS MATERIAIS
Prof: Jailson Rolim Teodosio
2014.2
Propriedades Mecânicas dos Metais
Ao selecionarmos um devemos levar em conta as condições de
serviço que o mesmo será submetido. O primeiro passo consiste
em analisar sua aplicação, a fim de determinarmos as
características mais importantes que este material deverá possuir.
Deverá ser resistente, rígido ou dúctil? Estará submetido a
aplicação de um força cíclica ou a uma força súbita e intensa; a um
grande esforço a temperatura elevada ou a condições abrasivas?.
Uma vez conhecidas as propriedades requeridas, se pode
então selecionar-se o material apropriado. Mais de 90% em peso
dos materiais usados pelo homem são ligas ferrosas. A maioria dos
projetos de engenharia que exigem suporte de carga estrutural ou
transmissão de energia envolve estes tipos de ligas.
INTRODUÇÃO
Tensão de engenharia ( (Mpa)) – e definida como:
onde F é a carga instantânea aplicada em uma direção perpendicular
à seção transversal do corpo de prova (Newton) e A0 é a área original
da seção transversal antes da aplicação da carga (m2)
Deformação de engenharia (ε) - é definida pela expressão:
Onde l0 é o comprimento original antes de qualquer carga ser
aplicada e li é o comprimento instantâneo. A deformação é
adimensional . Ocasionalmente é expressa em porcentagem. L
representa o alongamento da deformação
TENSÃO – DEFORMAÇÃO 
DEFINIÇÕES E 
CONCEITOS BÁSICOS
Conceitos de tensão e deformação
Existem três maneiras principais pelas quais uma carga pode ser
aplicada, quais sejam: tração compressão e cisalhamento. Na
prática muitas cargas são de torção em vez de puramente
cisalhante.
Ensaio de tração – é um dos ensaios de tensão - deformação
mais comum, onde uma amostra é deformada, geralmente até a
fratura, por uma carga de tração que é aumentada
gradativamente, sendo está aplicada uniaxialmente ao longo do
eixo maior do corpo de prova, normalmente de seção transversal
circular.
DEFINIÇÕES E 
CONCEITOS BÁSICOS
Ensaios de Compressão
E conduzido de maneira semelhante ao
ensaio de tração, exceto pelo fato de que a
força é compressiva e o corpo de prova se
contrai ao longo da direção da tensão. As
equações anteriores são usadas para calcular a
tensão e a deformação de compressão,
respectivamente. Por convenção, uma força
compressiva é considerada negativa, o que
produz uma tensão negativa, sendo desta forma
a deformação de compressão também negativa.
DEFINIÇÕES E 
CONCEITOS BÁSICOS
Ensaios de cisalhamento e 
de Torção
Ensaios realizados para aplicação de uma
força puramente cisalhante, segundo a seguinte
expressão:
Onde F é a carga ou força aplicada na direção
paralela às faces superior e inferior, cada uma
delas com uma área A0. A deformação de
cisalhamento γ é definida como sendo a
tangente do ângulo de deformação θ.
ENSAIOS DE CISALHAMENTO
A torção é uma variação do
cisalhamento puro, onde o
elemento estrutural é torcido, as
forças de torção produzem um
movimento de rotação em torno do
eixo longitudinal de uma das
extremidades do elemento em
relação a outra extremidade. São
encontrados nos eixos de
máquinas e nos eixos de
acionamento, e, também, em
brocas helicoidais.
ENSAIOS DE CISALHAMENTO
Deformação Elástica
Processo no qual a tensão e a deformação são proporcionais,
resultando em uma relação linear quando relacionadas graficamente.
O grau no qual uma estrutura se alonga depende da magnitude da
tensão que lhe é imposta. A tensão e a deformação podem ser
relacionadas de acordo com a equação
Essa relação é conhecida como a lei de Hooke, e a constante de
proporcionalidade E (Gpa) é o módulo de elasticidade, ou módulo de
young.
COMPORTAMENTO 
TENSÃO-DEFORMAÇÃO
Diagrama esquemático tensão-deformação mostrando a 
deformação linear para ciclos carga descarga
COMPORTAMENTO 
TENSÃO-DEFORMAÇÃO
O coeficiente angular (inclinação
do segmento linear) corresponde ao
módulo de elasticidade e representa a
resistência do material à deformação
elástica.
Quanto maior o valor do módulo
de elasticidade mais resistente será o
material, ou menor será a deformação
elástica resultante da aplicação de uma
dada tensão.
Como a deformação elástica
não é permanente, a peça retornará a
sua configuração original, quando da
liberação da carga aplicada.
Anelasticidade
Até o momento foi considerado que a deformação elástica de um
material é independente do tempo, ou seja que a deformação elástica
é instantânea que permanece constante durante o período de tempo
de existência da tensão aplicada. Também foi considerado que a
deformação é totalmente recuperada, quando da liberação da carga.
No entanto para a maioria dos materiais de engenharia, existira uma
componente da deformação elástica que permanecerá após a
aplicação da tensão quando da liberação da carga, ou seja essa
componente é dependente do tempo.
Para a maioria dos metais, a componente anelástica e geralmente
pequena. No entanto, para alguns materiais poliméricos, a sua
magnitude é significativa e também conhecida por comportamento
viscoelástico.
COMPORTAMENTO 
TENSÃO-DEFORMAÇÃO
Deformação Plástica
Para a maioria dos materiais metálicos, a deformação elástica
persiste apenas até deformações de aproximadamente 0,005. A partir
deste ponto, a tensão não é mais proporcional a deformação ( a lei de
Hooke deixa de ser válida), ocorrendo a deformação permanente, não-
recuperável ou deformação plástica.
COMPORTAMENTO 
TENSÃO-DEFORMAÇÃO
A transição do comportamento elástico para o plástico é gradual
para a maioria dos metais. Uma curvatura se forma no ponto de
surgimento da deformação plástica, a qual aumenta mais
rapidamente com o aumento da tensão.
PROPRIEDADES DA TRAÇÃO 
Escoamento e limite de escoamento
Uma estrutura é projetada para assegurar
que ocorrerá apenas deformação elástica
quando uma tensão é aplicada. Dessa forma é
desejável que seja conhecido o nível de tensão
na qual a deformação plástica inicia-se, ou seja,
onde ocorre o fenômeno de escoamento. Nos
metais este fenômeno se inicia quando do
afastamento da linearidade da curva tensão
deformação, sendo algumas vezes chamado de
limite de proporcionalidade.
Limite de escoamento
É a tensão necessária para produzir
determinada quantidade de deformação (p.ex.,
ε = 0,005).
Deformação
Te
n
sã
o
Comportamento tensão-deformação 
típico de um metal, mostrando as 
deformações elástica e plástica.
Limite de Resistência à 
tração
A tensão necessária, após o escoamento
para continuar com a deformação plástica
nos metais aumenta até um valor máximo e
então diminui até a eventual fratura do
material. O limite de resistência à tração,
LRT, (MPa) é a tensão no ponto máximo da
curva tensão-deformação de engenharia.
Este ponto corresponde à tensão máxima
que pode ser suportada por uma estrutura
sob tração. Se essa tensão for aplicada e
mantida, ocorrerá fratura.
PROPRIEDADES DA TRAÇÃO 
Ductilidade
A ductilidade mede o grau de deformação que um material pode
suportar sem romper-se, ou seja, o grau de deformação plástica que foi
suportado até à fratura. A ductilidade pode ser medida segundo a
equação abaixo onde a % de alongamento representa a distância que a
amostra se distende plasticamente antes da fratura.
onde lf é a distância entre as marcas calibradas depois da ruptura do
material.
A ductilidade também pode ser calculada através da variação
percentual da área da seção transversal no ponto da fratura antes e
depois do ensaio, ou seja
onde Af é a área da seção transversal na superfície da fratura.
DEFINIÇÕES E 
CONCEITOS BÁSICOS
% AL
O conhecimento da ductilidade éimportante pelo menos por dois motivos.
– Ela indica ao projetista o quanto uma
estrutura ira se deformar plasticamente
antes de fraturar;
– Especifica o grau de deformação que é
permitido durante as operações de
fabricação.
Os materiais considerados frágeis são
aqueles que possuem uma deformação
de fratura inferior a aproximadamente
5%.
Representações esquemáticas do 
comportamento tensão-deformação em 
tração para materiais frágeis e dúcteis 
carregados até a fratura
DEFINIÇÕES E 
CONCEITOS BÁSICOS
Resiliência
Capacidade de um material absorver energia quando ele é deformado
elasticamente e, depois, com a remoção da carga, permitir a recuperação
dessa energia.
Para os profissionais de engenharia, a resiliência dos materiais, como
o aço, é fator extremamente importante para projetos de estruturas de
grande porte (ex: Ponte Rio-Niterói). O aço de alta resiliência é muito utilizado
na fabricação de molas.
DEFINIÇÕES E 
CONCEITOS BÁSICOS
Tenacidade
Tenacidade é uma medida de quantidade de energia que um material pode
absorver antes de fraturar. A geometria do corpo de prova, assim a maneira
como a carga é aplicada, são fatores importantes nas determinações da
tenacidade. Pode ser medida pelo:
– Ensaio ao impacto: Para condições de carregamento dinâmico (elevada
taxa de deformação);
– Ensaio de tensão-deformação em tração: para situação estática (pequena
taxa de deformação)
Adicionalmente, a tenacidade à fratura é uma propriedade indicativa da
resistência de um material à fratura quando uma trinca está presente.
Para que um material seja tenaz, ele deve exibir tanto resistência como
ductilidade e, com frequência, os materiais dúcteis são mais tenazes do
que os materiais frágeis.
DEFINIÇÕES E 
CONCEITOS BÁSICOS
Dureza:
Os ensaios de Dureza mede a resistência da superfície de um
material a penetração por um objeto duro. Existem um diversidade de
provas de Dureza, sendo as de uso mais comum os ensaios de Brinell
e Rockwell.
Ensaios de Dureza de Rockwell
Consiste no método mais utilizado para medir a dureza. A dureza
é determinada pela diferença na profundidade de penetração
resultante da aplicação de uma carga inicial menor seguida por uma
carga principal maior, existindo dois tipos de ensaio;
– Rockwell
– Rockwell superficial
DEFINIÇÕES E 
CONCEITOS BÁSICOS
Ensaios de Dureza de Brinell
Nesse tipo de ensaio um penetrador duro e esférico é forçado
contra uma superfície do metal a ser testado. O diâmetro do
penetrador de aço endurecido (ou de carbeto de tungstênio) é de
10,00 mm.
O número de dureza de Brinnel, HB, é função tanto da magnitude
da carga quanto do diâmetro da impressão resultante. As cargas
padrões utilizadas variam de 500 a 3000 kg (a carga é mantida de 10 a
30 s).
Correlação entre Dureza e o Limite de Resistência à Tração
O limite de resistência à tração como a dureza são
aproximadamente proporcionais, sendo ambos indicadores da
resistência de um material à deformação plástica.
DEFINIÇÕES E 
CONCEITOS BÁSICOS
A maioria das ligas ferrosas é de aços carbono de baixa liga. Os
motivos para isso são simples . Essas ligas possuem:
preço moderado;
são suficientemente dúcteis para serem prontamente conformadas;
produto final forte e durável;
ampla faixa de aplicação;
A adição de elementos de liga deve ser feita com cuidado e
justificadamente, pois eles são caros.
Os aços inoxidáveis exigem a adição de elementos de liga para
impedir os estragos de uma atmosfera corrosiva. Os aços ferramentas
exigem a adição de elementos de liga para obter dureza suficiente para
aplicações de usinagem. As superligas exigem a adição de elementos de
liga para estabilidade em aplicações de alta temperatura, como lâminas
de turbina.
LIGAS METÁLICAS
Microestruturas para as ligas de ferro-carbeto de ferro que
possuem composições diferentes da composição eutetóide:
– Ligas Hipoeutetóides: possuem composição entre, entre 0,022 e
0,76%p C;
– Ligas Hipereutetóide: contêm entre, entre 0,022 e 0,76%p C
– Perlita: A reação eutetóide do sistema Fe-C envolve a formação
simultânea de ferrita e cementita a partir da austenita com
composição eutetóide. A perlita assim formada possui cerca de
12% de cementita e 88% de ferrita. Essa mistura é
caracteristicamente lamelar (composta de camadas alternadas de
ferrita e cementita), sendo muito importante na tecnologia do
ferro e do aço.
SISTEMA FERRO-CARBONO
Liga 
Hipoeutetóide
Liga Hipereutetóide
Eutetóide
Eutético
Cementita
Fe3C
SISTEMA FERRO-CARBONO
As ligas são classificadas segundo sua composição em
ferrosas e não ferrosas. As ligas ferrosas são aquelas em que o
ferro é o principal constituinte e incluem os ferros fundidos e os
aços.
As ligas ferrosas são muito importantes como material de
construção de engenharia, sendo produzidas em maiores
quantidades do que qualquer outro tipo de metal.
Aços
São ligas de ferro-carbono que podem conter concentrações
significativas de outros elementos de liga.
LIGAS METÁLICAS
LIGAS METÁLICAS
Aços com Baixo Teor de Carbono
Contêm geralmente menos do que 0,25%p C aproximadamente, são
produzidos em maiores quantidades dentre todos os tipos de aço e apresentam o
menor custo de produção. As microestrutura consistem em ferrita e perlita*. Em
virtude da sua composição eles apresentam baixas dureza e resistência, excelente
tenacidade e ductilidade e são usináveis e soldáveis.
Aços com Médio Teor de Carbono
Possuem concentrações de carbono entre 0,25 e 0,60%p, aproximadamente.
Podem ser tratadas termicamente por austenização, têmpera e então revenido para
melhorar suas propriedades mecânicas.
Aços com Alto Teor de Carbono
Contêm entre 0,60e 1,4%p C, sendo os mais duros e resistentes e, portanto os
menos dúcteis dos aços-carbono. São utilizados como ferramentas de corte e como
matrizes para moldar e conformar materiais entre outra aplicações.
LIGAS METÁLICAS
Aços inoxidáveis
Altamente resistente à corrosão. Seu elemento de liga predominante é o
cromo (pelo menos 11%). Com a adição de níquel e molibidênio a resistência a
corrosão é melhorada. São divididos em três classes com base na fase
constituinte predominante em sua microestrutura:
• Martensíticos – alta resistência e baixa ductilidade (possui complexa
estrutura cristalina tetragonal de corpo centrado);
• Ferríticos - Sua estrutura mantém-se essencialmente ferrítica (CCC, do tipo
ferro a) após os tratamentos térmicos normais;
• Austeníticos – Possui estrutura CFC pelo acréscimo de um elemento de liga
apropriado.
LIGAS METÁLICAS
Tetragonal: a = b ≠ c;
α = β = γ = 90˚
As ligas ferrosas com teores de carbono de acima de 2,14%
são classificadas como ferros fundidos. Na prática, a maioria dos
ferros fundidos contêm um teor de carbono entre 3,0 e 4,5%,
além de outros elementos de liga. Essas ligas são fundidas com
facilidade (entre 1150 e 1300ºC), e apropriadas para fundição,
visto que alguns ferros fundidos são muito frágeis.
A cementita (Fe3C) é um composto metaestável*e, sob
algumas circunstâncias, a cementita se decompõem em ferrita α
e grafita, segundo a reação abaixo
Fe3C  3Fe(α) + C(grafita)
*Metaestabilidade – Na metaestabilidade, o sistema não está em equilíbrio e existem mudanças muito pequenas (e
com freqüência imperceptíveis) nas características das fases ao longo do tempo.
FERROS FUNDIDOS
Os ferros fundidos geralmente contêm até 3%p de silício para
controle da formação de carbeto de ferro. Existem quatro tipos gerais de
ferros fundidos:
1. Ferro branco: É extremamente duro é muito frágil, a ponto de sua
usinagem ser virtualmente impossível. Essa características se deve a
formação de grandes quantidades de Fe3C durante a sua fundição
possuindo uma superfície de fratura cristalina caracteristicamente
branca;2. Ferro cinzento: Caracteristicamente frágil quando submetido à tração,
possui uma quantidade de silício entre 2 e 3% o que promove a
precipitação do grafite (C) em vez da cementita (Fe3C). A resistência e
a ductilidade são muito maiores sob cargas de compressão;
FERROS FUNDIDOS
3. Ferro ductil (ou Nodular): O acréscimo de magnésio
(0,05%p) ao ferro cinzento aumenta a sua ductilidade
em 20 vezes dobrando sua resistência. São mais
resistentes e muito mais dúcteis do que o ferro cinzento,
possuindo características próximas às do aço.
4. Ferro maleável: Com ductilidade razoável é a forma
mais tradicional do ferro fundido. Este tipo de ferro é
primeiro fundido como ferro branco e, depois , tratado
termicamente para produzir precipitações de grafite
nodular.
FERROS FUNDIDOS
PROPRIEDADES DAS FASES E CONSTITUINTES PRESENTES EM AÇOS AO CARBONO
AUSTENITA - Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 2,11%) no
ferro CFC. Apresenta resistência mecânica em torno de 150 MPa e elevada
ductilidade e tenacidade. A austenita não é magnética;
ƒ FERRITA - Consiste em uma solução sólida intersticial de C (com até 0,022%) no
ferro CCC. A ferrita é magnética e apresenta baixa resistência mecânica, cerca de
300 MPa, excelente tenacidade e elevada ductilidade;
ƒCEMENTITA - Denominação do carboneto de ferro Fe3C contendo 6,7% de C e
estrutura cristalina ortorrômbica. Apresenta elevada dureza, baixa resistência, baixa
ductilidade e baixa tenacidade;
ƒ PERLITA - Consiste na mistura mecânica das fases ferrita (88,5% em peso) e
cementita (11,5% em peso) formada pelo crescimento cooperativo destas fases.
Apresenta propriedades intermediárias entre a ferrita e a cementita dependendo
do tamanho e espaçamento das lamelas de cementita.
SISTEMA FERRO-CARBONO
As técnicas de fabricação de metais são precedidas geralmente por
processos de refino, formação das ligas e, com freqüência , de tratamento
térmico, os quais produzem ligas com características específicas.
Nos trabalhos a quente são possíveis grandes deformações, que podem
ser repetidas sucessivamente, pois o metal permanece pouco resistente e
dúctil.
No trabalho a frio produz um aumento na resistência com
conseqüentemente diminuição da ductilidade, uma vez que o metal encrua; as
vantagens em relação ao trabalho a quente incluem uma melhor qualidade do
acabamento da superfície, melhores propriedades mecânicas e uma maior
gama dessas propriedades, assim como o controle dimensional mais preciso
da peça acabada.
Os métodos escolhidos dependem de vários fatores, os mais importantes
são as propriedades do metal.
FABRICAÇÃO DE METAIS
FABRICAÇÃO DE METAIS
Operações de conformação
São aquelas em que a forma da peça é alterada por deformação plástica.
As técnicas mais usuais são o forjamento, laminação, extrusão e trefilação.
Forjamento
Consiste na deformação de uma única peça de um metal normalmente
quente; isso pode ser obtido pela aplicação de golpes sucessivos ou por
compressões contínuas, podendo ser:
– matriz fechada -
– ou de matriz aberta.
FABRICAÇÃO DE METAIS
Laminação 
É processo de deformação plástica de metais mais utilizado,
consistindo na passagem de uma peça metálica entre dois rolos; devido
as tensões de compressão exercidas pelos rolos peça exibe uma redução
na sua espessura. A laminação a frio pode ser usada na produção de
chapas, iras e folhas, com elevada qualidade de acabamento superficial.
FABRICAÇÃO DE METAIS
Extrusão
Na extrusão, uma barra metálica é forçada através de um
orifício em uma matriz pela ação de uma força de compressão
aplicada sobre um êmbolo. A peça extrudada que emerge possui a
forma desejada e uma área de seção transversal reduzida. Os
produtos do processo de extrusão são as barras e os tubos que
possuem geometrias de seção transversal relativamente complexas;
tubos sem costura também podem ser extrudados.
FABRICAÇÃO DE METAIS
Operações de Conformação
Trefilação
Consiste em puxar uma peça metálica através de uma matriz que
possui um orifício cônico, mediante uma força de tração aplicada
pelo lado de saída do material. Tem-se como resultado uma
redução na área de seção transversal, com o aumento
correspondente no comprimento da peça. A operação completa de
trefilação pode consistir na passagem através de várias matrizes
posicionadas em série. Barras, arames e materiais para tubos são
fabricados dessa maneira.
FABRICAÇÃO DE METAIS
Fundição
Consiste no processo de fabricação em que um metal totalmente
fundido é derramado na cavidade de um molde que possui a forma desejada;
com a solidificação, o metal assume a forma do molde, mas sofre alguma
contração. As técnicas mais comumente utilizadas são:
– Fundição em Molde de Areia;
– Fundição com Matriz;
– Fundição de Revestimento ou de Precisão;
– Fundição com Espuma Perdida;
– Fundição Contínua.
Técnicas Diversas
– Metalurgia do Pó
– Soldagem
FABRICAÇÃO DE METAIS
PROCESSAMENTO TÉRMICO 
Processos de recozimento
Refere-se a um tratamento térmico em que o material é
exposto a uma temperatura elevada durante um período de
tempo prolongado e então resfriado lentamente. É utilizado
para
1. Aliviar tensões;
2. Reduzir a resistência
3. Aumentar a ductilidade e tenacidade;
4. Produzir uma microestrutura específica
Referências Bibliográficas
1. Ciência e Engenharia de Materiais; Uma Introdução –
Willian D. Callister, Jr.;
2. Ciência dos Materiais -James F. Shackelford;
3. Princípios de Ciência dos Materiais - Lawrence H. Van
Vlack;
4. Materiais de Engenharia – Angelo Fernando Padilha;
5. Processos de Fabricação Laminação (Telecurso
Profissionalizante).