Aula 2 - Propriedade Mecânicas dos Materiais

Prévia do material em texto

CIÊNCIAS E TECNOLOGIA 
DOS MATERIAIS 
Propriedades Mecânicas 
 
Profa. Dra. Estefânia Viano da Silva 
e-mail: estefania.silva@facunicamps.edu.br 
 
PROPRIEDADE DOS 
MATERIAIS 
3 
Propriedades Mecânicas 
 
 
As propriedades mecânicas definem o comportamento 
do material quando sujeitos à esforços mecânicos, pois 
estão relacionadas à capacidade do material resistir ou 
transmitir esforços. 
 
Ensaios de tração e compressão 
 São os atributos dos materiais. 
 As propriedades dos materiais dependem da natureza do material, composição 
química e microestrutura. 
 O conhecimento das propriedades dos materiais é fundamental importância 
para seleção dos mesmos. 
 A determinação e/ou conhecimento das propriedades dos materiais é muito 
importante para a escolha do material para uma determinada aplicação, bem 
como para o projeto e fabricação do componente. 
O QUE SÃO AS PROPRIEDADE DOS 
MATERIAIS? 
 
 
Principais Propriedades Mecânicas 
Resistência à tração 
Elasticidade 
Ductilidade 
Dureza 
Tenacidade 
 Resistência a tração, compressão e cisalhamento 
 Fadiga – ruptura de materiais sujeito a ciclos repetitivos de tensão ou 
deformação 
 Módulo de elasticidade – medida de rigidez na região elástica 
 Ductibilidade – grande deformação na zona de escoamento 
 Fragilidade – pequena deformação na zona de escoamento 
 Elasticidade – capacidade de deformar e voltar a forma original 
 Resiliência – capacidade de suportar grandes cargas dentro da zona elástica 
 Plasticidade – capacidade de deformar e manter a forma 
 Tenacidade – capacidade do material absorver energia sem ruptura 
 Dureza - resistência a penetração 
PROPRIEDADES MECÂNICAS 
Principais Ensaios Mecânicos 
 Tração 
 Compressão 
 Flexão 
 Torção 
 Cisalhamento 
 Por meio dos Ensaios é que se verifica se os materiais apresentam as 
propriedades que os tornarão adequados ao seu uso. 
 Nos séculos passados, como a construção dos objetos era essencialmente 
artesanal, não havia um controle de qualidade regular dos produtos fabricados. 
A qualidade era avaliada pelo uso. 
 Atualmente, entende-se que o controle de qualidade precisa começar pela 
matéria-prima e deve ocorrer durante todo o processo de produção, incluindo a 
inspeção e os ensaios finais nos produtos acabados. 
PROPRIEDADES MECÂNICAS - ENSAIOS 
 Os ensaios mecânicos dos materiais são procedimentos padronizados que 
compreendem testes, cálculos, gráficos e consultas a tabelas, tudo isso em 
conformidade com NORMAS TÉCNICAS. Realizar um ensaio consiste em 
submeter um objeto já fabricado ou um material que vai ser processado 
industrialmente a situações que simulam os esforços que eles vão sofrer nas 
condições reais de uso, chegando a limites extremos de solicitação. 
 As propriedades mecânicas definem o comportamento de um material quando 
sujeito a esforços mecânicos. 
PROPRIEDADES MECÂNICAS - ENSAIOS 
NORMAS TÉCNICAS PADRONIZAÇÃO 
As normas técnicas mais utilizadas pelos laboratórios de ensaios 
provêm das seguintes instituições: 
 
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas 
ASTM - American Society for Testing and Materials 
ASME: American Society of Mechanical Engineer 
ISO: International Organization for Standardization 
DIN - Deutsches Institut für Normung 
BSI: British Standards Institution 
Mesmo recorrendo às Normas, na fase de projeto das estruturas utiliza-se um 
fator multiplicativo chamado coeficiente de segurança, o qual leva em 
consideração as incertezas (provenientes da determinação das propriedades dos 
materiais e das teórias de cálculos das estruturas). 
PROPRIEDADES MECÂNICAS - ENSAIOS 
Os Ensaios Mecânicos podem ser realizados em: 
 
•Produtos acabados: os ensaios têm maior significado pois procuram simular as 
condições de funcionamento do mesmo. Mas na prática isso nem sempre é realizável; 
Para padronizar: Utiliza-se as NORMAS 
1
2 
PROPRIEDADES MECÂNICAS - ENSAIOS 
•Corpos de prova: avalia as propriedades dos materiais independentemente das 
estruturas em que serão utilizados. Estas propriedades (Ex. limite de elasticidade, de 
resistência, alongamento, etc.) são afetadas pelo comprimento do corpo de prova, pelo 
seu formato, pela velocidade de aplicação da carga e pelas imprecisões do método de 
análise dos resultados do ensaio. 
CLASSIFICAÇÃO DOS ENSAIOS MECÂNICOS 
Flexão 
TIPOS DE TENSÕES E DEFORMAÇÕES QUE 
UMA ESTRUTURA ESTA SUJEITA 
 
 Um grande número de propriedades pode ser derivado de um único tipo 
de experimento, o ensaio de tração. 
 
 Neste tipo de ensaio um material é tracionado e se deforma até fraturar. 
Mede-se o valor da força e do alongamento a cada instante, e gera-se uma 
curva tensão-deformação. 
 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - 
TRAÇÃO 
 
Máquina Universal de Ensaio de Tração. 
 O ensaio de tração geralmente é realizado na máquina universal, que tem este nome 
porque se presta à realização de diversos tipos de ensaios. 
• É hidráulica ou 
eletromecânica, e está 
ligada a um dinamômetro 
ou célula de carga que 
mede a força aplicada ao 
corpo de prova; 
 
•Possui um registrador 
gráfico que vai traçando o 
diagrama de força e 
deformação, em papel 
milimetrado, à medida em 
que o ensaio é realizado. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - TRAÇÃO 
A máquina de tração 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - TRAÇÃO 
Célula de 
carga 
Corpo de 
prova 
Extensômetro 
Detalhe do início da 
estricção do 
material 
Gráfico de  x  do 
material ensaiado 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - TRAÇÃO 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - TRAÇÃO 
20 
 = F/A Kgf/cm2 ou Kgf/mm2 ou N/ mm2 
 
 Como efeito da aplicação de uma tensão tem-se a deformação 
(variação dimensional). A deformação pode ser expressa: 
O número de milímetrosa de 
deformação por milímetros de 
comprimento 
 O comprimento deformado como 
uma porcentagem do comprimento 
original 
Deformação(ε) = lf - lo/lo= l/lo 
lo= comprimento inicial 
lf= comprimento final 
Força ou carga 
Área inicial da seção reta transversal 
Tensão / Deformação 
DIAGRAMA TENSÃO x DEFORMAÇÃO 
22 
 
 
Comportamento dos metais quando 
submetidos à tração 
Resistência à tração 
Lei de Hooke:  = Ex  
23 
Deformação Elástica x Plástica 
ELÁSTICA 
Antecede à deformação plástica. 
É reversível. 
Desaparece quando a tensão é 
removida. 
É praticamente proporcional à tensão 
aplicada (obedece a lei de Hooke). 
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. 
24 
E= /  =Kgf/mm2 
 É o quociente entre a tensão 
aplicada e a deformação elástica 
resultante. 
Está relacionada diretamente com 
as forças das ligações 
interatômicas. 
Lei de Hooke:  = E x  
P A lei de Hooke só é válida até este ponto 
Tg = E 
 
MÓDULO DE ELASTICIDADE OU MÓDULO DE 
YOUNG 
O módulo de elasticidade é a medida da rigidez do material. 
 
Logo, quanto maior for o módulo, menor será a deformação 
elástica resultante da aplicação de uma tensão e mais rígido 
será o material. 
LEI DE HOOKE 
26 
MÓDULO DE ELASTICIDADE PARA ALGUNS METAIS 
 MÓDULO DE ELASTICIDADE 
[E] 
GPa 106 Psi 
Magnésio 45 6.5 
AlumÍnio 69 10 
Latão 97 14 
Titânio 107 15.5 
Cobre 110 16 
Níquel 207 30 
Aço 207 30 
Tungstênio 407 59 
 
27 
COMPORTAMENTO NÃO LINEAR 
Alguns metais como ferro fundido 
cinzento, concreto e muitos polímeros 
apresentam um comportamento não linear 
na parte elástica da curva tensão x 
deformação. 
28 
Os materiais cerâmicos tem alto módulo de elasticidade, enquanto os 
materiais poliméricos apresentam um valor muito baixo. 
 
Com o aumento da temperatura o módulo de elasticidade diminui. 
MÓDULO DE ELASTICIDADE – 
CONSIDERAÇÕESGERAIS 
29 
Informações Curvas tensãoxdeformação 
 
 
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. 
 Neste caso, geralmente a tensão de 
escoamento corresponde à tensão máxima 
verificada durante a fase de escoamento. 
Não ocorre escoamento propriamente 
dito 
Escoamento 
30 
Limite de Escoamento 
Quando não observa-se 
nitidamente o fenômeno 
de escoamento, a tensão de 
escoamento corresponde 
à tensão necessária para promover 
uma deformação permanente de 
0,2% ou outro valor especificado. 
31 
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. 
 
Informações Curvas tensãoxdeformação 
32 
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. 
 
Informações Curvas tensãoxdeformação 
33 
 Corresponde ao alongamento total do 
material devido à deformação plástica 
ductilidade 
Ductilidade 
34 
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= esc
2/2E 
 
Materiais resilientes são aqueles 
que têm alto limite de 
elasticidade e baixo módulo de 
elasticidade (como os materiais 
utilizados para molas). 
esc 
35 
Tenacidade 
 
 
 Corresponde à capacidade do material 
de absorver energia até sua ruptura. tenacidade 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - TRAÇÃO 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS – 
DUCTILIDADE E FRAGILIDADE 
 Ductilidade: capacidade do material, de experimentar deformações inelásticas sem 
a perda de sua capacidade resistente, atingindo a ruptura após um considerável 
acúmulo de energia inelástica de deformação. A ductilidade é uma medida da 
capacidade do elemento estrutural se deformar antes que a ruptura ocorra. 
 
 Fragilidade: materiais frágeis se rompem facilmente, ainda em deformação 
elástica. Não costumam apresentar altos graus de deformação antes da ruptura. 
 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS – 
DUCTILIDADE E FRAGILIDADE 
te
n
s
ã
o
 
te
n
s
ã
o
 
te
n
s
ã
o
 
deformação deformação deformação 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS – 
DUCTILIDADE E FRAGILIDADE 
 Etapas da fratura: 
1. formação de uma trinca; 
2. propagação de uma trinca. 
 
(a) fratura altamente dúctil: 
material sofre longa estricção, a 
partir de uma determinada tensão, 
até um único ponto no momento 
da fratura; 
(b) fratura moderamente dúctil: 
material fratura após sofrer 
alguma deformação plástica; 
(c) fratura frágil: material 
fratura sem que ocorra nenhuma 
deformação plástica; 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS – 
DUCTILIDADE E FRAGILIDADE 
Na fratura dúctil a trinca é estável e só aumenta 
de tamanho se a carga aplicada sobre o material 
for aumentada. 
Na fratura frágil a trinca é instável 
e se propaga rapidamente mesmo 
sem aumento da carga aplicada. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - TRAÇÃO 
Determine para os dados a seguir: 
 
O limite de escoamento; 
O limite de resistência; 
A tensão de ruptura; 
O módulo de Young; 
A deformação na ruptura; 
 Se o material é frágil ou dúctil. 
1. Determine para os dados a seguir: 
 
O limite de escoamento; 
O limite de resistência; 
A tensão de ruptura; 
O módulo de Young; 
A deformação na ruptura; 
 Se o material é frágil ou dúctil. 
Exercícios 
1. A) 
Exercícios 
1. B) 
Exercícios 
1. C) 
Exercícios 
1. D) 
Exercícios 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - 
COMPRESSÃO 
 Usa o mesmo equipamento que o ensaio de tração, mas em vez de 
puxar a amostra, essa é submetida a uma carga de esmagamento. 
Muitos materiais mostram resistências e módulos semelhantes em 
tração e em compressão; assim os ensaios de compressão não são 
realizados com frequência, exceto nos casos onde é esperado que o 
material suporte grandes cargas compressivas. Entretanto, às 
resistências à compressão de muitos polímeros e compósitos são 
significativamente diferentes de suas resistências à tração. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - 
COMPRESSÃO 
 Na fase de deformação elástica, o corpo volta ao tamanho original quando se 
retira a carga de compressão. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - 
COMPRESSÃO 
 Na fase de deformação plástica, o corpo retém uma deformação residual 
depois de ser descarregado. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - COMPRESSÃO 
 O ensaio de compressão 
permite também uma 
análise direta do modo de 
deformação. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - FLAMBAGEM 
 Ou encurvadura é um fenômeno que ocorre em peças esbeltas (peças onde a 
área de secção transversal é pequena em relação ao seu comprimento), quando 
submetidas a um esforço de compressão axial. A flambagem acontece quando a 
peça sofre flexão tranversalmente devido à compressão axial. A flambagem é 
considerada uma instabilidade elástica, assim, a peça pode perder sua 
estabilidade sem que o material já tenha atingido a sua tensão de escoamento. 
 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - FLEXÃO 
 Usado para ensaiar materiais frágeis. Quando a amostra começa a defletir sob 
uma força aplicada, a parte de baixo é submetida a uma tensão de tração, 
enquanto a parte de cima é submetida a uma tensão de compressão. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - FLEXÃO 
 Durante o ensaio de flexão, a viga fica sujeita a compressão no topo e tração na 
base. Existe um plano com deformação zero (linha neutra) e, em uma viga com 
seção retangular, assume-se estar na espessura média. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS 
 - DUREZA 
 Dureza é a resistência da superfície de um material à penetração por um objeto 
duro e está profundamente relacionada à resistência à abrasão dos materiais. 
Materiais duros arranhão materiais mais macios e duram mais que esses. 
 Embora existam várias técnicas para medir a dureza, o ensaio Brinell é o mais 
comum. Ele é rápido, fácil e não destrutivo, pois o material não é rompido 
durante o ensaio. Nele uma esfera de carbeto de tungstênio, com 10 mm de 
diâmetro, é pressionada contra a superfície do material sob ensaio, usando uma 
força controlada. O tamanho da impressão é usado para determinar a dureza do 
material. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - DUREZA 
 Embora existam várias técnicas para medir a dureza, o ensaio Brinell é o mais 
comum. Ele é rápido, fácil e não destrutivo, pois o material não é rompido 
durante o ensaio. Nele uma esfera de carbeto de tungstênio, com 10 mm de 
diâmetro, é pressionada contra a superfície do material sob ensaio, usando uma 
força controlada. O tamanho da impressão é usado para determinar a dureza do 
material. 
O teste de dureza está bem relacionado 
com a resistência dos metais. Assim, 
este teste é utilizado para avaliar o 
efeito dos tratamentos térmicos em metais. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - DUREZA 
 Os cientistas de materiais frequentemente convertem os valores de dureza 
Brinell para um ponto na escala de dureza Mohs (Friedrich Mohs). 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - 
TENACIDADE 
 Representa uma medida da habilidade de um 
material em absorver energia até a fratura. 
 Pode ser determinada a partir da curva σ x ε. 
Ela é a área sobre a curva. 
 Para que um material seja tenaz, deve 
apresentar resistência e ductilidade. Materiais 
dúcteissão mais tenazes que os frágeis. 
Material 
Dúctil 
Material 
Frágil 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - FLUÊNCIA 
 A fluência está relacionada à deformação plástica de um material ao longo do 
tempo (normalmente sob temperaturas elevadas). Quando uma tensão contínua 
é aplicada a um material em temperatura elevada, ele pode se alongar e, por 
fim, falhar abaixo do limite de escoamento. 
 A fluência ocorre principalmente em três tipos de material: 
 Metais submetidos a tensões sob temperaturas próximas ao ponto de fusão. 
(Quando estão submetidos a tensões em temperaturas bem abaixo do ponto de 
fusão, como o aço a temperatura ambiente, geralmente, a fluência não é um 
grande problema). 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - FLUÊNCIA 
 Materiais susceptíveis a umidade que, por exemplo, expandem com a presença 
de água, são passíveis de exibir fluência relacionada com o escoamento da 
umidade no material. (Materiais porosos, como o concreto, estão sujeitos a 
fluência pela perda de umidade). 
 Materiais fibrosos. A fluência nestes materiais podem resultar do 
escorregamento da fibra na matriz. (O maior exemplo disso é a madeira). 
 
 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - FADIGA 
 Um material é submetido a muitos ciclos de tração e compressão, abaixo do 
limite de escoamento, até finalmente falhar. 
 Muito importante nos Metais! 
 Os objetivos dos ensaios de fadiga são determinar o número de ciclos de tensão, 
em um determinado nível de tensão, que um material pode suportar antes de 
falhar e o nível de tensão abaixo do qual existe uma probabilidade de 50% de 
que a falha nunca acontecerá. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - FADIGA 
 O ensaio de fadiga mais comum é o ensaio 
de viga engastada. Uma amostra de forma 
cilíndrica é presa em uma garra, em uma 
extremidade, e um peso, ou uma conexão, 
é preso à outra extremidade. Um motor 
gira a amostra, produzindo forças de 
tração e compressão alternadas, um 
contador registra o número de ciclos até 
que a amostra falhe. 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - FADIGA 
 Ruptura progressiva de materiais sujeitos a ciclos repetidos de tensão ou 
deformação. A fadiga é uma redução gradual da capacidade de carga do 
componente, pela ruptura lenta do material. 
 Ocorre sob solicitações bastante inferiores ao limite de resistência do metal ou 
outros materiais, isto é, na região elástica. É consequência de esforços 
alternados, que produzem trincas, em geral na superfície, devido à 
concentração de tensões. 
 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - FADIGA 
 Rupturas por fadiga são raras em elementos 
estruturais, mas em alguns componentes, este tipo de 
ruptura é comum – Por exemplo, em componentes 
metálicos como dobradiças. 
 
 Desenvolvimento de estruturas sujeitas ao tráfego 
veicular, como estradas e pontes devem levar em conta 
o efeito da fadiga. 
 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - 
MALEABILIDADE 
 Materiais que se permitem moldar a temperatura ambiente. 
 Capacidade do material de sofrer deformações permanentes em determinadas 
direções sem ruptura e com pouco gasto de energia. 
 Capacidade do material se reduzir em barras e chapas. 
 
 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - 
RESILIÊNCIA 
 Capacidade de um material absorver energia sob tração 
quando ele é deformado elasticamente e devolvê-la 
quando relaxado (recuperar); 
 O módulo de resiliência é dado pela área da curva 
tensão-deformação até o escoamento. 
 Assim, materiais de alta resiliência possuem alto limite 
de escoamento e baixo módulo de elasticidade. Estes 
materiais seriam ideais para uso em molas. 
 
ENSAIOS MECÂNICOS DOS MATERIAIS - 
DUCTIBILIDADE 
 Capacidade de deformação do material até que este se rompa. Está associada, 
assim, à capacidade de se reduzir a fios sem ocorrer ruptura. 
 Alongamento ou redução na seção reta do corpo imediatamente antes da 
ruptura – Estricção. 
 
 
 
OBRIGADA!