SlidesAula-05

Prévia do material em texto

AULA Nº 05
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
Introdução:
Propriedades Térmicas dos Materiais de 
Engenharia
Prof. Delson Torikai
Condutividade Térmica dos materiais:
• A recíproca do coeficiente de transferência de calor é 
o isolamento térmico. Em resumo:
• Condutância térmica , cuja unidade é o watt por 
kelvin (W/K), propriedade do objeto.
• Resistência térmica , cuja unidade é o kelvin 
por watt (K/W); propriedade do objeto.
• Coeficiente de transferência de calor , cuja 
unidade é o watt por kelvin e por metro quadrado 
(W/(K.m²)).
• Isolação térmica , medida em kelvin metro 
quadrado por watt (K.m²/W).
Definição:
• Condutividade Térmica: é a quantidade de calor que passa 
por unidade de tempo através de uma prato circular de área 
unitária (1m2) e espessura também unitária (1m) quando a 
diferença de temperatura entre suas faces é unitária (1 K) 
(habilidade dos materiais de conduzir energia térmica): 
Alta condutividade térmica dissipadores térmicos
Baixa condutividade térmica isolamentos térmicos
É uma característica específica de cada material: f(T, pureza,
defeitos); condutividade térmica se comporta de forma
análoga ao visto na condutividade elétrica.
Outras Propriedades Térmicas importantes:
• Capacidade Térmica ou Calor Específico: quantidade de 
calor necessária para promover a variação de 1 K (1 °C) de 
temperatura.
• Dilatação Térmica: aumento do volume de um corpo 
ocasionado pelo aumento de sua temperatura: Dilatação 
linear: ∆L = Lo . α . ∆T, superficial: ∆S = β . So . ∆T (β = 2 x α) 
e volumétrica: ∆V = γ . Vo . ∆T (γ = 3 x α) p/ materiais 
isotrópicos.
• Fluência: deformação plástica que ocorre num corpo quando 
submetido a uma carga constante aplicada, a um 
determinado nível de temperatura, durante um prolongado 
período de tempo.
Dilatação Térmica
A variação dimensional com a temperatura é importante
para toda aplicação onde ocorra uma variação de
temperatura:
Gradiente térmico  deformação não uniforme  Tensão
térmica
Tensão térmica  têmpera térmica (tensões residuais)
Ex. vidro temperado
Fluência
Os metais e as ligas metálicas em geral não estão sujeitos ao
fenômeno da fluência à temperatura ambiente, contudo a partir
de um determinado nível a deformação plástica começa a
aparecer, caracterizando-se como um fenômeno termicamente
ativado (comumente acima de 0,4 da temperatura de fusão do
metal.
A falha por fluência em metais pode resultar de uma excessiva 
deformação plástica do componente ou da ruptura desse 
componente.
Exemplos típicos de sistemas mecânicos sujeitos à fluência: 
vasos de pressão, turbinas a gás e motores aeronáuticos; 
contudo, todos os sistemas operando em altas temperaturas, 
sob consideráveis níveis de tensão, estão sujeitos ao 
aparecimento da fluência
Falha por Fluência
A analise microscópica dos metais submetidos a
fluência permite identificar diversos mecanismos
pelas quais ela pode se manifestar:
1. movimentação de discordâncias ao longo de planos
de deslizamentos superando barreiras com a
ativação térmica
2. ascensão de discordâncias conduzindo a formação
de estrutura de sub-grãos,
3. deslizamento de contornos de grãos
4. difusão de vacâncias 
Ensaios de fluência e curva de fluência
Podem ser conduzidos com diferentes tipos de tensão;
porém é comum o uso de esforço de tração devido a
facilidade de aplicação. Nesse ensaio, realizado a um
determinado nível de temperatura e a uma carga ou
tensão constante, pode-se determinar a velocidade de
fluência, o nível do esforço de tração para ruptura e a
fluência total em todos esses estágios.
Representação do ensaio de fluência
Esboço de um 
aparelho utilizado 
para o ensaio de 
fluência 
Representação de uma curva de fluência 
típica:
Estágio I: a taxa de 
fluência é decrescente
Estágio II: a taxa ou 
velocidade de fluência 
é praticamente 
constante
Estágio III: a taxa é 
crescente até a 
ruptura.
Resistência à Fluência
A resistência à fluência corresponde, portanto, ao nível 
de tensão que causa uma determinada velocidade 
mínima de fluência. 
A resistência à ruptura por fluência se refere à tensão 
que conduz a uma determinada vida sob fluência.
Ambas são definidas para níveis constantes de 
temperatura. 
Ligas metálicas resistentes à fluência
Os mecanismos usados para aumentar a resistência à
fluência são semelhantes aqueles usados para
aumentar a resistência mecânica a temperatura
ambiente, ou seja:
Ø Endurecimento por solução sólida
Ø Endurecimento por solubilização e precipitação 
(de partículas de segunda fase muito finas)
Máxima temperatura de uso de alguns 
metais:
Metal Temp.Fusão(o
C)
Máxima T 
uso(oC)
Máxima T na 
prática (oC)
Al 660 350 0,56
Cu 1083 630 -
Ni 1453 880 0,74
Fe 1536 930 0,47-0,57
Ti 1668 1020 0,4
Zr 1852 1150 -
Máxima temperatura de uso de alguns 
metais ( continuação)
Metal Temp.Fusão
(oC)
Máxima T 
uso (oC)
Máxima T na 
prática (oC)
Cr 1900 1180 0,6
Hf 2222 1370 -
Nb 2468 1550 0,54
Mo 2610 1650 -
Ta 2996 1910 -
W 3410 2160 0,76
Fluência para Cerâmicas
Uma das vantagens das cerâmicas sobre os metais é a
sua habilidade em suportar temperaturas de serviço
tão altas como 1650oC.
A resistência à temperatura das cerâmicas é
caracterizada por diversas propriedades térmicas
como resistência à fluência, expansão térmica,
condutibilidade térmica e resistência ao choque
térmico.
Fluência para Cerâmicas
Alguns exemplos:
Para cerâmicas estruturais, especialmente Si3N4
prensado a quente, a taxa de fluência pode ser
controlada ajustando a composição e, então, as
propriedades das fases dos contornos de grão.
A resistência à fluência do SiC também é afetada
pelas fases intergranulares, mas as taxas de fluência
desse material são baixas.
Fluência para polímeros e compósitos 
Os plásticos e compósitos podem ser usados numa
larga faixa de temperatura. Porém quase todas as
propriedades dos plásticos, incluindo as propriedades
físicas, mecânicas, elétricas e químicas são
dependentes da temperatura. Consequentemente, a
temperatura frequentemente é considerada um
parâmetro importante no projeto com polímeros.
Fluência para polímeros e compósitos
Os termofixos usualmente tem maior resistência à
temperatura que os termoplásticos devido ao seu
alto grau de ligações cruzadas.
Entretanto, eles são substituídos pelos
termoplásticos de engenharia resistentes a altas
temperaturas, tais como o poli-éter-éter-cetona
(PEEK) ou o polissulfeto de fenileno (PPS). Esses
materiais tem a vantagem de serem moldáveis por
injeção.
Máximas temp. de uso de polímeros