Conteúdo Interativo Aula 2 Comportamento Mecânico

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QUÍMICA DOS MATERIAIS
Aula 2 - Comportamento Mecânico
INTRODUÇÃO
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Nesta aula, você irá reconhecer as possíveis falhas na composição dos materiais, compreender a mecânica do seu comportamento e identi�car novos materiais e tecnologias.
A determinação e o conhecimento das propriedades mecânicas são muito importantes para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem como para o projeto e a fabricação do componente.
As propriedades mecânicas de�nem o comportamento do material quando sujeitos a esforços mecânicos, pois elas estão relacionadas à capacidade do material de resistir ou transmitir esses esforços
aplicados sem romper e sem se deformar de modo incontrolável.
Compreender esses conceitos ajuda a escolher o melhor material de acordo com a solicitação que será exigida.
Bons estudos!
OBJETIVOS
Reconhecer as possíveis falhas no dimensionamento de determinação dos materiais a serem especi�cados em um projeto;
Compreender o comportamento mecânico dos materiais;
Identi�car novos materiais e tecnologias.
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COMPORTAMENTO REOLÓGICO
O comportamento reológicocomportamento reológico é o que nos interessa conhecer nesta aula. Ele se refere à maneira como o material se deforma quando sujeito à ação de forças. A in�uência das referidas interações no
comportamento macroscópico do material é estudada por ciências como a Física do estado sólido, e está em grande parte esclarecida, pelo menos qualitativamente.
O esclarecimento quantitativo depara com di�culdades até agora não ultrapassadas, que se prendem com a complexidade dos fenômenos físicos envolvidos. A imagem a seguir ilustra esses fenômenos:
Fonte da Imagem:Fonte da Imagem: Andrei Tarchyshnik / Shutterstock
Podemos observar, pela imagem acima, que a determinação das propriedades mecânicas é feita através de ensaios mecânicos. 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. 
Geralmente, usam-se normas técnicas para o procedimento das medidas e confecção do corpo de prova para garantir que os resultados sejam comparáveis. 
A seguir, vamos conhecer as imperfeições, a difusão e as falhas que podem ocorrer nos materiais.
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IMPERFEIÇÕES
Considerando que os materiais sofrem inúmeras variações e que, nem sempre temos as estruturas bem de�nidas — conforme as redes estruturais propostas no tópico anterior — sendo que muitas das
propriedades dos materiais são profundamente sensíveis a desvios, podemos identi�car imperfeições ou defeitos nesses materiais.
Um defeito na estrutura cristalina pode ser compreendido como a ruptura de sua regularidade. Os defeitos são responsáveis por inúmeros processos que são fundamentais para a utilização de certos materiais
em Engenharia. Eles podem ser classi�cados em: defeitos puntiformes, defeitos lineares e defeitos super�ciais.defeitos puntiformes, defeitos lineares e defeitos super�ciais.
Vamos conhecê-los!
DEFEITOS PUNTIFORMES
Se apresentam basicamente pela quebra da regularidade da rede cristalina que ocorre em um ponto especi�co da mesma. Existem vários tipos de defeitos puntiformes, e os mais comuns são a vacânciavacância,
também conhecida como vazio, e as impurezas.impurezas.
VacânciaVacância
As vacâncias são posições da rede, que deveriam estar ocupadas por átomos, mas não estão. Além disso, ela é in�uenciada pelo aumento da temperatura da rede.
As vacâncias podem mudar de posição, caso haja su�ciente agitação térmica entre os átomos. Essa mudança de posição é equivalente à mudança de posição dos
átomos. Essa é a base do processo de difusão atômica em redes cristalinas.
ImpurezasImpurezas
As impurezas tratam-se da presença, na rede, de um átomo não pertencente à rede regular. Elas podem ocupar posições regulares da rede (impureza substitucional), ou
seja, substituir um átomo regular, ou podem ocupar uma posição intersticial da rede (impureza intersticial). O tipo de impureza depende de seu tamanho.
• Impurezas tão grandes ou maiores de que os átomos regulares tendem a ser substitucionais. 
• Impurezas menores de que os átomos regulares tendem a ser intersticiais.
Isso ocorre para minimizar a deformação da rede provocada pela colocação de um átomo de tamanho diferente na rede.
A imagem, a seguir, ilustra um exemplo de vacância.
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DEFEITOS LINEARES
São imperfeições da rede que ocorrem ao longo de uma linha e são chamadas de discordânciadiscordância. Existem três tipos de discordâncias:
OBSERVE COMO OCORRE A DISCORDÂNCIA:
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As discordâncias deformam localmente a rede, criando tensões locais de compressão e tração.
As discordâncias estão envolvidas na deformação plástica dos cristais.
Tensões cisalhantes causam seu movimento.
A discordância se move até a superfície do material dando origem a um degrau.
O material sofre uma deformação não recuperável.
A seguir, você pode visualizar exemplos de discordância mista e em cunha.
DEFEITOS SUPERFICIAIS
São imperfeições que ocorrem ao longo de uma superfície. Esses defeitos possuem alta energia e são responsáveis por alguns fenômenos:
Superfície externaSuperfície externa
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Demarca os limites do cristal. Nessa região existem muitas ligações desfeitas e átomos deslocados de suas posições regulares. Isto eleva a energia do cristal. A alta
energia super�cial é uma barreira ao processo de crescimento de cristal, no início da solidi�cação, e é a causa da sinterização.sinterização.
Contornos de grãoContornos de grão
São as interfaces entre grãos. Nesses locais, tem-se o desalinhamento das redes dos grãos adjacentes. Há maior concentração de defeitos e ligações desfeitas. A energia
dos contornos de grão depende do nível de desalinhamento das redes dos grãos adjacentes. Os contornos de grão atuam como barreiras ao movimento de discordâncias,
ambientes para nucleação de fases e caminhos de propagação de trincas.
Maclas e contornos de maclasMaclas e contornos de maclas
São distorções da rede cristalina causadas por pequenos deslocamentos dos átomos de suas posições regulares, devido a tensões ou tratamento térmico, fazendo com
que a parte deformada da rede pareça ser uma imagem da parte não deformada re�etida em espelho. A formação de maclas é também um mecanismo de deformação
plástica. A interface entre as porções deformada e não deformada é denominada de contornode macla.contorno de macla.
As imagens a seguir ilustram exemplos de defeitos super�ciais.
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Fonte da Imagem:Fonte da Imagem: Verkhozina Ekaterina / Shutterstock
Segundo Callister Júnior, entende-se por difusão o fenômeno de transporte de material por movimento atômico. O processo de difusão pode ocorrer em materiais, líquidos, gasosos e sólidos; iremos ver quais
são os processos de difusão mais importantes que ocorrem nos materiais sólidos e que podem in�uenciar na sua utilização.
Em geral, o processo de difusão consiste em um tratamento térmico para melhorar as propriedades, como dureza e resistência dos materiais. O processo ocorre em virtude da migração dos átomos de um
ambiente da rede para outro. Para que isso aconteça é necessário que duas condições sejam atendidas:
Fonte da Imagem:Fonte da Imagem:
Deve existir um ambiente adjacente vazio.
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Fonte da Imagem:Fonte da Imagem:
O átomo deve possuir energia su�ciente para romper ligações atômicas que o unem aos seus vizinhos, assim causando alguma distorção na rede durante seu deslocamento.
, O principal propulsor a esse deslocamento dos átomos é a energia liberada pelo aumento da temperatura que é capaz de realizar o movimento atômico por difusão.
Dos vários modelos de difusão propostos, dois são mais comuns para a difusão em metais:
DIFUSÃO POR LACUNA
Envolve o deslocamento de um átomo, de uma posição normal da rede para um ambiente vazio ou lacuna adjacente.
Para a ocorrência desse processo é necessário que haja a presença de lacunas, a extensão segundo a qual a difusão pode ocorrer é uma função do número desses defeitos que estão presentes na rede. É
possível que existam concentrações signi�cativas de espaços vagos em metais submetidos a altas temperaturas.
A imagem, a seguir, ilustra um exemplo de difusão por lacuna.
DIFUSÃO INTERSTICIAL
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Nesse processo de difusão, ocorre que os átomos migram de uma posição intersticial para outra vizinha que esteja vazia. Esse mecanismo é encontrado para interdifusão de impurezas tais como hidrogênio,
carbono, nitrogênio e oxigênio, que possuem átomos pequenos o su�ciente para se encaixarem no interior das posições intersticiais.
A seguir, você pode visualizar um exemplo de difusão intersticial.
, Para exempli�car a utilização do processo de difusão demonstramos a seguir a imagem de uma engrenagem de aço que teve suas propriedades físicas alteradas em função do “endurecimento super�cial”., , O processo ocorreu
em função de um tratamento térmico em alta temperatura, no qual o carbono presente na atmosfera penetrou na superfície da engrenagem, conferindo a essa maior dureza e resistência., ,
FALHAS
É importante prever a ocorrência de falhas para minimizar os custos provenientes delas. Em um projeto de um componente ou uma estrutura, é necessário conhecer as propriedades mecânicas dos materiais a
serem utilizados, bem como, as possibilidades de ocorrências de falhas.
As falhas podem se apresentar em três modalidades. Vamos conhecê-las.
FRATURA
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Fonte da Imagem:Fonte da Imagem: Verkhozina Ekaterina / Shutterstock
Entende-se por fratura a divisão de um corpo em duas ou mais partes em função da imposição de uma tensão. Essa tensão pode ser aplicada abrupta ou constantemente, variando devagar ao longo do tempo.
As tensões normalmente aplicadas e que apresentam fraturas são tensões estáticas. Geralmente, ocorrem em temperaturas baixas quando comparadas à temperatura de fusão do material. As tensões
aplicadas, nos materiais, podem ser de tração, compressão, cisalhamento ou torção.
NOS MATERIAIS COMUMENTE APLICADOS NA ENGENHARIA, É POSSÍVEL IDENTIFICAR DUAS MODALIDADES DE FRATURAS:
FRATURA DÚCTIL
Ocorre nos materiais que apresentam grande deformação plástica. Esses materiais têm a característica de absorver grande quantidade de energia antes da fratura.
FRATURA FRÁGIL
Ocorre nos materiais que apresentam pouca deformação plástica. Esses materiais têm a característica de absorver pequena quantidade de energia antes da fratura.
Os processos de fratura ocorrem geralmente em duas etapas:
, O modo da fratura é altamente dependente do mecanismo de propagação da trinca. A fratura dúctil caracteriza-se por uma extensa deformação plástica na vizinhança de uma trinca que está avançando. , , O processo de
deformação prossegue de maneira relativamente lenta na medida em que o comprimento da trinca aumenta.
A imagem, a seguir, ilustra um exemplo de fratura altamente dúctil e moderadamente dúctil.
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A fratura frágil caracteriza-se por apresentar pequena ou nenhuma deformação plástica na vizinhança de uma trinca que está avançando. A trinca pode se propagar de maneira extremamente rápida.
A seguir, você pode visualizar um exemplo de fratura frágil.
FADIGA
É uma forma de falha que ocorre em estruturas sujeitas à tensão dinâmica, por exemplo:
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Em função da exposição a essas tensões, é possível que a falha ocorra em nível de tensão consideravelmente menor que o limite de resistência estabelecido para uma carga estática.
Segundo Callister:
É importante reconhecer as possíveis manifestações de fadiga, pois essa é a maior causa individual de falha em metais. Os polímeros e os cerâmicos, exceto o vidro, também são suscetíveis a esse tipo de
falha; além disso, a fadiga apresenta-se de maneira catastró�ca e traiçoeira, ocorrendo na maioria das vezes de modo repentino e sem nenhuma manifestação anterior.
FLUÊNCIA
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Fonte da Imagem:Fonte da Imagem: Verkhozina Ekaterina / Shutterstock
Entende-se por �uência a deformação permanente que ocorre ao longo do tempo nos materiais quando eles são submetidos a tensões constantes.
, É possível prever a ocorrência da �uência, sendo que esse fenômeno é indesejável na concepção e utilização de um elemento, pois a �uência limita sua vida útil. , , O efeito �uência pode ser observado em vários tipos de materiais;
para os metais ela se torna importante apenas nos casos em que a exposição do material ocorra em temperaturas próximas a 40% da temperatura de fusão do mesmo.
O comportamento mecânico dos materiais caracteriza-se pela resposta que eles manifestam quando submetidos à tensão ou deformação.
Quando um material é submetido a esforços mecânicos ele se deforma de duas maneiras:
COMPORTAMENTO ELÁSTICO
Entende-se por um material que exibe tal comportamento quando ele, ao ser submetido a esforços mecânicos, apresenta deformações não aparentes, ou seja, essematerial tem a propriedade de absorver as
tensões a qual ele está submetido; quando se cessa essa tensão, o material retorna à sua dimensão original. 
Na observação a nível atômico, veri�camos que as células unitárias se alongam quando submetidas a um esforço de tração e comprimem-se quando submetidas a um esforço de compressão, conforme �gura
ao lado.
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COMPORTAMENTO PLÁSTICO
Entende-se por um material que exibe tal comportamento quando esse, ao ser submetido a esforços mecânicos, apresenta deformações aparentes, ou seja, esse material tem pouca capacidade de absorver as
tensões a qual está submetido, não retornando à sua dimensão original quando �nda essa tensão, apresentando claramente aumento do comprimento do material. 
A �gura ao lado demonstra o diagrama de “tensão x deformação” de metais, evidenciando que o comportamento deles depende da tensão aplicada no mesmo. Veri�ca-se que, na região denominada como
elástica, a deformação e a tensão são proporcionais, contudo, ao se exceder ligeiramente o limite de elasticidade, os materiais começam a apresentar um escoamento; no grá�co, essa região é representada
pelo “limite de escoamento”, também conhecida como “patamar de escoamento”. 
Ao aumentar a tensão aplicada veri�ca-se, no grá�co, a “região de endurecimento por deformação”, na qual o material apresenta aumento de resistência até alcançar o “limite de resistência” e, posteriormente, a
“tensão de ruptura”.
PESQUISA E NOVOS MATERIAIS
Fonte da Imagem:Fonte da Imagem: Mix3r / Shutterstock
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A área de materiais é estratégica ao progresso tecnológico e econômico de um país, ou seja, a descoberta de novos materiais e/ou a otimização das propriedades de materiais já conhecidos é de grande
importância não apenas para o desenvolvimento de novas tecnologias, como por exemplo, as energias alternativas; sendo importante também para o aumento da e�ciência de setores produtivos tradicionais
como o automobilístico, aeronáutico, alimentício, telecomunicações, agrícola e construção civil.
, Podemos citar outros exemplos, como: , ,
Tecidos que absorvem suor e eliminam bactérias;
Embalagens de plástico biodegradável que podem virar adubo;
Revestimento de vitrocerâmica imitando pedras naturais podem ser citados.
Fonte da Imagem:Fonte da Imagem:
Um exemplo desses novos materiais são os pisos que têm a capacidade de drenar a água de chuva, ou de uso, não permitindo o acúmulo de água, além de garantir aos usuários a segurança necessária ao
transitar por eles. Esses pisos foram desenvolvidos de modo a permitir inclusive o reaproveitamento das águas, quando o sistema for ligado a uma rede de captação e armazenamento.
Os materiais desses pisos foram desenvolvidos para garantir, ainda, uma fácil limpeza e manutenção. A durabilidade média de um piso drenante pode chegar a 20 anos e, uma vez que, em geral, tem
permeabilidade superior a 90%, di�cilmente ocorrerão entupimentos.
Chegou a hora de exercitar o que você aprendeu!
Analise os itens abaixo e, em seguida, faça a relação com suas de�nições.
( ) Fratura 
( ) Impurezas 
( ) Ductilidade 
( ) Deformações Elásticas 
1 – Tratam-se da presença na rede de um átomo não pertencente à rede regular. 
2 – É a divisão de um corpo em duas ou mais partes em função da imposição de uma tensão. 
3 – São deformações não permanentes, isto é, desaparecem quando a tensão aplicada é retirada. 
4 – É a capacidade de um material em se deformar plasticamente sem atingir a ruptura.
A sequência correta é:
3 − 2 − 1 − 4
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2 – 1 – 4 – 3
3 − 1 − 2 − 4
2 – 3 – 1 − 4
Justi�cativa
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Glossário