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Materiais para Construção Mecânica 01 PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS CONTEÚDO DESTA UNIDADE • Introdução. • Conceitos de Tensão e Deformação. • Deformação Elástica: – Comportamento Tensão-Deformação. – Anelasticidade. – Propriedades Elásticas dos Materiais. • Deformação Plástica: – Propriedades de Tração (escoamento e limite de escoamento, limite de resistência à tração, ductilidade, resiliência e tenacidade). – Tensão Verdadeira e Deformação Verdadeira. – Recuperação Elástica. – Deformações Compressiva, Cisalhante e Torcional. – Dureza • Variabilidade nas Propriedades dos Materiais. • Fatores de Projeto/Segurança. 02 INTRODUÇÃO • Quando em serviço, os componentes mecânicos de máquinas e estruturas estão submetidos à ação de esforços ou cargas. • O projeto adequado desses componentes exige o conhecimento do COMPORTAMENTO MECÂNICO ou das PROPRIEDADES MECÂNICAS dos materiais de que são fabricados. • Algumas propriedades mecânicas importantes: – RESISTÊNCIA MECÂNICA (À TRAÇÃO, À COMPRESSÃO, À TORÇÃO, À FLEXÃO, AO IMPACTO ...). – DUCTILIDADE. – DUREZA. • As propriedades mecânicas dos materiais são determinadas através de ensaios ou experimentos de laboratório, cuidadosamente elaborados. • Sociedades técnicas como a ASTM e a SAE americanas, a DIM alemã e a ABNT brasileira estabelecem as normas de execução desses ensaios. 03 COMPRESSÃO 06 CISALHAMENTO 07 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais Cisalhamento 08 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais TORÇÃO 09 ENSAIO DE TRAÇÃO • Permite a avaliação de diversas propriedades mecânicas importantes dos materiais. • Utiliza um corpo de prova PADRÃO ou produtos de forma adequada (fios, barras, chapas delgadas). • É um ensaio DESTRUTIVO (o corpo de prova é deformado de modo permanente ou levado a ruptura). 10 Ensaio de tração 11 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais ENSAIO DE TRAÇÃO: TENSÃO E DEFORMAÇÃO • TENSÃO DE ENGENHARIA (): Onde F: carga instantânea aplicada perpendicularmente à área da seção reta do corpo (N, kgf, lbf). A0: área da seção reta inicial (m 2, mm2, pol2). • DEFORMAÇÃO DE ENGENHARIA (): Onde: l0: comprimento inicial do corpo. lf: comprimento final do corpo. l: alongamento. 12 psikgf/mmMPa, A F σ 2 0 , 00 0 Δ ε l l l ll f psi = pounds per square inch, libra-força por polegada quadrada • Execução semelhante à do ensaio de tração. • Há um ENCURTAMENTO do corpo de prova (lf < l0). • É realizado: – Quando se deseja conhecer o comportamento de materiais submetidos a grandes deformações plásticas, como as que ocorrem em determinados processos de fabricação. – Para materiais frágeis sob tração. ENSAIO DE COMPRESSÃO 13 ENSAIO DE CISALHAMENTO 14 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais • TENSÃO CISALHANTE (): Onde: F: força aplicada PARALELAMENTE à área da seção transversal. A0: área da seção transversal. • DEFORMAÇÃO CISALHANTE (): Onde: : ângulo de deformação. 0A F tanθ DEFORMAÇÃO ELÁSTICA 16 • NÃO É PERMANENTE: quando a força é removida, o corpo volta a sua forma original. • Quando um metal é deformado elasticamente, NÃO HÁ A QUEBRA DE LIGAÇÕES QUÍMICAS entre seus átomos. • Existe um limite para o esforço aplicado de modo que o material sofra apenas deformações elásticas. Acima desse limite, as deformações se tornam permanentes. • A deformação plástica não é instantânea, mas dependente do tempo. Esse fenômeno é denominado ANELASTICIDADE. Para os metais, a deformação ocorre tão rapidamente que a anelasticidade é considerada desprezível. Já para os polímeros, é significativa. LEI DE HOOKE • A maioria dos materiais, quando deformados ELASTICAMENTE, obedecem à LEI DE HOOKE que estabelece: TENSÃO () E DEFORMAÇÃO () SÃO DIRETAMENTE PROPORCIONAIS: • A constante de proporcionalidade E é uma propriedade do material denominada MÓDULO DE ELASTICIDADE ou MÓDULO DE YOUNG, expresso em unidades de força sobre área, MPa, kgf/mm2, psi. • O mesmo ocorre para esforços de compressão, de torção e de cisalhamento. Neste último caso, por exemplo, tem-se: Onde G é o MÓDULO DE CISALHAMENTO. • O módulo de elasticidade é uma medida da RIGIDEZ e da FORÇA DE LIGAÇÃO entre os átomos do material. 18 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais Eεσ G Lei de Hooke • O módulo de elasticidade é igual à INCLINAÇÃO DA CURVA x: 19 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais (DEFORMAÇÃO) (T E N S Ã O ) 1 2 1 2 E = tan() CARREGAMENTO DESCARREGAMENTO E1 > E2 1 2 Material 1 é MAIS RÍGIDO. MÓDULO DE ELASTICIDADE TANGENCIAL E SECANTE • Para os materiais que não obedecem à Lei de Hooke (a curva tensão X deformação não é linear), definem-se os MÓDULOS DE ELASTICIDADE TANGENCIAL e SECANTE (EXEMPLOS: concreto e ferro fundido cinzento). 20 (DEFORMAÇÃO) (T E N S Ã O ) = Módulo secante = Módulo tangencial 2 1 MÓDULO DE ELASTICIDADE X TEMPERATURA 21 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais EXEMPLO 6.1, PÁGINA 84 • SOLUÇÃO: como a deformação é elástica, a lei de Hooke é válida: • Da tabela 6.1, página 83, tem-se para o cobre: E = 110 GPa = 110 X 103 MPa. Da definição de deformação, = l/l0, logo: 22 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais Um pedaço de cobre originalmente com 305 mm de comprimento é tracionado com uma tensão de 276 MPa. Se a sua deformação é inteiramente elástica, qual será o alongamento resultante? Eεσ 0 EEεσ l l MPa10110 mm305MPa276 E σ 3 0 l l l = 0,77 mm • Quando um corpo de prova é tracionado, (direção z, por exemplo) além do alongamento ao longo do eixo de aplicação da carga, há uma CONSTRIÇÃO nas direções laterais (no caso, em x e y), perpendiculares à tensão aplicada. • Se o material é ISOTRÓPICO, x = y. • O COEFICIENTE DE POISSON () é uma importante propriedade elástica dos materiais, definido como a RAZÃO ENTRE AS DEFORMAÇÕES LATERAL E AXIAL, ou: • Para muitos metais e ligas, 0,25 0,35. COEFICIENTE DE POISSON () 23 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais z y z xν ε ε ε ε E, G, PARA ALGUNS METAIS E LIGAS 24 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais Liga Metálica Módulo de Elasticidade Módulo de Cisalhamento Coeficiente de Poisson GPa 106 psi GPa 106 psi Alumínio 69 10 25 3,6 0,33 Latão 97 14 37 5,4 0,34 Cobre 110 16 46 6,7 0,34 Magnésio 45 6,5 17 2,5 0,29 Níquel 207 30 76 11 0,31 Aço 207 30 83 12 0,30 Titânio 107 15,5 45 6,5 0,34 Tungstênio 407 59 160 23,2 0,28 EXEMPLO 6.2, PÁGINA 85 25 Uma tensão de tração deve ser aplicada ao longo do eixo referente ao comprimento de um bastão cilíndrico de latão, com diâmetro de 10 mm. Determine a carga exigida para produzir uma alteração de 2,5 × 10-3 mm no diâmetro. A deformação é puramente elástica. • Dados (TABELA 6.1, página 83): para o latão – E = 97 GPa – = 0,34 • A aplicação da carga F produz um alongamento na direção z um redução no diâmetro d = 2,5×10-3 mm. Da figura ao lado, segue que a deformação em x é: • A deformação em z é: • Aplicando-se a lei de Hooke, segue-se:• Finalmente, da definição de tensão: SOLUÇÃO 26 4 3 102,5 mm mm 10 102,5- 0d d x df d0 l0 lf F F z x 44 1035,7 34,0 105,2 xz z x MPa71,3107,35MPa1097E 43 zz N5600m 4 10 N/m1071,3F 2 -2 26 π d A zz 4 2 0 0 DEFORMAÇÃO PLÁSTICA 27 • É PERMANENTE: quando o esforço aplicado é removido, o corpo NÃO retorna à sua forma original. • Tem início quando é ultrapassada a FASE ELÁSTICA do material sob deformação. Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste até 0,005. • A plasticidade do material é de grande importância prática, pois: – Permite que o mesmo seja submetido no estado sólido a OPERAÇÕES DE CONFORMAÇÃO MECÂNICA (LAMINAÇÃO, FORJAMENTO, ESTRICÇÃO, entre outras). – É fundamental o seu conhecimento para projetos em que o material é utilizado na fabricação de elementos estruturais, os quais NÃO DEVEM SE DEFORMAR PLASTICAMENTE sob a ação dos esforços mecânicos aos quais a estrutura estará submetida. • O principal mecanismo de deformação plástica dos metais é a ESCORREGAMENTO, o qual envolve o movimento de DISCORDÂNCIAS. ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO • ESCOAMENTO: início da deformação plástica. • É muito importante o conhecimento da tensão em que se inicia a deformação plástica, denominada TENSÃO DE ESCOAMENTO. • A transição elástico-plástico pode ser – GRADUAL: o início do escoamento pode ser determinado pelo: • LIMITE DE PROPORCIONALIDADE: ponto onde a curva tensão-deformação se afasta da linearidade. É de difícil determinação. • LIMITE DE ESCOAMENTO CONVENCIONAL: tensão que provoca deformação plástica de 0,002. – DESCONTÍNUA: o escoamento é nítido, marcado pelo LIMITE DE ESCOAMENTO SUPERIOR e LIMITE DE ESCOAMENTO INFERIOR. Fenômeno observado em alguns aços. • A TENSÃO LIMITE DE ESCOAMENTO REPRESENTA A RESISTÊNCIA DO MATERIAL À DEFORMAÇÃO PLÁSTICA. 28 O FENÔMENO DO ESCOAMENTO 29 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais Deformação Elástico Plástico T e n s ã o 0,002 P Deformação T e n s ã o Limite de escoamento superior Limite de escoamento inferior e e LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO • Após o início da deformação plástica (ESCOAMENTO) a tensão necessária para continuar deformando o material aumenta até um valor máximo, o LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO (LRT). • O limite de resistência à tração é a tensão no ponto MÁXIMO da curva tensão x deformação. • O LRT corresponde a MAIOR TENSÃO que uma estrutura pode suportar sob tração, SEM FRATURAR. • Até esse ponto, a área da seção transversal do corpo de prova se deforma de modo uniforme ao longo do seu comprimento. • Quando a tensão do ensaio atinge o LRT, há uma redução localizada da seção transversal do corpo de prova, ou EMPESCOÇAMENTO ou ESTRICÇÃO. • O LRT pode variar desde 50 MPa, para o alumínio, até 3.000 MPa, para aços de elevada resistência. 30 Limite de resistência à tração 31 Deformação T e n s ã o LRT F M EXEMPLO 6.3, PÁGINA 88 A partir do comportamento tensão-deformação em tração para a amostra de latão mostrada na figura seguinte, determine: a. O módulo de elasticidade. b. A tensão limite de escoamento a um nível de pré-deformação de 0,002. c. A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de prova cilíndrico com um diâmetro inicial de 12,8 mm. d. A variação do comprimento de um corpo de prova originalmente com 250 mm que é submetido a uma tensão de tração de 345 MPa. 32 SOLUÇÃO a. Módulo de elasticidade (E): 150 0,0016 250 450 345 0,06 33 E 0-0,0016 0 -MPa150 GPa93,8 b. Limite de escoamento: 0,002 E 250 MPa 4 F RTRTmáx 2 0 0 d A 4 m1012,8 N/m10450F 23 26 máx N57.900Fmáx d. l para l0 = 250 mm e = 345 MPa: 0 0 ll l l mm15mm2500,06 c. Carga máxima suportada por um corpo de prova (d0 = 12,8 mm): DUCTILIDADE • É uma medida do grau de deformação plástica suportado até a fratura. • MATERIAL FRÁGIL: suporta muito pouca ou nenhuma deformação plástica. • MEDIDAS DE DUCTILIDADE: – ALONGAMENTO PERCENTUAL APÓS A RUPTURA (%AL): Onde lf: comprimento após a ruptura. l0: comprimento inicial do corpo de prova. – REDUÇÃO DE ÁREA APÓS A RUPTURA (%RA): Onde Af: área da seção reta após a ruptura. A0: área inicial da seção reta do corpo de prova. 34 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 100AL% 0 0 l ll f 100RA% 0 0 A AA f MATERIAIS FRÁGEIS X MATERIAIS DÚCTEIS Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 35 Representação esquemática do comportamento tensão x deformação de materiais frágeis e dúcteis. PROPRIEDADES MECÂNICAS X TEMPERATURA Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 36 Comportamento tensão x deformação de engenharia para o Ferro em três temperaturas diferentes. • Capacidade do material absorver energia na região elástica e depois devolvê-la, com o descarregamento. • MÓDULO DE RESILIÊNCIA (Ur): energia por unidade de volume (J/m 3) necessária para deformar o material desde o estado de tensão nula até o seu limite de escoamento. É igual à ÁREA SOB A CURVA × ATÉ O LIMITE DE ESCOAMENTO. – SE A REGIÃO ELÁSTICA É LINEAR: • MATERIAIS RESILIENTES: – ELEVADO LIMITE DE ESCOAMENTO. – BAIXO MÓDULO DE ELASTICIDADE. RESILIÊNCIA 37 3r J/mU e d 0 0,002 e e ee 2 1 Ur 2EE2 1 Ur 2 ee e • Capacidade do material absorver energia até a sua fratura. • CARREGAMENTO ESTÁTICO: é representada pela área abaixo do diagrama tensão x deformação. • CARREGAMENTO DINÂMICO COM ENTALHE: é representada pela energia absorvida no ensaio de impacto. • MATERIAL TENAZ: – RESISTÊNCIA ELEVADA. – DUCTILIDADE ELEVADA. TENACIDADE 38 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO VERDADEIRA • TENSÃO VERDADEIRA (V): Onde: F: carga instantânea. Ai: área da seção reta instantânea do corpo de prova. • DEFORMAÇÃO VERDADEIRA (V): Onde: li: comprimento instantâneo do corpo de prova. l0: comprimento inicial do corpo de prova. 39 iA F v iv l l l dl d l dl d 00 V 0 ln l liV Tensão verdadeira e deformação verdadeira • Se não houver variação de volume do corpo de prova durante a deformação (Aili = A0l0) pode-se demonstrar as seguintes relações entre tensão verdadeira e tensão de engenharia e entre deformação verdadeira e deformação de engenharia: • As relações acima são válidas SOMENTE ATÉ O EMPESCOÇAMENTO. 40 1V 1lnV Tensão verdadeira e deformação verdadeira • Comportamento tensão-deformação verdadeira e tensão-deformação de engenharia em tração. Os pontos M e M’ correspondem ao início do empescoçamento. • Para alguns metais e ligas, a seguinte relação é válida até o início do empescoçamento: Onde K e n (expoente de encruamento) são constantes que dependem do material e da sua condição. 41 Deformação T e n s ã o Engenharia Corrigida Verdadeira nK VV EXEMPLO 6.4, PÁGINA 92 • SOLUÇÃO: (a) a ductilidade é: 42 Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais Um corpode prova cilíndrico de aço, com diâmetro inicial de 12,8mm, é tracionado até a fratura. Sua resistência à fratura f determinada foi de 460 MPa. Se o diâmetro na seção reta no momento da fratura é de 10,7 mm, determine: (a) A ductilidade em termos de redução de área percentual. (b) A tensão verdadeira no momento da fratura. 100 4 44100RA% 2 0 22 0 0 0 d dd A AA f f 100RA% 2 0 22 0 d dd f 100 mm12,8 mm10,7mm12,8 RA% 2 22 %30,1RA% SOLUÇÃO (b) A tensão verdadeira é definida como: A força F no momento da fratura é: Logo: 43 22 4 4 ffi d F d F A F v 4 m1012,8 N/m10460 23 26 π AF f 0 N59.200 F 2mm10,7 N59.2004 v MPa660v DUREZA • Resistência do material à deformação plástica localizada ou à penetração. • ESCALA DE MOHS: primeira escala de dureza, baseada na capacidade de um material riscar outro mais macio. Varia de 1 (talco) até 10 (diamante). É empregada pelo mineralogistas. • A dureza dos metais é determinada através de ENSAIOS DE DUREZA, em que um penetrador é forçando contra a superfície da amostra a ser testada, medindo-se a seguir o tamanho ou a profundidade da impressão resultante. O equipamento utilizado é o DURÔMETRO. • Os ensaios de dureza são os mais realizados pois: – São simples e baratos. – Não são destrutivos. – Permitem que se estime outras propriedades mecânicas importantes. • Ensaios de dureza mais importantes:ROCKWELL, BRINELL e VICKERS. Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 45 ENSAIO DE DUREZA ROCKWELL • Método mais utilizado, pois é muito simples, não exigindo nenhuma habilidade especial do operador. • Utiliza vários penetradores e cargas, cujas combinações formam diferentes escalas, adequadas para cada metal e liga. A escala é representada por uma letra do alfabeto, a qual identifica o penetrador utilizado (esferas de diversos diâmetros e cone de diamante). Exemplos: – Escala C (HRC): carga de 150 kgf sobre um cone de diamante de 120º. – Escala B (HRB): carga de 100 kgf sobre uma esfera de 1/16 pol. • A dureza do material é medida por um índice determinado a partir da PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO resultante da aplicação de uma carga inicial menor, seguida por outra maior. A dureza é indicada por esse índice (número) seguido do símbolo da escala. Exemplo: 80 HRB. • Há dois tipos de ensaios: – ROCKWELL: carga menor de 10kg; carga maior de 60, 100 ou 150 kg. – ROCKWELL SUPERFICIAL: carga menor de 3 kg, carga maior de 15, 30 e 45 kg. Realizado em corpos de prova mais finos. Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 46 Ensaio de dureza rockwell • Seqüência do ensaio: – Aplicação da carga inicial ou pré-carga (F0). – Aplicação da carga complementar (F1). – Carga principal (F = F0 + F1). • O valor da dureza é lido diretamente do durômetro. Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 47 ENSAIO DE DUREZA BRINELL • Foi o primeiro ensaio grandemente aceito e padronizado (data de 1900). • Emprega um penetrador esférico. A dureza Brinell (HB) é obtida pelo quociente da carga aplicada sobre a área da impressão obtida: • O cálculo da dureza é simplificado pelo uso de tabelas, as quais fornecem diretamente o valor da dureza em função da carga e do diâmetro do penetrador. Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 48 22 2 dDDD F calotadaÁrea Força HB Ensaio de dureza brinell • Originalmente, a carga empregada era de 3.000 kgf e o diâmetro D da esfera, de 10 mm. • Condições para o uso de outras cargas e outros diâmetros de esferas (para que HB1 = HB2 = ... HBn): Com Onde G é uma constante empírica que depende do material. Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 49 G D F ... D F D F n n 22 2 2 2 1 1 D,dD, 600240 ENSAIO DE MICRODUREZA VICKERS • Adequado para medir a dureza de regiões pequenas do corpo de prova. • Penetrador empregado: PIRÂMIDE DE DIAMANTE DE BASE QUADRADA. • Utiliza cargas muito menores do que os ensaios Brinell e Rockwell (de 1 a 1.000 g). • A dureza Vickers (HV) é dada pela relação: Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 50 2d F 854,1 piramidalÁrea Força HV CONVERSÃO DE DUREZA • Não existe um sistema de conversão geral entre as diversas escalas. Isso se deve: – Às diferenças experimentais entre as diversas técnicas. – Ao fato de que a dureza não é uma propriedade bem definida. • Quando a conversão é possível, ela é determinada experimentalmente e os dados dependem do material. • Os dados de conversão mais confiáveis são os do aços. Tabelas de conversão detalhadas para outros metais podem ser encontradas na norma ASTM E 140: “Standard Hardness Conversion Tables for Metals”. Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 51 CORRELAÇÃO ENTRE DUREZA E LIMITE DE RESISTÊNCIA À TRAÇÃO • Para alguns metais (aços, ferros fundidos, latão) a dureza e o LRT são praticamente proporcionais. • Para a maioria dos aços, vale a relação: Materiais para Construção Mecânica 52 HB3,45MPaLRT FATORES DE PROJETO/SEGURANÇA • Devido às INCERTEZAS DE PROJETO (magnitude das cargas aplicadas, níveis de tensão existentes nas condições de serviço), introduzem-se FOLGAS DE PROJETO como medida de segurança. • Essa folga é estabelecida ao se definir: – TENSÃO DE PROJETO, P: Onde N’ é um fator maior que a unidade e C é a tensão calculada. – TENSÃO ADMISSÍVEL ou TENSÃO DE TRABALHO, t: Onde e é o limite de escoamento do material e N é o FATOR DE SEGURANÇA (N > 1). Materiais para Construção Mecânica Propriedades Mecânicas dos Metais 53 CP σσ 'N N σ σ et
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