Ciência dos Materiais 5

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PROPRIEDADES 
DOS 
MATERIAIS 
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ENGENHARIAS MECÂNICA, PRODUÇÃO E MECATRÔNICA
 PROPRIEDADE: é uma peculiaridade do material em termos do tipo e da
intensidade da resposta a um estímulo específico que lhe é imposto. As
definições das propriedades são feitas de maneira independente da forma
e do tamanho do material.
• MECÂNICA: relaciona deformação com uma carga ou força aplicada;
• ELÉTRICA: o estímulo é um campo elétrico;
• TÉRMICA: capacidade calorífica e condutividade térmica;
• MAGNÉTICA: demonstram a resposta de um material à aplicação de um
campo magnético;
• ÓTICA: o estímulo é a radiação eletromagnética ou a luminosa;
• QUÍMICA: indica a reatividade química dos materiais.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
ASPECTO ECONÔMICO
Preço e disponibilidade
Capacidade de reciclagem
FÍSICA GERAL Densidade
MECÂNICA
Módulo de elasticidade
Resistência à deformação e à tração
Dureza
Plasticidade e maleabilidade
Limite de fadiga
Limite de resistência à deformação a quente (creep)
Resiliência
Tenacidade
TÉRMICA
Condutividade térmica
Calor específico
Coeficiente de expansão térmica
ELÉTRICA E MAGNÉTICA
Constante dielétrica
Permeabilidade magnética
INTERAÇÃO AMBIENTAL
Oxidação
Corrosão
Desgaste
PRODUÇÃO
Facilidade no processamento
Soldabilidade
Temperabilidade
ESTÉTICA
Cor / Textura
Sensação táctil
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
PROPRIEDADES
Propriedades 
mecânicas gerais
Propriedades 
gerais não-
mecânicas
Propriedades de 
superfície
Preço e 
disponibilidade
Propriedades de 
produção –
facilidade de 
fabricação, união e 
acabamento
Propriedades 
estéticas –
aparência, textura, 
sensação táctil
PROJETO
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
PROPRIEDADES MECÂNICAS RELATIVAS DE MATERIAIS 
À TEMPERATURA AMBIENTE
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Propriedades Mecânicas
O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre a sua
resposta ou deformação a uma carga ou força que está sendo aplicada.
Propriedades importantes: resistência, dureza, ductilidade.
As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução
de experimentos de laboratório cuidadosamente programados, que
reproduzem mais fielmente possível as condições de serviço: normas.
As normas técnicas mais comuns são elaboradas pelas:
ASTM (American Society for Testing and Materials)
ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas)
O comportamento mecânico pode ser verificado através de um ensaio
tensão-deformação: uma carga estática é aplicada uniformemente sobre
uma seção reta ou superfície de um material.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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Propriedades Mecânicas
Ilustração esquemática de como uma
carga produz deformação em (a) Tração,
(b) Compressão, (c) Cisalhamento e
(d) Torção.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais comuns é o de
tração. Ele pode ser usado para avaliar diversas propriedades mecânicas
dos materiais que são importantes em projetos.
Teste mecânico que apresenta a melhor relação entre informações
obtidas e custo/complexidade de ensaio. Ponto de partida para a
caracterização e especificação do material.
Consiste em submeter um corpo de prova de geometria definida, a um
esforço crescente de tração, aplicado continuamente até a fratura e no
simultâneo registro do alongamento em função da força aplicada.
Utilizam-se sensores que permitem medir a tensão aplicada e a
deformação promovida (extensômetros).
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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 Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Equipamento e Corpo de Prova de Testes 
de Tração
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
Corpo de prova padrão para
ensaios de tração –
comprimento da parte útil
deve ser pelo menos 4 vezes o
diâmetro.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
Corpo de prova padrão para
ensaios de tração –
comprimento da parte útil deve
ser pelo menos 4 vezes o
diâmetro.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
Exemplo: Chapa da liga de alumínio A5052
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Antes do ensaio. Início da fratura.
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
A carga e o alongamento são normalizados de acordo com os seus
respectivos parâmetros de tensão de engenharia e deformação de
engenharia.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
σ=
F
A0
ε=
li− l 0
l 0
=
Δl
l0
 = Tensão de engenharia (MPa ou 
psi)
F = carga instantânea aplicada em 
direção perpendicular à seção reta 
da amostra (N ou lbf)
A0 = área da seção reta original 
antes da aplicação de qualquer 
carga (m2 ou in2)
 = Deformação de engenharia
l0 = comprimento original antes 
de qualquer carga ser aplicada
li = comprimento instantâneo
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Curvas Tensão-Deformação
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Resistência à
tração
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Conceitos
Módulo de elasticidade (E)
Tensão limite de escoamento (e)
Tensão limite de resistência a tração (t)
Ductilidade 
Resiliência
Tenacidade
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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ENGENHARIAS MECÂNICA, PRODUÇÃO E MECATRÔNICA
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Propriedades Mecânicas de Vários Materiais à 
Temperatura Ambiente
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Elástica
 Quando a carga aplicada é de tração, a peça tensionada se torna
ligeiramente mais longa. A remoção da carga permite que o material retorne
as suas dimensões originais.
 No caso da carga ser compressiva, a peça se torna ligeiramente menor.
 A deformação elástica é resultado de um pequeno alongamento da célula
unitária na direção da carga trativa, ou uma pequena contração no caso da
carga ser compressiva.
 Dentro dessa chamada “fase elástica”, a deformação é proporcional à tensão
correspondente à força aplicada.
 A relação entre a tensão e a deformação é chamada de “MÓDULO DE
ELASTICIDADE” (Módulo de Young), que é uma característica típica de cada
material. 17
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Elástica
Dentro de certos limites, a deformação
é proporcional à tensão (a lei de Hooke
é obedecida)
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
E é o Módulo de Elasticidade e pode ser considerado como uma medida de
rigidez, ou uma resistência do material à deformação elástica. Quanto maior
o módulo, mais rígido será o material ou menor será a deformação elástica
que resultará da aplicação de uma dada tensão.
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Lei de Hooke:  = E 
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Elástica
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
- Valores do módulo de elasticidade para materiais cerâmicos são
caracteristicamentesemelhantes aqueles para os metais; para polímeros,
eles são menores.
- Estas diferenças são uma consequência direta dos diferentes tipos de
ligação atômica nos 3 tipos de materiais.
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Regime Elástico
Coeficiente de Poisson () para alongamento ou compressão
- Qualquer alongamento ou
compressão de uma estrutura
cristalina em uma direção,
causada por uma força uniaxial,
produz um ajustamento nas
dimensões perpendiculares à
direção da força.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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x
z
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Regime Elástico
Coeficiente de Poisson () para tensões de cisalhamento
- Tensões de cisalhamento produzem deslocamento de um plano de átomos em
relação ao plano adjacente
A deformação elástica
de cisalhamento é dada
( ):
 = tg
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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Módulo de Cisalhamento ou de Rigidez
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Regime Elástico
Forças de compressão, cisalhamento e torção
- O comportamento elástico também é observado quando forças
compressivas, tensões de cisalhamento ou de torção são impostas ao
material.
Fenômeno de escoamento
- Esse fenômeno é nitidamente observado em alguns metais de natureza 
dúctil, como aços baixo teor de carbono.
- Caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Regime Elástico
Tensão de Escoamento
- y = tensão de escoamento
(corresponde a tensão máxima
relacionada com o fenômeno de
escoamento)
- De acordo com a curva “a”, onde não
observa-se nitidamente o fenômeno de
escoamento.
- Alguns aços e outros materiais exibem
o comportamento da curva “b”, ou seja,
o limite de escoamento é bem definido
(o material escoa - deforma-se plasticamente
- sem praticamente aumento da tensão). Neste caso, geralmente a tensão de 
escoamento corresponde à tensão máxima verificada durante a fase de escoamento.
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Não ocorre escoamento
propriamente dito
Escoamento
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Regime Elástico
Tensão de Escoamento
- y = tensão de escoamento
(corresponde a tensão máxima
relacionada com o fenômeno de
escoamento)
- Quando NÃO observa-se nitidamente
o fenômeno de escoamento, a tensão de
escoamento corresponde à tensão
necessária para promover uma deforma-
ção permanente de 0,2% ou outro valor
especificado (obtido pelo método gráfico
indicado na figura ao lado).
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Plástica
- É provocada por tensões que ultrapassam o limite de 
elasticidade.
- É irreversível porque é resultado do deslocamento
permanente dos átomos e portanto não desaparece quando a 
tensão é removida.
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Plástica
Resistência à Tração (kgf/mm2)
- Corresponde à tensão máxima
aplicada ao material antes da ruptura.
- É calculada dividindo-se a carga
máxima suportada pelo material pela
área de seção reta inicial.
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Plástica
Tensão de Ruptura (kgf/mm2)
- Corresponde à tensão que promove
a ruptura do material.
- O limite de ruptura é geralmente
inferior ao limite de resistência em
virtude de que a área da seção reta
para um material dúctil reduz-se
antes da ruptura.
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Plástica
Ductilidade em termos de alongamento
- Corresponde ao alongamento total
do material devido à deformação
plástica.
onde lo e lf correspondem ao
comprimento inicial e final (após
a ruptura), respectivamente.
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ductilidade
%alongamento = (lf - lo/lo)x100
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Plástica
Ductilidade expressa como alongamento
- Como a deformação final é localizada, o valor do alongamento
só tem significado se
indicado o comprimento
de medida.
Ex: Alongamento:
30% em 50 mm
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Plástica
Ductilidade expressa como estricção
- Corresponde à redução na área da seção reta do corpo, 
imediatamente antes da ruptura.
Os materiais dúcteis sofrem
grande redução na área da seção
reta antes da ruptura.
Estricção= área inicial-área final
área inicial
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Elástica
Resiliência
- Corresponde à capacidade do
material de absorver energia
quando este é deformado
elasticamente.
- A propriedade associada é
dada pelo módulo de resiliência (Ur):
Ur= esc2/2E
- Materiais resilientes são aqueles que têm alto limite de elasticidade
e baixo módulo de elasticidade (como os materiais utilizados para 
molas).
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esc
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Deformação Plástica
Tenacidade
- Corresponde à capacidade do
material de absorver energia até
sua ruptura.
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tenacidade
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Tensão e Deformação Reais ou Verdadeiras
A curva de tensão x deformação convencional, estudada 
anteriormente, não apresenta uma informação real das 
características tensão e deformação
porque se baseia somente nas
características dimensionais originais
do corpo de prova ou amostra e que
na verdade são continuamente
alteradas durante o ensaio.
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Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Tensão e Deformação Reais ou Verdadeiras
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TENSÃO REAL (r)
r = F/Ai
onde Ai é a área da seção 
transversal instantânea 
(m2)
DEFORMAÇÃO REAL (r)
dr = dl/l
r = ln li/lo
Se não há variação de volume:
Ai.li = Ao.lo
r = ln Ao/Ai
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 Tensão e Deformação Reais ou Verdadeiras
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RELAÇÃO ENTRE 
TENSÃO REAL E 
CONVENCIONAL
r = (1+ )
RELAÇÃO ENTRE 
DEFORMAÇÃO REAL E 
CONVENCIONAL
r = ln(1+ )
Estas equações são válidas para situações até a formação da 
estricção (pescoço)
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 TENSÃO CORRETA PARA A REGIÃO ONDE INICIA-SE A FORMAÇÃO 
DO PESCOÇO
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r = Kn
K e n são constantes que 
dependem do material e 
dependem do tratamento 
dado ao material, ou seja, 
se foram tratados 
termicamente ou encruados
correta
A tensão correta de ruptura é devido a 
outros componentes de tensões 
presentes, além da tensão axial.
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Tração
 TENSÃOCORRETA PARA A REGIÃO ONDE INICIA-SE A FORMAÇÃO 
DO PESCOÇO
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r = Kn
K = coeficiente de resistência (quantifica o nível 
de resistência que o material pode suportar)
n = coeficiente de encruamento (representa a 
capacidade com que o material distribui a 
deformação)
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Exercícios:
1) Um corpo de prova de algum metal tendo uma seção transversal retangular de 10,8 mm x 12,5 mm é 
tracionada uniaxialmente com uma força de 34.300 N, produzindo apenas deformação elástica. Dado que
o módulo de elasticidade desse metal é 79 GPa, calcule a deformação resultante.
2) Considere uma liga de latão (Cu-Zn) cujo comportamento em ensaio de tração é apresentado na figura 
abaixo.
Um corpo de prova cilíndrico com comprimento de 630 mm deve alongar apenas 0,11 mm quando uma carga 
de 53.500N é aplicada. Sob essas condições, qual é o raio do corpo de prova?
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3) Considere o mesmo material do exercício anterior. Um corpo de prova cilíndrico com diâmetro de 20 mm 
e comprimento de 188 mm é tensionado uniaxialmente . Calcule a tensão (em MPa) necessária para 
promover uma redução no diâmetro de 0,0105 mm. Assuma um valor de coeficiente de Poisson de 0,34.
4) Para uma liga de bronze (Cu-Sn), a tensão em que a deformação plástica se inicia é 267 MPa e o módulo 
de elasticidade é 115 GPa.
(a) Qual é a máxima carga (em N) que pode ser aplicada em um corpo de prova que tem um área de seção 
transversal de 300 mm2 sem deformação plástica?
(b) Se o comprimento inicial do corpo de prova é 137 mm, qual é o máximo comprimento (em mm) que o 
mesmo pode ser tensionado sem sofrer deformação plástica?
5) Uma barra cilíndrica de metal com diâmetro de 18,8 mm e comprimento de 198 mm é deformada 
elasticamente com uma força de 49.400 N. Dado que o módulo elástico e o coeficiente de Poisson do 
metal são 67,1 GPa e 0,34, respectivamente, determine:
(a) Qual o alongamento (em mm) que o corpo de prova irá sofrer na direção da tensão aplicada.
(b) A mudança no diâmetro (em mm) do corpo de prova. Indique um aumento no diâmetro com um número 
positivo e uma redução no diâmetro com um número negativo.
6) Uma liga metálica tem uma tensão de escoamento de 805 MPa e um modulo elástico de 107 GPa. 
Calcule o módulo de resiliência dessa liga (em J/m3 – que é equivalente a Pa), dado que a mesma
apresenta um comportamento linear elástico em tensão-deformação.
7) Um corpo de prova metálico cilíndrico com 48,5 mm de comprimento e diâmetro de 9,72 mm é 
tensionado em tração uniaxial. Uma tensão verdadeira de 369 MPa causa uma deformação plástica do 
corpo de prova para um comprimento de 54,7 mm. Dado que o expoente de encruamento é 0,20, calcule 
a tensão verdadeira (em MPa) necessária para alongar plasticamente um corpo de prova do mesmo 
material de 48,5 mm para um comprimento de 57,2 mm.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Dureza
 Razões para a utilização do ensaio:
 São simples e baratos – normalmente, nenhum corpo de prova especial 
precisa ser preparado e os equipamentos de ensaio são relativamente 
baratos;
 O ensaio é não-destrutivo – o corpo de prova não é fraturado, nem 
excessivamente deformado; uma pequena impressão é a única deformação;
 O limite de resistência à tração pode ser estimado a partir de dados obtidos 
no ensaio de dureza.
 Tipos:
 Dureza Rockwell (HR);
 Dureza Brinell (HB);
 Microdureza Knoop (HK) e Vickers (HV).
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Propriedades Mecânicas: Ensaios de Dureza
 Um pequeno penetrador é forçado contra a superfície de um 
material a ser testado, sob condições controladas de carga e 
taxa de aplicação;
 Faz-se a medida da profundidade ou do tamanho da 
impressão resultante, que é relacionada a um índice de 
dureza.
Quanto mais macio o material, maior e mais profunda a impressão e menor o 
índice de dureza.
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Dureza Rockwell (HR)
 É o método mais comumente utilizado para medir a dureza, pois 
são muito simples de executar e não exigem habilidade especial;
 A dureza Rockwell é obtida através de várias combinações entre 
cargas e penetradores, que permitem o ensaio de metais e ligas, 
desde os mais duros até os mais macios;
 Tipos de penetradores utilizados:
esférico (esfera de aço temperado);
cônico (cone de diamante, com ângulo de 120° e ponta 
ligeiramente arredondada).
 Índice de dureza é determinado pela diferença na profundidade de 
penetração que resulta da aplicação de uma carga inicial menor 
seguida por uma carga principal maior.
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Dureza Rockwell (HR)
 Existem 2 tipos de ensaios: Rockwell e Rockwell superficial.
Rockwell: carga menor 10 kgf;
carga principal 60, 100 e 150 kgf
Rockwell superficial: carga menor 3 kgf;
carga principal 15, 30 e 45 kgf.
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Dureza Brinell (HB)
 Consiste na compressão lenta de uma esfera de aço sobre a 
superfície do metal e na medida do diâmetro da impressão 
produzida.
 O diâmetro do penetrador de aço endurecido (ou carbeto de 
tungstênio) é de 10,0 mm. As cargas variam entre 500 e 3000 kgf, 
em incrementos de 500 kgf e é mantida constante por um tempo 
específico (entre 10 e 30 s).
 O diâmetro da impressão resultante é medido com um microscópio 
especial, utilizando uma escala que está gravada na sua ocular. 
Esse diâmetro medido é então convertido ao número HB 
apropriado com o auxílio de um gráfico (apenas uma escala).
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Ensaio de Dureza 
Brinell
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Dureza Brinell (HB)
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Microdureza Vickers (HV)
 A microdureza Vickers utiliza um penetrador formado por uma 
pirâmide de diamante, produzindo uma impressão na forma de 
pirâmide invertida, conforme figura abaixo.
Formação da impressão Vickers. Determina-se a média das 
diagonais da impressão.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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Microdureza Vickers (HV)
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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Microdureza Vickers (HV)
 A microdureza com um penetrador em forma de pirâmide alongada 
(Knoop) permite a medição da dureza em regiões finas de 
camadas de metal depositado ou endurecido e mesmo de 
camadas de certas tintas. Também bastante usado para materiais 
frágeis.
Comparação entre os penetradores (a) Vickers e (b) Knoop e suas 
respectivas impressões.
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Ensaio de Dureza
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Tabela de 
Conversão 
de Valores 
de Dureza
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
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ENGENHARIAS MECÂNICA, PRODUÇÃO E MECATRÔNICAEnsaios de Dureza
 Relação entre valores
de Dureza e LR:
Para a maioria dos aços:
LR (MPa) = 3,45 x HB 
LR (psi) = 500 x HB
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Corpos de Prova em Forma de Disco e 
de Ensaio de Torção
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Ensaio de 
Flexão
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 Ensaios de Fadiga
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Curvas S-N
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 Ensaios de Fluência
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PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Curvas de Fluência
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ENGENHARIAS MECÂNICA, PRODUÇÃO E MECATRÔNICA
 Ensaios de Impacto
59
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Corpos de Prova de Ensaios de Impacto
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60
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Falhas e Fratura de Materiais em Ensaios 
de Tensão Uniaxial
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61
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Fratura de Corpos de Prova em Ensaios 
de Tração
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62
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Fratura Dúctil
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63
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Temperatura de Transição
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64
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Fratura Frágil
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65
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Fratura Intergranular
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66
PROPRIEDADES DOS MATERIAIS 
Fratura em Fadiga
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