TM229 - Propriedades mecanicas

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A.S.D’Oliveira
TM229 - Introdução aos Materiais
Propriedades mecânicas
2009.1
Ana Sofia C. M. D’Oliveira
A.S.D’Oliveira
Propriedades mecânicas
Resistência
Conformabilidade
Resiliência
Tenacidade
Durabilidade
- Tração
- Escoamento
- Compressão
- Flexão
- Cisalhamento
- Fluência
- Tensão de 
Ruptura
- % alongamento
- % de redução 
de área
- Raio de flexão
- Modulo de 
elasticidade
- Modulo de 
flexão
- Modulo de 
cisalhamento
- Resistência ao 
impacto
- Sensibilidade ao 
entalhe
- Intensidade da 
tensão critica
- Dureza
- Resistência 
ao desgaste
- Resistência a 
fadiga
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Principal conceito em propriedades mecânicas: 
Tensão
Tensão= força/área 
σ = F/A
Existem vários tipos de tensão
Quais são eles?
Tensão vs resistência
A resistência é a capacidade do material acomodar tensão
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Tração
Compressão
Flexão
Cisalhamento
Torção
Torção do componente
Cisalhamento do componente
Flexão do componente
Tendência para esmagar ou 
colapsar o componente
Tendência para 
separar/romper o 
componente
Elástica
Estrutura retorna a sua 
forma original quando 
se remove a carga
Plástica
Carga aplicada provoca 
uma deformação 
permanente
T
e
n
s
ã
o
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Ensaios Mecânicos
Permitem quantificar as propriedades mecânicas
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O ensaio de tração uniaxial é um dos mais populares ensaios mecânicos.
Fornece informações referentes a resistência e ductilidade do material ensaiado.
Propriedades passiveis de serem utilizadas em projeto
Ensaio de Tração Uniaxial
Corpo de prova
Cp cilindrico cp retangular
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Geometria do corpo de prova (dimensões padronizadas)
Colocação de 
extensômetro
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Curva tensão- deformação
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Curva Tensão Nominal x Deformação nominal
( metal dúctil )
Modulo de elasticidade – medida da rigidez
Tensão de escoamento
Tensão máxima ou limite de resistência
Dutilidade (redução de área; deformação)
Coef de encruamento
Estricção – estado triaxial de tensões
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Critério de instabilidade plástica



d
d

Quando começa a estricção ?
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)1ln()1(  NVNNV 
Equações de transformação (N, N)  (v, v)
Curva engenharia vs curva verdadeira
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Encruamento
- Aumento da tensão necessário para fazer o material escoar devido à própria
deformação plástica que ele experimenta.
- taxa de encruamento como d/d.
- Durante a deformação plástica a frio a densidade de discordâncias aumenta,
podendo passar de 106 cm/cm3 para 1012 cm/cm3.
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Limite de escoamento descontínuo
- Efeitos: patamar de escoamento descontínuo,
bandas de Lüders
- Causa: difusão de átomos intersticiais de
carbono e nitrogênio para regiões “confortáveis”
nas discordâncias em aresta, formando
atmosferas ou “clusters” que ancoram e dificultam
o movimento das mesmas (atmosferas de Cottrel).
- Os efeitos se acentuam com o aumento da
quantidade de C e N em solução sólida.
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1- carregamento do aço doce recozido
2 – ensaio é interrompido e a carga
aliviada; o ensaio recommeça logo em
seguida;
3 – ensaio é interrompido e a carga
aliviada; o ensaio é recomeçado alguns
meses após.
EXPERIÊNCIA
Fonte: [3]
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Material dutil com alto 
coef de encruamento
Material dutil com bx coef de 
encruamento
Aços inoxidáveis 
e ao carbono
Ligas de 
Aluminio
Material frágil
Vidros, cerâmicos, FF e 
alguns metais
Material com escoamento 
descontinuo
Aço de bx 
carbono
Material compósito
Fibras de vidro ou de carbono 
em matriz polimérica
Comportamento de diferentes materiais sob tração uniaxial
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O que representam as cotas:
14
16
17
18 
25
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Efeito da temperatura nas propriedades 
mecânicas
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Testes de dureza
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Ensaios de dureza 
Propriedade que se relaciona diretamente com a resistência mecânica do
material – mede a resistência do material a deformação plástica localizada.
 Quanto maior o limite de resistência de um material metálico, maior a
sua dureza.
Frequentemente a dureza do material é
proporcional a sua resistência ao
desgaste e durabilidade
Nos aços a dureza é utilizada como uma
medida da resistência a abrasão
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Os ensaios de dureza podem ser por penetração, risco ou choque.
No caso dos materiais metálicos, os métodos mais utilizados são os ensaios de 
dureza por penetração
Brinell
Vickers
Knoop
Rockwell
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Dureza Brinell
Dureza Brinnel (HBN): obtém-se o valor da dureza dividindo-se a carga aplicada
pela área de penetração impressa no material.
O penetrador deixa uma calota esférica impressa na amostra. A máquina de ensaio possui um
microscópio ótico que se presta à medição do diâmetro d do círculo que corresponde à
projeção da calota. A dureza Brinnel será dada por:
)()/(
arg
22 dDDtD
P
Dt
P
impressãodaárea
ac
HBN

 
Sendo P a carga aplicada, D o diâmetro do penetrador e d o diâmetro da projeção
da área de impressão.
P
d
d
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-Superfície deve ter as duas faces paralelas e um bom acabamento superficial.
-O valor da carga P pode variar, desde que se mantenha constante a relação P/D2.
P/D2 = 30 para aços e ferros fundidos
P/D2 = 20 para ligas de alumínio.
Obedecendo-se essa regra, o resultado do ensaio será independente da carga (ou
diâmetro da esfera) adotada.
Penetrador é uma esfera de
aço temperado para materiais de dureza média
ou baixa, ou de
carboneto de tungstênio, para materiais de
elevada dureza.
Dureza Brinell
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Dureza Vickers
22
854,1
)2/136(sen2/
arg
d
P
d
P
impressãodaárea
ac
HV
o



Sendo d a média da medida das diagonais d1 e d2 da base
da impressão.
A dureza Vickers apresenta uma escala contínua
abrangendo desde materiais macios (~5HV) ate
materiais bastante duros (>1000HV);
Penetrador de diamante em forma de pirâmide de base
quadrada e ângulo de 136o entre as faces
Exige maior acabamento da superfície
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Dureza Rockwell
O ensaio de dureza Rockwell é o simples e rápido.
O valor da dureza do material é lido diretamente no equipamento
A dureza é inversamente proporcional à profundidade de penetração obtida pela
aplicação da carga.
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Escala B:
Os metais menos duros devem ser ensaiados selecionando-se esta escala. O penetrador
utilizado é uma esfera de 1/16 pol. aço temperado e a carga é de 100 kgf. A escala B vai de 0
a 100.
Escala C:
Os metais mais duros devem ser ensaiados por esta escala. O penetrador utilizado possui
uma ponta cônica de diamante e a carga é de 150kgf. A escala C vai de 0 a 70, mas valores
de dureza Rockwell C inferiores a 20 não são considerados válidos, ou seja, neste caso deve-
se passar para a escala B.
Ao se ensaiar um material desconhecido, deve-se inicialmente utilizar a escala A,
O penetrador utilizado possui uma ponta cônica de diamante e a carga de penetração é de
60kgf.
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O ensaio de dureza Rockwell passo a passo:
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Tenacidade
Capacidade de absorver energia até a ruptura
Resiliência
Capacidade de absorver energia elástica
Resistência a propagação de 
trincas
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Ensaio de impacto
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Ensaios de impacto (Charpy e Izod)
- Alta taxa de carregamento- CP entalhado (concentrador de
tensões)
O impacto é dado no sentido de
abrir e não fechar a trinca.
Pode-se variar a temperatura de
ensaio utilizando-se misturas de
nitrogênio e álcool para
refrigeração.
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Máquina de Ensaio (pêndulo) Corpos de Prova
- Izod
- Charpy
MATERIAIS DE FABRICAÇÃO MECÂNICA
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Influência da Temperatura
FRATURA FRÁGIL
- Pouca deformação plástica macroscópica
FRATURA DÚCTIL
- Muita deformação plástica macroscópica
- Expansão lateral do corpo de prova
Metais ccc
Apresentam transição dúctil-
frágil
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Tamanho de grão
contornos de grão são obstáculos à propagação de trincas, obrigando que
estas mudem de direção na passagem de um grão para outro
materiais de grãos finos exigem uma mais alta energia para fratura e
apresentam temperatura de transição dúctil-frágil mais baixa do que materiais de
grãos grosseiros.
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Composição química
-Elementos que notoriamente abaixam a tenacidade: Enxofre, fósforo e carbono.
-Elementos benéficos: Manganês e níquel
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Fadiga
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Fadiga
A fadiga é um tipo de falha mecânica que ocorre devido a esforços
(tensões e deformações) flutuantes.
Estes esforços geralmente são aleatórios. Nos ensaios de fadiga são
empregados ciclos de tensão ou deformação bem definidos.
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Para esses ciclos são definidos os seguintes parâmetros:
•a é a amplitude de tensões
•r = (máx. - mín.) = 2a
•máx. e mín., tensões mín e máx;
•R = mín/máx.
•médio é a tensão média
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Propagação da trinca de fadiga em função do ciclo de tensão
propagação
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Superfície exposta a fadiga, 
formação de concentradores de 
tensão
Mecanismo de fadiga
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Aspectos superfície de fadiga
Aspecto macroscópio: marcas de praia Aspecto microscópico:estrias de fadiga
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Curvas S-N
Efeito da tensão média
Tensão limite de fadiga abaixo dele o n. de ciclos é infinito
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Fluência
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Fluência
Falha que ocorre em altas temperaturas.
Deformação permanente e dependente do tempo, que pode gerar
defeitos internos que levam à ruptura do material.
Antes da falha, o componente experimenta deformação plástica, o que
compromete a geometria e e a precisão dimensional dos componentes.
As temperaturas em que os mecanismos de fluência se tornam operantes
são geralmente superiores a 0,4TH.
Temp. Homologa = T de teste
T fusão
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X

t
I II III
Estágios do comportamento em fluência:
Região de Taxa de 
deformação contante
ss
1
Região de 
ruptura
Região de 
encruamento
Parâmetros importantes retirados do ensaio de fluência: 
- taxa de deformação no estágio II e
- vida em fluência (tempo total para ruptura)
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46
Em casos reais é possivel que não se identifiquem alguns dos estágios da fluência
t

Regiões II e III desaparecem pois
é nec um tempo muito longo
(tensões moderadas e baixa T)
t

Região III desaparece
pois ocorreu falha por
cavitação
x<10%
ou até
<1%
t

Região II não é identificada pois
a amostra sofre estricção e 
quebra antes da região II
x
t

Região I invertida
(endurecimento por
solução sólida)
x
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Efeito da tensão e da temperatura na curva de fluência
Efeito da tensão
Efeito da temperatura
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 Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos (Nabarro-Herring)
 Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de grão (Coble);
 Deslizamento de discordâncias;
 Movimentação de discordâncias por escalagem;
 Deslizamento de contornos de grão.
Mecanismos de fluência:
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 Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos 
(Nabarro-Herring)
 Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de 
grão (Coble);
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Rápido movimento das lacunas 
-> metal flui rápidamente
 Deslizamento de discordâncias;
Movimentação de discordâncias por escalagem
escalagem de discordâncias