Impacto - Fadiga - Fluencia - PropTermica

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Relação entre Estrutura e 
Propriedades
IMPACTO, FADIGA, FLUÊNCIA
 A ductilidade dos materiais é função da temperatura e da presença de 
impurezas. 
Materiais dúcteis se tornam frágeis a temperaturas mais baixas. 
 Um martelo cai como um pêndulo e bate na amostra que fratura. 
 A energia necessária para fraturar (ENERGIA DE IMPACTO) é obtida diretamente da 
diferença entre a altura final e altura inicial do martelo 
Impacto
Charpy e Izod
Impacto
Ensaios
- Influenciado:
- ENTALHE 
- TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO
amostra
Massa, m
Temperatura característica onde ocorre a transição 
dúctil-frágil dos materiais
⇒ Baixas temperaturas  Trinca se propaga mais velozmente que 
os mecanismos de deformação plástica
pouca energia é absorvida
⇒ Temperaturas elevadas Fratura é precedida de uma 
deformação que consome energia
⇒ Mudança brusca no comportamento característico de metais CCC.
⇒ Temperatura de transição varia com a taxa de carregamento.
Temperatura de transição
Impacto
(O decréscimo do tamanho médio de grão de aços resulta num abaixamento 
da temperatura de transição).
Causa: aumento 
da temperatura 
transição numa 
junta de solda 
devido ao 
crescimento de 
grão
Grãos grossos
Grãos finos
Exemplos
Impacto
Efeito da temperatura na energia absorvida por diferentes tipos de materiais durante 
o impacto.
Exemplos
Impacto
Transição dúctil/frágil de uma mesma liga, com variações percentuais.
Impacto
Falha que ocorre em estruturas submetidas a tensões dinâmicas e 
flutuantes.
Ocorre após ciclos de tensões repetidos.
Em tensões inferiores a tensões estáticas suportáveis.
Componentes onde ocorrem:
Eixos, barras de ligação e engrenagens.
Fadiga
Mais comum ensaio de flexão rotativa amostra é sujeita a tração e compressão 
sucessivamente de igual intensidade 
As tensões cíclicas aplicadas
podem ser: - axiais
- de flexão 
- de torção
Modos de flutuação de tensão:
Variação da tensão com o tempo
(a) tensões contrárias
(b) tensões repetidas (valores de tensão 
máxima e mínima diferentes)
(c) tensões aleatórias
ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DA 
RESISTÊNCIA À FADIGA
Fadiga
TRINCA DE FADIGA:
INÍCIO 
Em pontos de concentração de tensão
PROPAGAÇÃO
A trinca propaga-se com tensões cíclicas. 
Criam-se estrias ou ondulações.
FRATURA
A seção torna-se pequena e não suporta a carga aplicada.
Canto
Entalhe
Defeito
Fadiga
Limite de resistência à fadiga (σRf): Em certos materiais (aços, titânio,...)
abaixo de um determinado limite de tensão abaixo do qual o material
nunca sofrerá ruptura por fadiga.
Para os aços o limite de resistência à fadiga (σRf) está entre 35-65% do 
limite de resistência à tração.
Fadiga
Resistência à fadiga (σf): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá 
a falha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não
ferrosas: Al, Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por
resistência à fadiga (σf)*
* Corresponde à tensão na qual ocorre a ruptura 
p/ um no. arbitrário de ciclos
Fadiga
FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA À FADIGA
1. Concentração de tensões (entalhes diminuem a resistência à fadiga)
2. Rugosidade superficial (superfícies polidas tem maior resistência)
3. Estado da superfície (Cementação* aumentam a resistência)
4. Efeitos de fabricação (tensão residual)
5. Ambiente (umidade diminui a resistência)
Fadiga
Jateamento: 
cria tensões compressivas na superfície
peça
mesa rotativa
grãos
*Uma camada superficial externa rica em carbono 
ou nitrogênio é introduzida por difusão atômica a 
partir da fase gasosa.
Fluência
Material submetido a uma carga ou tensão constante pode
sofrer uma deformação plástica ao longo do tempo em
temperatura elevada.
- Velocidade de fluência (relação entre
deformação plástica e tempo)
aumenta com a temperatura
- Esta propriedade é de grande
importância especialmente na
escolha de materiais para operar
a altas temperaturas
CURVA DE FLUÊNCIA
Variação do comprimento do corpo-de-prova em função do tempo.
Fluência
Fases da Fluência
Deformação instantânea: Efeito 
do carregamento do corpo de 
prova, do tipo elástica
I - Velocidade de fluência é rápida 
ocorre nas primeiras horas. 
Velocidade de def. decrescente -
encruamento
II - A taxa de fluência é constante. 
Estágio de duração mais longo. 
Equilíbrio entre os processos de 
encruamento e recuperação
III - Aceleração na taxa de fluência, 
seguido de ruptura. 
Depende tensão aplicada
temperatura
Fluência
Tempo
D
ef
or
m
aç
ão
 d
e 
flu
ên
ci
a
Quanto maior a temperatura e/ou a
tensão maior a deformação final por
fluência que ocorre em menos tempo.
Menor o tempo de vida do componente.
Influência do contorno de grão na deformação
DEFORMAÇÃO A BAIXAS TEMPERATURAS:
Metais de granulação fina são mais resistentes a baixas temperaturas, pois os contornos 
de grão travam o movimento das discordâncias.
Baixas temperaturas
MENOR tamanho de grão → maior resistência
DEFORMAÇÃO A ALTAS TEMPERATURAS:
A deformação a altas temperaturas ocorre pela deformação dos contornos de grão 
(difusão pelos CGs).
Contorno de grão é um ponto de fraqueza do material.
Altas temperaturas
MAIOR tamanho de grão → maior resistência
Fluência
Representação esquemática da geração de ondas 
reticulares num cristal por meio de
vibrações atômicas.
Propriedades Térmicas
Capacidade térmica
Sólidos: assimilação de energia aumento da energia vibracional dos átomos
Átomos em sólidos acima de zero K estão sempre
vibrando com altas frequências e baixas amplitudes
átomos + vizinhos ondas que atravessam
vibram o material 
Energia térmica vibracional  conjunto de ondas elásticas em uma faixa de 
frequências. A energia é quantizada FÔNON
Contribuição eletrônica  É significativa em materiais com elétrons livres como 
ocorre: 
Absorção de energia pelos e- aumentando Ecinética Elétrons Livres
Propriedades térmicas: resposta ou reação de um material à aplicação do calor
Sólido absorve calor: aumentam sua temperatura e sua energia interna
Capacidade térmica
Propriedade que indica a aptidão do material em absorver calor do meio externo
Representa a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de um
corpo em uma unidade. Matematicamente:
Calor específico representa a capacidade térmica por unidade de massa.
Pode ser determinado mantendo-se o volume do material constante (cv), ou
mantendo-se a pressão externa constante (cp).
C = capacidade térmica (J/molK, cal/molK)
dQ = energia necessária para produzir uma 
mudança dT de temperatura
CV = (dS/dT)V e CP = (dH/dT)P
dT
dQC =
Capacidade térmica
Capacidade térmica depende da temperatura?
Experimentos de Einstein e Debye:
A capacidade térmica aumenta até uma certa temperatura
(temperatura de Debye = θD) e após torna-se ≅ constante.
3R ≅ 6cal/molK
• Capacidade térmica depende pouco da estrutura e da microestrutura do material
Porosidade influência prática
Material poroso exige uma menor quantidade de calor 
para atingir uma determinada temperatura, que uma 
cerâmica isenta de poros.
Expansão térmica
Sólidos aumento de dimensões durante o aquecimento e
contração no resfriamento, se não ocorrer transformações de fases.
αL = lf - li
li (Tf-Ti)
li = comprimento inicial
lf = comprimento final
Ti = temperatura inicial
Tf = temperatura final
Coeficiente de dilatação térmica linear (αL)
Tinit
Tfinal
Lfinal
Linit
Correlação entre α e a energia de ligação (EL)
Expansão térmica
(a) EL x d: aumento na separação interatômica com o aumento da temperatura. 
Com o aquecimento, a separação interatômica aumenta de r0 para r1, parar2.... 
(b) Para uma curva hipotética de EL x d: simetria – material não se dilata.
Expansão térmica
Variação da expansão térmica com o 
aumento da temperatura de alguns 
materiais.
Porosidade não influencia na expansão
térmica (o poro dilata como se fosse
o próprio material que o contém)
Condutividade térmica é a habilidade de um material para 
transferir calor.
Condutividade térmica
Calor é transportado nos sólidos de duas 
maneiras: 
por fônons
pela movimentação de e- livres
A condutividade térmica é diretamente 
proporcional ao número de elétrons livres 
ou de fônons (n); velocidade média das 
partículas (v); ao calor específico (cv) e à 
distância média entre colisões (l):
k ∞ n . v . Cv . l
kTOTAL = kf + ke
 
q = −k
dT
dx
Gradiente de
temperatura
Fluxo de
Calor(J/m2-s)
Condutividade
térmica (J/m.K.s)
Condutores: contribuição significativa devido 
a existência de e- livres 
Isolantes: contribuição eletrônica muito 
pequena ausência de e- livres 
METAIS
ke >> kf Os elétrons livres tem maior
velocidade e não são espalhados
facilmente pelos defeitos como os fônons.
CERÂMICOS
ke << kf fônons são facilmente espalhados 
pelos defeitos cristalinos. 
Transporte de calor é menos 
eficiente que nos metais.
POLIMEROS
ke << kf além disso são parcialmente ou 
totalmente amorfos, não tendo e- livres
e são piores condutores que os materiais 
cerâmicos. Poros, diminuem ainda mais a k.
Condutividade térmica (k)
Elementos liga e impurezas diminuem a condutividade térmica
Funcionam como pontos de espalhamento, piorando a eficiência do 
transporte eletrônico.
Condutividade térmica
Efeito do zinco em solução sólida na condutividade térmica do cobre
METAIS
Composição (% Zn)
Co
nd
ut
iv
id
ad
e 
té
rm
ic
a 
(W
/m
.K
)
CERÂMICOS
Condutividade térmica
onde:
k: condutividade térmica
v: volume da fase
Q: kc/kp
P: quantidade de poros
K=v1k1+v2k2+...
1/k=v1/k1+v2/k2+... k= 1+2P(1-Q/2Q+1)
ks 1-P(1-Q/2Q+1)
Efeito da microestrutura
⇒ Íons em solução sólida 
diminuem acentuadamente k
⇒ Fases amorfas são piores 
condutoras que cristalinas de 
igual composição química
⇒ Poros diminuem a 
condutividade térmica de 
cerâmicos
kP = k 1 - P
1 - 0,5P
kP = condutividade térmica do 
material com poros
P = fração volumétrica de poros
composição; 
condições de queima;
quantidade e tipo de porosidade;
quantidade e tipo de fases;
forma e orientação de grãos;
EFEITO DA TEMPERATURA
Condutividade térmica
A condutividade térmica varia com a temperatura
METAIS: varia pouco com a temperatura
CERÂMICOS (sem poros): k ↓ com ↑ T
(Fônons se chocam e se desviam do sentido do 
fluxo de calor)
Acima de ~900°C k ↑ com ↑ T
(inicia a condução por radiação )
↑ Veloc. e-
↓ diminui a distância das colisões
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