fenômenos dos trasporte

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PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS
Profa. Dra. Sheila Santos
VOCÊ JÁ PAROU PARA PENSAR NO COMPORTAMENTODE DETERMINADOS MATERIAIS?
Por que a borracha depois de esticada volta asua forma primitiva?
PROPRIEDADES???
PROPRIEDADES DE MATERIAIS SÓLIDOS:
Mecânicas
Elétricas
Térmicas
Magnéticas
Óticas
Químicas
INTRODUÇÃO AS PROPRIEDADES MECÂNICAS
Muitos materiais, quando em serviço, são submetidos a forçasou cargas.
 É necessário conhecer as características do material e projetar oelemento estrutural a partir do qual ele é feito, de forma que qualquerdeformação que ocorra, não seja excessiva e não ocorra fratura.
• O papel do engenheiro é determinar as tensões que atuamnas estruturas durante o serviço e saber dimensioná-lasadequadamente para suportar as condições previstas de uso.
• Os materiais escolhidos para aplicações estruturais têmcombinações desejáveis para melhor utilizar as principaiscaracterísticas mecânicas.
PAPEL DO ENGENHEIRO
• Resistência mecânica
Propriedade que permite ao metal resistir aesforços, como esforços de tração, compressão,flexão,etc.
PROPRIEDADES MECÂNICAS
• Elasticidade
A capacidade que um material deve ter de se deformar quandosubmetido a um esforço e depois voltar a forma original quandoesforço pára.
• Plasticidade
Quando submetido a um esforço o material deve ser capaz de sedeformar e manter a forma quando o esforço pára, sem seromper. O material pode ser moldado a forma que queremos.
PROPRIEDADES MECÂNICAS
Plasticidade
Resistência à tração
PROPRIEDADES MECÂNICAS
PROPRIEDADES MECÂNICAS
Elasticidade
PROPRIEDADES MECÂNICAS
DUCTILIDADE
PROPRIEDADES MECÂNICAS
DUREZA
PROPRIEDADES MECÂNICAS
FLUÊNCIA
PROPRIEDADES MECÂNICAS
Tenacidade
PROPRIEDADES MECÂNICAS
 Fadiga
FATORES QUE ALTERAM AS PROPRIEDADES MECÂNICAS
(Ex: Aço Inoxidável)
 Liga: Fe, Cr, Ni (outros elementos) Alta resistência à oxidação atmosférica
Liga(Cr) + O2 Cr2O3
Capacidade de proteger a superfície do aço contra processos corrosivos.
COMPOSIÇÃO QUÍMICA
ESTRUTURA CRISTALINA
GrafiteRede cristalina: hexagonal
DiamanteRede cristalina: cúbica
TEMPERATURA
GORILLA GLASS VIDRO“INQUEBRÁVEL”
O VIDRO TEM QUE SER TEMPERADO POR UMATROCA DE ÍONS:Gorilla Glass é submerso em uma solução de sais depotássio a temperaturas de 400 °C. Isso faz com queos íons de sódio do vidro sejam substituídos poríons de potássio; estes, por serem maiores, deixammenos espaço entre cada átomo, criando umacamada muito mais densa e resistente quando omaterial esfria.
COMO DETERMINAR AS PROPRIEDADES MECÂNICAS?
A DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS É FEITA ATRAVÉS 
DE ENSAIOS MECÂNICOS EM LABORATÓRIOS.
UTILIZA-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, USA-SE NORMAS
TÉCNICAS PARA O
PROCEDIMENTO DAS MEDIDAS E
CONFECÇÃO DO CORPO DE
PROVA PARA GARANTIR QUE OS
RESULTADOS SEJAM
COMPARÁVEIS.
NORMAS TÉCNICAS
As normas técnicas mais comuns são elaboradaspelas:
ASTM (American Society for Testing and Materials)ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
TENSÃO
É a intensidade da força interna de um corpo atuandosobre um plano específico que passa por umdeterminado ponto.
TIPOS DE TENSÕES QUE A ESTRUTURA ESTÁ SUJEITA
• Deformação: É a mudança de tamanho e forma de um corpo quandoda aplicação de uma força.
DEFORMAÇÃO
• Deformação Normal: Alongamento ou contração de um segmento de retapor unidade de comprimento.
DEFORMAÇÃO
• Deformação Cisalhante: Mudança de ângulo entre dois segmentos de retaoriginalmente perpendiculares entre si.
DEFORMAÇÃO
TESTES MAIS COMUNS
OS TESTES (ENSAIOS) MAIS COMUNS UTILIZADOS NO ESTUDO DE MATERIAIS SÃO:
TRAÇÃO
COMPRESSÃO
IMPACTO
FADIGA
DUREZA
ENSAIO DE TRAÇÃO
É O TESTE MAIS SIMPLES.
PERMITE DETERMINAR DIVERSAS PROPRIEDADES 
MECÂNICAS IMPORTANTES.
CONSISTE EM APLICAR UMA FORÇA (CARGA) DE 
INTENSIDADE CRESCENTE,TRACIONANDO O MATERIAL ATÉ 
SUA RUPTURA.
ENSAIO DE TRAÇÃO
 CORPO DE PROVA
 MÁQUINA DE ENSAIO (MTS)
 CÉLULA DE CARGA E 
EXTENSIÔMETRO
 CURVAS: 
FORÇA X ALONGAMENTO
TENSÃO X DEFORMAÇÃO
• No ensaio de tração o corpo-de-prova é deformadopor alongamento, até o momento em que se rompe.Os ensaios de tração permitem conhecer como osmateriais reagem aos esforços de tração, quais oslimites de tração que suportam e a partir de quemomento se rompem.
• Amplamente utilizado na indústria de componentesmecânicos, devido à vantagem de fornecer dadosquantitativos das características mecânicas dosmateriais.
ENSAIO DE TRAÇÃO
Antes da ruptura à deformação• Imagine um corpo preso numa das extremidades, submetido a uma força,como na ilustração 1. Quando esta força é aplicada na direção do eixolongitudinal, dizemos que se trata de uma força axial. Ao mesmo tempo, aforça axial é perpendicular à seção transversal do corpo.
• Observe novamente a ilustração anterior. Repare que a força axial estádirigida para fora do corpo sobre o qual foi aplicada. Quando a força axialestá dirigida para fora do corpo, trata-se de uma força axial de tração.
ENSAIO DE TRAÇÃO
• A aplicação de uma força axial de tração num corpo preso produz uma deformação no corpo, isto é, um aumento no seu comprimento com diminuição da área da seção transversal.• Este aumento de comprimento recebe o nome de alongamento.• Mede-se a variação no comprimento (l) em função da carga (P).
• Deformação ou o alongamento do CP é calculado subtraindo-se ocomprimento inicial do comprimento final e dividindo-se o resultado pelocomprimento inicial.• Em linguagem matemática, esta afirmação pode ser expressa pela seguinteigualdade:
• sendo que l0 representa o comprimento inicial antes do ensaio e lfrepresenta o comprimento final após o ensaio.
ENSAIO DE TRAÇÃO
ε= lf – l0/l0 ∆l/l0
Ex: Suponha que você quer saber qual o alongamento sofrido por um corpo de 12 mmque, submetido a uma força axial de tração, ficou com 13,2 mm de comprimento.
Aplicando a fórmula anterior, você fica sabendo que:
• A unidade mm/mm indica que ocorre uma deformação de 0,1 mm por 1 mm dedimensão do material.
• Pode-se também indicar a deformação de maneira percentual. Para obter a deformaçãoexpressa em porcentagem, basta multiplicar o resultado anterior por 100.
• No nosso exemplo: A = 0,1 mm/mm x 100 = 10%.
ENSAIO DE TRAÇÃO
• Os resultados fornecidos pelo ensaio de tração são fortementeinfluenciados pela
• Temperatura• Velocidade de deformação• Anisotropia do material• Tamanho de grão• Porcentagem de impurezas• Condições ambientais.
ENSAIO DE TRAÇÃO
• Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio de tração, amáquina de ensaio fornece um gráfico que mostra as relaçõesentre a força aplicada e as deformações ocorridas durante oensaio. Mas o que nos interessa para a determinação daspropriedades do material ensaiado é a relação entre tensão edeformação.
• O levantamento da curva de tensão de tração pela deformaçãosofrida pelo corpo constitui o resultado do ensaio de tração.
ENSAIO DE TRAÇÃO
TENSÃO () X Deformação ()
(Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2)
Área inicial da seção transversal
 = F/Ao
Força ou carga
ENSAIO DE TRAÇÃO
• O ponto A no final da parte reta do gráfico. Este ponto representa o limite elástico.
• O limite elástico recebe este nome porque, se o ensaio for interrompido antes deste ponto e a força de tração for retirada, o corpo volta à sua forma original, como faz um elástico.
LIMITE ELÁSTICO
• Na fase elástica os metais obedecem à lei de Hooke. Suas deformações são diretamente proporcionaisàs tensões aplicadas.• Em 1678, sir Robert Hooke descobriu que uma mola tem sempre a deformação (ԑ) proporcional à tensão aplicada (T), desenvolvendo assim a constante da mola (K), ou lei de Hooke, onde:
• Na fase elástica, se dividirmos a tensão pela deformação, em qualquerponto, obteremos sempre um valor constante.• Este valor constante é chamado módulo de elasticidade.• A expressão matemática dessa relação é:
• onde E é a constante que representa o módulo de elasticidade.• O módulo de elasticidade é a medida da rigidez do material. Quanto maiorfor o módulo, menor será a deformação elástica resultante da aplicação deuma tensão e mais rígido será o material. Esta propriedade é muitoimportante na seleção de materiais para fabricação de molas.
MÓDULO DE ELASTICIDADE
• Porém, a lei de Hooke só vale até um determinado valor de tensão,denominado limite de proporcionalidade, que é o ponto representado nográfico a seguir por A’, a partir do qual a deformação deixa de serproporcional à carga aplicada.• Na prática, considera-se que o limite de proporcionalidade e o limite deelasticidade são coincidentes.
LIMITE DE PROPORCIONALIDADE
• Terminada a fase elástica, tem início a fase plástica, na qual ocorre umadeformação permanente no material, mesmo que se retire a força de tração.
• No início da fase plástica ocorre um fenômeno chamado escoamento. Oescoamento caracteriza-se por uma deformação permanente do materialsem que haja aumento de carga, mas com aumento da velocidade dedeformação. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muitopróximos uns dos outros.
ESCOAMENTO
• Após o escoamento ocorre o encruamento, que é um endurecimentocausado pela quebra dos grãos que compõem o material quandodeformados a frio. O material resiste cada vez mais à tração externa,exigindo uma tensão cada vez maior para se deformar.• Nessa fase, a tensão recomeça a subir, até atingir um valor máximo numponto chamado de limite de resistência (B).
LIMITE DE RESISTÊNCIA
• Continuando a tração, chega-se à ruptura do material, que ocorre num ponto chamado limite de ruptura (C).• Note que a tensão no limite de ruptura é menor que no limite de resistência, devido à diminuição da área que ocorre no corpo de prova depois que se atinge a carga máxima.
LIMITE DE RUPTURA
• Agora podemos analisar todos esses elementos representados num mesmo diagrama de tensão-deformação
ENSAIO DE TRAÇÃO
• É a redução percentual da área da seção transversal do corpo deprova na região onde vai se localizar a ruptura.
• A estricção determina a ductilidade do material. Quanto maiorfor a porcentagem de estricção, mais dúctil será o material.
ESTRICÇÃO
• A propriedade que representa o grau de deformação que um materialsuporta até o momento de sua fratura é a ductilidade .• Materiais que suportam pouca ou nenhuma deformação no processo deensaio de tração são considerados materiais frágeis. Ou seja, o material serompe sem sofrer grande deformação;• Tenacidade – é a capacidade do material absorver energia mecânica até afratura.
ENSAIO DE TRAÇÃO
• Def.: Representa uma medida do grau de deformação plástica que o material suportou quando de suafratura, ou seja, corresponde à elongação total do material devido à deformação plástica.
• Pode ser expressa como:
• Alongamento Percentual:
• Onde lo e lf correspondem, respectivamente,
aos comprimentos inicial e final (após a ruptura)
do material.
• Redução de Área Superficial:
• Onde A0 e Af correspondem, respectivamente, as áreas da seção reta inicial e final (após a fratura)do material.
DUCTIBILIDADE
Tabela de Propriedades mecânicas típicas de vários metais e ligas em um estado recozido
• Precede à deformação plástica.
• A deformação não é permanente (reversível) - o material retorna à posição inicial após retirada a força.
• É praticamente proporcional à tensão aplicada (obedece a lei de Hooke)
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
• Módulo de Young ou Módulo de elasticidade (E)• Fornece uma indicação da rigidez do material e dependefundamentalmente das forças de ligação interatômicas.
• Quanto maior o módulo de Young menor a deformação quesofre a amostra, e assim, mais rígido o material.
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
MÓDULO DE ELASTICIDADE - EXEMPLOS
Um pedaço de cobre originalmentecom 305 mm de comprimento épuxado em tração com uma tensãode 276 Mpa. Se a sua deformação éinteiramente elástica, qual será oalongamento resultante. Dados:módulo de elasticidade do cobre110GPa
• A região plástica caracteriza-se pela deformação permanente do corpo-de-prova.• Conforme a tensão é aumentada o material passa por um ponto onde não responde mais com deformações elásticas.• É irreversível porque é resultado do deslocamento permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a tensão é removida.• A propriedade mecânica dos materiais designada como dureza é justamente a medida da resistência de um material à deformação permanente (deformação plástica).
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA E PLÁSTICA
• As principais tensões definidas na região plásticasão:
• Limite de resistência a tração (σr) : máximatensão atingida durante o ensaio. Igual a
razão da carga máxima pela área inicial do
corpo de prova.
• Limite de ruptura (σrup): última tensãosuportada pelo material antes da fratura.
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• Ensaio de Compressão:• Semelhante ao ensaio de tração, porém a carga que é imprimida ao corpo de prova é decompressão;• O corpo-de-prova é comprimido e não mais alongado.
• Ensaio de Cisalhamento:• É provocada por tensões do tipo cisalhamento;• A carga não mais é aplicada axialmente, ou seja, o corpo de prova é torcido nesteensaio;• Tensões cisalhantes ocorrem no sentido paralelo a carga aplicada na seção transversal.
OUTROS ENSAIOS
ATIVIDADE: Problema 6.7
01) Na ausência de tensão, a distância de separação atômica entre
os centros de dois átomos de Fe é 0,2480 nm (ao longo de uma
direção <111>). Sob uma tensão de tração de 1.000 Mpa ao longo
dessa direção, a distância de separação atômica aumenta para
0,2489 nm. Calcule o módulo da elasticidade ao longo das direções
<111>.
02) Um corpo de prova de alumínio originalmente com 300
mm de comprimento é puxado em tração com tensão de 250
MPa. Se a sua deformação é inteiramente elástica, qual será o
alongamento resultante? O módulo de elasticidade do
alumínio é 69 GPa.
Tensão Admissível
• A tensão admissível é determinada através da relação: tensão deescoamento/ coeficiente de segurança para os materiais dúcteis,tensão de ruptura /coeficiente de segurança para os materiais frágeis.
Coeficiente de Segurança
• O coeficiente de segurança é utilizado no dimensionamento doselementos de construção, visando assegurar o equilíbrio entre aqualidade da construção e seu custo.• Para determinar o coeficiente de segurança deverá ser utilizada aexpressão a seguir:
valores para x (fator de tipo de material)
x = 2 para materiais comuns
x = 1,5 para aços de qualidade e aço liga valores para y (fator do tipo de solicitação)y = 1 para carga constante
y = 2 para carga interminente
y = 3 para carga alternada
valores para z (fator do tipo de carga)
z = 1 para carga gradual
z = 1,5 para choques leves
z = 2 para choques bruscos
valores para w (fator que prevê possíveis falhas de fabricação)
w = 1 a 1,5 para aços
w = 1,5 a 2 para fofo