PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS

Prévia do material em texto

P R O P R I E D A D E S M E C Ê M I C A S D O S M A T E R I A I S 
o Dureza 
Tipos de Ensaios 
Dureza de alguns Materiais 
 
o Conceitos de tensão e deformação 
Curvas tensão x deformação 
Deformação Elástica 
Deformação Plástica 
Ensaio de tração 
 
o Comportamento Mecânico – Materiais Metálicos 
 
Importância 
 
o Aplicações onde são necessárias solicitações mecânicas. 
 
o Atender as exigências se serviços previstas. 
 
Por que estudar? 
 
o A determinação e/ou conhecimento das propriedades mecânicas é muito 
importante para a escolha do material para uma determinação aplicação, 
bem como para o projeto e fabricação de um determinado componente. 
 
o As propriedades mecânicas definem o comportamento do material 
quando sujeitos a esforços mecânicos, pois estas estão relacionadas à 
capacidade do material de resistir ou transmitir estes esforços aplicados, 
sem romper e sem se deformar de forma incontrolável (fratura ou falha). 
 
 
 
 
Propriedades Mecânicas 
 
o Descrevem o comportamento do material sob carregamento mecânico 
(tração, compressão, flexão e cisalhamento) 
 
o Fatores influenciam: natureza da carga aplicada, duração da aplicação, 
condições ambientais etc. 
 
o Pode variar com a temperatura, tempo, nível de solicitação etc. 
 
 
PRINCIPAIS PROPRIEDADES MECÂNICAS 
 
 Dureza 
 Resistência à Tração 
 Módulo de Elasticidade 
 Ductilidade 
 Tenacidade 
 Resistência ao Impacto 
 Fluência 
 Fadiga 
 
 Cada uma dessas propriedades está associada à habilidade do material 
de resistir às forças aplicadas e/ou de transmiti-las. 
 
Como Determinar as Propriedades Mecânicas dos Materiais? 
 
o A determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios 
mecânicos (tração, compressão, impacto, dureza, fluência etc). 
 
o Utilizam-se normalmente corpos de prova (amostra representativa do 
material) para o ensaio mecânico, já que por razões técnicas e 
econômicas não é praticável realizar o ensaio na própria peça, que seria 
o ideal. 
 
o Geralmente, usam-se normas técnicas para o procedimento das 
medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados 
sejam comparativos. 
 
 ASTM (Americam Society for Testing and Materials) 
 ISO (International Organization for Standardization) 
 ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) 
 
D U R E Z A 
 
o Resistência de um material à deformação plástica localizada. 
 
o As deformações plásticas são permanentes (irreversíveis): permanecem 
após a tensão aplicada ser retirada. 
 
Primeiras medidas: escala de MOHS. Habilidade de um mineral natural riscar a 
superfície do material. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ensaio: 
 
 
 Consiste na aplicação de uma carga conhecida através de um 
penetrador de geometria conhecida e na medição da área da impressão 
produzida na superfície do corpo de prova. 
 
 Ensaio de grande importância tecnológica (controle de qualidade). 
 
 Dureza NÂO é um parâmetro característico do material (depende da 
máquina, da carga, do tipo de penetrador etc). 
 
 Utilização de um identador (penetrador), que é forçado sobre uma 
superfície sob condições de carregamento controladas. 
 
 
 Quanto mais “mole” o material, maior a profundidade de penetração e a 
área da marca deixada pelo identador. 
 
 Ensaio de Dureza Rockwell: ensaio de dureza mais comum. A dureza 
é determinada pela diferença na profundidade de penetração resultante da 
aplicação de uma carga inicial menor seguida por uma carga principal maior. 
 
 Tipos de identadores Rockwell: 
 - Esfera de aço 
 - Cone de diamante 
 
 Rockwell: carga inicial de 10 Kg. 
 Rockwell Superficial: carga inicial de 3 Kg. 
 
 
 Exemplos: 
 80 HRB – Material com Dureza Rockwell. 80 na escala B. 
 60 HR30W – Material com Dureza Rockwell. Superficial de 60 na escala 
30W. 
 
 
 
 Dureza Brinell: carga aplicadas maiores (500 – 3000 Kg). 
 
 
 Microdureza Vickers: cargas aplicadas menores (1 – 1000g). Baseada 
na área da marca de identação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Teste de Dureza dos Materiais 
 
 
Comparação da Dureza de Alguns Materiais 
 
 
 
 
T E N S Ã O E D E F O R M A Ç Ã O 
 O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua 
resposta (ou Deformação) a uma carga (ou Tensão) que esteja sendo 
aplicada sobre um corpo fabricado deste material. 
 
 
 As deformações podem ser elásticas ou plásticas. 
 
 As deformações elásticas não são permanentes: são deformações que 
desaparecem quando a tensão aplicada é retirada. As deformações 
elásticas são reversíveis, sendo resultado da ação de forças 
conservativas. 
 
 As deformações plásticas são permanentes: permanecem após a tensão 
aplicada ser retirada. Deformações plásticas são irreversíveis, sendo 
acompanhadas por deslocamentos atômicos permanentes. 
 
 As tensões (cargas) podem ser de TRAÇÂO, COMPRESSÂO, 
CISALHAMENTO ou TORÇÃO. 
 
 
Tração (tensão uniaxial): força aplicada sobre o corpo é perpendicular às 
suas superfícies. 
 
 Assumindo que a reação à força de tração se distribui homogeneamente 
no sólido. 
 
 
 Na deformação por tração, normalmente ocorre: 
Alongamento ao longo do eixo de aplicação da força; 
Contração ao longo dos dois outros eixos. 
 
Compressão: 
 Força compressiva 
 O corpo se contrai na direção da tensão 
 Mesmas equações: valores negativos 
 
Cisalhamento: força aplicada sobre o corpo é paralela à suas superfícies. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Torção: variação de cisalhamento. 
 
 
 
P R O P R I E D A D E S E L Á S T I C A S D O S M A T E R I A I S 
 
o Quando uma tensão (tração) é imposta tem-se uma elongação elástica e 
uma deformação correspondente a essa elongação. 
 
o Resultado elongação: contração nas direções laterais (x, y) 
perpendicular à tensão aplicada. 
 
o A partir dessas contrações podem-se determinar os valores das 
deformações compressivas. 
 
o Se a tensão for uniaxial e o material isotrópico: x = y. 
 
 Considerando-se que o volume é aproximadamente constante, havendo 
uma variação de tamanho na direção axial, esta deverá ser compensada na 
direção transversa. 
 
 Deformações compressivas (x e y) podem ser expressas através do: 
 
 Coeficiente de Poisson (v): razão entre lateral e axial. 
 
 
 Coeficiente de Poisson: descreve a relação entre a diminuição da área 
da seção transversal e o aumento no comprimento do material em um 
teste de tração. 
Para materiais isotrópicos, módulos de cisalhamento (G) e de 
elasticidade (E) são relacionados: 
E = 2G(1+v) 
Para muitos metais: G ~0,4E 
 
 
 
P R O P R I E D A D E S D E T R A Ç Ã O 
 
 Tração: ensaio mecânico de TENSÃO vs DEFORMAÇÃO mais comum. 
 Ensaio destrutivo. 
 Corpo de Prova: diferentes formas e dimensões. 
 As medidas de tensão são feitas com uma célula de carga. 
 
Sistema básico: 
 Sistema de aplicação de carga (uniaxialmente). 
 Dispositivo para prender o corpo de prova. 
 Sensores que permitem medir a tensão aplicada e a deformação 
promovida (extensômetro) é uma taxa (ou velocidade) de deformação 
constante. 
 
 
Curva típica de Tensão vs Deformação – METAL 
(Comportamento representativo da curva TENSÃO em função da 
DEFORMAÇÃO obtida num ENSAIO DE TRAÇÃO de um metal) 
 
 
 
 
 O ponto P corresponde ao LIMITE DE PROPORCIONALIDADE (LP); a 
deformação a partir doponto P é plástica, e antes do ponto P é elástica. 
 
 
 
 Em uma escala atômica, a DEFORMAÇÃO ELÁSTICA é manifestada 
como pequenas alterações no espaçamento interatômica e na extensão 
das ligações interatômicas. 
 
 
M Ó D U L O D E E L A S T I C I D A D E 
 
 Alguns materiais (ferro fundido, concreto, alguns polímeros etc) 
apresentam curvas de tensão-deformação em que a parte elástica NÃO 
é linear. Neste caso, o módulo elástico (em um nível de tensão 
específico) pode ser determinado pelo Módulo Tangente ou Módulo 
Secante. 
 
 
 
Comparação entre valores do Módulo de Elasticidade em diferentes 
Materiais 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Valores do módulo de elasticidade para diferentes materiais 
 
 
 
D E F O R M A Ç Ã O P L Á S T I C A 
 
 
 Quando as deformações ultrapassam o limite de proporcionalidade, a 
relação entre a tensão e a deformação deixa de ser linear (Lei de 
Hooke), produzindo-se uma deformação permanente, chamada 
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA. 
 Na prática, muitas vezes, é difícil definir a posição do ponto P 
(deformação elástica -> plástica) com precisão. 
 Como consequência, geralmente se define uma TENSÃO LIMITE DE 
ESCOAMENTO (LE) como sendo a tensão necessária para se produzir 
uma pequena quantidade de deformação plástica. 
 Por exemplo, o ponto Eє corresponde a uma deformação plástica de є = 
0,002=0,2% (metais). 
 Quando o fenômeno de escoamento não é nítido, a tensão de 
escoamento é definida como aquela necessária para promover uma 
deformação permanente de x%. 
 
 
 Na maioria dos projetos de engenharia é importante trabalhar na região 
elástica, portanto é preciso definir um limite de tensão que o material irá 
resistir antes de se deformar plasticamente. 
 
 
 Alguns materiais (exemplo: maioria dos metais) mostram ponto de 
escoamento bastante nítido. 
 Não é necessário utilizar método descrito anteriormente; o ponto de 
escoamento pode ser determinado diretamente do gráfico. 
 
 
 
 
 
Propriedades de Tração de Alguns Materiais 
 
 
Relação entre Dureza e Limite de Resistência a Tração 
 Ambos são indicadores da resistência de um material à deformação 
plástica. 
 
 
 
 
 
COMPORTAMENTO MECÂNICO DOS MATERIAIS – METAL 
 
 Ductilidade: medida do grau de deformação plástica que um material 
pode sofrer até o rompimento. 
 
 
 Materiais que suportam pouca deformação plástica são chamados 
FRÁGEIS. 
 Materiais que suportam muita deformação plástica são chamados 
DÚCTEIS. 
 
 
 
Comportamento frágil e dúctil de materiais em ensaios de tração 
 
 
 Existem duas formas de se expressar a ductilidade: 
 
Porcentagem de elongação: 
 
Porcentagem de redução em área (coeficiente percentual de estricção): 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Comportamento Mecânico dos Materiais 
 
 
 
Materiais Dúcteis e Frágeis 
 Tenacidade: medida de quantidade de energia que um material pode 
absorver antes de fraturar. 
 
 
 
 Para um material apresentar características tenazes, ele deve 
apresentar tanto resistência quanto ductilidade; 
 Frequentemente materiais dúcteis são mais tenazes do que materiais 
frágeis (como demonstrado nas áreas representadas ela figura abaixo); 
 
 Assim sendo, embora os materiais frágeis tenham maior limite de 
escoamento e maior limite de resistência a tração, eles possuem menos 
tenacidade do que o material dúctil. 
 
 Podemos perceber que as cerâmicas, por exemplo, são extremamente 
resistentes mecanicamente, porém tem uma tenacidade muito baixa e 
chega a ruptura com qualquer impacta de baixa intensidade. 
 
 Já as borrachas têm uma elevadíssima tenacidade e uma baixa 
resistência mecânica, absorvendo muito energia antes de se romper. 
 
 
 
 
 
 Resiliência: Corresponde à capacidade do material de absorver energia 
quando ele é deformado elasticamente. 
 
 Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade 
(como os materiais utilizados para molas). 
Curva Tensão x Deformação 
 
 LE, LRT e E representam habilidade do material de suportar cargas em 
diferentes condições. 
 ЄLE, ЄE, ЄLR, a resiliência e a tenacidade quantificam a habilidade do 
material em se deformar. 
Deformação de Engenharia e Deformação Real 
 Considerando uma amostra cilíndrica homogênea sujeita a uma tensão 
uniaxial ao longo do eixo do cilindro. A área inicial da seção transversal 
da amostra é A0 e seu comprimento é l0. Devido à aplicação da tensão, o 
comprimento da amostra varia de l0 a ln e a área do A0 a An. 
 
 A deformação de engenharia є vale. 
 
 Suponha agora, que a variação do comprimento da amostra é feita em N 
passos de tal forma que: 
 
Para N grande, podemos substituir a somatória por uma integral. 
 
E єR é a denominada DEFORMAÇÃO REAL e a sua correlação com є é 
apresentada na equação acima. 
 
 A deformação de engenharia coincide com a deformação real APENAS 
para deformações suficientemente pequenas. 
Tensão de Engenharia e Tensão Real 
 
 
 
 
 
Curva Tensão Real – Deformação Real 
 
 
Comportamento Mecânico dos Materiais 
 Tensão e deformação de engenharia NÃO levam em consideração a 
redução da área na região do empescoçamento (estricção). 
 
 Podem também ser definidas em termos de seção transversal 
instantânea (Ai): 
 
 
o Comportamento Mecânico – Materiais Poliméricos 
Mecanismo de deformação em materiais poliméricos 
Fatores que influenciam as propriedades mecânicas dos 
polímeros 
o Comportamento Mecânico – Materiais Cerâmicos 
o Mecanismos de deformação em Materiais amorfos: 
comportamento elástico, viscoelástico e viscoplástico. 
P R O P R I E D A D E S M E C Â N I C A S D O S P O L Í M E R O S 
 
 
 
 
 
A) Polímero frágil 
B) Polímero dúctil e tenaz 
C) Elastômero dúctil 
 
 
Deformação em elastômeros 
 
Vulcanização: reação química de formação de ligações cruzadas em 
polímeros (normalmente enxofre). 
 
M E C A N I S M O D E D E F O R M A Ç Ã O E L Á S T I C A E M 
M A T E R I A I S P O L I M É R I C O S 
 
 Ensaio de tração: deformação elástica e deformação plástica dos 
polímeros. 
 Deformação elástica nos polímeros ocorre em níveis de tensão 
relativamente baixos. 
 Polímeros Semicristalinos: mudança nas regiões amorfas e cristalinas. 
Atribuída ao alongamento das cadeias amorfas na direção da tensão 
aplicada. 
 
 Estágios da deformação elástica em polímeros semicristalinos: 
- 2 lamelas adjacentes com cadeias dobradas e material amorfo antes 
da deformação. 
- Alongamento das cadeias amorfas durante o 1º estágio de deformação. 
- Aumento na espessura do cristalino devido a dobra e estiramento das 
cadeias. 
 
M E C A N I S M O D E D E F O R M A Ç Ã O P L Á S T I C A E M 
M A T E R I A I S P O L I M É R I C O S 
 
 Estágios de deformação plástica em polímeros semicristalinos: 
a) Lamelas (cristalitos) após a deformação elástica. 
b) Inclinação das lamelas (sentido da força aplicada). 
c) Separação de segmentos de blocos cristalinos. 
d) Orientação dos segmentos e das cadeias com o eixo de tração no 
estágio final da deformação plástica 
 
 Resulta em uma estrutura altamente orientada. 
 Processo denominado estiramento: pode proporcionar melhoria nas 
propriedades mecânicas e de barreira de filmes poliméricos (Exemplo: 
BOPP).Deformação em polímeros semicristalinos 
(fenômenos de empescoçamento ou estricção) 
 
 O limite de escoamento superior (a) corresponde ao início da formação 
do empescoçamento (estricção). A tensão cai até o limite inferior de 
escoamento (b) devido à diminuição da secção resistente. 
 Na região do empescoçamento, as cadeias moleculares se orientam, o 
que leva a um aumento localizado de resistência (c-d). 
 Em consequência, a deformação plástica prossegue em uma região 
vizinha à da estricção (de menor resistência), resultando em um 
aumento do comprimento da amostra. 
 A tensão de escoamento aumenta devido ao aumento da resistência do 
polímero (alinhamento de cadeias). 
 
 As propriedades mecânicas de polímeros são altamente dependentes de 
vários fatores: 
 
- Temperatura de uso dos materiais 
- Temperatura de ensaio 
- Velocidade de ensaio 
- Condições atmosféricas (exemplo: umidade) 
- História térmica do material (processamento) 
1) Efeito da temperatura: faixa de uso dos materiais. 
 
 
 
 
 
2) Temperatura do ensaio 
 
Um mesmo polímero pode ser frágil ou dúctil, dependendo da temperatura ou 
da velocidade do ensaio. 
3) Velocidade do ensaio 
 
4) Condições atmosféricas 
 
5) Condições de processamento anterior 
 
 No geral, quanto maior a cristalinidade maior o módulo elástico, maior a 
resistência ao escoamento e maior a dureza. 
 
 
 
6) Cristalinidade 
 
7) Orientação 
 Direção Paralela: os polímeros apresentam alto módulo e evada 
resistência à tração – ligações primárias. 
 Direção Perpendicular: baixa resistência – ligações secundárias. 
 
 Para polímeros dúcteis, o alongamento na ruptura é maior para 
polímeros orientados perpendicularmente que paralelamente. Isto porque, no 
estiramento de polímeros previamente orientados na direção perpendicular, as 
moléculas primeiro se desorientam e então se reorientam na direção da força 
aplicada. 
 
 No caso de polímeros frágeis, estes quebram antes do processo de 
reorientação. 
8) Massa Molar 
 O LRT aumenta em função do aumento da massa molar. 
 
C O M P O R T AM E N T O M E C ÂN I C O – M AT E R I AI S C E R ÂM I C O S 
 A característica típica de cerâmica é romper com baixa absorção de 
energia (fratura frágil). A temperatura ambiente a maioria dos materiais 
cerâmicos sobre fratura antes do surgimento de uma deformação plástica. 
Cerâmicas Cristalinas: 
 O deslocamento de discordância é muito difícil – íons com mesma carga 
elétrica são colocados próximos uns dos outros – Repulsão. 
 No caso de cerâmicas onde a ligação covalente predomina o 
escorregamento também é difícil – Ligação Forte. 
Cerâmicas Amorfas: 
 Não há uma estrutura cristalina regular – Não Há Discordâncias. 
 Materiais se deformam por Escoamento Viscoso. 
 A resistência à deformação em um material não-cristalino é medida por 
intermédio de sua viscosidade. 
 
Movimentação de discordância em cunha em sólidos com ligações covalentes. 
 
Movimentação de discordância em cunha em sólidos cristalinos com ligações 
com ligações iônicas. 
 
P R O P R I E D A D E S M E C Â N I C A S E M C E R Â M I C A S 
 
Curva de Tração de Materiais Frágeis 
(Materiais Cerâmicos) 
 
 
 
Influência da porosidade 
 Processamento ou fabricação: compactação das partículas (pó) e 
tratamento térmico (sinterização) – eliminar porosidade. 
 Qualquer porosidade residual terá influência negativa nas propriedades 
mecânicas dos materiais cerâmicas. 
 
 
 
 
MECAMISMOS DE DEFORMAÇ ÃO EM MATERI AS AMORFOS 
( P O L Í M E R O S O U C E R Â M I C A S ) 
 
Deformação Amorfa 
 Material amorfo pode se comportar como um sólido vítreo (baixas T), 
com um sólido viscoso (T intermediárias) e como um líquido viscoso 
(aumento T). 
- Baixas T (e baixas deformações): comportamento elástico; 
- Altas T: comportamento viscoso; 
- T intermediária: viscoelástico. 
 
 Comportamento elástico: a deformação elástica é instantânea, ou seja, 
independente do tempo. 
- Processo REVERSÍVEL: deformação total ocorre no instante em que 
a tensão é aplicada ou liberada. 
 
 Comportamento viscoso: a deformação não é instantânea, ou seja, em 
resposta à aplicação de uma tensão, a deformação é dependente do 
tempo. 
- Deformação não é REVERSÍVEL: não é completamente recuperado 
após a liberação da tensão. 
 
 Comportamento viscoelástico: deformação elástica (instantânea) + 
deformação viscosa (dependente do tempo). 
Exemplo: Polímero de silicone: enrolado como bola e jogado contra a 
parede = pula e repica elasticamente (taxa de deformação rápida); 
quando tracionado (tensão gradual e crescente) material se alonga e 
escoa (líquido viscoso). 
 
Deformação Elástica 
 Processo REVERSÍVEL 
- Deformação total ocorre no instante em que a tensão é aplicada ou 
liberada. 
- deformação é instantânea, ou seja, independente do tempo. 
- não dissipa energia 
 
 
 
 
Fluxo Viscoso 
 Processo IRREVERSÍVEL 
- a resposta à tensão aplicada não é instantânea, ou seja, deformação é 
dependente do tempo. 
- deformação não é completamente recuperada após a liberação da 
tensão. 
- dissipa energia. 
 
 
 
 
 
 
C O M P O R T A M E N T O V I S C O E L Á S T I C O 
 
 Deformação elástica instantânea seguida de um fluxo viscoso 
dependente do tempo. 
 
 
 Considere um corpo de prova de comprimento inicial L0, que é 
submetido a um esforço Ϭ no instante t0. 
 Inicialmente ele sofre uma deformação instantânea, puramente elástica 
(єel), que obedece à lei de Hooke. 
 Se o esforço é mantido constante (não varia com o tempo), uma 
deformação viscoelástica (єvel) aparece ao longo do tempo, e se 
estabiliza num tempo ta. 
 A deformação total єt é igual à soma das duas deformações. Essa 
deformação permanece constante, até que o esforço seja eliminado no 
instante tf. 
 Nesse instante, o corpo de prova sofre uma contração elástica 
praticamente instantânea, de valor absoluto igual a єel. 
 Para que o corpo de prova volte às suas dimensões iniciais (ou seja, 
para que haja uma contração adicional em valor absoluto igual à 
deformação viscoelástica) é necessário um intervalo de tempo igual à dt. 
 Nesse instante, o corpo de prova sofre uma contração elástica 
praticamente instantânea, de valor absoluto igual a єel. 
 Para que o corpo de prova volte às suas dimensões iniciais (ou seja, 
para que haja uma contração adicional em valor absoluto igual à 
deformação viscoelástica) é necessário um intervalo de tempo igual à dt. 
 No tempo t=tf+dt o corpo de prova readquire suas dimensões iniciais, 
não existindo nenhuma deformação plástica residual. 
 O comportamento viscoelástico é reversível, mas dissipa parte da 
energia envolvida nas deformações. 
MECANISMO DE DEFORMAÇÃO EM MATERIAIS AMORFOS 
C O M P O R T A M E N T O V I S C O P L Á S T I C O 
 
 Quando a deformação não é mais proporcional a tensão aplicada, 
ocorrendo então uma deformação não recuperável e permanente. 
 Considere um corpo de prova de comprimento inicial L0, que é 
submetido a um esforço Ϭ no instante t0. 
 Inicialmente ele sofre uma deformação instantânea, puramente elástica 
(єel), que obedece à lei de Hooke. 
 Se o esforço é mantido constante (não varia com o tempo), deformação 
viscoelástica (єvel) e viscoplástica (єvpl) aparecem ao longo do tempo. 
 A deformação viscoelástica se estabiliza de certo tempo, o que não 
ocorre com a deformação viscoplástica: ela cresce continuamente com o 
tempo. 
 A deformação total єT é igualà soma das deformações єel, єvel, єvpl. 
 A deformação cresce continuamente com o tempo, até que o esforço Ϭ 
seja eliminado no instante tf. 
 Nesse instante, o corpo de prova sofre uma contração elástica 
praticamente instantânea, de valor absoluto igual a єel. 
 A contração referente à deformação viscoelástica ocorre num intervalo 
de tempo dt. 
 No tempo t=tf+dt o corpo de prova não readquire suas dimensões iniciais, 
apresentando uma deformação permanente Δlvpl (deformação 
viscoplástica). 
 O comportamento viscoplástico é irreversível, ocorrendo dissipação 
de energia no processo de deformação. 
 
o Mecanismos de Deformação Plástica em Metais 
Mecanismos de deformação plástica em metais e ligas. 
Mecanismos de endurecimento em metais e ligas. 
Recuperação, Recristalização e Crescimento de Grão. 
o Falha nos Materiais 
Fratura 
Fadiga 
Fluência 
 
 O mecanismo de deformação plástica é diferente para materiais 
cristalinos e materiais amorfos. 
 Nos MATERIAIS CRISTALINOS (metais e cerâmicas cristalinas) o 
principal mecanismo de deformação plástica consiste no escorregamento de 
planos atômicos através da MOVIMENTAÇÃO DE DISCORDÂNICIA. 
 
 
 
 Nos MATERIAIS AMORFOS (cerâmicas amorfas e polímeros em geral) 
o principal mecanismo de deformação plástica geralmente consiste no 
ESCOAMENTO VISCOSO (deformação viscoelástica e viscoplástica). 
 
 Tipos de discordância: aresta, espiral e mista. 
 A movimentação de discordância é o principal fator envolvido na 
deformação plástica de metais e ligas. 
 A mobilidade de discordância pode ser alterada por diversos fatores 
(composição, processamento etc) e também pelo controle das propriedades 
mecânicas do material. 
 
 
 
 
 As discordâncias não se movem com a mesma facilidade em todos os 
planos cristalinos e em todas as direções cristalográficas. 
 A movimentação das discordâncias se dá preferencialmente através de 
planos específicos e, dentro desses planos, em direções específicas, ambos 
com a MAIOR DENSIDADE ATÔMICA em um dado reticulo cristalino. 
 Essa combinação de um plano e uma direção é chamada de SISTEMA 
DE ESCORREGAMENTO (“slip system”). 
 ESCORREGAMENTO: processo no qual uma deformação plástica é 
produzida pelo movimento de uma discordância. 
 
 
 Um sistema de escorregamento é definido por um PLANO e por uma 
DIREÇÃO de escorregamento, ambos com a maior densidade atômica em um 
dado retículo cristalino. 
 
 
 
 
 
 
 
 
DE FO RM AÇ ÃO P L ÁS T I C A E M ME T AI S MO NO CRIST AL I NO S 
 
 Escorregamento de discordância em monocristais: discordâncias se 
movem em resposta a uma tensão aplicada ao longo de um plano e direção de 
escorregamento. 
 
 
 
 Monocristal: escorregamento ocorre ao longo de diversos planos e 
direções equivalentes que estão orientados de maneira mais favorável, em 
várias posições ao longo do comprimento da amostra. 
 Pequenos degraus sobre a superfície do monocristal. 
 Cada degrau resulta do movimento de um grande número de 
discordância ao longo do mesmo plano de escorregamento. 
 
D E F O R M AÇ ÃO P L ÁS T I C A E M M E T AI S P O L I C R I S T AL I N O S 
 
 Materiais policristalinos: extrapolação dos mecanismos dos monocristais. 
 Devido as orientações cristalográficas diferentes de cada grão, a direção 
de escorregamento varia de um grão para outro. 
 Para cada grão, o movimento de discordâncias ocorre ao longo do 
sistema de escorregamento mais favorável. 
 
 
Direções de escorregamento preferencial para cada cristal. 
 
 Materiais policristalinos são mais resistentes à deformação plástica que 
os monocristais devido às restrições à deformação de cada cristal gerada pelos 
cristais adjacentes. 
 
 
Alteração da microestrutura de um metal policristalino em consequência da 
deformação plástica. 
 
MECANISMOS DE AUMENTO DA RESISTÊNCI A E M METAIS 
 
 Balanço entre: aumento de resistência, ductilidade e tenacidade. 
 
 
 
 Restringir ou dificultar a movimentação das discordâncias torna os 
metais mais resistentes à deformação plástica, ou seja, mais duros e menos 
dúcteis. 
 Isso pode ser obtido formas diferentes: 
o Endurecimento por deformação plástica (ENCRUAMENTO) (“strain 
hardening” ou “work hardening”); 
o Endurecimento por diminuição (REFINO) do tamanho de grão 
(“strengthening by grain size reduction”); 
o Endurecimento por SOLUÇÃO SÓLIDA (“solid solution strengthening”); 
o Endurecimento por PRECIPITAÇÃO ou DISPERSÃO. 
 
E N C R U A M E N T O 
 É o mais antigo e provavelmente o mais utilizado dentre os mecanismos 
de endurecimento de metais. 
 O encruamento é o mecanismo pelo qual um material dúctil se torna 
mais duro e resistente depois de ter sido submetido a uma deformação plástica. 
 Durante a deformação plástica, as discordâncias movimentam-se, 
multiplicam-se e interagem entre si. 
 Para que ocorra a deformação plástica novamente (movimentação das 
discordâncias), passa a existir a necessidade de tensões maiores (aumento da 
resistência. 
 
 O material com limite de escoamento Ϭyo é tracionado até D. 
 Após descarregamento sofre RECUPERAÇÃO ELÁSTICA. 
 Quando recarregado, por ter sofrido ENCRUAMENTO, apresenta limite 
de escoamento maior Ϭyi. 
 
 Durante a deformação plástica, as discordâncias movimentam-se e 
multiplicam-se. 
 Para que a movimentação das discordâncias ocorra, é necessário 
tensões crescentes. 
 O encruamento também é denominado de trabalho a frio ou 
endurecimento por trabalho. 
 
 
R E F I N O D E G R Ã O 
 
 Endurecimento por redução de tamanho de grão. 
 O tamanho ou o diâmetro médio dos grãos em um material policristalino 
têm grande influência nas propriedades mecânicas. 
 Durante a deformação plástica, o escorregamento deve ocorrer através 
do contorno de grão (grão A para o grão B, na Figura). 
 Contorno de grão atua como barreira ao movimento das discordâncias 
(barreira à deformação plástica). 
 
 
 
 O material com granulação fina é mais duro e resistente, pois possui 
uma área total maior de contornos de grão para impedir o movimento das 
discordâncias (impedir a deformação plástica). 
 Em muitos materiais, a tensão limite de escoamento (Ϭy) varia de acordo 
com o tamanho médio do grão (d) pela relação: 
 
 
 
Material com granulação fina é mais duro e resistente pois possui uma área 
total maior de contornos de grão para impedir o movimento das discordâncias. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
S O L U Ç Ã O S Ó L I D A 
 
 
 
 Os campos de tensão gerados pelos átomos de soluto interagem com os 
campos de tensão das discordâncias, dificultando a movimentação das 
discordâncias e, consequentemente, promovendo endurecimento. 
 
 
 
 Átomos de soluto tendem a se segregar ao redor das discordâncias de 
maneira a reduzir a energia global da deformação. 
 Movimentação das discordâncias é restringida (endurecimento). 
 
 
 
P R E C I P I T A Ç Ã O O U D I S P E R S Ã O 
 
 Os precipitados também dificultam o movimento das discordâncias. 
 PRECIPITADOS INCOERENTES: não existe continuidade entre os 
planos cristalinos do precipitado e os da matriz, e as discordâncias terão que 
se curvar entre os precipitados. Dificultam mais o movimento das discordâncias. 
 
 
 
 PRECIPITADOS COERENTES: Dificultam menos o movimento das 
discordâncias. 
 Quando os precipitados forem coerentes, as discordâncias em 
movimento poderão cortá-los ou cisalhá-los dificultando menos o movimento 
das discordâncias.RECUPERAÇÃO, RECRISTALIZAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃO 
 
 A deformação plástica de uma amostra metálica policristalina tem T 
menores que a T fusão (trabalho a frio) produz alterações microestruturais e de 
propriedades, que incluem: 
o Alteração na forma do grão; 
o Endurecimento por encruamento; 
o Aumento na densidade das discordâncias. 
 Essas propriedades ES estruturas podem ser revertidas aos seus 
estados anteriores ao trabalho a frio mediante um tratamento térmico 
apropriado (recozimento ou “annealling”). 
 Essa restauração resulta em 2 processos diferentes que ocorrem a T 
elevadas: recuperação e recristalização, que podem ser seguidos por 
crescimento do grão. 
 
 
 Uma parte da energia de deformação interna que se encontra 
armazenada é liberada devido ao movimento das discordâncias, como 
resultado de um aumento da difusão atômica em T elevadas. 
 Existe uma redução no número de discordância e são produzidas 
configurações de discordâncias que possuem baixas energias de deformação. 
 Além disso, propriedades (condutividade elétrica e térmica) são 
recuperadas aos seus estados anteriores ao processo de trabalho a frio. 
R E C R I S T A L I Z A Ç Ã O 
 Formação de um novo conjunto de grãos com dimensões 
aproximadamente iguais e livres de deformação, que têm baixa densidade de 
discordância e que são característicos das condições anteriores ao processo 
de trabalho a frio. 
 Novos grãos se formam como núcleos muito pequenos e crescem até 
que consumam por completo seu material de origem em processos de difusão 
de curto alcance. 
 Assim o metal se torna menos resistente e mais deformável (mais dúctil). 
C R E S C I M E N T O D O G R Ã O 
 Após a conclusão da recristalização, os grãos livres de deformação 
continuarão a crescer se a amostra do metal for deixada a uma T elevada 
(crescimento do grão). 
 O crescimento do grão não precisa ser precedido por recuperação e 
recristalização. 
 Pode ocorrer em todos os materiais policristalinos (metais ou cerâmicas). 
 O crescimento do grão ocorre pela migração de contornos de grão: 
Ocorre por difusão atômica de curta distância. 
 
 As propriedades mecânicas à T ambiente de um metal com granulação 
fina são, em geral, superiores (maior resistência) às dos metais com grãos 
maiores. 
 
 
 
 
 
 
 
 
R E C R I S T A L I Z A Ç Ã O E C R E S C I M E N T O D O G R Ã O 
 
RECUPERAÇÃO, RECRISTALIZAÇÃO E CRESCIMENTO DE GRÃO 
 
 
 A influência da temperatura de recozimento sobre o limite de resistência 
à tração e ductilidade de uma liga de latão. 
 Tamanho de grão como uma função da temperatura de recozimento é 
indicada. 
 Estrutura de grão durante os estágios de recuperação, recristalização e 
crescimento de grão é mostrada esquematicamente. 
F A L H A N O S M A T E R I A I S 
 A FALHA de materiais de engenharia é quase sempre um evento 
indesejável por várias razões; estas incluem vidas humanas que são postas em 
risco, perdas econômicas e a interferência com a disponibilidade de produtos e 
serviços. 
 Mesmo embora as causas de falhas e o comportamento de materiais 
possam ser conhecidos, a prevenção de falhas é difícil de garantir. 
 As causas usuais das falhas são a seleção e processamento 
inadequados de materiais e erros de projeto do componente ou seu mau uso. 
 Materiais de Engenharia: fratura dúctil ou frágil (baseada na capacidade 
de um material apresentar ou não deformação plástica). 
 Fratura Dúctil: deformação plástica substancial, com uma grande 
absorção de energia antes da fratura. 
 Fratura Frágil: pouca ou nenhuma deformação plástica, com uma baixa 
absorção de energia antes da fratura. 
 
 Processo de fratura: 2 etapas (criação e propagação de trincas em 
resposta à imposição de uma tensão). 
 Fratura dúctil: extensa deformação plástica na vizinhança de uma trinca 
que está avançando (trinca estável); 
 Fratura frágil: trincas podem se propagar de uma maneira extremamente 
rápida, acompanhadas de pouca deformação plástica (trinca instável). 
 Fratura dúctil SEMPRE preferível; 
 Sob tensão de tração aplicada: ligas metálicas (dúcteis), cerâmicas 
(frágeis) e polímeros (ambos tipos de fratura). 
 
Ensaio de fratura: Resistência ao Impacto 
 Representa a tenacidade do material (energia absorvida até a fratura). 
 Determina as características de fratura dos materiais (frágil ou dúctil). 
 Ensaio de tração convencional: taxa de deformação є aproximadamente 
10-5 a 10-1 (s-1). 
 Solicitações de impacto: є aproximadamente 102 a 103 (s-1) (taxa de 
deformação elevada). 
 Ensaios Charpy e Izod: medem energia de impacto ou tenacidade ao 
entalhe. 
 
Ensaio de impacto (Pêndulo) 
 
 O entalhe no corpo de prova atua concentrando as tensões, ou seja, é 
um ponto de fragilidade, permitindo a iniciação da trinca e facilitando a sua 
propagação. 
 O entalhe é padronizado por norma e caracterizado segundo seu ângulo 
e profundidade. 
 
Ensaio de Resistência ao Impacto 
Queda de Peso (Drop-Weight Test) 
 
 Um peso é lançado de uma altura pré-estabelecida em queda livre sobre 
a amostra. 
 O resultado é qualitativo – quebra ou não quebra (alternativamente, 
deforma ou não deforma, trinca ou não trinca,...) 
 Permite determinar a TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO PARA 
DUCTILIDADE NULA (NDT nil ductility transitionn temperature) – interessante 
em projeto de engenharia para aplicações em temperatura subambientes. 
Transição Dúctil-Frágil 
 Ensaio Charpy e Izod: determinar se um material apresenta ou não a 
transição Dúctil-Frágil. 
 Relacionada à dependências da absorção da energia de impacto medida 
em relação à T. 
 
 Transição abrupta de um comportamento frágil em baixa T para um 
comportamento dúctil em alta T. 
 Depende fortemente da geometria da amostra e do critério para sua 
definição – cuidado no projeto para que um material não sofra essa transição 
em operação. 
 Permite comparar, entretanto, a fragilidade ou ductilidade relativa em 
solicitações de impacto através de um ensaio padronizado. 
 Pode ser observados em metais CCC e HC, polímeros e em cerâmicas 
(em temperaturas elevadas). 
Energia de impacto vs. Temperatura 
 
1 – elevadas energias de impacto (dúcteis) e não apresentam transição 
dúctil/frágil. 
2 – apresentam transição dúctil/frágil. 
3 – baixas energias de impacto (frágeis) e não apresentam transição 
dúctil/frágil. 
Transição Dúctil-Frágil 
 
 Não se deve construir estruturas utilizando materiais que apresentam o 
comportamento de transição dúctil-frágil caso haja utilização em temperaturas 
abaixo da temperatura de transição Tc, para evitar fraturas frágeis e 
catastróficas. 
 
Ruptura de uma ponte metálica no Canadá, acontecida em 1951. A estrutura 
rompeu de forma frágil numa noite de inverno (-30ºC), num momento em que a 
ponte não estava sequer submetida a uma grande solicitação. 
Resistência ao Impacto – Polímeros 
 A resistência ao impacto é uma das propriedades mais importantes na 
avaliação do desempenho mecânico dos polímeros. Isso porque, muitas vezes, 
durante o tempo de vida útil, pode ocorrer uma solicitação mecânica de 
curtíssima duração de forma brusca e repentina. 
 Dois fatores determinam o comportamento do polímero quando 
submetido ao ensaio de impacto: 
o Energia necessária para iniciar a trinca 
o Energia requerida para propagar a trinca 
 
Fatores que influenciam a resistência ao impacto 
 Temperatura 
 - Resistência ao impacto apresenta uma forte dependência com a 
temperatura. 
 - Normalmente quanto maior a temperatura maior a RI. 
 - Dependência coma Tg: 
 
 Cristalinidade 
 - Um aumento de cristalinidade faz com que ocorra uma redução na RI. 
 - Geralmente polímeros que apresentam baixa cristalinidade apresentam 
elevadas RI. 
 Aditivos 
 - Plastificantes- reduzem a Tg e, portanto aumentam a resistência ao 
impacto de um polímero se a Tg está próxima à temperatura ambiente. 
 - Cargas rígidas – em um polímero rígido reduz a RI. 
 Resfriamento 
 - Taxas de resfriamento lentas produzem grandes esferulitos, 
conduzindo a uma maior fragilidade. 
 - Taxas de resfriamento mais rápidas ou agentes nucleantes, reduzem o 
tamanho dos esferulitos e a fragilização. 
 
 
 Orientação 
Verificar o TIPO de ligação que será rompida com a propagação da trinca. 
 
F A D I G A 
 Nas aplicações de engenharia frequentemente encontram-se 
solicitações cíclicas (exemplo: eixos, molas, asas de avião etc), que implicam 
em FADIGA. 
 FADIGA: forma de falha que ocorre normalmente após um longo período 
de aplicações de tensões repetitivas ou ciclos de deformação. Sob estas 
circunstâncias é possível que ocorra a falha num nível de tensão 
consideravelmente inferior ao limite de resistência à tração ou ao limite de 
escoamento para uma carga estática. 
 Ou seja, a fadiga ocorre mesmo quando um componente é submetido a 
solicitações dentro do regime elástico (isto é, para tensões inferiores ao limite 
de escoamento) -> o fenômeno deve ser levado em conta em projetos de 
engenharia. 
 A fadiga ocorre em todas as classes de materiais (metálicos, cerâmicos, 
poliméricos e compósitos). Representa aproximadamente 90% das falhas em 
metais. 
 Falhas de fadiga são do tipo frágil mesmo em metais normalmente 
dúcteis, uma vez que existe muito pouca, se é que existe alguma, deformação 
plástica bruta associada com a falha. 
 O processo ocorre pela iniciação e propagação de trincas e a superfície 
de fratura é perpendicular à direção de uma tensão de tração aplicada. 
 Tensões Cíclicas – Esforços (cargas) que se repetem com regularidade. 
-A tensão cíclica é definida por uma função senoidal, onde os valores de 
tensão são representados no eixo das ordenadas e o número de ciclos 
no eixo das abscissas. 
-Tensões de tração são representadas como positivas e de compressão 
como negativas. 
 
 
Variação da tensão ao longo do tempo, que é responsável por falhas por fadiga. 
 
a) Ciclo de tensões alternadas: tensão alterna entre uma tensão de tração 
máxima (+) e uma de compressão máxima (-) de igual magnitude. 
b) Ciclo de tensão repetitivas, no qual a tensão máxima e mínima são 
assimétricas (Ϭm=tensão média). 
c) Ciclo de tensões aleatórias. 
 
ENSAIO 
 O ensaio de fadiga é um método utilizado para especificar os limites de 
tensão e de tempo de uso de um produto, peça ou elemento de máquina. É 
utilizado para definir aplicações de materiais. 
 Determina o comportamento de materiais submetidos a cargas fluentes 
(cíclicas); 
 Aplicações de cargas alternadas e o número de ciclos necessários para 
produzir a ruptura (numa peça ou corpo de prova). 
 
 
 Os aparelhos de ensaio de fadiga são constituídos por um sistema de 
aplicações de cargas, que permite simular esforços das condições reais de 
trabalho, e por um contador de número de ciclos. 
 O ensaio é realizado de acordo com o tipo de solicitação: torção, tração-
compressão, flexão, flexão rotativa. 
 
 Flexão Rotativa – Um motor gira um corpo de prova C. Os rolamentos 
externos são fixos em apoios e os internos recebem uma carga P, produzindo 
um esforço de flexão alternado devida à rotação do corpo de prova. 
 Um ciclo completo de flexão alternada é aplicado a cada volta do eixo e 
o número de voltas é registrado pelo contador A. 
 Quando o corpo se parte por fadiga, o contador deixa de ser acionado e 
sua indicação é o número de ciclos que o corpo suportou com a carga P. 
 
 
 
 Supondo que, para uma solicitação de tensão S1 o corpo de prova se 
rompa em certo número de ciclos N1, e para uma solicitação S2 se rompa em 
N2, e assim por diante, pode-se construir o diagrama S-N. 
 A medida que se diminui a tensão aplicada, o corpo de prova resiste a 
um maior número de ciclos. 
 
 Diminuindo a tensão a partir de certo nível – em que a curva se torna 
horizontal – o número de ciclos para o rompimento do corpo de prova torna-se 
praticamente infinito. 
 Esta tensão máxima, que praticamente não provoca mais a fratura por 
fadiga, chama-se limite de fadiga ou resistência à fadiga. 
 Limite de fadiga – corresponde a uma tensão (flutuação-variação) abaixo 
do qual o material suporta um número de ciclos infinitos, sem romper. 
Curva de tensão vs. Nº de ciclos até a falha por fadiga 
 
 Faz-se o gráfico do número médio de ciclos necessários para a ruptura 
do material 
 Define-se o limite de resistência à fadiga (ϬL, endurance limit) como 
sendo o nível de amplitude de tensão abaixo do qual não se observa a ruptura 
por fadiga. 
 Para ligas ferrosas e de titânio há um limite de fadiga bem definido, para 
os demais materiais convenciona-se um número de 107 ciclos para a definição 
do limite de fadiga. 
 Para a maioria dos materiais, especialmente os metais não ferrosos 
como o alumínio, a curva obtida no diagrama S-N é decrescente. Portanto, é 
necessário definir um número de ciclos para obter a correspondente resistência 
à fadiga. 
 
Para alumínio, cobre, magnésio e suas ligas, deve-se levar o ensaio a até 50 
milhões de ciclos e, em alguns casos, a até 500 milhões de ciclos, para neste 
número definir a resistência à fadiga. 
 
Fatores que afetam a vida em fadiga, ou seja, medidas que podem ser 
tomadas para estender a vida em fadiga dos materiais: 
1. Redução no nível de tensão média; 
2. Eliminação de descontinuidades superficiais bruscas; 
3. Melhoria do acabamento da superfície por polimento; 
4. Imposição de tensões residuais de compressão na superfície (jateamento); 
5. Endurecimento da camada superficial; 
6. Redução de tensões térmicas que podem ser induzidas em componentes 
que estão expostos a flutuações elevadas de T, quando a expansão e/ou 
contração térmica é restringida. 
7. Ambientes quimicamente ativos também podem levar a redução da vida em 
fadiga devido à fadiga associada à corrosão. 
 
 
F L U Ê N C I A 
 Materiais são colocados em serviço a temperaturas elevadas e ficam 
expostos a tensões mecânicas estáticas (rotores de turbina). 
 A deformação sob tais circunstâncias é conhecida como fluência. 
 FLUÊNCIA: Deformação permanente e dependente do tempo dos 
materiais quando submetidos a uma tensão ou carga constante à T elevadas. 
 Determina a vida útil de uma peça. 
 Fluência é observada em todos os tipos de materiais; para metais ela só 
se torna importante para temperaturas maiores do que cerca de 0,4 Tm (Tm = 
temperatura de fusão). 
 Polímeros amorfos, que incluem plásticos e borrachas, são 
especialmente sensíveis à deformação por fluência. 
 Ensaio típico: corpo de prova submetido a uma carga ou tensão 
constante à temperatura constante; a deformação é medida em função do 
tempo. 
Curva de Fluência 
 
Estágio I ou Transiente: taxa de deformação decrescente (inclinação curva 
diminui com o tempo); aumenta a resistência à fluência (encruamento). 
Estágio II ou Estacionário: taxa de fluência é constante; balanço entre 
encruamento e recuperação (material se torna dúctil e retém habilidade de 
sofrer deformação). 
 dє/dt = taxa de fluência no regime estacionário (parâmetro mais 
importante) para aplicações de longo prazo. 
Estágio III ou Terciário: taxa de deformação crescente; desenvolvimentode 
cavidades (cavitação); leva à ruptura do material. 
Tempo de ruptura é importante para aplicações de curta duração (palhetas de 
turbina de aviões). 
 
Efeito da Temperatura e da Tensão sobre a FLUÊNCIA 
 
Ϭ ou T vs. Fluência 
1) Deformação elástica instantânea aumenta; 
2) Taxa de fluência no regime estacionário aumenta; 
3) Tempo de vida útil diminui. 
 
 
 
 
(a) Palheta de turbina policristalina produzida por técnica convencional de 
fundição. A resistência à fluência em altas T é melhorada como 
resultado de uma estrutura de grãos orientada em colunas. 
(b) Produzida por solicitação direcional. A resistência à fluência é ainda 
melhor quando são usadas palhetas monocristalinas (c). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Slides das Aulas da Disciplina Materiais e Suas Propriedades da Universidade 
Federal do ABC – 1º Quadrimestre de 2015