Unidade 3 - Materiais de Engenharia e suas propriedades mecânicas

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Projetos de Máquinas
UNIDADE 3 - MATERIAIS DE ENGENHARIA E 
SUAS PROPRIEDADES MECÂNICAS 
PROF. M.ª KACIÊ TRINDADE 1
Plano de aula
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1. Propriedades Mecânicas
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 O que quer que se projete, tem que ser feito de algum
material e deve ser possível fabricá-lo.
 Uma sólida compreensão das propriedades, dos
tratamentos e dos processos de fabricação dos materiais
é essencial para se realizar bons projetos de máquinas.
 As propriedades mecânicas de um material são
geralmente determinadas por meio de testes destrutivos
de amostras sob condições de carregamento
controladas.
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 As cargas do teste não reproduzem com precisão as
solicitações em serviço real, exceto em determinados
casos especiais.
 Não há garantia de que o material que você adquire para
sua peça exibirá as mesmas propriedades de resistência
que as amostras de materiais semelhantes previamente
testadas (VARIAÇÃO ESTATÍSTICA).
 Por esta razão, muitos dos dados de resistência
publicados devem ser utilizados com cautela, é sempre
importante (quando possível) realizar testes para verificar
as propriedades mecânicas dos seus protótipos/produtos
sob condições de serviço reais.
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 Os fabricantes de aviões, automóveis, motocicletas e de
outros produtos regularmente instrumentam e testam o
conjunto acabado sob condições de serviço reais ou
simuladas.
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1.1 Resistência
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1.1 Resistência
• O ensaio de tração é a medida mais comum desses
parâmetros de resistência estática.
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1.1 Resistência
• Materiais muito dúcteis, como o aço de baixo carbono, às
vezes apresentam uma queda aparente na tensão logo adiante
do ponto de escoamento.
• Muitos materiais menos dúcteis, como o alumínio e aços de
médio e alto carbono, não exibem esta queda aparente na
tensão.
• A resistência ao escoamento de um material que não exibe um
ponto claro de escoamento tem que ser definida com uma linha
deslocada, desenhada paralelamente à curva elástica e
deslocada de uma pequena porcentagem ao longo do eixo de
deformação.
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1.1 Resistência
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1.2 Módulo de Elasticidade
• A inclinação da curva σ–ε na região elástica, chamada de
módulo de Young ou módulo de elasticidade E, é um
parâmetro muito importante, pois define a rigidez do material
ou sua resistência à deformação elástica sob carregamento.
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1.2 Módulo de Elasticidade
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1.3 Resistencia e Rigidez específica
• A resistência específica de um material é definida como a
resistência (limite de resistência à tração) dividida pela
densidade.
• A rigidez específica é o módulo de elasticidade dividido pela
densidade do material.
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1.4 Ductilidade
• É a tendência de um material a deformar-se significativamente
antes de se romper.
• A ductilidade de um material é medida pela porcentagem de
seu alongamento até a ruptura, ou pela porcentagem de
redução da área na ruptura.
• Materiais com mais de 5% de alongamento na ruptura são
considerados dúcteis.
Exemplos de materiais dúcteis: Aço, 
cobre, ouro, etc.
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1.5 Fragilidade
• A ausência de deformação significativa
antes da ruptura é chamada de
fragilidade.
• Alguns materiais frágeis, como o ferro
fundido, não possuem uma região
elástica linear, e a linha reta deslocada é
obtida pela inclinação média da região.
Exemplos de materiais frágeis: Concreto 
simples, fibra de carbono, ferro fundido, 
vidro, porcelana, tijolo cerâmico etc.
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1.5 Fragilidade
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1.5 Fragilidade
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1.6 Resiliência
• A capacidade de um material de absorver energia por unidade
de volume sem deformação permanente é chamada de
resiliência UR (também denominada módulo de resiliência)
• É igual à área sob o diagrama tensão-deformação até o limite
elástico
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1.7 Tenacidade
• A capacidade de um material de absorver energia por unidade
de volume sem ruptura é denominada sua tenacidade UT
(também denominada módulo de tenacidade)
• É igual à área sob o diagrama tensão-deformação até o ponto
de ruptura.
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1.8 Tenacidade à fratura
• A tenacidade à fratura Kc (que não deve ser confundida com o
módulo de tenacidade definido acima) é uma propriedade do
material que define sua capacidade de suportar tensão na ponta
de uma trinca.
• A tenacidade à fratura de um material é medida sujeitando-se
um corpo de prova com uma trinca determinada à tração cíclica
até que ocorra a ruptura.
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1.9 Dureza
• A resistência de material à
penetração por uma ferramenta
pontiaguda é denominada
dureza.
• Porquê o ensaio de dureza é
o ensaio mecânico realizado
com mais frequência?
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1.9 Dureza
• A resistência de material à penetração por uma ferramenta
pontiaguda é denominada dureza.
2. Tipos de tratamentos térmicos usuais na 
construção mecânica
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2.1 Têmpera
• Para endurecer um aço de médio ou de baixo carbono, a peça é
aquecida acima de sua temperatura crítica (aproximadamente
760°C), deixa-se que ela se equilibre por algum tempo e depois
ela deve ser repentinamente resfriada até a temperatura
ambiente por imersão em um banho de água ou óleo.
• O rápido resfriamento cria uma solução supersaturada de
carbono em ferro chamada martensita, que é extremamente
dura e muito mais resistente do que o material “mole” original.
Infelizmente, ela é também muito frágil.
• O resfriamento repentino também introduz deformações na
peça. A alta fragilidade de um aço totalmente temperado
geralmente impede seu uso sem revenimento.
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construção mecânica
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2.2 Revenimento
• Subsequentemente à têmpera, a mesma peça pode ser
reaquecida a uma temperatura mais baixa (200 a 700°C),
deixada nesse banho de calor por um longo tempo e depois
deixada resfriar lentamente. Isso fará com que uma parte da
martensita se converta em ferrita e cementita, o que reduz um
pouco a resistência, mas restaura parte da ductilidade.
• A combinação de propriedades resultantes é bastante flexível e
pode ser feita sob medida por meio da variação do intervalo de
tempo e da temperatura.
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2.3 Recozimento
• O processo de têmpera e de revenido é reversível por
recozimento.
• A peça é aquecida acima da temperatura crítica (da mesma
maneira que para a têmpera), porém, agora, deixada resfriar
devagar até a temperatura ambiente. Isso restaura as condições
de solução e as propriedades mecânicas da liga não
endurecida. O recozimento é frequentemente utilizado, mesmo
para peças que não foram previamente endurecidas, com o
intuito de eliminar todas as tensões ou deformações residuais
introduzidas pelas forças aplicadas durante o processo de
conformação da peça.
• Ele efetivamente traz a peça de volta a um estado “relaxado” e
mole, restaurando seu diagrama tensão-deformação original.2. Tipos de tratamentos térmicos usuais na 
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2.4 Normalização
• A normalização é similar ao recozimento, porém envolve um
banho à alta temperatura durante um menor período de tempo e
uma taxa de resfriamento mais rápida.
• Ela tem como objetivo diminuir a granulação do aço, refinando a
estrutura do aço, dando propriedades melhores que as
conseguidas no processo de recozimento.
• O resultado é um aço um pouco mais resistente e duro do que
um aço totalmente recozido, mas que ainda está mais próximo
da condição de um aço recozido do que da condição de um aço
temperado e revenido.
2. Tipos de tratamentos térmicos usuais na 
construção mecânica
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2.5 Endurecimento superficial
• Quando uma peça é grande ou espessa, é difícil obter dureza
uniforme em seu interior por métodos de endurecimento maciço.
Uma alternativa é endurecer apenas a superfície, deixando o
interior mole.
• É interessante manter a completa ductilidade e tenacidade do
material maciço para maior capacidade de absorção de energia,
ao mesmo tempo que se obtém alta dureza superficial de
maneira a reduzir o desgaste e aumentar a resistência da
superfície.
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construção mecânica
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2.5 Endurecimento superficial
2.5.1 Cementação
• Aquece um aço de baixo carbono em uma atmosfera de
monóxido de carbono, levando a superfície a absorver carbono
em solução. Após isso, realiza-se têmpera.
2.5.2 Nitretação
• Aquece um aço de baixo carbono em uma atmosfera de
nitrogênio gasoso e forma duros nitretos de ferro nas camadas
superficiais.
2.5.3 Cianetação
• Aquece a peça em um banho de sal cianeto até por volta de
800°C, e o aço de baixo carbono forma tanto carbetos quanto
nitretos a partir do sal.
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2.5 Endurecimento superficial
Para aços de médio e de alto carbono, não é necessária nenhuma 
atmosfera artificial, já que o aço tem carbono suficiente para o 
endurecimento.
2.5.4 Têmpera por chama 
• Passa uma chama de oxiacetileno sobre a superfície a ser
endurecida, que é seguida de um jato de água para provocar a
têmpera. O resultado é uma superfície endurecida mais profunda
do que a obtida pelos métodos com atmosferas artificiais.
2.5.5 Têmpera por indução 
• Utiliza bobinas elétricas para aquecer rapidamente a superfície da 
peça, que é, então, temperada antes que o interior se aqueça.
3. Materiais normalmente utilizados nos 
projetos de máquinas
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3. Materiais normalmente utilizados nos 
projetos de máquinas
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