Propriedades mecanicas dos metais-UDESC

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PROPRIEDADES 
MECÂNICAS DOS 
METAIS
Julio C. G. Milan
Conteúdo 
PLANEJAMENTO
Data Conteúdo
01/07 e 06/07 Propriedades mecânicas
09/07 e 13/07
Discordâncias e mecanismos de 
aumento de resistência
15/07 e 20/07 Diagramas de fases
22/07 Metais, Cerâmicas
27/07 Polímeros, Compósitos
29/7 Avaliação
Materiais – Sujeitos a forças e cargas
• Liga de Al da asa de um avião
Propriedades mecânicas (Ashby, 2007)
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Materiais – Sujeitos a forças e cargas
• Aço do eixo de um automóvel
Carga → deformação (não deve ser excessiva / fratura)
Comportamento mecânico → resposta ou deformação a 
uma carga aplicada
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Propriedades importantes → resistência, dureza, 
ductilidade, rigidez
Propriedades avaliadas através de experimentos de 
laboratório
• Natureza da carga aplicada
•Tração
• Compressão
• Cisalhamento
• Duração da aplicação
• Condições ambientais
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Técnicas de ensaio padronizadas
Engenheiro de materiais e metalúrgicos → produção e 
fabricação de materiais para atender a condições de 
serviço.
Microestrutura X propriedades mecânicas 
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Se uma carga estática ou que se altera lentamente 
é aplicada sobre uma seção reta ou superfície → 
comportamento mecânico verificado num simples 
ensaio de tensão-deformação.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
a) Tração -
Fig. - Maneiras principais segundo as quais uma carga pode ser aplicada. 
(Callister, 2007)
c) Cisalhamento – envolve 
tensões que tendem a causar 
deslizamento a porções 
adjacentes do material
b) Compressão -
d) Torção -
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
ENSAIOS DE TRAÇÃO
Julio C. G. Milan
Ensaio mais comum → tração (avaliar diversas 
propriedades mecânicas).
Fig. Corpo de prova padrão para ensaios de tração com seção reta circular
ENSAIOS DE TRAÇÃO
A ASTM International, anteriormente conhecida como 
Sociedade Americana de Testes e Materiais (American Society 
for Testing and Materials, ASTM), publicou mais de 12000 
normas em relação a ensaios de materiais. Embora a 
adequação dos ensaios a essas normas seja voluntária, elas 
fornecem uma descrição detalhada dos procedimentos de 
ensaio, que assegura que os resultados de laboratórios 
diferentes sejam diretamente comparáveis.
ENSAIOS DE TRAÇÃO
A ASTM International, anteriormente conhecida como 
Sociedade Americana de Testes e Materiais (American Society 
for Testing and Materials, ASTM), publicou mais de 12000 
normas em relação a ensaios de materiais. Embora a 
adequação dos ensaios a essas normas seja voluntária, elas 
fornecem uma descrição detalhada dos procedimentos de 
ensaio, que assegura que os resultados de laboratórios 
diferentes sejam diretamente comparáveis.
ENSAIOS DE TRAÇÃO
As normas ASTM começam com uma discussão do seu 
escopo, seguida por uma lista de documentos de 
referência. Elas definem a terminologia e resumem o 
método de ensaio, incluindo sua importância, emprego e 
inferências. A maioria inclui uma descrição detalhada do 
equipamento de ensaio, com ilustrações. Diretivas para a 
preparação dos corpos de prova do teste, calibração do 
equipamento e condicionamento do ambiente também 
são dadas. Procedimentos experimentais detalhados e 
instruções para realizar os cálculos também são dados.
ENSAIOS DE TRAÇÃO
ENSAIOS DE TRAÇÃO
ENSAIOS DE TRAÇÃO
Norma ABNT
Fig. Corpo de prova padrão para ensaios de tração com seção reta circular
ENSAIOS DE TRAÇÃO
Máquina de ensaio de tração
• Carga axial gradativamente aplicada; 
• medição contínua com células de carga;
• Alongamento a taxa constante;
• medição com extensômetro;
• Ensaio destrutivo;
• Corpo de prova padronizado;
ENSAIOS DE TRAÇÃO
Máquina de ensaio de tração
Representação esquemática do dispositivo usado para conduzir ensaios tensão-
deformação por tração.
ENSAIOS DE TRAÇÃO
Máquina de ensaio de tração
Equipamento que mede as propriedades mecânicas de metais 
usando forças de tração.
ENSAIOS DE TRAÇÃO
Máquina de Ensaios 
Universal 300 KN
Máquina de ensaio de tração
ENSAIOS DE TRAÇÃO
Máquina de Ensaios Universal 300 KN - Detalhes
Tração
Compressã
o
Máquina de ensaio 
ENSAIOS DE TRAÇÃO
Para minimizar fatores geométricos, carga e 
alongamento são normalizados
Tensão de engenharia
Deformação de engenharia
σ=
𝐹
𝐴0
ε=
𝑙𝑖 − 𝑙0
𝑙0
=
Δl
𝑙0
ENSAIOS DE TRAÇÃO
• Unidades
Tensão
ou
Deformação
Adimensional
%
𝑁
𝑚2
lbf
pol2
MPa psi
Τ𝑚 𝑚
Τpol pol
ENSAIOS DE TRAÇÃO
Semelhante ao ensaio de tração → Forças compressivas
⚫ Muitos materiais tem módulos e resistências à compressão 
e à tração semelhantes.
⚫ Ensaios de compressão → onde se espera que o material 
suporte grandes cargas compressivas.
Convenção → Forças compressão (negativa)
Ensaios de tração são mais comuns
Resistência à compressão de muitos polímeros e compósitos 
são significativamente diferentes de suas resistências à tração.
ENSAIOS DE COMPRESSÃO
Materiais muito frágeis não suportam ensaio de tração 
(tendem a fraturar ao serem presos nas garras)
Ensaio de flexão → analisar o comportamento à deformação 
do material.
Para maioria das cerâmicas a resistência à compressão é uma 
ordem de grandeza maior que a resistência à tração
ENSAIOS DE FLEXÃO
𝜎𝐹 =
3𝐹𝑓𝐿
2𝑤ℎ2
 – resistência à flexão
F – carga na fratura;
L – distância entre apoios;
w – largura da amostra;
h – espessura da amostra
Forças Puramente cisalhante
Torção é uma variação do cisalhamento puro
• eixos de máquinas de acionamento;
• brocas helicoidais;
• ensaios em eixos sólidos cilíndricos ou tubos.
τ=
𝐹
𝐴0
ENSAIOS DE CISALHAMENTO E TORÇÃO 
Máquina de ensaio de torção
ENSAIOS DE TORÇÃO
COMPORTAMENTO 
TENSÃO X 
DEFORMAÇÃO
Julio C. G. Milan
O estado de tensão é uma função
das orientações dos planos sobre
os quais as tensões atuam
σ′=σcos2θ=σ
1 + cos2𝜃
2
τ′=σsenθcosθ=σ
sen2𝜃
2
CONSIDERAÇÕES GEOMÉTRICAS A 
RESPEITO DO ESTADO DE TENSÕES
O grau que uma estrutura se deforma ou se esforça 
depende da magnitude da tensão imposta.
Para maioria dos metais (tensão de tração)
  
 =   (Lei de Hooke
Módulo de elasticidade
Módulo de Young
E = 45 GPa (Mg) a 407 GPa (W)
COMPORTAMENTO TENSÃO-DEFORMAÇÃO
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Módulo de elasticidade pode ser considerado como sendo uma rigidez, ou uma 
resistência do material à deformação elástica.
Quanto maior E – menor a deformação que resultará da aplicação de uma tensão
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
• Módulo de elasticidade pode ser considerado como 
sendo uma rigidez, ou uma resistência do material à 
deformação elástica.
• Quanto maior E – menor a deformação que resultará 
da aplicação de uma tensão.
• Importante parâmetro de projeto utilizado para 
calcular flexões elásticas.
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
• Deformação não permanente;
• Pequena alteração no espaçamento interatômico 
e na extensão de ligações interatômicas;
• ECERÂMICAS > EMETAIS > EPOLÍMEROS
• E → insensível a tratamentos térmicos, pré-
deformação ou impurezas;
• Aumento da temperatura → Redução do E.
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
Módulo de elasticidade em função da temperatura para 
tungstênio, aço e alumínio
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
Tensão de compressão também induz 
comportamento elástico
•   
•  = G 
Deformação de cisalhamento
Módulo de cisalhamento
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
• Maioria dos materiais → componente de deformação 
elástica que é dependente do tempo.
ANELASTICIDADE → necessidade de tempo para 
recuperação completa, ou seja, retornar ao estado 
inicial sem deformação.
• Para metais → componente anaelástica é pequena e 
geralmente desprezada.
• Polímeros → magnitude significativa (comportamento 
viscoelástico).
ANELASTICIDADE
• Uma tensão de tração → deformação na direção da 
tensão.
Alongamento axial (z) (deformação positiva) e contrações laterais (x e y) em 
resposta à imposição de uma tensão de tração.
COEFICIENTE DE POISSON• Constrição nas direções laterais (x e y) perpendiculares a 
direção de tensão aplicada.
• Contrações → deformações compressivas x e y
determinadas.
• Se o material for isotrópico e a tensão uniaxial → x = y
• Coeficiente de poison  → definido como a razão entre as 
deformações lateral e axial.
ν=−
𝜀𝑥
𝜀𝑧
= −
𝜀𝑦
𝜀𝑧
Metais e ligas
 varia de 0,25 – 0,35
COEFICIENTE DE POISSON
COEFICIENTE DE POISSON
• Para materiais isotrópicos
• Para maioria dos materiais
E=2.𝐺 1+ν
𝐺 ≈ 0,4.𝐸
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
• Corresponde a quebra de ligações com átomos 
vizinhos originais e em seguida formação de novas 
ligações com átomos vizinhos;
• Mecanismo de deformação é diferente para materiais 
cristalinos e amorfos;
• Sólidos cristalinos → escorregamento;
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
(a) Comportamento tensão-deformação típico para um metal, 
mostrando deformação elástica e plástica, o limite de 
proporcionalidade P e limite de escoamento e, conforme 
determinado pelo método da pré-deformação de 0,002 (b)
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
• Ponto de escoamento → onde ocorre o afastamento 
inicial da linearidade na curva tensão-deformação →
limite de proporcionalidade;
• Pré-deformação específica de 0,002 → tensão limite de 
escoamento (e);
• Tensão limite de escoamento representa uma medida da 
sua resistência a deformação plástica
• Al baixa resistência → 35 MPa
• Aços de elevada resistência → 1400 MPa
ESCOAMENTO E LIMITE DE ESCOAMENTO
• Limite de resistência a tração, LTR, é a tensão no ponto 
máximo da curva tensão-deformação de engenharia.
• Empescoçamento →
• A resistência a fratura corresponde à tensão aplicada 
quando da ocorrência da fratura.
• LRT pode variar:
• 50 MPa para um alumínio
• 3000 MPa para aços de elevada resistência
* Valores usados em projetos → tensão limite de escoamento
LIMITE DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO
Curva típica Tensão-Deformação de Engenharia em um ensaio de 
tração de um metal.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Comportamento típico da curva tensão-deformação de engenharia 
até a fratura do material, ponto F. Limite de resistência a tração, LTR, 
está indicado no ponto M.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Ensaios de tração para cerâmicas são difíceis – ensaios alternativos são 
usados para medir a resistência destes materiais frágeis.
Polímeros diferem dos metais e cerâmicas nas propriedades de 
resistência devido a viscoelasticidade.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
• Representa uma medida do grau de deformação 
plástica que foi suportado quando da fratura;
• Pode ser expressa como:
alongamento percentual
redução de área percentual
Al=
𝑙𝑓 − 𝑙0
𝑙0
.100
RA=
𝐴0 − 𝐴𝑓
𝐴0
.100
DUCTILIDADE
• Importância
• Fornece ao projetista uma indicação do grau segundo 
o qual uma estrutura irá se deformar plasticamente 
antes de se fraturar;
• especifica o grau de deformação permissível durante 
operações de fabricação
• Materiais frágeis, em geral, deformação de fratura < 5%.
DUCTILIDADE
Representações esquemáticas do comportamento tensão-deformação 
em tração para materiais frágeis e materiais dúcteis carregados até a 
fratura.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Tabela - Propriedades mecânicas típicas de vários metais e ligas em estado recozido
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
Figura – Comportamento tensão-deformação de engenharia para o ferro em três 
temperaturas diferentes.
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
• Capacidade de um material absorver energia quando ele 
é deformado elasticamente e, depois, com o 
descarregamento, ter sua energia recuperada.
Módulo de resiliência, Ur representa a energia de 
deformação por unidade de volume exigida para tensionar 
um material desde um estado de ausência de carga até a sua 
tensão limite de escoamento.
𝑈𝑟
= න
0
𝜀𝑒
𝜎.dε
RESILIÊNCIA
𝑈𝑟 = න
0
𝜀𝑒
𝜎.dε
Supondo uma região elástica linear
𝑈𝑟 =
1
2
𝜎𝑒.𝜀𝑒
→ limite de escoamento elevado
Materiais resilientes → módulo de elasticidade 
pequeno
MOLA
𝑈𝑟 =
1
2
𝜎𝑒.𝜀𝑒 =
1
2
𝜎𝑒.
𝜀𝑒
𝐸
=
𝜎𝐸
2
2𝐸
RESILIÊNCIA
Representação esquemática mostrando como o módulo de resiliência (que 
corresponde à área sombreada) é determinado a partir do comportamento 
tensão-deformação em tração do material.
RESILIÊNCIA
• Representa uma medida da habilidade de um 
material em absorver energia até a sua fratura
• geometria dos corpos de prova;
• forma como a carga é aplicada
• Carregamento dinâmico.
Tenacidade ao entalhe
• Carregamento estático.
Gráfico -
Área sob a curva - até a fratura.
TENACIDADE
Redução de 
área na 
região do 
pescoço
σ=
𝐹
𝐴0
Área inicial 
da seção 
reta (não 
considera 
deformação 
e redução 
de área).
TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO 
VERDADEIRA
• Tensão verdadeira → v
• Deformação verdadeira → v
𝜎𝑣 =
𝐹
𝐴𝑖
𝜀𝑣 = ln
𝑙𝑖
𝑙0
Área da seção reta instantânea sobre a qual 
a deformação está ocorrendo
TENSÃO VERDADEIRA E DEFORMAÇÃO 
VERDADEIRA
Deformações compressiva, cisalhante e 
torcional
Compressão → não existe valor máximo → 
não há formação de pescoço → modo de 
fratura diferente
Figura – Diagrama esquemático tensão-
deformação em tração mostrando os fenômenos 
de recuperação da deformação elástica e 
encruamento.
RECUPERAÇÃO ELÁSTICA DURANTE UMA 
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
DUREZA
Julio C. G. Milan
Medida da resistência de um material a uma 
deformação plástica localizada (impressão ou risco).
Escala Mohs → qualitativa, um tanto arbitrária
→ Não é linear.
1 (talco) – 10 (diamante)
DUREZA
Técnicas quantitativas
• Penetrador forçado contra superfície sob condições 
controladas de carga e taxa de aplicação
➢ profundidade, ou
➢ tamanho da impressão.
Valores são relativos e não absolutos
CUIDADO ao comparar durezas determinadas por técnicas 
diferentes
DUREZA
⚫ Ensaios simples e barato;
• Ensaios não destrutivos (material não é rompido 
durante o ensaio);
• Outras propriedades mecânicas podem ser estimadas;
• Em geral, nas medições de macrodureza a carga 
aplicada é superior a 2 N;
• Os ensaios mais utilizados são: Rockwell e Brinell.
DUREZA
Tabela – Técnicas de ensaio de dureza
Τkgf mm2
DUREZA
Várias escalas
➢ penetrador
✓ piramidal diamante
✓ esfera 1/16 ”
✓ esfera 1/8 ”
➢ Carga
✓ 60 kgf
✓ 100 kgf
✓ 150 kgf
Diferença de profundidade entre carga e pré carga (10 kgf)
* No resultado deve se especificar o número e o símbolo da escala
• ex.: 50 HRC
Rockwell superficial
Pré carga: 3 kgf
Cargas: 15 kgf
30 kgf
45 kgf
Corpos de prova finos e 
delgados
DUREZA - ENSAIO ROCKWELL
Sequência de operações de dureza Rockwell (esquemático)
DUREZA - ENSAIO ROCKWELL
Escalas Tabela – Escalas de dureza Rockwell.
Tabela – Escalas de dureza Rockwell superficial.
Espessura deve ser de pelo 
menos 10 vezes a profundidade 
de indentação
DUREZA - ENSAIO ROCKWELL
penetrador esférico (aço ou metal duro)
✓ Ø 10 mm (penetrador)
✓ Carga 500 e 3000 kgf
✓ Tempo de aplicação: 10 e 30 s
✓ superfície lisa e plana
✓ex.: 150 HB
HB=
2.𝑃
𝜋.𝐷 𝐷 − 𝐷2 − 𝑑2
Carga 
Diâmetro da impressão
Diâmetro do penetrador
DUREZA - ENSAIO BRINELL
Tabela – Condições de testes de dureza e aplicações típicas
Teste Penetrador Carga (Kgf) Aplicação
Brinell Esfera de 10 mm 3.000 Ferro fundido e aço
Brinell Esfera de 10 mm 500 Ligas não ferrosas
Rockwell A Cone de diamante 60 Materiais muito duros
Rockwell B Esfera de 1/16 pol 100 Latão, aço de baixa resistência
Rockwell C Cone de diamante 150 Aço de alta resistência
Rockwell D Cone de diamante 100 Aço de alta resistência
Rockwell E Esfera de 1/8 pol 100 Materiais muito macios
Rockwell F Esfera de 1/16 pol 60 Alumínio, materiais macios
Vickers Pirâmide de diamante 10 Todos os materiais
Knoop Pirâmide de diamante 0,5 Todos os materiais
DUREZA
⚫ Penetrador de diamante (piramidal)
✓ Carga 1 – 1000 gf
Deve ser realizada uma preparação da superfície
DUREZA - ENSAIO KNOOP E VICKERS
• Perfil de MicrodurezaDUREZA - ENSAIO KNOOP E VICKERS
⚫ É um ensaio dinâmico cuja impressão na superfície do 
material é causada pela queda livre de um êmbolo com 
uma ponta padronizada de diamante e peso conhecido.
⚫ O valor da dureza é proporcional à energia de deformação 
consumida para formar a marca no material ou corpo de 
prova, e representada pela altura alcançada no rebote do 
êmbolo por meio de um número.
• material dúctil → consome mais energia→ altura 
menor do êmbolo no retorno → dureza menor.
• material frágil → consome menos energia→ altura 
maior do êmbolo no retorno → dureza maior.
DUREZA POR REBOTE
⚫ Método muito usado na determinação de dureza de 
materiais metálicos finais ou acabados (dividido em 
escalas de acordo com as durezas dos materiais);
⚫ Equipamento Shore → leve e portátil → adequado a peças 
grandes (ex.: cilindro de laminador, trens de pouso de 
avião e ensaios em campo);
⚫ Marca superficial é pequena → indicado no levantamento 
de dureza de peças acabadas;
⚫ Facilidade de aplicação em condições adversas → ex.: 
altas temperaturas.
DUREZA POR REBOTE
Figura – Esboço de equipamentos de rebote utilizados na determinação das durezas Shore C e D.
DUREZA POR REBOTE
Figura – Comparação entre 
várias escalas de dureza.
CONVERSÃO DE DUREZA
PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS METAIS
• Limite de resistência a tração e a dureza são indicadores da 
resistência de um material a 
deformação plástica.
• Proporcionais
• Para maioria dos aços
Figura – Relação entre dureza e resistência a 
tração para aço, latão e ferro fundido.
𝐿𝑅𝑇 𝑀𝑃𝑎 = 3,45𝐻𝐵
𝐿𝑅𝑇 𝑃𝑠𝑖 = 500𝐻𝐵
CORRELAÇÃO ENTRE DUREZA E O LIMITE 
DE RESISTÊNCIA A TRAÇÃO
• Fatores de incerteza dos dados medidos:
• Método de ensaio;
• Variações nos procedimentos de fabricação dos corpos de prova;
• Influências do operador;
• Calibração dos equipamentos;
• Falhas na homogeneidade.
• Probabilidade da liga apresentar falhas sob dadas 
circunstâncias?
• Valor típico desejável (média dos dados).
VARIABILIDADE NAS PROPRIEDADES 
DOS MATERIAIS
⚫ Cálculos de carga são aproximados
⚫ Variabilidade das propriedades mecânicas
→ devem ser introduzidas folgas no projeto
• p – tensão de projeto
• c – nível de tensão calculado
• N’ – fator de projeto
• t – tensão admissível ou tensão de trabalho
• e – limite de escoamento
• N – fator de segurança
𝜎𝑝 =N
′ .𝜎𝑐
𝜎𝑡 =σ𝑒 𝑁 N muito grande →
SUPERDIMENSIONADO
N → 1,2 e 4
FATORES DE PROJETO/SEGURANÇA
A partir do comportamento tensão-deformação em tração para o corpo de prova 
de latão (figura abaixo) determine:
a) O módulo de elasticidade.
b) A tensão limite de escoamento para uma pré deformação de 0,002.
c) A carga máxima que pode ser suportada por um corpo de provas cilíndrico que 
possui um diâmetro original de 12,8 mm.
d) A variação no comprimento de
um corpo de provas originalmente
te com 250 mm de comprimento
e que foi submetido a uma tensão de
tração de 345 MPa.
EXERCÍCIO
Os dados a seguir foram coletados em um corpo de prova padronizado, com 1,283 
cm de diâmetro, referente a uma liga de cobre (comprimento inicial l0 = 5,08 cm):
Carga (N) l (cm)
0 0,0000
13.345 0,00424
26.680 0,00846
33.362 0,01059
40.034 0,02286
46.706 0,1016
53.379 0,66
55.158 1,27 (carga 
máxima)
50.170 2,59 (fratura)
Depois da fratura, o comprimento total era de 7,655 
cm, com um diâmetro de 0,950 cm. Construa o gráfico 
tensão-deformação e calcule o limite convencional de 
escoamento de 0,2 %, com
a) o limite de resistência à tração;
b) o módulo de elasticidade;
c) o alongamento percentual;
d) a redução percentual de área;
e) a tensão de engenharia na fratura;
f) a tensão verdadeira na fratura; e
g) o módulo de resiliência.
EXERCÍCIO
Ensaio de tração (com gráfico)
https://www.youtube.com/watch?v=sKBOdB0x4gk
https://www.youtube.com/watch?v=sKBOdB0x4gk